Вейр

Искусственное водное заграждение

Плотина на реке Хамбер возле парка Реймор в Торонто, Онтарио, Канада.

Плотина на реке Ясс , Новый Южный Уэльс, Австралия, прямо вверх по течению от совместного пешеходно-велосипедного перехода через реку.

Плотина на пороге Тиккуриланкоски в Вантаа , Финляндия.

Покадровая видеозапись установки новой наклонной плотины на уровнях Калдикот и Вентлоог

Плотина / wɪər / или низконапорная плотина — это барьер по ширине реки , который изменяет характеристики потока воды и обычно приводит к изменению высоты уровня реки. Плотины также используются для управления потоком воды для сбросов озер, прудов и водохранилищ. Существует множество конструкций плотин, но обычно вода свободно течет через верхнюю часть гребня плотины, прежде чем низвергнуться на более низкий уровень. Не существует единого определения того, что представляет собой плотина.

Водослив также может означать скиммер, установленный в большинстве заглубленных бассейнов, который контролирует поток воды, поступающей в систему фильтрации.

Этимология

Слово, вероятно, произошло от среднеанглийского were , древнеанглийского wer , производного от корня глагола werian, означающего «защищать, плотина». ^{[1] [2]} Немецкое родственное слово — Wehr , что означает то же самое, что и английское weir.

Функция

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

Обычно плотины используются для предотвращения наводнений , измерения расхода воды и для того, чтобы сделать реки более судоходными для лодок. В некоторых местах термины плотина и плотина являются синонимами, но обычно между этими сооружениями проводится четкое различие. Обычно плотина проектируется специально для того, чтобы задерживать воду за стеной, в то время как плотина проектируется для изменения характеристик течения реки.

Распространенное различие между плотинами и водосливами заключается в том, что вода течет поверх (гребня) водослива или под ним по крайней мере на части его длины. Соответственно, гребень водосброса на большой плотине может поэтому называться водосливом. Водосливы могут различаться по размеру как по горизонтали, так и по вертикали, причем самый маленький из них имеет высоту всего несколько сантиметров, а самый большой может быть много метров в высоту и сотни метров в длину. Некоторые общие цели водослива описаны ниже.

Измерение расхода

Водосливы предоставляют гидрологам и инженерам простой метод измерения объемного расхода в небольших и средних ручьях/реках или в местах промышленного сброса. Поскольку геометрия верхней части водослива известна, и вся вода течет через водослив, глубину воды за водосливом можно преобразовать в расход. Однако этого можно достичь только в местах, где вся вода течет через верхнюю часть 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 выполняются, это может сделать измерение расхода сложным, неточным или даже невозможным.

Расчет сброса можно обобщить следующим образом:

Q = C L H ⁿ

где

Q - объемный расход жидкости ( расход ),

C – коэффициент расхода для конструкции (в среднем 3,33),

L — ширина гребня ,

H — высота столба воды над гребнем,

n варьируется в зависимости от конструкции (например, 3 ⁄ 2 для горизонтального водослива, 5 ⁄ 2 для водослива с V-образным вырезом).

Однако этот расчет является общим отношением, и для многих различных типов водосливов доступны специальные расчеты. Водосливы для измерения расхода должны хорошо обслуживаться, чтобы они оставались точными. ^{[3] [4]}

Поток через V-образный водослив

Расход через водослив с V-образным вырезом (в футах ³ /с) определяется уравнением Киндсфатера–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 футах ³ /с,

g — ускорение свободного падения в футах/с2 ^· м

C _e — коэффициент коррекции расхода, приведенный в работе Shen 1981, стр. B29, рис. 12,

θ — угол V-образного выреза водослива,

h — высота жидкости над дном V-образного выреза,

k — коэффициент коррекции головы, приведенный в работе Shen 1981, стр. B20, рис. 4.

Контроль инвазивных видов

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

Водяные мельницы

Мельничные пруды создаются с помощью плотины, которая задерживает воду, которая затем течет по конструкции. Энергия, создаваемая изменением высоты воды, может затем использоваться для питания водяных колес и пилорам, шлифовальных кругов и другого оборудования.

Борьба с наводнениями и изменение состояния рек

Плотина с затвором на шлюзе Брей на реке Темзе , обращенная вниз по течению. На заднем плане — меньшая вторичная плотина «перелива». Также видны две небольшие лодки, прижатые к плотине перелива, которые были вымыты ею во время особенно сильного сброса в результате талой воды и последующих осадков после холодной волны зимы 2018 года.

Плотины обычно используются для регулирования расхода воды в реках в периоды высокого сброса. Шлюзовые ворота (или в некоторых случаях высота гребня плотины) 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 как автоматизированными, так и управляться вручную. Даже немного замедлив скорость, с которой вода движется вниз по течению, можно оказать непропорциональное влияние на вероятность наводнения. На более крупных реках плотина также может изменить характеристики потока водного пути до такой степени, что суда смогут перемещаться по ранее недоступным из-за экстремальных течений или водоворотов районам . Многие более крупные плотины будут иметь конструктивные особенности, которые позволяют лодкам и пользователям реки «стрелять по плотине» и перемещаться, проходя вверх или вниз по течению, не выходя из реки. Плотины, построенные для этой цели, особенно распространены на реке Темзе , и большинство из них расположены вблизи каждого из 45 шлюзов реки .

Проблемы

В периоды половодья через эту плотину из порфирового камня, построенную в XIX веке на ручье в Альпах, протекало значительно больше воды.

Экология

Поскольку плотина задерживает воду позади себя и изменяет режим течения реки, она может оказывать влияние на местную экологию . Как правило, снижение скорости реки вверх по течению может привести к увеличению заиления (отложению мелких частиц ила и глины на дне реки), что снижает содержание кислорода в воде и засоряет среду обитания беспозвоночных и места нереста рыб . Содержание кислорода обычно возвращается к норме, как только вода проходит через гребень плотины (хотя она может быть гипероксигенирована), хотя увеличение скорости реки может размыть русло реки, вызывая эрозию и потерю среды обитания.

Миграция рыб

Плотины могут оказывать значительное влияние на миграцию рыб . ^[6] Любая плотина, которая превышает максимальную высоту, на которую может прыгнуть вид, или создает условия потока, которые невозможно обойти (например, из-за чрезмерной скорости воды), фактически ограничивает максимальную точку выше по течению, в которой может мигрировать рыба. В некоторых случаях это может означать, что огромные участки среды размножения будут потеряны, и со временем это может оказать значительное влияние на популяции рыб.

Во многих странах в настоящее время законодательно установлено требование встраивать рыбопропускные сооружения в конструкцию плотины, которые обеспечивают возможность рыбе обходить барьеры и получать доступ к местообитаниям выше по течению. В отличие от плотин, плотины обычно не препятствуют миграции рыб вниз по течению (поскольку вода перетекает через верх и позволяет рыбе обходить конструкцию в этой воде), хотя они могут создавать условия потока, которые травмируют молодь рыб. Недавние исследования показывают, что судоходные шлюзы также могут обеспечить расширенный доступ для различных видов биоты , включая плохих пловцов. ^[7]

Безопасность

Спасательные катера, предназначенные для спасательных работ и подъема пострадавших с плотин с низким напором.

Несмотря на то, что вода вокруг плотин часто может казаться относительно спокойной, они могут быть чрезвычайно опасными местами для катания на лодке, плавания или перехода вброд, поскольку циркуляция на стороне ниже по течению — обычно называемая гидравлическим прыжком — может погрузить человека в воду на неопределенный срок. Это явление настолько хорошо известно каноистам, каякерам и другим, кто проводит время на реках, что у них даже есть печальное название для плотин: «утопающие машины». ^[8] Департамент природных ресурсов Огайо рекомендует жертве «прижать подбородок, подтянуть колени к груди, обхватив их руками. Надеемся, что условия будут такими, что течение будет толкать жертву по руслу реки, пока она не унесется за линию кипения и не освободится гидравлическим потоком». ^[9] Полиция штата Пенсильвания также рекомендует жертвам «свернуться калачиком, нырнуть на дно и плыть или ползти вниз по течению». ^[10] Поскольку гидравлический прыжок захватывает воздух, плавучесть воды между плотиной и линией кипения уменьшится более чем на 30%, и если жертва не сможет плавать, единственным вариантом выживания может стать бегство у основания плотины.

Распространенные типы

Существует множество различных типов плотин, которые могут варьироваться от простых каменных конструкций, которые едва заметны, до сложных и очень больших конструкций, требующих тщательного управления и обслуживания.

• 
  Мост и механизм плотины в Стерминстер-Ньютон на реке Стаур , Дорсет , Великобритания
• 
  Две плотины на реке Уир в Дареме , Великобритания: нижняя плотина представляет собой сложную плотину, которая также имеет рыбоходы , позволяющие таким рыбам, как лосось, перемещаться по плотине.
• 
  Плотина на шлюзе Хамблден на реке Темзе в Хамблдене , Бакингемшир . Плотина с широким гребнем, общественность имеет право преимущественного прохода через реку по ее пешеходной дорожке.
• 
  Управляемая вручную игольчатая плотина возле Ревена на реке Маас , Франция
• 
  Плотина с широким гребнем в Уоркуорте , Новая Зеландия.
• 
  Сложная серия водосливов с широким гребнем и V-образным вырезом на плотине Доббс в Хартфордшире , Великобритания.

Широкохохлый

Плотина с широким гребнем — это структура с плоским гребнем, где вода проходит через гребень, который покрывает большую часть или всю ширину канала. Это один из самых распространенных типов плотины, встречающихся во всем мире.

Сложный

Составной плотиной называется любая плотина, которая объединяет несколько различных конструкций в одну конструкцию. Обычно они встречаются в местах, где река имеет несколько пользователей, которым может потребоваться обойти конструкцию. Распространенной конструкцией будет та, где плотина имеет широкий гребень на большей части своей длины, но имеет участок, где плотина останавливается или «открыта», чтобы небольшие лодки и рыба могли пересекать конструкцию.

V-образный вырез

Водослив с выемкой — это любой водослив, где физический барьер значительно выше уровня воды, за исключением специального выреза (часто V-образного), вырезанного в панели. Во время нормального потока вся вода должна проходить через вырез, что упрощает расчеты объема потока, а во время паводка уровень воды может подняться и затопить 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. Например, стандартный прямоугольный водослив — это полиномиальный водослив нулевого порядка. Треугольные (V-образные) и трапециевидные водосливы имеют первый порядок. Полиномиальные водосливы высокого порядка обеспечивают более широкий диапазон соотношений напора и расхода и, следовательно, лучший контроль потока на выходах из озер, прудов и водохранилищ.

Смотрите также

• плотина Крамп
• Структура капли
• Рыболовная плотина
• Плотина с фиксированным гребнем
• Лоток
• Международный контроль плотины

Ссылки

Цитаты

1. "определение weir". Dictionary.com . Архивировано из оригинала 2017-03-04 . Получено 2017-03-03 .
2. "Weir". www.etymonline.com . Онлайн-словарь этимологии. Архивировано из оригинала 19 марта 2017 г. Получено 20 мая 2017 г.
3. "Weirs – Flow Rate Measure". www.engineeringtoolbox.com . Архивировано из оригинала 2017-03-04 . Получено 2017-03-03 .
4. "Факторы, влияющие на точность измерения расхода водослива". openchannelflow.com . Архивировано из оригинала 30 июля 2016 г. Получено 2 мая 2018 г.
5. Шен 1981, стр. B31, Ур. 6.
6. Туммерс и др. 2016, стр. 183–194.
7. Сильва и др. 2017, стр. 291–302.
8. Майкл Робинсон; Роберт Хофтален. «Опасные плотины». Ассоциация каноэ/байдарок Род-Айленда . Род-Айленд. Архивировано из оригинала 2010-08-12 . Получено 2011-06-26 .
9. Ohio DNR Division of Parks and Watercraft Boating. «Безопасность плотины Lowhead». watercraft.ohiodnr.gov. Архивировано из оригинала 30 ноября 2016 года . Получено 2 мая 2018 года .
10. "Архивная копия". Архивировано из оригинала 2018-05-02 . Получено 2017-06-15 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Спасение от низконапорной плотины
11. Баддур 2008, стр. 260–262.

Цитируемые работы

• Акерс, Питер (1978). Водосливы и лотки для измерения расхода . ISBN 978-0471996378.
• Баддур, Рауф Э. (2008). «Уравнение напора-расхода для полиномиального водослива с острым гребнем». Журнал по ирригации и дренажной технике . 134 (2): 260–262. doi :10.1061/(ASCE)0733-9437(2008)134:2(260). ISSN  0733-9437.
• Клемменс, Альберт (2010). Измерение расхода воды с помощью лотков и водосливов . ISBN 978-1887201544.
• Шен, Джон (1981). Характеристики расхода водосливов с тонкими пластинами и треугольным вырезом (PDF) . Вашингтон: Типография правительства США.
• Силва, Серхио; Лоури, Маран; Макайя-Солис, Консуэло; Байатт, Барри; Лукас, Мартин К. (2017). «Могут ли навигационные шлюзы использоваться для помощи мигрирующим рыбам с плохими плавательными способностями проходить приливные заграждения? Тест с миногами». Экологическая инженерия . 102 : 291–302. doi : 10.1016/j.ecoleng.2017.02.027 . ISSN  0925-8574.
• Таммерс, Йерун С.; Винтер, Эмили; Сильва, Серджио; О'Брайен, Пэт; Джанг, Мин-Хо; Лукас, Мартин К. (2016). «Оценка эффективности рыбопропускного устройства Larinier super active baffle для европейской речной миноги Lampetra fluviatilis до и после модификации с помощью настенных шипованных плиток». Экологическая инженерия . 91 : 183–194. doi : 10.1016/j.ecoleng.2016.02.046 . ISSN  0925-8574.

Дальнейшее чтение

• Чансон, Х. (2004). Гидравлика потока в открытом канале: Введение (2-е изд.). Оксфорд: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-5978-9.
• Чансон, Хьюберт (2007). «Гидравлические характеристики водопропускных труб с минимальными потерями энергии в Австралии» (PDF) . Журнал производительности построенных сооружений . 21 (4): 264–272. doi :10.1061/(ASCE)0887-3828(2007)21:4(264). ISSN  0887-3828.
• Гонсалес, Карлос А.; Шансон, Хуберт (2007). «Экспериментальные измерения распределений скорости и давления на большом водосливе с широким гребнем» (PDF) . Измерение расхода и приборы . 18 (3–4): 107–113. doi :10.1016/j.flowmeasinst.2007.05.005. ISSN  0955-5986.
• Хендерсон, FM (1996), Открытый канал потока , Нью-Йорк: MacMillan Company
• Маккей, GR (1971). «Проектирование водопропускных труб с минимальным потреблением энергии». Исследовательский отчет, Кафедра гражданской инженерии, Университет Квинсленда, Брисбен, Австралия, 29 страниц и 7 иллюстраций.
• Sturm, Terry W. (2010). Гидравлика открытого канала. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-126793-9.

Внешние ссылки

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