Плотина

Плотина — это барьер, который останавливает или ограничивает сток поверхностных вод или подземных ручьев. Водохранилища, создаваемые плотинами, не только подавляют наводнения, но и обеспечивают водой такие виды деятельности, как орошение, потребление человеком, промышленное использование, аквакультура и судоходство. Гидроэнергетика часто используется в сочетании с плотинами для выработки электроэнергии. Плотину также можно использовать для сбора или хранения воды, которая может быть равномерно распределена между населенными пунктами. Плотины обычно служат основной цели удержания воды, в то время как другие сооружения, такие как шлюзы или дамбы (также известные как дамбы), используются для управления притоком воды в определенные регионы суши или предотвращения его поступления.

Слово плотина восходит к среднеанглийскому, а до этого — к среднеголландскому, как видно из названий многих старых городов, таких как Амстердам и Роттердам.

Древние плотины были построены в Месопотамии и на Ближнем Востоке для контроля за водными ресурсами. Самая ранняя известная плотина — это плотина Джава в Иордании, датируемая 3000 годом до нашей эры. Египтяне также строили плотины, такие как плотина Садд-эль-Кафара для борьбы с наводнениями. В современной Индии в Дхолавире была сложная система управления водными ресурсами с 16 водохранилищами и дамбами. Великая плотина Мариб в Йемене, построенная между 1750 и 1700 годами до нашей эры, была инженерным чудом, а Эфлатун Пинар, хеттская плотина и родниковый храм в Турции, датируется 15-13 веками до нашей эры. Плотина Калланай в Южной Индии, построенная во 2 веке нашей эры, является одним из старейших водорегулирующих сооружений, которые все еще используются.

Римские инженеры строили плотины с использованием передовых технологий и материалов, таких как гидравлический раствор и римский бетон, что позволяло строить более крупные сооружения. Они ввели плотины водохранилищ, арочно-гравитационные плотины, арочные плотины, контрфорсные плотины и плотины с несколькими арочными контрфорсами. В Иране мостовые плотины использовались для гидроэнергетики и водоподъемных механизмов.

В средние века в Нидерландах строились плотины для регулирования уровня воды и предотвращения вторжения моря. В 19 веке по всей Британской империи были построены крупномасштабные арочные плотины, что свидетельствует о достижениях в технике строительства плотин. Эпоха больших плотин началась со строительства низкой плотины Асуан в Египте в 1902 году. Плотина Гувера, массивная бетонная арочно-гравитационная плотина, была построена между 1931 и 1936 годами на реке Колорадо. К 1997 году в мире насчитывалось около 800 000 плотин, около 40 000 из них высотой более 15 метров.

История

Древние плотины

Раннее строительство плотин происходило в Месопотамии и на Ближнем Востоке. Плотины использовались для контроля уровня воды, поскольку погода в Месопотамии повлияла на реки Тигр и Евфрат.

Самая ранняя известная плотина — это плотина Джава в Иордании, в 100 километрах (62 милях) к северо-востоку от столицы Аммана. Первоначально эта гравитационная плотина представляла собой каменную стену высотой 9 метров (30 футов) и шириной 1 м (3,3 фута), поддерживаемую земляным валом шириной 50 м (160 футов). Сооружение датируется 3000 годом до н.э. Однако самой старой непрерывно действующей плотиной является плотина озера Хомс, построенная в Сирии между 1319-1304 годами до н.э.

Плотина Древнего Египта Садд-эль-Кафара в Вади Аль-Гарави, примерно в 25 км (16 миль) к югу от Каира, имела 102 м (335 футов) в длину у основания и 87 м (285 футов) в ширину. Сооружение было построено около 2800 г. или 2600 г. до н.э. как отводная плотина для борьбы с наводнениями, но было разрушено сильным дождем во время строительства или вскоре после. Во времена Двенадцатой династии в 19 веке до нашей эры фараоны Сеносерт III, Аменемхет III и Аменемхет IV прорыли канал длиной 16 км (9,9 миль), соединивший Фаюмскую впадину с Нилом в Среднем Египте. Две плотины под названием Ха-Уар, идущие с востока на запад, были построены для удержания воды во время ежегодного наводнения, а затем сброса ее на окружающие земли. Озеро под названием Мер-вер или озеро Моерис занимало площадь в 1700 км² (660 квадратных миль) и сегодня известно как Биркет Карун.

К середине-концу третьего тысячелетия до нашей эры в Дхолавире на территории современной Индии была построена сложная система управления водными ресурсами. Система включала 16 водохранилищ, дамб и различных каналов для сбора и хранения воды.

Одним из инженерных чудес древнего мира была Великая плотина Мариб в Йемене. Сооруженная где-то между 1750 и 1700 годами до н.э., она была сделана из утрамбованной земли – треугольной в поперечном сечении, длиной 580 м (1900 футов) и первоначально высотой 4 м (13 футов), проходящей между двумя группами скал по обе стороны, с которыми она была соединена прочной каменной кладкой. Ремонтные работы проводились в разные периоды, наиболее важно около 750 г. до н.э., а 250 лет спустя высота плотины была увеличена до 7 м (23 фута). После распада Королевства Саба плотина перешла под контроль Кимьяритов (ок. 115 г. до н.э.), которые предприняли дальнейшие усовершенствования, создав сооружение высотой 14 м (46 футов) с пятью водосбросами, двумя шлюзами, укрепленными каменной кладкой, прудом-отстойником и каналом длиной 1000 м (3300 футов), ведущим к распределительному резервуару. Эти работы не были закончены до 325 года нашей эры, когда плотина позволила орошать 25 000 акров (100 км²).

Эфлатун Пынар — это хеттский храм плотины и источника недалеко от Коньи, Турция. Считается, что она датируется Хеттской империей между 15 и 13 веками до нашей эры.

Калланай построен из необработанного камня, более 300 м (980 футов) в длину, 4,5 м (15 футов) в высоту и 20 м (66 футов) в ширину, поперек основного течения реки Кавери в Тамилнаде, Южная Индия. Основное сооружение датируется 2 веком нашей эры и считается одним из старейших водозаборных или водорегулирующих сооружений, которые все еще используются. Целью плотины было отводить воды Кавери через плодородный регион дельты для орошения по каналам.

Ду Цзян Янь — старейшая из сохранившихся ирригационных систем в Китае, которая включала плотину, направлявшую поток воды. Строительство было завершено в 251 году до нашей эры. Большая земляная плотина, построенная Суншу Ао, премьер-министром Чу (штата), затопила долину в современной северной провинции Аньхой, что создало огромное ирригационное водохранилище (100 км (62 мили) в окружности), водохранилище, которое существует до сих пор.

Римская инженерия

Строительство римской плотины характеризовалось «способностью римлян планировать и организовывать инженерное строительство в больших масштабах». Римские планировщики представили новую на тот момент концепцию плотин большого водохранилища, которые могли бы обеспечить постоянное водоснабжение городских поселений в засушливый сезон. Их новаторское использование водонепроницаемого гидравлического раствора и особенно римского бетона позволило построить гораздо более крупные сооружения плотины, чем строились ранее, такие как плотина озера Хомс, возможно, самая большая водная преграда на тот момент, и плотина Харбака, обе в Римской Сирии. Самой высокой римской плотиной была плотина Субьяко недалеко от Рима; ее рекордная высота в 50 м (160 футов) оставалась непревзойденной до ее случайного разрушения в 1305 году.

Римские инженеры обычно использовали древние стандартные конструкции, такие как насыпные плотины и каменные гравитационные плотины. Кроме того, они проявили высокую степень изобретательности, представив большинство других базовых конструкций плотин, которые до тех пор были неизвестны. К ним относятся арочно-гравитационные плотины, арочные плотины, контрфорсные плотины и несколько арочных контрфорсных плотин, все они были известны и использовались во 2 веке нашей эры. Римские рабочие также были первыми, кто построил мосты через плотины, такие как Мост Валериана в Иране.

В Иране мостовые плотины, такие как Банд-и Кайсар, использовались для обеспечения гидроэнергетики с помощью водяных колес, которые часто приводили в действие механизмы для подъема воды. Одним из первых был построенный римлянами дамбовый мост в Дезфуле, который мог поднимать воду на 50 локтей (около 23 м) для снабжения города. Также были известны отводные плотины. Были построены фрезерные плотины, которые мусульманские инженеры назвали Пули-и-Булайти. Первая была построена в Шустаре на реке Карун, Иран, и многие из них позже были построены в других частях исламского мира. Вода отводилась с обратной стороны плотины по большой трубе для приведения в действие водяного колеса и водяной мельницы. В 10 веке Аль-Мукаддаси описал несколько плотин в Персии. Он сообщил, что одна из них в Ахвазе была более 910 м (3000 футов) в длину, и что у нее было множество водяных колес, поднимающих воду в акведуки, по которым она поступала в водохранилища города. Еще одна плотина, Банд-и-Амир, обеспечивала орошение 300 деревень.

Средние века

В Нидерландах, низменных странах, плотины часто строились для перекрытия рек, регулирования уровня воды и предотвращения проникновения моря в болотистые местности. Такие плотины часто отмечали начало города, потому что в таком месте было легко пересечь реку, и часто влияли на голландские топонимы. Нынешняя столица Нидерландов, Амстердам (старое название Амстелредам), началась с плотины на реке Амстел в конце 12 века, а Роттердам начался с плотины на реке Ротте, второстепенном притоке Нового Мааса. Центральная площадь Амстердама, занимающая первоначальное место 800-летней плотины, до сих пор носит название Площадь Дам.

Промышленная революция

Римляне были первыми, кто построил арочные плотины, где силы реакции от опоры стабилизируют конструкцию от внешнего гидростатического давления, но только в 19 веке инженерные навыки и доступные строительные материалы позволили построить первые крупномасштабные арочные плотины.

Три новаторские арочные плотины были построены вокруг Британской империи в начале 19 века. Генри Рассел из Королевских инженеров руководил строительством плотины Мир Алам в 1804 году для снабжения водой города Хайдарабад (она используется до сих пор). Она имела высоту 12 м (39 футов) и состояла из 21 арки переменного пролета.

В 1820-30-х годах подполковник Джон By руководил строительством канала Ридо в Канаде недалеко от современной Оттавы и построил серию изогнутых каменных плотин как часть системы водных путей. В частности, плотина Джонс Фоллс, построенная Джоном Редпатом, была завершена в 1832 году как крупнейшая плотина в Северной Америке и инженерное чудо. Чтобы контролировать уровень воды во время строительства, на плотине были открыты два шлюза, искусственных канала для проведения воды. Первый находился у основания плотины на ее восточной стороне. Второй шлюз был проложен на западной стороне плотины, примерно в 20 футах (6,1 м) над основанием. Чтобы переключиться с нижнего шлюза на верхний, выход из Сэнд-Лейк был перекрыт.

Хантс-Крик недалеко от города Парраматта, Австралия, был перекрыт плотиной в 1850-х годах, чтобы удовлетворить спрос на воду со стороны растущего населения города. Каменная стена арочной плотины была спроектирована лейтенантом Перси Симпсоном, на которого повлияли достижения в технике строительства плотин, достигнутые королевскими инженерами в Индии. Плотина стоила 17 000 фунтов стерлингов и была завершена в 1856 году как первая инженерная плотина, построенная в Австралии, и вторая арочная плотина в мире, построенная в соответствии с математическими спецификациями.

Первая такая плотина была открыта двумя годами ранее во Франции. Это была первая французская арочная плотина индустриальной эпохи, и она была построена Франсуа Золя в муниципалитете Экс-ан-Прованс для улучшения водоснабжения после того, как вспышка холеры 1832 года опустошила этот район. После того, как в 1844 году было получено королевское одобрение, плотина строилась в течение следующего десятилетия. Ее строительство осуществлялось на основе математических результатов научного анализа напряжений.

75-мильная плотина близ Уорика, Австралия, возможно, была первой в мире бетонной арочной плотиной. Спроектированная Генри Чарльзом Стэнли в 1880 году с переливным водосбросом и специальным водовыпуском, в конечном итоге она была увеличена до 10 м (33 фута).

Во второй половине девятнадцатого века были достигнуты значительные успехи в научной теории проектирования каменных плотин. Это превратило проектирование плотин из искусства, основанного на эмпирической методологии, в профессию, основанную на строго применяемой научно-теоретической базе. Этот новый акцент был сделан на инженерных факультетах университетов Франции и Соединенного Королевства. Уильям Джон Маккорн Рэнкин из Университета Глазго стал пионером теоретического понимания конструкций плотин в своей статье 1857 года Об устойчивости рыхлого грунта. Теория Рэнкина обеспечила хорошее понимание принципов, лежащих в основе проектирования плотин. Во Франции Ж. Огюстен Тортен де Сазийи объяснил механику гравитационных плотин с вертикальной кладкой, и плотина Золя была первой, построенной на основе этих принципов.

Современная эпоха

Эпоха больших плотин началась со строительства Асуанской низкой плотины в Египте в 1902 году, опорной плотины каменной кладки на реке Нил, на которой была построена плотина.. После своего вторжения и оккупации Египта в 1882 году британцы начали строительство в 1898 году. Проект был разработан сэром Уильямом Уиллоксом и в нем участвовали несколько выдающихся инженеров того времени, в том числе сэр Бенджамин Бейкер и сэр Джон Эйрд, чья фирма, John Aird & Co., была основным подрядчиком. Капитал и финансирование были предоставлены Эрнестом Касселем. При первоначальном строительстве между 1899 и 1902 годами ничего подобного ранее не предпринималось; по завершении строительства это была самая большая каменная плотина в мире.

Плотина Гувера — массивная бетонная арочно-гравитационная плотина, построенная в Черном каньоне реки Колорадо, на границе между американскими штатами Аризона и Невада между 1931 и 1936 годами во время Великой депрессии. В 1928 году Конгресс санкционировал проект строительства плотины, которая сдерживала бы наводнения, обеспечивала полив водой и производила гидроэлектроэнергию. Выигравшая заявка на строительство плотины была подана консорциумом под названием Six Companies, Inc. Такое большое бетонное сооружение никогда раньше не строилось, и некоторые методы не были проверены. Жаркая летняя погода и отсутствие оборудования рядом с участком также представляли трудности. Тем не менее, шесть компаний передали плотину федеральному правительству 1 марта 1936 года, более чем на два года раньше запланированного срока.

К 1997 году в мире насчитывалось около 800 000 плотин, около 40 000 из них высотой более 15 м (49 футов). В 2014 году ученые из Оксфордского университета опубликовали исследование стоимости крупных плотин – на основе самого большого существующего набора данных – документирующее значительный перерасход средств для большинства плотин и ставящее под сомнение, компенсируют ли выгоды обычно затраты на такие плотины.

Типы

Плотины могут быть образованы человеком, естественными причинами или даже вмешательством диких животных, таких как бобры. Искусственные плотины обычно классифицируются в зависимости от их размера (высоты), предполагаемого назначения или конструкции.

По структуре

В зависимости от конструкции и используемого материала плотины классифицируются как легко создаваемые без материалов, арочно-гравитационные плотины, насыпные плотины или каменные плотины, имеющие несколько подтипов.

Арочные плотины

В арочной плотине устойчивость достигается за счет сочетания действия арки и силы тяжести. Если верхняя поверхность вертикальна, весь вес плотины должен переноситься на фундамент под действием силы тяжести, в то время как распределение нормального гидростатического давления между вертикальной консолью и действием арки будет зависеть от жесткости плотины в вертикальном и горизонтальном направлении. Когда поверхность выше по течению имеет уклон, распределение более сложное. Нормальная составляющая веса арочного кольца может быть принята на себя действием арки, в то время как нормальное гидростатическое давление будет распределено, как описано выше. Для плотин этого типа более важны прочные опоры на устоях (либо контрфорсе, либо боковой стенке каньона). Наиболее желательным местом для арочной плотины является узкий каньон с крутыми боковыми стенами, сложенный из прочной породы. Безопасность арочной плотины зависит от прочности устоев боковых стен, следовательно, следует не только хорошо закрепить арку на боковых стенках, но и тщательно проверить характер породы.

Используются два типа одноарочных плотин, а именно плотины с постоянным углом наклона и постоянным радиусом. Тип с постоянным радиусом использует одинаковый радиус забоя на всех высотах плотины, что означает, что по мере сужения канала к нижней части плотины центральный угол, уменьшаемый забоем плотины, становится меньше. Плотина Джонс-Фолс в Канаде представляет собой плотину постоянного радиуса. В плотине с постоянным углом наклона, также известной как плотина переменного радиуса, этот уменьшенный угол поддерживается постоянным, а изменение расстояния между устоями на различных уровнях учитывается путем изменения радиусов. Плотины постоянного радиуса встречаются гораздо реже, чем плотины с постоянным углом наклона. Плотина Паркер на реке Колорадо представляет собой арочную плотину с постоянным углом наклона.

Похожим типом является плотина двойной кривизны или с тонкой оболочкой. Плотина Уайлдхорс недалеко от Маунтин-Сити, штат Невада, в Соединенных Штатах, является примером такого типа. Этот метод строительства сводит к минимуму количество бетона, необходимое для строительства, но передает большие нагрузки на фундамент и устои. Внешний вид похож на одноарочную плотину, но с отчетливой вертикальной кривизной, что придает ей смутный вид вогнутой линзы, если смотреть вниз по течению.

Многоарочная плотина состоит из ряда одноарочных плотин с бетонными контрфорсами в качестве опорных устоев, как, например, плотина Дэниела-Джонсона, Квебек, Канада. Многоарочная плотина не требует такого количества контрфорсов, как пологая гравитационного типа, но требует хорошего каменного фундамента, поскольку контрфорсы имеют большие нагрузки.

Гравитационные плотины

В гравитационной плотине сила, удерживающая плотину на месте от толчка воды, — это сила тяжести Земли, действующая на массу плотины. Вода давит сбоку (вниз по течению) на плотину, стремясь опрокинуть плотину, вращаясь вокруг ее носка (точки в нижней части дамбы ниже по течению). Вес плотины противодействует этой силе, заставляя плотину поворачиваться в другую сторону вокруг носка. Проектировщик гарантирует, что плотина будет достаточно тяжелой, чтобы вес плотины выиграл это соревнование. С инженерной точки зрения, это верно всякий раз, когда равнодействующая сил тяжести, действующих на плотину, и давления воды на плотину действуют в линии, которая проходит выше по течению от носка плотины. Проектировщик пытается придать плотине такую форму, чтобы, если рассматривать часть плотины выше какой-либо определенной высоты как саму плотину целиком, эта плотина также удерживалась бы на месте под действием силы тяжести, т. Е. В верхней части плотины нет натяжения, удерживающего верхнюю часть плотины опущенной. Дизайнер делает это потому, что обычно практичнее сделать плотину из материала, по сути, только что сложенного, чем заставлять материал склеиваться при вертикальном растяжении. Форма, предотвращающая натяжение в верхней части забоя, также устраняет уравновешивающее напряжение сжатия в нижней части забоя, обеспечивая дополнительную экономию.

Для плотин этого типа важно иметь непроницаемый фундамент с высокой несущей способностью. Проницаемые фундаменты с большей вероятностью создают подъемное давление под плотиной. Подъемное давление — это гидростатическое давление, вызванное давлением воды в водохранилище, прижимающейся к нижней части плотины. При создании достаточно большого подъемного давления существует риск дестабилизации бетонной самотечной плотины.

На подходящем участке гравитационная плотина может оказаться лучшей альтернативой другим типам плотин. Гравитационная плотина, построенная на прочном фундаменте, вероятно, представляет собой наиболее развитый пример строительства плотин. Поскольку страх перед наводнением является сильным мотиватором во многих регионах, гравитационные плотины строятся в некоторых случаях, когда арочная плотина была бы более экономичной.

Гравитационные плотины классифицируются как «сплошные» или «полые» и обычно изготавливаются либо из бетона, либо из каменной кладки. Сплошная форма является более широко используемой из двух, хотя пустотелая плотина часто более экономична в строительстве. Плотина Гранд-Кули представляет собой сплошную гравитационную плотину, а Braddock Locks & Dam — полую гравитационную плотину.

Дугогравитационные плотины

Гравитационная плотина может быть объединена с арочной плотиной в арочно-гравитационную плотину для районов с большим расходом воды, но меньшим количеством материала для чисто гравитационной плотины. Внутреннее сжатие плотины водой уменьшает боковую (горизонтальную) силу, действующую на плотину. Таким образом, сила тяжести, необходимая плотине, уменьшается, т. Е. Плотине не обязательно быть такой массивной. Это позволяет строить более тонкие плотины и экономить ресурсы.

Заграждения

Заградительная плотина — это особый вид плотины, состоящий из ряда больших ворот, которые можно открывать или закрывать для контроля количества воды, проходящей через плотину. Ворота устанавливаются между фланговыми опорами, которые отвечают за поддержание нагрузки воды и часто используются для контроля и стабилизации расхода воды в ирригационных системах. Примером плотины такого типа является ныне выведенная из эксплуатации водоотводная плотина Ред-Блафф на реке Сакраменто недалеко от Ред-Блаффа, Калифорния.

Заграждения, которые строятся в устьях рек или лагун для предотвращения приливных вторжений или использования приливного течения для получения приливной энергии, известны как приливные заграждения.

Набережные плотины

Насыпные плотины сделаны из уплотненного грунта и бывают двух основных типов: каменные и земляные. Подобно бетонным гравитационным дамбам, насыпные плотины полагаются на свой вес, чтобы сдерживать силу воды.

Плотины с фиксированным гребнем

Плотина с фиксированным гребнем — это бетонный барьер поперек реки. Плотины с фиксированным гребнем предназначены для поддержания глубины в канале для судоходства. Они представляют опасность для лодочников, которые могут переплывать через них, поскольку их трудно заметить с воды и они создают наведенные течения, от которых трудно убежать.

По размеру

Как во всем мире, так и в отдельных странах, например в Соединенных Штатах, существуют различия в том, как классифицируются плотины разных размеров. Размер плотины влияет на затраты на строительство, ремонт и демонтаж, а также влияет на потенциальный диапазон и величину воздействия плотин на окружающую среду.

Большие плотины

Международная комиссия по крупным плотинам (ICOLD) определяет «большую плотину» как «Плотину высотой 15 м (49 футов) или более от нижнего основания до гребня или плотину высотой от 5 м (16 футов) до 15 метров, объем которой превышает 3 миллиона кубических метров (2400 акров⋅футов)». «Крупные плотины» имеют высоту более 150 м (490 футов). В отчете Всемирной комиссии по плотинам в категорию «крупных» также включены плотины высотой от 5 до 15 м (16-49 футов) с емкостью водохранилища более 3 миллионов кубических метров (2400 акров⋅футов). Гидроэнергетики могут быть классифицированы либо как «с высоким напором» (более 30 м в высоту), либо как «с низким напором» (менее 30 м в высоту).

По состоянию на 2021 год Всемирный реестр плотин ICOLD содержит 58 700 записей о крупных плотинах. Самой высокой плотиной в мире является плотина Цзиньпин-I высотой 305 м (1001 фут) в Китае.

Небольшие плотины

Как и в случае с большими плотинами, небольшие плотины имеют множество применений, таких как, но не ограничиваясь ими, производство гидроэнергетики, защита от наводнений и хранение воды. Небольшие плотины могут быть особенно полезны на фермах для сбора стока для последующего использования, например, в засушливый сезон. Небольшие плотины потенциально могут приносить пользу без перемещения людей, а небольшие децентрализованные гидроэлектростанции могут способствовать развитию сельских районов в развивающихся странах. Только в Соединенных Штатах насчитывается около 2 000 000 или более «небольших» плотин, которые не включены в Инженерный корпус армии Национальный реестр плотин. Записи о небольших плотинах хранятся государственными регулирующими органами, и поэтому информация о небольших плотинах разрозненна и неравномерна по географическому охвату.

Страны по всему миру считают малые гидроэлектростанции (МГУ) важными для своих энергетических стратегий, и наблюдается заметный рост интереса к МГУ. Коуто и Олден (2018) провели глобальное исследование и обнаружили 82 891 малую ГЭС (МГУ), действующую или строящуюся. Технические определения ГЭС, такие как их максимальная генерирующая мощность, высота плотины, площадь водохранилища и т.д., Различаются в зависимости от страны.

Плотины, не относящиеся к юрисдикции

Плотина не подпадает под юрисдикцию, когда ее размер (обычно «небольшой») исключает ее действие в соответствии с определенными правовыми нормами. Технические критерии отнесения плотины к категории «юрисдикционных» или «неподсудных» зависят от местоположения. В Соединенных Штатах каждый штат определяет, что представляет собой неподсудную плотину. В штате Колорадо дамба, не относящаяся к юрисдикции, определяется как плотина, создающая водохранилище вместимостью 100 акро-футов или менее, площадью поверхности 20 акров или менее и высотой, измеряемой, как определено в Правилах 4.2.5.1. и 4.2.19, 10 футов или менее. Напротив, штат Нью-Мексико определяет юрисдикционную плотину как 25 футов или более высотой и вместимостью более 15 акро-футов или плотину площадью 50 акро-футов или более и высотой шесть футов или более (раздел 72-5-32 NMSA), предполагая, что плотины, которые не соответствуют этим требованиям, не подпадают под юрисдикцию. Большинство плотин США, 2,41 миллиона из общего числа 2,5 миллионов плотин, не находятся под юрисдикцией какого-либо государственного учреждения (т.Е. Они не относятся к юрисдикции) и не внесены в Национальный реестр плотин (NID).

Небольшие плотины сопряжены с рисками, аналогичными большим. Однако отсутствие регулирования (в отличие от более регулируемых крупных плотин) и инвентаризации небольших плотин (т. Е. Тех, которые не подпадают под юрисдикцию) может привести к значительным рискам как для людей, так и для экосистем. Например, согласно Службе национальных парков США (NPS), «Неподконтрольное юрисдикции сооружение — означает сооружение, которое не соответствует минимальным критериям, перечисленным в Федеральных рекомендациях по безопасности плотин, для включения в программы обеспечения безопасности плотин. Сооружение, не относящееся к юрисдикции, не получает классификации опасности и не рассматривается для каких-либо дальнейших требований или мероприятий в рамках программы безопасности плотин NPS.» Небольшие плотины могут быть опасны по отдельности (т. Е. Они могут обрушиться), но также и все вместе, поскольку совокупность небольших плотин вдоль реки или в пределах географического района может увеличить риски. Проведенное Грэмом в 1999 году исследование разрушений плотин в США, приведших к гибели людей с 1960 по 1998 год, показало, что разрушение плотин высотой от 6,1 до 15 м (типичный диапазон высот плотин меньшего размера) привело к 86% смертей, а разрушение плотин менее 6.Высота 1 м стала причиной 2% смертей. Плотины, не относящиеся к юрисдикции, могут представлять опасность, поскольку их проектирование, сооружение, техническое обслуживание и надзор не регулируются. Ученые отметили, что необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять воздействие небольших плотин на окружающую среду (например, их способность изменять сток, температуру, наносы и разнообразие растений и животных в реке).

С помощью

Седловая плотина

Седловая плотина — это вспомогательная плотина, построенная для ограничения водохранилища, созданного первичной плотиной, либо для обеспечения более высокого подъема воды и ее накопления, либо для ограничения объема водохранилища для повышения эффективности. Вспомогательная плотина сооружается в низине или «седловине», через которую в противном случае мог бы выйти водоем. Иногда водохранилище сдерживается аналогичной конструкцией, называемой дамбой, чтобы предотвратить затопление близлежащих земель. Дамбы обычно используются для рекультивации пахотных земель из мелководного озера, подобно дамбе, которая представляет собой стену или насыпь, построенную вдоль реки или ручья для защиты прилегающих земель от затопления.

Плотина

Плотина (иногда называемая «переливной плотиной») — это небольшая плотина, которая часто используется в русле реки для создания водохранилища для забора воды и которая также может использоваться для измерения расхода или замедления его.

Проверить плотину

Контрольная плотина — это небольшая плотина, предназначенная для снижения скорости течения и борьбы с эрозией почвы. И наоборот, крыловидная плотина — это сооружение, которое лишь частично ограничивает водный путь, создавая более быстрый канал, препятствующий накоплению наносов.

Сухая плотина

Сухая плотина, также известная как сооружение, препятствующее наводнениям, предназначена для борьбы с наводнениями. Обычно она не задерживает воду и позволяет каналу течь свободно, за исключением периодов интенсивного течения, которые в противном случае вызвали бы наводнения ниже по течению.

Диверсионная плотина

Отводная плотина предназначена для отклонения всего или части стока реки от ее естественного течения. Вода может быть перенаправлена в канал или туннель для орошения и / или производства гидроэлектроэнергии.

Подземная плотина

Подземные плотины используются для улавливания грунтовых вод и хранения всех или большей их части под поверхностью для длительного использования в определенной местности. В некоторых случаях они также строятся для предотвращения проникновения соленой воды в пресноводный водоносный горизонт. Подземные плотины обычно строятся в районах, где водные ресурсы минимальны и их необходимо эффективно хранить, например, в пустынях и на островах, таких как плотина Фукузато на Окинаве, Япония. Они наиболее распространены в северо-восточной Африке и засушливых районах Бразилии, а также используются в юго-западных Соединенных Штатах, Мексике, Индии, Германии, Италии, Греции, Франции и Японии.

Существует два типа подземных плотин: «подповерхностные» и «пескохранилища». Подповерхностная плотина сооружается поперек водоносного горизонта или дренажного маршрута от непроницаемого слоя (например, твердой скальной породы) до уровня чуть ниже поверхности. Они могут быть построены из различных материалов, включая кирпич, камни, бетон, сталь или ПВХ. После строительства вода, хранящаяся за плотиной, повышает уровень грунтовых вод, а затем добывается из скважин. Плотина для хранения песка — это плотина, построенная поэтапно поперек ручья или вади. Она должна быть прочной, так как наводнения будут перехлестывать через ее гребень. Со временем песок скапливается слоями за плотиной, что помогает накапливать воду и, самое главное, предотвращает испарение. Запасенную воду можно добывать из колодца, через тело плотины или с помощью дренажной трубы.

Хвостохранилище

Хвостохранилище — это, как правило, насыпная земляная дамба, используемая для хранения хвостохранилищ, которые образуются во время добычи полезных ископаемых после отделения ценной фракции от неэкономичной руды. Этой цели могут служить обычные водоудерживающие плотины, но из-за стоимости хвостохранилище более жизнеспособно. В отличие от водоудерживающих плотин, хвостохранилище возводится последовательно на протяжении всего срока службы конкретной шахты. Обычно сооружается базовая или начальная плотина, и по мере заполнения смесью хвостов и воды ее поднимают. Материал, используемый для возведения плотины, может включать хвосты (в зависимости от их размера) вместе с почвой.

Существует три конструкции плотин с поднятыми хвостохранилищами: «вверх по течению», «вниз по течению» и «осевая линия», названные в соответствии с движением гребня во время подъема. Конкретная используемая конструкция зависит от топографии, геологии, климата, типа хвостохранилищ и стоимости. Хвостохранилище, расположенное выше по течению, состоит из трапециевидных насыпей, возводимых сверху, но вплотную к гребню другой, перемещая гребень дальше вверх по течению. Это создает относительно плоскую сторону ниже по течению и неровную сторону выше по течению, которая поддерживается за счет шлама хвостохранилища. Конструкция нижнего течения относится к последовательному поднятию насыпи, которая размещает насыпь и гребень ниже по течению. Плотина с осевой линией имеет последовательные насыпные плотины, построенные непосредственно поверх другой, в то время как засыпка размещается на стороне ниже по течению для поддержки, а шлам поддерживает сторону выше по течению.

Поскольку хвостохранилища часто накапливают токсичные химикаты, образующиеся в процессе добычи полезных ископаемых, современные конструкции включают непроницаемую геомембранную прокладку для предотвращения просачивания. Уровень воды / шлама в хвостохранилище необходимо регулировать также в целях стабильности и охраны окружающей среды.

По материалам

Стальная плотина — это тип плотины, с которым ненадолго экспериментировали примерно в начале 20 века, в котором в качестве конструкции используется стальная обшивка (под углом) и несущие балки. Стальные плотины, задуманные как постоянные сооружения, были (неудачным) экспериментом, направленным на определение того, можно ли разработать строительную технику, которая была бы дешевле, чем каменная кладка, бетон или земляные работы, но прочнее, чем деревянные каркасные плотины.

Деревянные плотины

Плотины из древесины широко использовались в начале промышленной революции и в приграничных районах из-за простоты и скорости строительства. Редко возводимые в наше время из-за относительно короткого срока службы и ограниченной высоты, на которую они могут быть возведены, деревянные плотины необходимо постоянно содержать влажными, чтобы сохранить их влагоудерживающие свойства и ограничить разрушение от гниения, подобно бочке. Наиболее экономично строить деревянные плотины в тех местах, где древесины много, цемент дорогой или его трудно транспортировать, и либо требуется плотина с низким напором, либо долговечность не является проблемой. Когда-то деревянных плотин было множество, особенно на Западе Северной Америки, но большинство из них вышли из строя, были скрыты под земляными насыпями или заменены совершенно новыми сооружениями. Двумя распространенными вариантами деревянных плотин были «кроватка» и «доска».

Плотины из бруса были возведены из тяжелых бревен или обработанных бревен на манер бревенчатого дома, а внутренняя часть заполнена землей или щебнем. Тяжелая конструкция каркаса поддерживала поверхность плотины и вес воды. Брызговики были деревянными плотинами, которые использовались для спуска бревен вниз по течению в конце 19-го и начале 20-го веков.

«Плотины из деревянных досок» были более элегантными сооружениями, в которых использовались различные методы строительства с использованием тяжелых бревен для поддержания влагоудерживающей конструкции из досок.

Другие типы

Коффердамы

Коффердам — это барьер, обычно временный, сооружаемый для отвода воды из области, которая обычно находится под водой. Изготовленные обычно из дерева, бетона или стальных свай, коффердамы используются для строительства на фундаменте постоянных плотин, мостов и подобных сооружений. По завершении проекта перемычку обычно сносят или вывозят, если только территория не требует постоянного технического обслуживания. 

Коффердамы обычно используются для строительства и ремонта морских нефтяных платформ. В таких случаях коффердам изготавливается из листовой стали и приваривается к месту под водой. Воздух закачивается в помещение, вытесняя воду и обеспечивая сухую рабочую среду под поверхностью.

Естественные плотины

Плотины также могут быть созданы естественными геологическими силами. Лавовые плотины образуются, когда потоки лавы, часто базальтовой, перекрывают путь выхода ручья или озера, что приводит к созданию естественного затора. Примером могут служить извержения вулканического поля Уинкарет около 1,8 миллиона–10 000 лет назад, которые создали лавовые плотины на реке Колорадо на севере Аризоны в Соединенных Штатах. Самое большое такое озеро выросло примерно до 800 км (500 миль) в длину до разрушения его плотины. Ледниковая активность также может образовывать естественные плотины, такие как перекрытие Кларк-Форк в Монтане Кордильерским ледниковым щитом, который образовал ледниковое озеро Миссула протяженностью 7 780 км2 (3000 квадратных миль) ближе к концу последнего ледникового периода. Моренные отложения, оставленные ледниками, также могут запруживать реки, образуя озера, например, на озере Флэтхед, также в Монтане.

Стихийные бедствия, такие как землетрясения и оползни, часто создают оползневые плотины в горных районах с нестабильной местной геологией. Исторические примеры включают плотину Усой в Таджикистане, которая перекрывает реку Мургаб, создавая Сарезское озеро. При высоте 560 м (1840 футов) это самая высокая плотина в мире, включая как естественные, так и искусственные плотины. Более свежим примером может служить образование озера Аттабад в результате оползня на реке Хунза в Пакистане.

Естественные плотины часто представляют значительную опасность для населенных пунктов и инфраструктуры. Образующиеся озера часто затопляют населенные пункты, в то время как катастрофический выход из строя плотины может привести к еще большему ущербу, такому как сход оползня Грос-Вентре в западном Вайоминге в 1927 году, который стер с лица земли город Келли, в результате чего погибли шесть человек.

Бобровые плотины

Бобры создают плотины в основном из грязи и палок, чтобы затопить определенную пригодную для обитания территорию. Затопляя участок земли, бобры могут перемещаться ниже или вблизи поверхности и оставаться относительно хорошо скрытыми или защищенными от хищников. Затопленный регион также обеспечивает бобрам доступ к пище, особенно зимой.

Строительные элементы

Электростанция

Большая часть гидроэлектроэнергии вырабатывается за счет потенциальной энергии запруженной воды, приводящей в действие водяную турбину и генератор; чтобы повысить возможности плотины по выработке электроэнергии, воду можно пропускать через большую трубу, называемую запорным устройством, перед турбиной. Вариант этой простой модели использует гидроаккумулирующую энергию для производства электроэнергии в периоды высокого и низкого спроса путем перемещения воды между резервуарами на разных высотах. Во времена низкого спроса на электроэнергию избыточные генерирующие мощности используются для закачки воды в верхний резервуар. При более высоком спросе вода сбрасывается обратно в нижний резервуар через турбину.

По состоянию на 2005 г. гидроэлектроэнергия, в основном за счет плотин, обеспечивает около 19% мировой электроэнергии и более 63% возобновляемой энерги. Большая часть этой энергии генерируется крупными плотинами, хотя Китай широко использует мелкомасштабную гидрогенерацию и отвечает за около 50% мирового использования этого вида энергии.

Большая часть гидроэлектроэнергии вырабатывается за счет потенциальной энергии запруженной воды, приводящей в действие водяную турбину и генератор; чтобы повысить возможности плотины по выработке электроэнергии, воду можно пропускать через большую трубу, называемую запорным устройством, перед турбиной. Вариант этой простой модели использует гидроаккумулирующую энергию для производства электроэнергии в периоды высокого и низкого спроса путем перемещения воды между резервуарами на разных высотах. Во времена низкого спроса на электроэнергию избыточные генерирующие мощности используются для закачки воды в верхний резервуар. При более высоком спросе вода сбрасывается обратно в нижний резервуар через турбину.

Водосбросы

Водосброс — это участок плотины, предназначенный для пропускания воды с верхней стороны плотины на нижнюю. Многие водосбросы имеют шлюзы, предназначенные для регулирования потока через водосброс. Существует несколько типов водосбросов. «Служебный водосброс» или «первичный водосброс» пропускает нормальный сток. «Вспомогательный водосброс» выпускает сток, превышающий пропускную способность служебного водосброса. «Аварийный водосброс» предназначен для экстремальных условий, таких как серьезная неисправность сервисного водосброса. «Водосброс с предохранительной заглушкой» — это низкая насыпь, предназначенная для перекрытия и смыва в случае сильного наводнения. Элементы штепсельной вилки с предохранителем представляют собой независимые отдельно стоящие блоки, установленные бок о бок, которые работают без какого-либо дистанционного управления. Они позволяют увеличить обычный бассейн плотины без ущерба для безопасности плотины, потому что они предназначены для постепенной эвакуации в исключительных случаях. Иногда они работают как стационарные плотины, позволяя переливаться при обычных наводнениях.

Водосброс может постепенно размываться потоком воды, включая кавитацию или турбулентность воды, текущей по водосбросу, что приводит к его разрушению. Именно неадекватная конструкция водосброса и установка экранов для защиты от рыбы привели к перекрытию в 1889 году плотины Саут-Форк в Джонстауне, Пенсильвания, что привело к наводнению в Джонстауне («великое наводнение 1889 года»).

Скорость эрозии часто контролируется, и риск обычно сводится к минимуму за счет придания нижней части водосброса формы кривой, которая минимизирует турбулентный поток, такой как кривая ogee.

Создание

Общие цели

Функция	Пример
Производство электроэнергии	Гидроэлектростанция является основным источником электроэнергии в мире. Во многих странах есть реки с достаточным стоком воды, которые можно перекрыть плотинами для выработки электроэнергии. Например, плотина Итайпу на реке Парана в Южной Америке вырабатывает 14 ГВт и обеспечивает 93% энергии, потребляемой Парагваем, и 20% энергии, потребляемой Бразилией по состоянию на 2005 год.
Водоснабжение	Многие городские районы мира снабжаются водой, взятой из рек, скопившихся за низкими плотинами или плотинными заграждениями. Примеры включают Лондон, с водой из реки Темзы, и Честер, с водой, взятой из реки Ди. Другие основные источники включают глубокие водохранилища на возвышенностях, сдерживаемые высокими плотинами в глубоких долинах, такими как серия плотин и водохранилищ Клервен.
Стабилизировать расход воды / орошение	Плотины часто используются для контроля и стабилизации расхода воды, часто для сельскохозяйственных целей и орошения. Другие, такие как плотина в проливе Берг, могут помочь стабилизировать или восстановить уровень воды во внутренних озерах и морях, в данном случае в Аральском море.
Предотвращение наводнений	В плотине Кинлисайд на реке Колумбия, Канада, может храниться 8,76 км3 (2,10 кубических миль) паводковой воды, а Delta Works защищает Нидерланды от прибрежных наводнений.
Мелиорация земель	Плотины (в данном контексте их часто называют дамбами или дамбами) используются для предотвращения попадания воды на территорию, которая в противном случае была бы затоплена, что позволяет ее рекультивировать для использования человеком.
Отвод воды	Обычно небольшая плотина, используемая для отвода воды для орошения, выработки электроэнергии или других целей, обычно без каких-либо других функций. Иногда они используются для отвода воды в другой дренаж или водохранилище, чтобы увеличить сток там и улучшить водопользование в этом конкретном районе.
Навигация	Плотины создают глубокие водохранилища, а также могут изменять расход воды вниз по течению. Это, в свою очередь, может повлиять на навигацию вверх и вниз по течению, изменяя глубину реки. Более глубокая вода увеличивает или создает свободу передвижения водных судов. Для этой цели могут служить большие плотины, но чаще всего используются плотины и шлюзы.

Некоторые из этих целей противоречат друг другу, и оператору плотины необходимо искать динамические компромиссы. Например, выработка электроэнергии и водоснабжение позволят поддерживать уровень водохранилища на высоком уровне, тогда как предотвращение наводнений позволит снизить его. На многих плотинах в районах, где количество осадков колеблется в годовом цикле, водохранилище также будет ежегодно колебаться в попытке сбалансировать эти различные цели. Управление плотиной становится сложным занятием для конкурирующих заинтересованных сторон.

Расположение

Одно из лучших мест для строительства плотины — это узкая часть глубокой речной долины; тогда склоны долины могут служить естественными стенами. Основная функция конструкции плотины — заполнить пробел в естественной линии водохранилища, оставленный руслом ручья. Обычно это участки, где зазор становится минимальным для требуемой емкости водохранилища. Наиболее экономичным сооружением часто является составная конструкция, такая как каменная плотина, окруженная земляными насыпями. Текущее использование затопляемой земли не должно быть обязательным.

Другие важные инженерные и инженерно-геологические соображения при строительстве плотины включают:

• Проницаемость окружающей породы или грунта
• Землетрясение неисправностей
• Оползни и устойчивость наклона
• Уровень грунтовых вод
• Пиковые паводковые потоки
• Заиливание водохранилища
• Воздействие на окружающую среду на речной промысел, леса и дикую природу (см. Также Рыбный трап)
• Воздействие на жилища людей
• Компенсация за затопление земель, а также за переселение населения
• Удаление токсичных материалов и зданий из предполагаемой зоны водохранилища

Оценка воздействия

Воздействие оценивается несколькими способами: выгоды для человеческого общества, связанные с плотиной (сельское хозяйство, водоснабжение, предотвращение ущерба и электроэнергетика), вред или польза для природы и диких животных, воздействие на геологию местности (увеличит или уменьшит стабильность изменение расхода и уровней воды) и нарушение жизни людей (перемещение, утрата археологических или культурных ценностей под водой).).

Воздействие на окружающую среду

Водохранилища, расположенные за плотинами, влияют на многие экологические аспекты реки. Топография и динамика рек зависят от широкого диапазона стоков, в то время как реки ниже плотин часто переживают длительные периоды очень стабильного течения или пилообразные формы течения, вызванные попусками, за которыми следует полное отсутствие попусков. Выбросы воды из водохранилища, в том числе выходящей из турбины, обычно содержат очень мало взвешенных наносов, а это, в свою очередь, может привести к размыву русел рек и потере берегов; например, суточное циклическое изменение стока, вызванное плотиной Глен-Каньон, способствовало эрозии песчаной косы.

У старых плотин часто отсутствует рыбный трап, который не позволяет многим рыбам двигаться вверх по течению к их естественным местам размножения, что приводит к нарушению циклов размножения или блокированию путей миграции. Даже рыбные трапы не препятствуют сокращению количества рыбы, достигающей нерестилищ выше по течению. В некоторых районах молодь рыбы («смолт») транспортируется вниз по течению на барже в течение некоторого времени года. Конструкции турбин и электростанций, которые оказывают меньшее воздействие на водную флору и фауну, являются активной областью исследований.

В то же время, однако, некоторые конкретные плотины могут способствовать созданию лучших условий для некоторых видов рыб и других водных организмов. Исследования продемонстрировали ключевую роль, которую играют притоки в направлении вниз по течению от основного русла реки, что повлияло на местные условия окружающей среды и характер бета-разнообразия каждой биологической группы. Различия как в замещении, так и в богатстве способствовали высоким значениям общего бета-разнообразия для рыб (среднее значение = 0,77) и фитопланктона (среднее значение = 0,79), но их относительная важность была в большей степени связана с компонентом замещения для обеих биологических групп (среднее значение = 0,45 и 0,52 соответственно). Исследование, проведенное де Алмейдой, Р. А., Штайнером, М.Т.А. и другими, показало, что, в то время как популяция некоторых видов сократилась более чем на 30% после строительства плотины, другие увеличили свою популяцию на 28%. Такие изменения могут быть объяснены тем фактом, что рыба приобрела «разные пищевые привычки, причем почти все виды встречаются более чем в одной группе.

Большая плотина может привести к потере целых экосфер, включая исчезающие и неоткрытые виды в этом районе, а также к замене первоначальной среды обитания новым внутренним озером. В результате в разных странах выступали против строительства плотин, некоторые из которых, такие как проект плотины Франклина в Тасмании, были отменены после кампаний защитников окружающей среды.

Крупные водохранилища, образовавшиеся за плотинами, были указаны во вкладе сейсмической активности из-за изменения нагрузки на воду и / или высоты уровня грунтовых вод. Однако это ошибочное предположение, поскольку относительно предельное напряжение, связанное с нагрузкой на воду, на порядки меньше силы землетрясения. Повышенного напряжения от напора воды недостаточно для разрушения земной коры и, следовательно, не увеличивает силу землетрясения.

Также установлено, что плотины влияют на глобальное потепление. Меняющийся уровень воды в водохранилищах является источником парниковых газов, таких как метан. Хотя плотины и вода за ними покрывают лишь небольшую часть поверхности Земли, в них наблюдается биологическая активность, которая может производить большое количество парниковых газов.

Социальное воздействие человека

Влияние плотин на человеческое общество огромно. Ник Каллатер утверждает в книге «Голодный мир: битва Америки в холодной войне с бедностью в Азии», что строительство плотины требует от государства вытеснять людей во имя общего блага, и что это часто приводит к злоупотреблениям со стороны планировщиков. Он цитирует Морарджи Десаи, министра внутренних дел Индии, в 1960 году выступавшего перед жителями деревни, расстроенными из-за плотины Понг, который пригрозил «спустить воду» и утопить жителей деревни, если они не будут сотрудничать.

Плотина Трех ущелий на реке Янцзы в Китае более чем в пять раз превышает размер плотины Гувера (США). Она создает водохранилище длиной 600 км (370 миль), которое будет использоваться для борьбы с наводнениями и выработки гидроэнергии. Ее строительство потребовало потери домов более миллиона человек и их массового переселения, утраты многих ценных археологических и культурных памятников и значительных экологических изменений. Во время наводнения 2010 года в Китае плотина сдержала то, что могло бы стать катастрофическим наводнением, и огромное водохранилище поднялось на 4 м (13 футов) за ночь.

В 2008 году было подсчитано, что 40-80 миллионов человек во всем мире были вынуждены покинуть свои дома в результате строительства плотины.

Экономика

Строительство гидроэлектростанции требует длительного времени для изучения местности, гидрологических исследований и оценки воздействия на окружающую среду и является крупномасштабным проектом по сравнению с производством электроэнергии на основе углерода. Количество участков, которые могут быть экономически освоены для производства гидроэлектроэнергии, ограничено; новые участки, как правило, находятся вдали от населенных пунктов и обычно требуют протяженных линий электропередачи. Производство гидроэлектроэнергии может быть уязвимо к серьезным изменениям в климате, включая колебания количества осадков, уровня грунтовых и поверхностных вод и таяния ледников, что приводит к дополнительным расходам на дополнительные мощности для обеспечения достаточного количества электроэнергии в маловодные годы.

После завершения строительства, если она хорошо спроектирована и обслуживается, гидроэлектростанция обычно сравнительно дешева и надежна. В ней нет топлива и низкий риск утечки, и как чистый источник энергии она дешевле, чем ядерная энергия и энергия ветра. Ее легче регулировать для хранения воды по мере необходимости и выработки высокого уровня мощности по требованию по сравнению с энергией ветра.

Улучшения водохранилища и плотины

Несмотря на некоторые положительные эффекты, строительство плотин серьезно влияет на речные экосистемы, приводя к деградации речных экосистем в результате гидрологических изменений. Одним из основных способов уменьшения негативного воздействия водохранилищ и плотин является внедрение новейшей природной модели оптимизации водохранилищ для разрешения конфликта потребностей человека в воде и защиты речных экосистем.

Снос плотины

Стокиводы и наносов можно восстановить, сняв плотины с реки. Демонтаж плотины считается целесообразным, когда плотина старая и затраты на техническое обслуживание превышают затраты на ее демонтаж. Некоторые последствия сноса плотины включают эрозию наносов в водохранилище, увеличение поступления наносов вниз по течению, увеличение ширины реки и заплетения, восстановление естественной температуры воды и реколонизацию местообитаний, которые ранее были недоступны из-за плотин.

Крупнейший в мире демонтаж плотины произошел на реке Элва в американском штате Вашингтон. В период с 2011 по 2014 год были демонтированы две плотины, плотины Элва и плотины каньона Глинс, которые в совокупности накопили около 30 тонн наносов. В результате доставка наносов и древесины вниз по течению реки и дельты была восстановлена. Примерно 65% отложений, хранящихся в водохранилищах, подверглись эрозии, из которых ~ 10% было отложено в русле реки. Оставшиеся ~ 90% были перевезены на побережье. В общей сложности возобновление подачи наносов привело к росту дельты примерно на 60 га, а также к увеличению заплетения рек.

Провал

Разрушения плотин, как правило, приводят к катастрофическим последствиям, если конструкция нарушена или значительно повреждена. Регулярный мониторинг деформации и мониторинг просачивания из дренажных систем внутри и вокруг более крупных плотин полезны для предупреждения любых проблем и принятия мер по исправлению положения до того, как произойдет разрушение конструкции. Большинство плотин оснащены механизмами, позволяющими опускать или даже осушать водохранилище в случае возникновения таких проблем. Другим решением может быть затирка грунта – закачка под давлением портландцементного раствора в слаборазвитую трещиноватую породу.

Во время вооруженного конфликта плотину следует рассматривать как «сооружение, содержащее опасные силы» из-за огромного воздействия возможных разрушений на гражданское население и окружающую среду. Как таковая, она защищена нормами международного гуманитарного права (МГП) и не должна становиться объектом нападения, если это может привести к серьезным потерям среди гражданского населения. Для облегчения идентификации правилами МГП определен защитный знак, состоящий из трех ярко-оранжевых кругов, расположенных на одной оси.

Основные причины разрушения плотины включают недостаточную пропускную способность водосброса, прокладку трубопроводов через набережную, фундамент или устои, ошибку в проектировании водосброса (плотина Саут-Форк), геологическую нестабильность, вызванную изменением уровня воды во время заполнения или плохой топографической съемкой (плотины Вайонт, Мальпассет, Тесталинден-Крик), плохое техническое обслуживание, особенно выпускных труб (плотина Лоун-Лейк, обрушение плотины Валь-ди-Става), сильные осадки (плотина Шакидор), землетрясения, а также человеческие, компьютерные или проектные ошибки ( Наводнение в Буффало-Крик, водохранилище Дейл-Дайк, гидроаккумулирующая станция Таум-Саук).

Примечательным случаем преднамеренного разрушения плотины (до вынесения вышеупомянутого постановления) был рейд «Разрушителей плотин» на Германию во время Второй мировой войны (под кодовым названием «Операция «Наказание»»), в ходе которого были выбраны три немецкие плотины для прорыва, чтобы нанести ущерб немецкой инфраструктуре, производственным и энергетическим возможностям, вытекающим из рек Рур и Эдер. Позже этот рейд лег в основу нескольких фильмов.

С 2007 года голландский фонд ЭЙкдейк разрабатывает модель открытых инноваций и систему раннего предупреждения о разрушениях дамб. В рамках усилий по разработке в IJkdijk fieldlab разрушаются полномасштабные дамбы. Процесс разрушения контролируется сенсорными сетями международной группы компаний и научных учреждений.