Плотина

Там нет единого определения того , что представляет собой плотину и один английский словарь просто определяет плотину как небольшая плотина , вероятно , происходящие из среднеанглийских были , Старый английский WER , производный от корня werian, что означает «защищать, дамбу». ^{[1] [2]}

Широкая плотина на мельнице Торп в Торпе, Вашингтон , США.

Обычно плотины используются для предотвращения наводнений , измерения расхода воды и облегчения судоходства по рекам на лодках. В некоторых местах термины « плотина» и «плотина» являются синонимами, но обычно между сооружениями проводится четкое различие. Обычно плотина проектируется специально для сбора воды за стеной, в то время как плотина предназначена для изменения характеристик речного потока.

Общее различие между плотинами и водосливами заключается в том, что вода течет над вершиной (гребнем) водослива или под ним, по крайней мере, на некоторой части его длины. Соответственно, гребень водосброса на большой плотине может называться плотиной. Плотины могут различаться по размеру как по горизонтали, так и по вертикали, при этом самые маленькие из них составляют всего несколько дюймов в высоту, а самые большие могут достигать многих метров в высоту и сотен метров в длину. Ниже описаны некоторые общие цели водослива.

Измерение расхода

Водосливы позволяют гидрологам и инженерам использовать простой метод измерения объемного расхода в ручьях / реках малого и среднего размера или в местах промышленных сбросов. Поскольку геометрия верхней части водослива известна и вся вода течет по водосливу, глубину воды за водосливом можно преобразовать в скорость потока. Однако это может быть достигнуто только в местах, где вся вода течет через вершину гребня водослива (в отличие от боковых сторон или через каналы или шлюзы) и в местах, где вода, которая течет через гребень, уносится от конструкции. . Если эти условия не соблюдены, это может сделать измерение расхода сложным, неточным или даже невозможным.

Расчет расхода можно резюмировать как:

${\ displaystyle Q = CLH ^ {n}}$

Где:

• Q - объемный расход жидкости ( расход )
• C - коэффициент расхода для конструкции (в среднем 0,62).
• L - ширина гребня
• H - высота напора над гребнем
• n зависит от конструкции (например, 3/2 для горизонтального водослива, 5/2 для водослива с v-образным вырезом)

Однако этот расчет является общей зависимостью, и для многих различных типов водосливов доступны конкретные расчеты. Водосливы для измерения расхода должны содержаться в хорошем состоянии, чтобы они оставались точными. ^{[3] [4]}

Обтекание водослива с V-образным вырезом

Расход воды через водослив с V-образным вырезом (фут ³ / с) определяется уравнением Киндсватера-Шена. ^[5]

${\ displaystyle Q = {\ frac {8} {15}} {\ sqrt {2g}} C_ {e} \ tan {\ frac {\ theta} {2}} (h + k) ^ {\ frac {5 } {2}}}$

Где:

• Q - объемный расход жидкости в фут ³ / с.
• g - ускорение свободного падения в фут / с ²
• C _e - коэффициент поправки на поток, указанный в Shen 1981 , p. B29, Рис. 12
• θ - угол водослива с V-образным вырезом.
• h - высота жидкости над дном V-образного паза.
• k - поправочный коэффициент для головы, указанный в Shen 1981 , p. B20, Рис. 4

Борьба с инвазивными видами

Поскольку плотины являются физическим барьером, они могут препятствовать продольному перемещению рыб и других животных вверх и вниз по реке. Это может оказать негативное влияние на виды рыб, которые мигрируют в рамках их цикла размножения (например, лососевые ), но также может быть полезным в качестве метода предотвращения перемещения инвазивных видов вверх по течению. Например, плотины в районе Великих озер помогли предотвратить заселение инвазивной морской миноги выше по течению.

Водяные мельницы

Мельничные пруды создаются водосливом, который накапливает воду, которая затем течет по конструкции. Энергию, создаваемую изменением высоты воды, можно затем использовать для привода водяных колес и пилорамы, шлифовальных кругов и другого оборудования.

Борьба с наводнениями и изменение состояния реки

Плотина на шлюзе у шлюза Брей на Темзе , обращенная вниз по течению, на заднем плане - меньшая вторичная плотина «переливного разлива». Также видны две небольшие лодки, удерживаемые у водослива, которые были омыты водой во время особенно сильного сброса из-за талой воды от зимней волны холода 2018 года.

Плотины обычно используются для регулирования расхода рек в периоды высокого расхода воды. Затворы шлюзов (или в некоторых случаях высота гребня водослива) могут быть изменены для увеличения или уменьшения объема воды, текущей вниз по течению. Плотины для этой цели обычно находятся выше по течению от городов и деревень и могут быть автоматизированы или управляться вручную. Путем даже небольшого замедления скорости, с которой вода движется вниз по течению, может быть оказано непропорциональное воздействие на вероятность наводнения. На более крупных реках плотина также может изменить характеристики потока водного пути до такой степени, что суда смогут перемещаться по участкам, ранее недоступным из-за сильных течений или водоворотов . Многие более крупные плотины будут иметь конструктивные особенности, которые позволят лодкам и речным пользователям «стрелять в плотину» и перемещаться вверх или вниз по течению, не выходя из реки. Плотины, построенные для этой цели, особенно распространены на Темзе , и большинство из них расположено около каждого из 45 речных шлюзов .

В периоды высокого речного стока по этой плотине из порфира девятнадцатого века на ручье в Альпах могло протекать значительно больше воды.

Экология

Поскольку плотина собирает воду за собой и изменяет режим течения реки, это может повлиять на местную экологию . Как правило, снижение скорости реки вверх по течению может привести к усилению заиления (отложение мелких частиц ила и глины на дне реки), что снижает содержание кислорода в воде и душит местообитания беспозвоночных и места нереста рыб . Содержание кислорода обычно возвращается к норме после того, как вода проходит через гребень плотины (хотя она может быть гипероксигенирована), хотя повышенная скорость реки может размывать русло реки, вызывая эрозию и потерю среды обитания.

Миграция рыб

Водосливы могут иметь значительное влияние на миграцию рыб . ^[6] Любая плотина, которая превышает максимальную высоту, которую может перепрыгнуть вид, или создает условия потока, которые нельзя обойти (например, из-за чрезмерной скорости воды), эффективно ограничивает максимальную точку вверх по течению, в которой рыба может мигрировать. В некоторых случаях это может означать, что огромные участки среды обитания теряются, и со временем это может оказать значительное влияние на популяции рыб.

Во многих странах в настоящее время законодательно предписано встраивать рыбные лестницы в конструкцию плотины, чтобы рыба могла преодолевать препятствия и получать доступ к местам обитания выше по течению. В отличие от плотин, плотины обычно не предотвращают миграцию рыб вниз по течению (поскольку вода перетекает сверху и позволяет рыбе обходить сооружения в этой воде), хотя они могут создавать условия потока, которые травмируют молодь рыб. Недавние исследования показывают, что судоходные шлюзы также могут обеспечить улучшенный доступ для целого ряда биоты , включая плохих пловцов. ^[7]

Безопасность

Даже несмотря на то, что вода вокруг плотин часто может казаться относительно спокойной, они могут быть чрезвычайно опасными местами для лодки, плавания или перехода вброд, поскольку схемы циркуляции на нижней стороне - обычно называемые гидравлическим прыжком - могут затопить человека на неопределенное время. Это явление настолько хорошо известно байдарочникам, каякерам и другим людям, которые проводят время на реках, что у них даже есть печальное название плотин: «машины для утопления». ^[8] ДНР Огайо рекомендует, чтобы жертва «подтянула подбородок вниз, подтянула колени к груди, обхватив их руками. Надеемся, что условия будут такими, что течение будет толкать жертву по руслу реки до унесен за линию кипения и выпущен гидравлической системой ". ^[9] Полиция штата Пенсильвания также рекомендует жертвам «свернуться калачиком, нырнуть на дно и плыть или ползать вниз по течению». ^[10] Поскольку гидравлический прыжок увлекает воздух, плавучесть воды между плотиной и линией кипения будет снижена более чем на 30%, и если пострадавший не может плавать, спасение у основания дамбы может быть единственным вариант для выживания.

Две плотины на реке Уир в Дареме , Великобритания: нижняя плотина представляет собой сложную плотину, в которой также есть рыбные лестницы, позволяющие рыбе, такой как лосось, перемещаться по плотине

Существует множество различных типов водосливов, и они могут варьироваться от простой каменной конструкции, которая едва заметна, до сложных и очень больших структур, требующих тщательного управления и обслуживания.

Широкохохлый

Плотина с широким гребнем - это структура с плоским гребнем, где вода проходит по гребню, который покрывает большую часть или всю ширину канала. Это один из наиболее распространенных типов водосливов во всем мире.

Сложный

Сложный водослив - это любой водослив, который объединяет несколько различных конструкций в одну структуру. Их обычно можно увидеть в местах, где у реки есть несколько пользователей, которым может потребоваться обойти сооружение. Обычная конструкция - это водослив с широким гребнем на большей части своей длины, но с участком, где водослив останавливается или «открыт», так что небольшие лодки и рыба могут пересекать конструкцию.

V-образный вырез

Водослив с выемкой - это любой водослив, где физический барьер значительно выше уровня воды, за исключением специальной выемки (часто V-образной), вырезанной в панели. Во время нормального потока вся вода должна проходить через выемку, что упрощает расчет объема потока, а во время наводнения уровень воды может подниматься и погружать водослив без каких-либо изменений в конструкции.

Полиномиальный

Полиномиальный водослив - это водослив, геометрия которого определяется полиномиальным уравнением любого порядка n . ^[11] На практике большинство водосливов являются полиномиальными водосливами низкого порядка. Стандартный прямоугольный водослив - это, например, полиномиальный водослив нулевого порядка. Треугольные (V-образный вырез) и трапециевидные водосливы относятся к первому порядку. Полиномиальные водосливы высокого порядка обеспечивают более широкий диапазон соотношений напор-расход и, следовательно, лучший контроль потока на выходах из озер, прудов и водохранилищ.

• Крамп плотина
• Рыболовная плотина
• Структура капли
• Плотина с фиксированным гребнем
• Международная Контрольная Плотина

Заметки

Процитированные работы

дальнейшее чтение

• Гидравлика водопропускных труб с минимальными потерями энергии (MEL) и водных путей моста (нажмите «продолжить» на веб-странице с рекомендациями UQ-ITS)