зачем нужна плотина на реке
Человек не просто дитя природы. Он старается изменить окружающую среду вокруг себя, сделать ее более комфортной для проживания. Этим он отличается от животных. С давних пор люди старались обуздать стихии, чтобы не зависеть от капризов природы и погоды. Так, они научились возводить плотины, чтобы вода для полива полей и водопоя животных была всегда. Это инженерное устройство помогает людям сохранять и рационально использовать как водные, так и земельные ресурсы, а также предотвращает разрушительные наводнения.
Что такое плотина?
Плотина – это преграда, сдерживающая или контролирующая водный поток. Благодаря им создаются искусственные водохранилища, в которых происходит накопление живительной жидкости, а затем ее расход по необходимости.
Помимо накопительных функций, плотина на реке может приносить и еще большую пользу, когда мощь водного потока приводит в действие электростанции, снабжающие города и населенные пункты электроэнергией. Люди за многие годы научились не только контролировать реки, но и вынуждать их работать на благо страны.
Сложное сооружение
Плотина – это сооружение гидротехническое, с различными функциями. При возведении каждого нового сооружения проводится предварительная работа, в результате которой производится экономическое обоснование, рассчитываются технические возможности будущего сооружения. Строительство плотины – сложный и трудозатратный процесс, который требует высокой квалификации рабочих как на этапе проектирования, так и при ее возведении и дальнейшей эксплуатации.
Виды плотин
Плотина – это сооружение, которое не возводится по единому образцу. Для каждого конкретного объекта требуются свои параметры и расчеты. Существует несколько видов плотин.
Сплошные железобетонные обладают практически неограниченным запасом прочности. Этот материал способен сдерживать мощнейшие потоки воды. Их еще называют гравитационными, потому что они удерживаются на поверхности земли за счет силы тяжести, прочно фиксирующей железобетон на месте. Эти плотины весьма дороги ведь они целиком состоят из указанного материала. Поэтому их возводят только на самых мощных реках и эксплуатируют очень длительное время.
Плотины из пустотелого железобетона намного дешевле сплошных. Их внутренности усиливают стальной арматурой различного сечения, чтобы повысить запас прочности.
Земляные сооружают из почвы, камней, песка, чтобы сдержать поток воды. Зачастую их возводят в местах разливов рек как временные преграды вокруг населенных пунктов.
Еще одна разновидность плотин – это дамбы и насыпи, которые должны предотвратить наводнения в случае повышения уровня воды в реках. Высота плотины зависит от ее технических характеристик. Земляные редко насыпают выше 15 метров, а вот железобетонные могут быть практически любой высоты, которой требует проект.
Исторические факты
Плотина – это сооружение мирное. Но в истории бывали случаи, когда подобные объекты использовались в военных целях. Нередко захватчики при осаде города перекрывали русло реки земляной плотиной, изменяя направление водного потока. Осажденные жители, истомившись от жажды, открывали ворота. Бывали и противоположные ситуации, когда с помощью плотины затапливали непокорный городишко. Немало таких сооружений было взорвано во время Второй мировой, чтобы фашисты не могли пройти вглубь страны.
Кстати, по одной из версий историков, не найденная могила Чингисхана также покоится на дне реки, поэтому ее поиски так затянулись. Возведение дамб – прием, который часто применял этот могущественный завоеватель.
Современные плотины выполняют зачастую сразу три функции – защищают от паводков, позволяют накапливать запасы воды и помогают производить электричество.
ПОЧЕМУчка
Плотины часто строят для того, чтобы создать водохранилища, сделать запас воды для общего пользования и для сельскохозяйственных нужд. Когда поперек реки возводят плотину, вода часто разливается, образуя в речной долине озеро или резервуар. Эту воду впоследствии можно использовать для различных нужд – например для того, чтобы предотвратить неурожай сельскохозяйственных культур в засушливые периоды.
Сегодня очень много плотин строят для вырабатывания электричества. Для гидроэлектростанций плотины строят очень высокими, чтобы создать большую разницу высот уровня воды перед плотиной и позади нее. Поднявшаяся вода позади плотины проходит через шлюзовые ворота в ее стене, которые дают возможность воде падать вниз в реку. Когда вода падает вниз, она проходит через огромные лопасти гидротурбин. Турбины при¬водят в действие генераторы, вырабатывающие электричество. Одна из самых больших и мощных плотин в мире – плотина Гувер, расположенная в США на реке Колорадо между штатами Невада и Аризона. Она была построена в 1930-х годах.
Высота этой плотины составляет 221 м, а длина 379 м. Ее водохранилище (Лейк Мид) – самое большое в мире. Оно поставляет воду в несколько штатов, и благодаря этой воде процветают огромные территории с природным засушливым климатом в штатах Южная Калифорния, Аризона и Мехико. Многие современные плотины выполняют одновременно все три задачи – защита от наводнений, накопление запасов воды (водохранилища) и производство электрической энергии (на гидроэлектростанциях).
Зачем нужны плотины?
С самых древних времен человечество строит на реках плотины, таким образом, перегораживая русла рек. Было время, когда запруды выполнялись при помощи поваленных деревьев, которые должны были располагаться поперек течения реки. Если не было возможности повалить дерево, то ложились камни и насыпались земляные валы.
Сегодня времена уже не те и теплое остекление балконов как и при строительстве плотин используются другие материалы, вернее даже сказать комбинация нескольких материалов, это может быть земля, бетон, кирпичи или камень. Для чего это делается? Все очень просто! Ведь ни для кого не секрет, что вода является не только источником жизни, но еще и разрушительной стихией и человек во все времена борется за то, чтобы укротить ее мощь. А помогают в этом нелегком деле людям именно плотины, ведь они способны контролировать воду в реках. Словом, плотина – это отличный способ защититься от паводков. Как известно ливни, подтаявший снег и прочие климатические осадки зачастую становятся причиной повышения уровня воды, и когда вода выходит из берегов она затапливает низменные участки.
Надо сказать, что порой площадь затопления просто огромна, зачастую под водой оказываются луга, поля и даже населенные пункты. А вот, если на реке будет стоять плотина, то она сможет собрать и выпустить воду в нормальное русло.
К тому же не стоит забывать, что плотина является еще и водохранилищем. Если река будет перегорожена, то вода будет скапливаться на этом участке и разливаться. Однако особого внимания требует выбор места для разлива воды. Впоследствии эта вода может использоваться для хозяйственных нужд, например, можно поставить гидроэлектростанцию и тогда она сможет вращать турбины генераторов и вырабатывать электричество. Вот такое вот непростое объяснение мы нашли вопросу, для чего нужны плотины. 
Водосброс, водосливная плотина
Водосброс, водосливная плотина — устройство в гидротехническом сооружении
Сброс воды осуществляется в случае переполнения водохранилища из-за паводка, сильных дождей и тд.
Другие часто используемые названия водосброса и сопутствующие термины:
Пропуск воды через водосливные отверстия на гребне плотины чаще всего регулируется затворами.
Водосливные отверстия ограничены быками и устоями, направляющими поток в отверстия и используемыми одновременно в качестве опор для затворов, подъемных механизмов и мостов.
ВП бывают бетонные, железобетонные, деревянные; проводятся исследования возможности перелива воды через земляные плотины и каменнонабросные плотины.
ВП рассчитывают на пропуск «расчетного» максимального расхода реки при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа (с учетом пропускной способности др. сооружений гидроузла), затем проверяется возможность пропуска макс, расхода при чрезвычайных условиях эксплуатации и определяется форсированный подпорный уровень (ФПУ).
Макс. расходы реки определяют методами гидрологии. Пропускная способность водосливной плотины рассчитывается по формулам гидравлики.
Величина напора на гребне водослива назначается из условий: достижения возможно больших удельных (на 1 м длины плотины) расходов воды в конце крепления русла (на рисберме) в нижнем бьефе (однако с допустимыми в отношении защиты сооружения от подмыва скоростями течения воды), получения минимальной общей стоимости сооружения, приемлемой высоты затворов и недопущения опасной вибрации тела водослива.
На построенных ВП величина напора на гребне обычно составляет от 2 до 8 м, достигая в отдельных случаях 15-18 м.
Общая длина водосливного фронта разбивается на ряд пролетов, в тч рассчитанных на величину хода судов.
ВП имеют также глубинные отверстия (водоспуски).
Величина кинетической энергии потока, сбрасываемого через водосливные плотины (зависящая от расхода воды и напора), может быть весьма значительной.
Эта энергия гасится частично в процессе разрушения дна и берегов нижнего бьефа, частично затрачивается на внутреннее сопротивления воды (вихреобразование, удары струи и др).
По мере увеличения размыва русла его интенсивность уменьшается и с течением времени размывы прекращаются.
Основные виды сопряжения потока, прошедшего через плотину, с нижним бьефом:
донный режим, когда струя плавно опускается с плотины и движется у дна, растекаясь кверху, и вихревой валец затопленного прыжка располагается сверху;
поверхностный режим, когда струя сходит с повышенного уступа или носка плотины и движется у поверхности нижнего бьефа, образуя поверхностный прыжок и растекаясь книзу, покрывая собой вихревой валец у дна;
свободно падающая струя, когда струя свободно падает с гребня или носка-трамплина, размер которых выбирают, исходя из условий пропуска льда, леса, судов, производства работ, экономических показателей и тд.
Дно нижнего бьефа (водобой и рисберма) крепится на таком протяжении от плотины, чтобы возможный размыв русла не угрожал ее устойчивости и прочности. Для удешевления крепления стремятся погасить избыточную энергию потока и довести его скорости до приемлемых величин на кратчайшем расстоянии от плотины. Это достигается регламентированным маневрированием затворами (равномерное открытие их- по длине водосливной плотины) и сооружением на водобое спец. устройств для гашения энергии потока.
При сходе с рисбермы скорости течения доводятся до неразмывающих или до почти неразмывающих русло.
В ряде случаев для этой цели рисберма заканчивается углублением (ковшом), на дно которого отсыпается камень.
Режим сопряжения бьефов, тип и размеры крепления нижнего бьефа для крупных сооружений
Фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний происходит под подошвой ВП и в обход ее в грунте берега или примыкающей земляной плотины. Для борьбы с фильтрацией воды в обход плотины устои снабжают открылками и диафрагмами.
Против фильтрационных деформаций (суффозии, выпора) грунта основания под подошвой плотины устраивается рациональный подземный контур гидросооружения. В состав последнего при нескальных основаниях входит подошва понура, тела водослива, водобоя и рисбермы, шпунты или зуб, дренажи.
«Зачем мы понастроили плотины?»
Ничто не вечно под луной…
В природе все, что рождается, в конце концов стареет и умирает. Таковы законы природы. Например, есть горы молодые, высокие, скалистые (Кавказ), но проходят целые геологические эпохи: миллионы и миллионы лет, и горы стареют. Становятся ниже и положе (Урал).
Человеку, чтобы родиться, вырасти, постареть и умереть, хватает и одного века. Не являются исключением и реки. У них за несколько тысячелетий от рождения произошли очень значительные изменения, особенно это касается наших рек, протекающих в степных равнинных зонах преимущественно на рыхлых породах.
Реки считаются голубыми артериями планеты, зеркалом природы, продуктом климата. Но как изменилась водность рек Белокалитвинского района за последние 70 лет, за период, когда проводились непрерывные систематические инструментальные наблюдения и измерения по гидрологическому режиму? Если принять водность десятилетия 1951-1960 годов за 100%, то получим, что за последнее десятилетие, 2011-2020 годы, водность составит р. Северский Донец у г. Белая Калитва 62%, р. Калитва у х. Погорелова — 41%, р. Быстрая у х. Апанасовка — 42%, р. Лихая у х. Богураев — 43%. Главные причины: изменение климата в сторону более засушливого, отсутствие высоких половодий. Так, в 1953 г. и 1956 г. пик половодья над меженью достигал 7-8 метров для рек Северский Донец и Калитва, а в самые многоводные в 2012 г. и в 2018г. только 2,5-3,5 м.
Как-то в телепередаче «Поле чудес» был задан вопрос, как называется еще по-другому река Волга? Ответ: водохранилище.
Действительно, современная Волга — это цепочка водохранилищ, во вред экологии. Но водохранилища за счет плотин на Волге и других больших реках имеют важные экономические составляющие: выработка электроэнергии, судоходство, орошение, водоснабжение и т. д. А вот какие последствия мы получаем на наших малых и средних реках при создании там плотин? Только негативные. Выше плотин образуются заиленные, заболоченные участки рек, почти сплошь заросшие по берегам, а то и по руслу болотной травянистой и древесно-кустарниковой растительностью.
Создать малопроточные заболоченные участки рек можно двумя способами: построить глухие плотины (дамбы) или углубить русло на коротком участке реки. Поясню последнее. Уклон реки Калитвы на протяжении 63 км от х. Погорелова до х. Раздолье составляет 22 см на 1 км. И вот, если мы углубляем русло на 1,5 м, то выходит, что зона выклинивания подпорного уровня растянется на 7 км. И эффект от очистки будет на участке, который будет далее 7 км и при условии, что весь очищаемый участок будет освобожден от существующих всевозможных запруд (а они, как правило, не убираются), а вынутый грунт будет убран с берегов.
Река Лихая
Важным моментом в истории заболачивания р. Лихой у х. Богураева был такой случай в конце 50-х годов ХХ века. По рассказам старожилов, через реку вброд летом проезжало высокое районное начальство в сторону п. Синегорского и возмутилось тем, что через такую малую речку нет моста. И вот уже на обратном пути проезжали по мосту. В реку были быстро уложены трубы для меженного стока и засыпаны щебнем и камнем, благо карьеры были рядом.
В половодье вода размывала оба берега, мостовую дамбу наращивали вширь и в высоту. Росла дамба, увеличивалось год от года заиление и заболачиваемость реки выше моста. В 1986 г. в 15 м ниже каменной дамбы построили высоководный автомост, но саму дамбу не убрали, а от нее подпор воды на 1,8 метра. Далее в 1991-1992 годах чистили речку. Но как? Каменные завалы не убрали, а начали выше по течению вычерпывать грунт и складировать по берегам. Я выступил тогда 26 февраля 1992 г. в районной газете с резкой критикой по поводу такой «чистки» в статье «Миллионная халтура, или Как чистят речку Лихую». Статья вызвала широкий резонанс, против меня были критические статьи в газете. Ко мне даже приезжали проектировщики-инженеры с солидного института «Южгипроводхоз», сейчас его нет. Упразднен давно. Прошло почти 30 лет. И результат чистки реки Лихой такой, что сюда уместно приглашать участников телешоу «Последний герой», пусть они пробуют различных пресмыкающихся: пиявок, червяков, жучков. Барахтаются в грязной болотной жиже и завоевывают миллионные призы. И за границу ехать не надо.
Зато ниже автомоста, где не было чистки, река проточна. Здесь можно искупаться летом. А в январе православные христиане совершают крещенские обряды.
Река Калитва
Другой пример, р. Калитва у хут. Погорелова, где есть каменно-щебеночная плотина с пешеходным мостиком в узком пролете с бурным потоком внизу. Выше плотины начинается неприглядный заболоченный участок реки, зато ниже, где нет подпора, нормальное течение, песчаные берега и пляжи. Можно купаться и загорать. И меня еще и спрашивают, не будет ли большим половодье, чтоб заранее нарастить еще камнем плотину. Воистину, усердие не по разуму! И таких примеров могу привести множество.
Вспоминаю, как 28 сентября 1990 г. я выступал на районной сессии, где рассматривался вопрос о спасении р. Калитвы и ее притоков. Была создана комиссия, председателем утвержден директор совхоза. А меня, как начальника гидрологической станции, которая как раз и занимается изучением гидрологического режима рек, не включили даже в состав комиссии, зная мою позицию. Для меня это равнозначно, как если бы на консилиуме врачей по лечению болезни председателем комиссии утвердили бы тоже директора совхоза.
Так вот, в одном из пунктов решения комиссии было записано: «В течение 1990-1991 годов убрать все, пришедшие в негодность, неиспользуемые старые мосты, чаши, плотины, что является главным вредителем заиливания наших рек и тормозом весеннего половодья». Профессионально неграмотное изложение, но главное, что-то я не знаю, чтобы где-то какие-то запруды разобрали. Наоборот, подсыпают в старые, в бродах в русла насыпают камень и щебень.
Важно знать, что в незарегулируемой реке естественный процесс формирования речного русла происходит путем взаимодействия (борьбы) водного потока и грунта. Поток воды обычно один берег подмывает, противоположный намывает, перемещая крупные наносы (песок), намываются песчаные берега и отмели на выпуклых берегах. В вогнутых берегах более быстрый турбулентный завихренный поток углубляет русло, образуются омуты. Река приобретает извилистый контур, меандрирует. Но, конечно, на все это влияет рельеф местности, состав пород. Но когда мы создаем подпор, течение слабеет, крупные частицы (песок, галька) почти не участвуют в русловом движении. Мелкие частицы, поступающие в реку с поверхностным и овражно-балочным стоками, далеко не транспортируются, а оседают в русле и по берегам, происходит заиливание, заболачивание, зарастание и задернованность. Не случайно бытует народная пословица: река без течения, что человек без дела, быстро стареет.
Хочу отметить, что в последнее время в принимающих решения структурах все более зреет понимание того, что к рекам надо экологически грамотно относиться не на словах, а в поступках. В частности, вынутый из русла грунт вывозится с берегов. Есть случаи, когда самовольно возведенные запруды ликвидировали благодаря вмешательству властных структур. Пример, в 2011 г. на р. Быстрой у с. Скосырской Тацинского района русло перегородили бетонными плитами. Я обратился в Госкомприроду, оттуда направили двух специалистов, мы выехали на место, и местная администрация была вынуждена ликвидировать за три дня плотину, несмотря на протестный сход местных жителей. В 2014 году выше автомоста у хут. Ленина участок реки грамотно очищен и облагорожен, сохранена естественная проточность без запруд, есть песчаные берега и русла. Сейчас чистят р. Ольховую у с. Кашары, вынутый грунт вывозится, намерены убрать и мостовую дамбу.
Река Северский Донец
Коротко о реке Северский Донец, которая в нижнем течении на протяжении 208 км находится в подпоре от 6 разборных плотин системы Пуаре. Негативное воздействие от них на реку меньше, чем от глухих плотин. Но из-за маловодья последних десятилетий и отсутствия высоких половодий процесс заиления, зарастания берегов травянистой и древесно-кустарниковой растительностью усиливается год от года. Это видно каждому. Но, как правильно сообщалось в письме от министерства природных ресурсов и экологии РО, «расчистка зашлюзованных участков реки в условиях неизбежной аккумуляции твердого стока в результате ежегодной установки плотин гидроузлов неэффективна». И с этим приходится мириться.
О реках пишут много, переживают за них, дают советы и предложения по спасению наших рек. Я хочу только указать на некоторые заблуждения ряда авторов, не называя фамилий. В устье Калитвы возле моста у рынка нет и не может быть «суходола», и гидролога никто не наделял такой функцией, как «защита от наводнения», этим может быть только какое-то сооружение. Пишут, что 14.03.1986 г. за 2 часа уровень здесь поднялся на 5,5 метра, это отсебятина и страшилка. Интенсивность подъема уровня здесь не превышает 30 см за 1 час, и это паспортные данные на основе многолетних наблюдений. Некоторые преувеличивают роль ледохода в очистке русел, льдины плывут спокойно по течению, не кувыркаются, что случается только при прорыве заторов. При постройке высоководного автомоста через Калитву у х. Головка было принято правильное решение спрямить извилистое русло. И негатива здесь нет, это все фантазии. Некоторые даже ставят вопрос, а не «помогут ли плотины-времянки самоочищению рек?» Святая простота. Это все равно, что у медиков спрашивать, а не полезны ли для лечения наличие тромбов в артериях у больного.
К сожалению, по всей длине малых рек есть много незаконных запруд, глухих плотин для прудов и бродов. А ведь реки — это федеральная собственность.
Закончить хочу стихотворными строчками:
Зачем мы понастроили плотины
И волю не даем речной струе?
Болота с илом и вонючей тиной
Неужто лучше видеть вам и мне?
Вопрос открытый, господа и товарищи.
О. Зеленин,
начальник гидрологической станции г. Белая Калитва.