Плотина

Искусственный речной барьер

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

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

Плотина на пороге Тиккуриланкоски в Вантаа , Финляндия.

Покадровое видео установки новой наклонной плотины на уровнях Калдикот и Вентлуг

Плотина / wɪər / или низконапорная плотина — это преграда по ширине реки, изменяющая характеристики потока воды и обычно приводящая к изменению высоты уровня реки. Плотины также используются для регулирования расхода воды на выходах озер, прудов и водохранилищ. Существует множество конструкций плотин, но обычно вода свободно течет через верхнюю часть гребня плотины, а затем скатывается на более низкий уровень. Не существует единого определения того, что представляет собой плотина, и один английский словарь просто определяет плотину как небольшую плотину .

Вейр также может относиться к скиммеру, который можно найти в большинстве подземных плавательных бассейнов и который контролирует поток воды, поступающей в систему фильтрации.

Этимология

Слово, вероятно, произошло от среднеанглийского are , древнеанглийского wer , производного от корня глагола werian, означающего «защищать, плотину». ^{[1] [2]} Немецкий родственный язык — Wehr , что означает то же самое, что и английский weir.

Функция

Широкая гребнеобразная 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 задержания воды за стеной, а плотина предназначена для изменения характеристик речного стока.

Общее различие между плотинами и плотинами заключается в том, что вода течет через верхнюю часть (гребень) плотины или под ней, по крайней мере, на некоторой части ее длины. Соответственно, гребень водосброса на большой плотине можно назвать плотиной. Плотины могут различаться по размеру как по горизонтали, так и по вертикали: самые маленькие из них имеют высоту всего несколько сантиметров, а самые большие могут достигать многих метров в высоту и сотен метров в длину. Ниже описаны некоторые распространенные цели использования плотин.

Измерение расхода

Водосливы предоставляют гидрологам и инженерам простой метод измерения объемного расхода в ручьях/реках малого и среднего размера или в местах промышленных сбросов. Поскольку геометрия верха плотины известна и вся вода течет через плотину, глубину воды за плотиной можно преобразовать в скорость потока. Однако этого можно достичь только в тех местах, где вся вода течет через верхнюю часть гребня плотины (а не по бокам или через водоводы или шлюзы), а также в местах, где вода, текущая через гребень, уносится от конструкции. . Если эти условия не выполняются, измерение расхода может стать сложным, неточным или даже невозможным.

Расчет расхода можно резюмировать следующим образом:

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

где

Q – объемный расход жидкости ( расход ),

С – коэффициент текучести конструкции (в среднем показатель 3,33),

L — ширина гребня ,

H – высота напора 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 соотношением, и для многих различных типов плотин доступны конкретные расчеты. Водосливы для измерения расхода должны содержаться в хорошем состоянии, чтобы они оставались точными. ^{[3] [4]}

Поток через водослив с V-образным вырезом

Поток 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 фут ³ /с,

g — ускорение свободного падения, фут/с ² м.

C _e — поправочный коэффициент расхода, указанный в Shen 1981, стр. Б29, рис. 12,

θ - угол водослива с V-образным вырезом,

h – высота жидкости над дном V-образного выреза,

k — поправочный коэффициент головы, указанный в Shen 1981, стр. Б20, рис. 4.

Контроль инвазивных видов

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

Водяные мельницы

Мельничные пруды создаются плотиной, которая собирает воду, которая затем течет по сооружению. Энергия, создаваемая изменением высоты воды, может затем использоваться для приведения в действие водяных колес, лесопилок, шлифовальных кругов и другого оборудования.

Борьба с наводнениями и изменение состояния рек

Плотина на базе шлюзовых ворот в шлюзе Брей на реке Темзе , обращенная вниз по течению. На заднем плане - меньшая по размеру вторичная плотина «перелива». Также видны две небольшие лодки, прижатые к водосливной плотине, которые были прибиты к ней во время особенно сильного сброса воды в результате талой воды и последующих дождей после зимней холодной волны 2018 года.

Плотины обычно используются для контроля скорости потока рек в периоды высокого расхода воды. Шлюзы (или, в некоторых случаях, высоту гребня плотины) можно изменить, чтобы увеличить или уменьшить объем воды, стекающей вниз по течению. Для этой цели плотины обычно располагаются выше по течению от городов и деревень и могут управляться автоматически или вручную. Даже незначительное замедление скорости движения воды вниз по течению может оказать непропорционально сильное влияние на вероятность наводнений. На более крупных реках плотина также может изменить характеристики потока водного пути до такой степени, что суда смогут перемещаться по районам, ранее недоступным из-за сильных течений или водоворотов . Многие более крупные плотины будут иметь конструктивные особенности, которые позволят лодкам и пользователям реки «простреливать плотину» и перемещаться вверх или вниз по течению, не выходя из реки. Плотины, построенные для этой цели, особенно распространены на реке Темзе , и большинство из них расположены возле каждого из 45 шлюзов реки .

Проблемы

В периоды сильного речного стока через эту плотину из порфирового камня девятнадцатого века на ручье в Альпах протекало значительно больше воды.

Экология

Поскольку плотина задерживает воду за собой и изменяет режим течения реки, это может оказать влияние на местную экологию . Как правило, снижение скорости реки вверх по течению может привести к усилению заиления (отложения мелких частиц ила и глины на дне реки), что снижает содержание кислорода в воде и подавляет среду обитания беспозвоночных и места нереста рыбы . Содержание кислорода обычно возвращается к нормальному значению после того, как вода прошла через гребень плотины (хотя она может быть перенасыщена кислородом), хотя увеличение скорости реки может размыть русло реки, вызывая эрозию и потерю среды обитания.

Миграция рыб

Плотины могут оказывать существенное влияние на миграцию рыбы . ^[6] Любая плотина, превышающая максимальную высоту, которую может прыгнуть вид, или создающая условия потока, которые невозможно 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 территории для размножения теряются, и со временем это может оказать существенное влияние на популяции рыб.

Во многих странах в настоящее время установлено юридическое требование встраивать рыбные лестницы в конструкцию плотины, которые гарантируют, что рыба сможет обойти барьеры и получить доступ к местам обитания вверх по течению. В отличие от плотин, плотины обычно не предотвращают миграцию рыбы вниз по течению (поскольку вода течет через верх и позволяет рыбе обходить конструкции в этой воде), хотя они могут создавать условия течения, которые травмируют молодь рыбы. Недавние исследования показывают, что навигационные шлюзы также могут обеспечить расширенный доступ для широкого круга представителей биоты , включая плохих пловцов. ^[7]

Безопасность

Спасательные лодки, предназначенные для спасения и подъема с низконапорных плотин.

Несмотря на то, что вода вокруг плотин часто может казаться относительно спокойной, они могут быть чрезвычайно опасными местами для катания на лодках, плавания или перехода вброд, поскольку схемы циркуляции на стороне ниже по течению, обычно называемые гидравлическим прыжком, могут погрузить человека под воду на неопределенный срок. Это явление настолько хорошо известно каноистам, каякерам и другим людям, проводящим время на реках, что у плотин даже есть печальное название: «тонущие машины». ^[8] DNR штата Огайо рекомендует жертве «опустить подбородок, подтянуть колени к груди, обхватив их руками. Будем надеяться, что условия будут такими, что течение будет толкать жертву вдоль русла реки до тех пор, пока вынесен за пределы линии кипения и выпущен гидравликой». ^[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 снижается более чем на 30 %, и если пострадавший не может плавать, единственным выходом может стать спасение у подножия плотины. вариант выживания.

Распространенные типы

Существует множество различных типов плотин, и они могут варьироваться от простой каменной конструкции, едва заметной, до сложных и очень больших конструкций, требующих тщательного управления и обслуживания.

• 
  Мост и механизм плотины в Стерминстере Ньютон на реке Стоур , Дорсет , Великобритания
• 
  Две плотины на реке Уир в Дареме , Великобритания: нижняя плотина представляет собой сложную плотину, на которой также есть рыбные лестницы , позволяющие такой рыбе, как лосось, перемещаться по плотине.
• 
  Плотина игольчатого типа с ручным управлением недалеко от Ревена на реке Маас , Франция.
• 
  Плотина с широким гребнем в Уоркуорте , Новая Зеландия.
• 
  Сложная серия плотин с широким гребнем и V-образным вырезом на плотине Доббс в Хартфордшире , Великобритания.

Широкогребень

Плотина с широким гребнем — это конструкция с плоским гребнем, в которой вода проходит через гребень, покрывающий большую часть или всю ширину канала. Это один из наиболее распространенных типов плотин, встречающихся во всем мире.

Сложный

Сложная плотина — это любая плотина, объединяющая несколько различных конструкций в одну конструкцию. Их обычно можно увидеть в местах, где у реки несколько пользователей, которым может потребоваться обойти сооружение. Обычной конструкцией является такая, в которой плотина имеет широкий гребень на большей части своей длины, но имеет участок, где плотина останавливается или «открыта», так что небольшие лодки и рыбы могут пересекать конструкцию.

V-образный вырез

Плотина с выемкой — это любая плотина, физический барьер которой значительно выше уровня воды, за исключением специальной выемки (часто V-образной), вырезанной в панели. Во время нормального стока вся вода должна проходить через выемку, что упрощает расчет объема потока, а во время паводка уровень воды может подняться и затопить плотину без каких-либо изменений в конструкции.

Полиномиальный

Полиномиальная плотина — это плотина, геометрия которой определяется полиномиальным уравнением любого порядка n . ^[11] На практике большинство плотин представляют собой полиномиальные плотины низкого порядка. Стандартная прямоугольная плотина представляет собой, например, полиномиальную водослив нулевого порядка. Водосливы треугольной (V-образной формы) и трапециевидной формы относятся к первому порядку. Полиномиальные водосливы высокого порядка обеспечивают более широкий диапазон соотношений напор-расход и, следовательно, лучший контроль потока на выходе из озер, прудов и водохранилищ.

Смотрите также

• Крамп плотина
• Отбросить структуру
• Рыболовная плотина
• лоток
• Плотина с фиксированным гребнем
• Международная контрольная плотина

Рекомендации

Цитаты

1. "определение плотины" . Словарь.com . Архивировано из оригинала 4 марта 2017 г. Проверено 3 марта 2017 г.
2. "Вейр". www.etymonline.com . Интернет-этимологический словарь. Архивировано из оригинала 19 марта 2017 года . Проверено 20 мая 2017 г.
3. «Плотины - Измерение расхода» . www.engineeringtoolbox.com . Архивировано из оригинала 4 марта 2017 г. Проверено 3 марта 2017 г.
4. «Факторы, влияющие на точность измерения расхода у водослива» . openchannelflow.com . Архивировано из оригинала 30 июля 2016 года . Проверено 2 мая 2018 г.
5. Шен 1981, с. B31, уравнение 6.
6. Туммерс и др. 2016, стр. 183–194.
7. Сильва и др. 2017, стр. 291–302.
8. Майкл Робинсон; Роберт Хафтален. «Опасные плотины». Ассоциация каноэ/каяков Род-Айленда . Род-Айленд. Архивировано из оригинала 12 августа 2010 г. Проверено 26 июня 2011 г.
9. Отделение парков и водного транспорта ДНР штата Огайо. «Безопасность плотины Лоухед». Watercraft.ohiodnr.gov. Архивировано из оригинала 30 ноября 2016 года . Проверено 2 мая 2018 г.
10. «Архивная копия». Архивировано из оригинала 2 мая 2018 г. Проверено 15 июня 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )Побег из плотины с низким напором
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 расхода напора для полиномиальной плотины с острым гребнем». Журнал ирригационной и дренажной техники . 134 (2): 260–262. дои : 10.1061/(ASCE) 0733-9437 (2008) 134: 2 (260). ISSN  0733-9437.
• Клемменс, Альберт (2010). Измерение воды с помощью лотков и водосливов . ISBN 978-1887201544.
• Шен, Джон (1981). Характеристики расхода тонколистовых водосливов с треугольными вырезами (PDF) . Вашингтон: Типография правительства США.
• Сильва, Серхио; Лоури, Маран; Макайя-Солис, Консуэло; Байатт, Барри; Лукас, Мартин С. (2017). «Можно ли использовать навигационные шлюзы, чтобы помочь мигрирующим рыбам с плохими плавательными способностями преодолевать приливные заграждения? Тест с миногами». Экологическая инженерия . 102 : 291–302. дои : 10.1016/j.ecoleng.2017.02.027 . ISSN  0925-8574.
• Таммерс, Джерун С.; Зима, Эмили; Сильва, Серхио; О'Брайен, Пэт; Чан, Мин-Хо; Лукас, Мартин С. (2016). «Оценка эффективности сверхактивного перегородочного прохода Ларинье для европейской речной миноги Lampetra fluviatilis до и после модификации настенной плиткой с шипами». Экологическая инженерия . 91 : 183–194. дои : 10.1016/j.ecoleng.2016.02.046 . ISSN  0925-8574.

дальнейшее чтение

• Шансон, Х. (2004). Гидравлика потока в открытом канале: Введение (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-5978-9.
• Шансон, Юбер (2007). «Гидравлические характеристики водопропускных труб с минимальными потерями энергии в Австралии» (PDF) . Журнал эффективности построенных объектов . 21 (4): 264–272. дои : 10.1061/(ASCE) 0887-3828 (2007) 21: 4 (264). ISSN  0887-3828.
• Гонсалес, Карлос А.; Шансон, Юбер (2007). «Экспериментальные измерения распределения скорости и давления на большой плотине с широким гребнем» (PDF) . Измерение расхода и контрольно-измерительные приборы . 18 (3–4): 107–113. doi :10.1016/j.flowmeasinst.2007.05.005. ISSN  0955-5986.
• Хендерсон, FM (1996), Поток в открытом канале , Нью-Йорк: MacMillan Company.
• Маккей, Греция (1971). «Проектирование водопропускных труб минимальной энергии». Отчет об исследовании, кафедра гражданской инженерии, Univ. Квинсленд, Брисбен, Австралия, 29 страниц и 7 листов.
• Штурм, Терри В. (2010). Гидравлика открытого канала. МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-126793-9.

Внешние ссылки

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