Дамба ( / ˈ l ɛ v i / или / ˈ l ɛ v eɪ / ), [ a] [1] dike ( американский английский ), dyke ( британский английский ; см. различия в написании ), embankment , floodbank , или stop bank — это сооружение, используемое для предотвращения изменения течения рек и защиты от затопления территории , прилегающей к реке или побережью. Обычно оно земляное и часто проходит параллельно течению реки в ее пойме или вдоль низменных береговых линий. [2 ]
Дамбы могут быть естественными хребтовыми структурами, которые формируются рядом с берегом реки, или быть искусственно возведенной насыпью [3] или стеной [4], которая регулирует уровень воды. Однако дамбы могут быть вредны для окружающей среды. [5] Противопаводковые дамбы являются более ограниченной альтернативой.
Древние цивилизации в долине Инда , Древнем Египте, Месопотамии и Китае строили дамбы. Сегодня дамбы можно найти по всему миру, и их разрушение из-за эрозии или других причин может стать крупными катастрофами, [6] такими как катастрофическое разрушение дамб в Большом Новом Орлеане в 2005 году , произошедшее в результате урагана Катрина .
Носители американского английского языка используют слово levee , происходящее от французского слова levée (от женского причастия прошедшего рода французского глагола lever , «поднимать»). Оно возникло в Новом Орлеане через несколько лет после основания города в 1718 году и позднее было принято носителями английского языка. [7] Название происходит от особенности гребней дамбы, которые возвышаются как над каналом, так и над окружающими поймами.
Современное слово dike или dyke , скорее всего, происходит от голландского слова dijk , причем строительство дамб хорошо засвидетельствовано еще в XI веке. 126-километровый (78 миль) западнофризский Омрингдейк , завершенный к 1250 году, был образован путем соединения существующих старых дамб. Римский летописец Тацит упоминает, что мятежные батавы прорывали дамбы, чтобы затопить свои земли и защитить свое отступление (70 г. н. э. ). [8] Слово dijk изначально обозначало как траншею , так и берег . Оно близко соответствует английскому глаголу to dig (копать) . [9]
В англосаксонском языке слово dic уже существовало и произносилось как dick в северной Англии и как ditch на юге. Подобно голландскому, английские корни слова лежат в рытье траншеи и формировании поднятой почвы в насыпь рядом с ней. Эта практика означает, что название может быть дано либо раскопке, либо насыпи. Таким образом, Offa's Dyke является комбинированной структурой, а Car Dyke является траншеей — хотя когда-то она также имела поднятые насыпи. В английских Мидлендс и Восточной Англии , а также в Соединенных Штатах, дамба — это то же, что и канава на юге Англии, маркер границы собственности или дренажный канал. Там, где она несет поток, ее можно назвать бегущей дамбой, как в Rippingale Running Dike , которая отводит воду от водосборного стока , Car Dyke, к South Forty Foot Drain в Линкольншире (TF1427). Weir Dike — это промочающая дамба в Bourne North Fen , около Twenty и вдоль реки Глен , Линкольншир . В Norfolk и Suffolk Broads дамба может быть дренажной канавой или узким искусственным каналом от реки или широкой для доступа или швартовки, некоторые более длинные дамбы называются, например, Candle Dyke. [10]
В некоторых частях Британии , особенно в Шотландии и Северной Англии , дамба может представлять собой полевую стену, обычно возведенную из сухого камня .
Основная цель искусственных дамб — предотвратить затопление прилегающей сельской местности и замедлить естественные изменения русла водного пути, чтобы со временем обеспечить надежные судоходные пути для морской торговли; они также ограничивают течение реки, что приводит к более высокому и быстрому потоку воды. Дамбы в основном можно найти вдоль моря, где дюны недостаточно прочны, вдоль рек для защиты от высоких наводнений, вдоль озер или вдоль польдеров . Кроме того, дамбы были построены с целью импольдеринга или в качестве границы для зоны затопления. Последнее может быть контролируемым затоплением военными или мерой по предотвращению затопления большей территории, окруженной дамбами. Дамбы также строились в качестве границ полей и в качестве военных оборонительных сооружений . Подробнее об этом типе дамб можно узнать в статье о стенах из сухого камня .
Дамбы могут представлять собой постоянные земляные сооружения или аварийные сооружения (часто из мешков с песком ), возводимые в спешке в случае наводнения.
Некоторые из самых ранних дамб были построены цивилизацией долины Инда (в Пакистане и Северной Индии с ок. 2600 г. до н. э. ), от которой зависела аграрная жизнь хараппских народов. [11] Дамбы также были построены более 3000 лет назад в Древнем Египте , где была построена система дамб вдоль левого берега реки Нил на протяжении более 1000 километров (600 миль), простирающаяся от современного Асуана до дельты Нила на берегах Средиземного моря . Месопотамские цивилизации и древний Китай также строили большие системы дамб. [12] Поскольку дамба прочна лишь настолько, насколько прочна ее самая слабая точка, высота и стандарты строительства должны быть постоянными по всей ее длине. Некоторые авторитеты утверждают, что для этого требуется сильная руководящая власть для руководства работой и, возможно, это стало катализатором для развития систем управления в ранних цивилизациях. Однако другие указывают на свидетельства крупномасштабных земляных сооружений для контроля за водными ресурсами, таких как каналы и/или дамбы, которые датируются периодом до правления царя Скорпиона в додинастическом Египте , когда управление было гораздо менее централизованным.
Другой пример исторической дамбы, которая защищала растущий город-государство Мехико-Теночтитлан и соседний город Тлателолко, был построен в начале 1400-х годов под руководством тлахтоани альтепетля Тескоко, Несауалькойотля. Его функция заключалась в отделении солоноватой воды озера Тескоко (идеально подходящей для сельскохозяйственной техники чинамитлей ) от пресной питьевой воды, поставляемой в поселения. Однако после того, как европейцы разрушили Теночтитлан, дамба также была разрушена, и наводнения стали серьезной проблемой, в результате чего большая часть озера была осушена в 17 веке.
Дамбы обычно строятся путем насыпи земли на очищенную ровную поверхность. Широкие у основания, они сужаются к ровной вершине, где можно разместить временные насыпи или мешки с песком. Поскольку интенсивность сброса паводка увеличивается в дамб на обоих берегах реки , а отложения ила повышают уровень русла реки , планирование и вспомогательные меры имеют жизненно важное значение. Секции часто отступают от реки, чтобы сформировать более широкий канал, а бассейны пойменных долин разделяются несколькими дамбами, чтобы предотвратить затопление большой площади одним прорывом. Дамба, сделанная из камней, уложенных горизонтальными рядами с подстилкой из тонкого дерна между каждым из них, известна как spetchel .
Искусственные дамбы требуют существенной инженерии. Их поверхность должна быть защищена от эрозии, поэтому они засажены растительностью, такой как бермудская трава , чтобы связать землю вместе. Со стороны суши высоких дамб обычно добавляется низкая терраса земли, известная как банкетка, в качестве еще одной меры по борьбе с эрозией. Со стороны реки эрозия от сильных волн или течений представляет еще большую угрозу целостности дамбы. Последствия эрозии устраняются путем посадки подходящей растительности или установки камней, валунов, утяжеленных матов или бетонных откосов . Отдельные канавы или дренажные плитки строятся для того, чтобы гарантировать, что фундамент не заболачивается.
Известные системы дамб были построены вдоль рек Миссисипи и Сакраменто в Соединенных Штатах , а также По , Рейн , Маас , Рона , Луара , Висла , дельта, образованная Рейном, Маасом/Маасом и Шельдой в Нидерландах и Дунай в Европе . В период китайских Воюющих царств ирригационная система Дуцзянъянь была построена Цинь в качестве проекта по сохранению воды и борьбе с наводнениями. Инфраструктура системы расположена на реке Минь , которая является самым длинным притоком реки Янцзы , в провинции Сычуань , Китай .
Система дамб Миссисипи представляет собой одну из крупнейших подобных систем, найденных где-либо в мире. Она включает в себя более 5600 км (3500 миль) дамб, простирающихся примерно на 1000 км (620 миль) вдоль Миссисипи, простираясь от мыса Жирардо , штат Миссури , до дельты Миссисипи . Они были начаты французскими поселенцами в Луизиане в 18 веке для защиты города Новый Орлеан . [13] Первые дамбы Луизианы были около 90 см (3 фута) в высоту и покрывали расстояние около 80 км (50 миль) вдоль берега реки. [13] Инженерный корпус армии США совместно с Комиссией по реке Миссисипи расширил систему дамб, начиная с 1882 года, чтобы покрыть берега реки от Каира, штат Иллинойс, до устья дельты Миссисипи в Луизиане. [13] К середине 1980-х годов они достигли своей нынешней протяженности и в среднем составляли 7,3 м (24 фута) в высоту; некоторые дамбы Миссисипи достигают высоты 15 м (50 футов). Дамбы Миссисипи также включают некоторые из самых длинных непрерывных отдельных дамб в мире. Одна из таких дамб простирается на юг от Пайн-Блафф , Арканзас , на расстояние около 610 км (380 миль). Масштаб и размах дамб Миссисипи часто сравнивают с Великой Китайской стеной . [14]
Инженерный корпус армии США (USACE) рекомендует и поддерживает технологию ячеистого ограничения (геоячейки) как наилучшую практику управления. [15] Особое внимание уделяется вопросу поверхностной эрозии, предотвращению перелива и защите гребня дамбы и склона вниз по течению. Армирование геоячейками обеспечивает растягивающее усилие грунта для лучшего сопротивления нестабильности.
Искусственные дамбы могут привести к повышению естественного русла реки с течением времени; произойдет это или нет и насколько быстро, зависит от разных факторов, одним из которых является количество и тип донного наноса реки. Аллювиальные реки с интенсивным накоплением осадка склонны к такому поведению. Примеры рек, где искусственные дамбы привели к повышению русла реки, даже до точки, где русло реки выше, чем прилегающая поверхность земли за дамбами, можно найти для реки Хуанхэ в Китае и Миссисипи в Соединенных Штатах.
Дамбы очень распространены на болотах, граничащих с заливом Фанди в Нью-Брансуике и Новой Шотландии , Канада . Акадийцы , которые заселили этот район, могут быть приписаны к первоначальному строительству многих дамб в этом районе, созданных с целью ведения сельского хозяйства на плодородных приливных болотах. Эти дамбы называются дамбами. Они построены с навесными шлюзовыми воротами, которые открываются во время отлива, чтобы слить пресную воду с сельскохозяйственных болот и закрываются во время прилива, чтобы предотвратить попадание морской воды за дамбу. Эти шлюзовые ворота называются « aboiteaux ». В Нижнем Мейнленде вокруг города Ванкувер , Британская Колумбия , есть дамбы (известные местным жителям как дамб, а также называемые «морской стеной») для защиты низменных земель в дельте реки Фрейзер , в частности, города Ричмонд на острове Лулу . Также имеются дамбы для защиты других мест, которые в прошлом подвергались затоплению, таких как Питт-Полдер, земли, прилегающие к реке Питт и другим притокам.
Прибрежные дамбы для защиты от наводнений также распространены вдоль внутренней береговой линии за Ваддензе , областью, опустошенной многими историческими наводнениями. [16] Таким образом, народы и правительства возвели все более крупные и сложные системы дамб для защиты от наводнений, чтобы остановить море даже во время штормовых наводнений. Самыми большими из них являются огромные дамбы в Нидерландах , которые вышли за рамки простой защиты от наводнений, поскольку они агрессивно отвоевали земли, которые находятся ниже среднего уровня моря. [17]
Эти типично рукотворные гидротехнические сооружения расположены для защиты от эрозии. Обычно они размещаются в аллювиальных реках перпендикулярно или под углом к берегу канала или к откосу [ 18] и широко используются вдоль береговых линий. Существует два распространенных типа шпорных дамб, проницаемые и непроницаемые, в зависимости от материалов, используемых для их строительства.
Естественные дамбы обычно формируются вокруг низменных рек и ручьев без вмешательства человека. Это удлиненные хребты грязи и/или ила, которые формируются на поймах рек, непосредственно прилегающих к срезанным берегам. Как и искусственные дамбы, они снижают вероятность затопления пойм.
Отложение дамб является естественным следствием разлива извилистых рек, которые несут большую долю взвешенных осадков в виде мелкого песка, ила и грязи. Поскольку пропускная способность реки частично зависит от ее глубины, осадок в воде, которая находится над затопленными берегами русла, больше не способен удерживать то же количество мелких осадков во взвешенном состоянии, что и основной тальвег . Таким образом, дополнительные мелкие осадки быстро оседают на частях поймы, ближайших к руслу. В течение значительного количества наводнений это в конечном итоге приведет к образованию хребтов в этих местах и снижению вероятности дальнейших наводнений и эпизодов строительства дамб. [19]
Если агградация продолжит происходить в главном русле, это снова сделает перелив дамбы более вероятным, и дамбы могут продолжать наращиваться. В некоторых случаях это может привести к тому, что русло канала в конечном итоге поднимется над окружающими поймами, удерживаемое только дамбами вокруг него; примером является река Хуанхэ в Китае около моря, где океанские суда, кажется, плывут высоко над равниной на возвышенной реке. [20]
Дамбы обычны для любой реки с высокой фракцией взвешенных осадков и, таким образом, тесно связаны с извилистыми руслами, которые также более вероятны там, где река несет большие фракции взвешенных осадков. По тем же причинам они также обычны для приливных ручьев, куда приливы приносят большие объемы прибрежного ила и грязи. Высокие весенние приливы вызывают наводнения и приводят к наращиванию дамб.
Как естественные, так и искусственные дамбы могут рушиться разными способами. Факторы, вызывающие разрушение дамбы, включают перелив, эрозию, структурные разрушения и насыщение дамбы. Наиболее частым (и опасным) является прорыв дамбы . В этом случае часть дамбы фактически прорывается или размывается, оставляя большое отверстие для воды, чтобы затопить земли, в противном случае защищенные дамбой. Прорыв может быть внезапным или постепенным, вызванным либо поверхностной эрозией, либо подповерхностной слабостью дамбы. Прорыв может оставить веерообразный осадок, расходящийся от прорыва, описываемый как расщелина . В естественных дамбах после того, как произошел прорыв, разрыв в дамбе останется до тех пор, пока он снова не будет заполнен процессами строительства дамбы. Это увеличивает вероятность возникновения будущих прорывов в том же месте. Прорывы могут быть местом меандровых отсечек , если направление течения реки постоянно отклоняется через прорыв.
Иногда говорят, что дамбы терпят неудачу, когда вода переливается через гребень дамбы. Это вызывает затопление пойменных участков, но поскольку это не повреждает дамбу, это имеет меньше последствий для будущих затоплений.
Среди различных механизмов разрушения, которые вызывают прорывы дамб, эрозия почвы считается одним из наиболее важных факторов. Прогнозирование эрозии почвы и образования размыва при переливе важно для проектирования устойчивых дамб и противопаводковых стен . Было проведено множество исследований по изучению эрозионной способности почв. Брио и др. (2008) [21] использовали тест Erosion Function Apparatus (EFA) для измерения эрозионной способности почв, а затем с помощью программного обеспечения Chen 3D было проведено численное моделирование на дамбе для определения векторов скорости в переливающейся воде и образующегося размыва, когда переливающаяся вода сталкивается с дамбой. Анализируя результаты теста EFA, была разработана диаграмма эрозии для классификации эрозионной способности почв. Хьюз и Надаль в 2009 году [22] изучили влияние комбинации перелива волны и перелива штормового нагона на эрозию и образование размыва на дамб. Исследование включало гидравлические параметры и характеристики потока, такие как толщина потока, интервалы волн, уровень нагона над короной дамбы при анализе развития размыва. Согласно лабораторным испытаниям, были выведены эмпирические корреляции, связанные со средним сбросом перелива, для анализа устойчивости дамбы к эрозии. Эти уравнения могли соответствовать только ситуации, аналогичной экспериментальным испытаниям, в то время как они могут дать разумную оценку, если их применять к другим условиям.
Осули и др. (2014) и Каримпур и др. (2015) провели физическое моделирование дамб в лабораторных масштабах, чтобы оценить характеристики различных дамб из-за перелива воды через дамбу. [23] [24]
Другим подходом, применяемым для предотвращения прорывов дамб, является электротомография сопротивления (ERT). Этот неразрушающий геофизический метод может заранее обнаружить критические области насыщения в насыпях. Таким образом, ERT может использоваться для мониторинга явлений просачивания в земляных сооружениях и действовать как система раннего оповещения, например, в критических частях дамб или насыпей. [25]
Крупномасштабные сооружения, предназначенные для изменения естественных процессов, неизбежно имеют некоторые недостатки или негативные последствия.
Дамбы прерывают экосистемы поймы, которые развивались в условиях сезонных наводнений. [26] Во многих случаях воздействие носит двойной характер, поскольку снижение повторяемости наводнений также способствует изменению характера землепользования с лесных пойм на фермерские хозяйства.
В естественном водоразделе паводковые воды распространяются по ландшафту и медленно возвращаются в реку. Ниже по течению доставка воды из зоны затопления растянута во времени. Если дамбы удерживают паводковые воды внутри узкого канала, вода доставляется ниже по течению в течение более короткого периода времени. Тот же объем воды в течение более короткого промежутка времени означает более высокий уровень реки (высоту). По мере того, как выше по течению строится больше дамб, интервал повторения событий высокого уровня воды в реке увеличивается, что часто требует увеличения высоты дамб. [27]
Во время естественного наводнения вода, переливающаяся через берега, поднимается медленно. Когда дамба рушится, стена воды, сдерживаемая дамбой, внезапно выливается на ландшафт, как при прорыве плотины. Пострадавшие районы, удаленные от прорыва, могут испытать наводнение, похожее на естественное явление, в то время как ущерб вблизи прорыва может быть катастрофическим, включая образование глубоких ям и каналов в близлежащем ландшафте. [28]
В естественных условиях паводковые воды быстро возвращаются в русло реки, когда уровень воды падает. Во время прорыва дамбы вода выливается в пойму и движется вниз по склону, где она блокируется от возвращения в реку. Наводнение длится дольше на таких территориях, ожидая, пока паводковые воды медленно просочятся и испарится.
Естественное затопление добавляет слой осадка в пойму. Дополнительный вес таких слоев в течение многих столетий заставляет кору глубже погружаться в мантию , подобно тому, как плавающий брусок дерева заталкивается глубже в воду, если сверху добавить еще одну доску. Импульс движения вниз не прекращается немедленно, когда перестают добавляться новые слои осадка, что приводит к проседанию (погружению поверхности земли). [29] В прибрежных районах это приводит к погружению земли ниже уровня моря, миграции океана вглубь суши и проникновению соленой воды в пресноводные водоносные горизонты. [30]
Там, где большая река впадает в океан, скорость воды внезапно замедляется, а ее способность переносить песок и ил уменьшается. Осадки начинают оседать, в конечном итоге образуя дельту и простираясь до береговой линии в сторону моря. Во время последующих наводнений вода, выливающаяся из русла, найдет более короткий путь к океану и начнет формировать новую дельту. Воздействие волн и океанические течения перераспределяют часть осадка, чтобы сформировать пляжи вдоль побережья. Когда дамбы возводятся до самого океана, осадки от наводнений отсекаются, река никогда не мигрирует, а повышенная скорость реки переносит осадок в глубокие воды, где воздействие волн и океанические течения не могут перераспределить его. Вместо формирования естественной клиновидной дельты, « дельта птичьей лапки » простирается далеко в океан. Результаты для окружающих земель включают истощение пляжа, проседание, вторжение соленой воды и потерю земли. [31]
{{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)