Fördämning

För annan användning, se Weir (disambiguation) .

En dam vid Humberfloden nära Raymore Park i Toronto, Ontario, Kanada

En damm vid Yass River , New South Wales , Australien , direkt uppströms från en delad korsning av floden för fotgängare och cykel

En damm på Tikkurilankoski-forsen i Vanda , Finland

Time lapse-video av en ny tippningsdämmare som installeras i Caldicot- och Wentloog-nivåerna

En damm / w ɪər / eller låg huvuddamm är en barriär tvärs över en flods bredd som förändrar vattnets flödesegenskaper och vanligtvis resulterar i en förändring i höjden på flodnivån. Dammar används också för att kontrollera flödet av vatten för utlopp från sjöar, dammar och reservoarer. Det finns många överdämningsdesigner, men vanligtvis rinner vatten fritt över överdämningen innan det faller ner till en lägre nivå.

Etymologi

Det finns ingen singeldefinition på vad som utgör en damm och en engelsk ordbok definierar helt enkelt en damm som en liten fördämning, troligen härrörande från mellanengelska var , fornengelsk wer , derivat av roten av werian, vilket betyder "att försvara, fördärva". Det tyska besläktade namnet är Wehr , idag det ofta som det sammansatta substantivet Stauwehr som har samma betydelse som engelska weir.

Fungera

En övervall vid Thorp gristkvarn i Thorp, Washington , USA

Vanligtvis används dammar för att förhindra översvämningar , mäta vattenutsläpp och hjälpa till att göra floder mer farbara med båt. På vissa platser är termerna dam och dam synonyma, men normalt görs en tydlig skillnad mellan strukturerna. Vanligtvis är en damm utformad specifikt för att dölja vatten bakom en mur, medan en damm är utformad för att ändra flodens flödesegenskaper.

En vanlig skillnad mellan dammar och dammar är att vatten rinner över toppen (krönet) av en dam eller under den åtminstone en del av dess längd. Följaktligen kan krönet av ett bräddavlopp på en stor damm därför betecknas som en damm. Damm kan variera i storlek både horisontellt och vertikalt, där de minsta bara är några centimeter höga medan de största kan vara många meter långa och hundratals meter långa. Några vanliga fördämningsändamål beskrivs nedan.

Flödesmätning

Damm ger hydrologer och ingenjörer en enkel metod för att mäta den volymetriska flödeshastigheten i små till medelstora vattendrag/floder eller i industriella utsläppsplatser. Eftersom geometrin på dammens topp är känd och allt vatten rinner över dammen, kan vattendjupet bakom dammen omvandlas till en flödeshastighet. Detta kan dock endast uppnås på platser där allt vatten rinner över toppen av dammkrönet (till skillnad från runt sidorna eller genom ledningar eller slussar) och på platser där vattnet som rinner över krönet förs bort från strukturen . Om dessa villkor inte uppfylls kan det göra flödesmätning komplicerad, felaktig eller till och med omöjlig.

Utsläppsberäkningen kan sammanfattas som

$Q=CLH^{n},$

var

Q är den volymetriska flödeshastigheten för vätska ( utsläppet ),

C är flödeskoefficienten för strukturen (i genomsnitt en siffra på 0,62),

L är bredden på krönet ,

H är höjden på vattenhöjden över krönet,

n varierar med strukturen (t.ex. 3/2 för horisontell överdämning, 5/2 för överdämning med v-snitt).

Denna beräkning är dock ett generiskt samband och specifika beräkningar finns tillgängliga för de många olika typerna av dammar. Flödesmätningsöverfall måste underhållas väl om de ska förbli exakta.

Flöda över en V-notch dam

Flödet över en V-notch-dämning (i ft ³ /s) ges av Kindsvater–Shen-ekvationen:

$Q={\frac {8}{15}}{\sqrt {2g}}\,C_{e}\tan {\frac {\theta }{2}}(h+k)^{\frac {5}{2}},$

var

Q är den volymetriska flödeshastigheten för vätska i ft ³ /s,

g är accelerationen på grund av gravitationen i ft/s ² m

C _e är flödeskorrektionsfaktorn som ges i Shen 1981 , sid. B29, Fig. 12,

θ är vinkeln för V-notch-dammen,

h är höjden på vätskan över botten av V-notch,

k är huvudkorrigeringsfaktorn som ges i Shen 1981 , sid. B20, Fig 4.

Kontroll av invasiva arter

Eftersom överdämningar är en fysisk barriär kan de hindra fiskar och andra djurs rörelse i längdriktningen upp och ner i en flod. Detta kan ha en negativ effekt på fiskarter som vandrar som en del av sin häckningscykel (t.ex. laxfiskar ), men det kan också vara användbart som en metod för att förhindra att invasiva arter flyttar uppströms. Till exempel har dammar i området kring de stora sjöarna hjälpt till att förhindra att invasiv havsöröga koloniserar längre uppströms.

Vattenkvarnar

Bruksdammar skapas av en damm som fyller upp vatten som sedan rinner över strukturen. Energin som skapas av vattnets höjdförändring kan sedan användas för att driva vattenhjul och driva sågverk, slipskivor och annan utrustning.

Översvämningskontroll och förändrade flodförhållanden

En slussportbaserad överdämning vid Bray Lock vid Themsen , vänd nedströms. I bakgrunden finns den mindre sekundära "överspill"-dammen. Två små båtar är också synliga hållna mot överspillsdammen, efter att ha sköljts mot den under ett särskilt högt utsläpp till följd av smältvatten och efterföljande nederbörd efter vinterns köldvåg 2018.

Damm används vanligtvis för att kontrollera floders flödeshastigheter under perioder med höga utsläpp. Slussportar (eller i vissa fall höjden på överdämningen) kan ändras för att öka eller minska volymen vatten som strömmar nedströms. Damm för detta ändamål finns vanligtvis uppströms om städer och byar och kan antingen automatiseras eller manövreras manuellt. Genom att sakta ner hastigheten med vilken vattnet rör sig nedströms till och med något kan en oproportionerlig effekt få på sannolikheten för översvämning. På större floder kan en damm också ändra vattenvägens flödesegenskaper till den grad att fartyg kan navigera i områden som tidigare varit otillgängliga på grund av extrema strömmar eller virvlar . Många större dammar kommer att ha konstruktionsfunktioner som gör att båtar och flodanvändare kan "skjuta dammet" och navigera genom att passera upp eller nedströms utan att behöva lämna floden. Fördämningar som konstrueras för detta ämnar är särskilt vanliga på floden Themsen , och de flesta ligger nära var och en av flodens 45 slussar .

frågor

Under perioder med högt flodflöde skulle detta 1800-talsfördämning av porfyrsten på en bäck i Alperna få betydligt mer vatten att rinna över sig.

Ekologi

Eftersom en damm fyller upp vatten bakom sig och ändrar flodens flödesregim, kan det ha en effekt på den lokala ekologin . Vanligtvis kan den minskade flodhastigheten uppströms leda till ökad nedslamning (avsättning av fina partiklar av silt och lera på flodens botten) som minskar vattnets syrehalt och kväver ryggradslösa livsmiljöer och fiskens lekplatser . Syrehalten återgår vanligtvis till det normala när vattnet har passerat över damkrönet (även om det kan vara hypersyresatt), även om ökad flodhastighet kan skura flodbädden och orsaka erosion och förlust av livsmiljöer.

Fiskvandring

Damm kan ha en betydande effekt på fiskvandringen . Varje damm som överstiger antingen den maximala höjden som en art kan hoppa eller skapar flödesförhållanden som inte kan kringgås (t.ex. på grund av för hög vattenhastighet) begränsar effektivt den maximala punkten uppströms som fiskar kan migrera. I vissa fall kan detta innebära att stora längder av häckningshabitat går förlorade, och med tiden kan detta ha en betydande inverkan på fiskpopulationer.

I många länder är det nu ett lagkrav att bygga in fisktrappar i utformningen av en dam som säkerställer att fisk kan kringgå barriärerna och komma åt uppströms livsmiljöer. Till skillnad från dammar, förhindrar dammar vanligtvis inte nedströms fiskvandring (eftersom vatten rinner över toppen och tillåter fisk att kringgå strukturen i det vattnet), även om de kan skapa flödesförhållanden som skadar ungfisk. Nyligen genomförda studier tyder på att navigeringsslussar också har potential att ge ökad tillgång för en rad olika biota , inklusive fattiga simmare.

Säkerhet

Även om vattnet runt dammar ofta kan verka relativt lugnt, kan de vara extremt farliga platser att båta, simma eller vada på, eftersom cirkulationsmönstren på nedströmssidan – vanligtvis kallad ett hydrauliskt hopp – kan sänka en person på obestämd tid . Detta fenomen är så välkänt för kanotister, kajakpaddlare och andra som tillbringar tid på floder att de till och med har ett bedrövligt namn för dammar: "drunkningsmaskiner". Ohio DNR rekommenderar att ett offer ska "trycka ner hakan, dra upp knäna mot bröstet med armarna lindade runt dem. Förhoppningsvis kommer förhållandena att vara sådana att strömmen kommer att trycka offret längs flodens bädd tills den svepas bortom flodbädden. kokledning och frigörs av hydrauliken." Pennsylvania State Police rekommenderar också offren att "krupa ihop sig, dyka till botten och simma eller krypa nedströms". Eftersom det hydrauliska hoppet drar med sig luft, kommer flytkraften i vattnet mellan dammen och kokledningen att minska med uppåt 30 %, och om ett offer inte kan flyta kan flykt vid dammens bas vara det enda alternativet för att överleva .

Vanliga typer

Det finns många olika typer av överdämningar och de kan variera från en enkel stenkonstruktion som knappt märks, till genomarbetade och mycket stora konstruktioner som kräver omfattande skötsel och underhåll.

• 

  Bro och fördämningsmekanism vid Sturminster Newton vid floden Stour, Dorset , Storbritannien

• 

  Två dammar vid floden Wear i Durham , Storbritannien: den nedre dammaren är en sammansatt dammar som också har fiskstegar för att tillåta fisk som lax att navigera i dammet

• 

  En manuellt manövrerad nålfördämning nära Revin vid floden Meuse , Frankrike

• 

  En överdämning med bred krön i Warkworth , Nya Zeeland

• 

  En komplicerad serie av överfall med bred kam och V-notch vid Dobbs Weir i Hertfordshire , Storbritannien

Bredkrönt

En bredkrönad överdämning är en plattkrönad struktur, där vattnet passerar över en krön som täcker mycket eller hela kanalens bredd. Detta är en av de vanligaste typerna av dammar som finns över hela världen.

Förening

En sammansatt överdämning är varje överdämning som består av flera olika konstruktioner i en struktur. De ses ofta på platser där en flod har flera användare som kan behöva kringgå strukturen. En vanlig design skulle vara en där en dam är bredkrönt under en stor del av sin längd, men har en sektion där dammen stannar eller är "öppen" så att små båtar och fiskar kan korsa strukturen.

V-skåra

En skåra är vilken som helst överdämning där den fysiska barriären är betydligt högre än vattennivån förutom en specifik skåra (ofta V-formad) inskuren i panelen. Vid tider med normalt flöde måste allt vatten passera genom skåran, vilket förenklar beräkningar av flödesvolymen, och vid tider av översvämning kan vattennivån stiga och sänka dammen utan att några förändringar görs på strukturen.

Polynom

Ett polynomium är ett överfall som har en geometri definierad av en polynomekvation av valfri ordning n . I praktiken är de flesta överdämningar av låg ordning polynomiska överdämningar. Den rektangulära standardfördämningen är till exempel en polynomfördämning av ordningen noll. De triangulära (V-notch) och trapetsformade överdämningarna är av ordning ett. Polynomfördämningar av hög ordning ger ett bredare utbud av huvud-urladdningsförhållanden och därmed bättre kontroll av flödet vid utloppen av sjöar, dammar och reservoarer.

Se även

• Crump fördämning
• Dropstruktur
• Fiskevägg
• Damm med fast krön
• International Control Dam

Anförda verk

•   Akers, Peter (1978). Dammar och rännor för flödesmätning . ISBN 978-0471996378 .
•   Baddour, Raouf E. (2008). "Head-urladdningsekvation för skarpkrönad polynomdämmning". Journal of Irrigation and Drainage Engineering . 134 (2): 260–262. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9437(2008)134:2(260) . ISSN 0733-9437 .
•   Clemmens, Albert (2010). Vattenmätning med rännor och dammar . ISBN 978-1887201544 .
• Shen, John (1981). Urladdningsegenskaper hos triangulära skåror med tunnplåt (PDF) . Washington: United States Government Printing Office.
•   Silva, Sergio; Lowry, Maran; Macaya-Solis, Consuelo; Byatt, Barry; Lucas, Martyn C. (2017). "Kan navigeringslås användas för att hjälpa migrerande fiskar med dålig simprestanda att passera tidvattenspärr? Ett test med lampögon" . Ekologisk teknik . 102 : 291-302. doi : 10.1016/j.ecoleng.2017.02.027 . ISSN 0925-8574 .
•   Tummers, Jeroen S.; Winter, Emily; Silva, Sergio; O'Brien, Pat; Jang, Min-Ho; Lucas, Martyn C. (2016). "Utvärdering av effektiviteten av ett Larinier superaktivt baffelfiskpass för europeisk flodöga Lampetra fluviatilis före och efter modifiering med väggmonterade dubbplattor" . Ekologisk teknik . 91 : 183–194. doi : 10.1016/j.ecoleng.2016.02.046 . ISSN 0925-8574 .

Vidare läsning

•   Chanson, H. (2004). The Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-5978-9 .
•   Chanson, Hubert (2007). "Hydrauliska prestanda för kulvertar med minimal energiförlust i Australien" ( PDF) . Journal of Performance of Constructed Facilities . 21 (4): 264–272. doi : 10.1061/(ASCE)0887-3828(2007)21:4(264) . ISSN 0887-3828 .
•   Gonzalez, Carlos A.; Chanson, Hubert (2007). "Experimentella mätningar av hastighets- och tryckfördelningar på en stor bredkrönad överdämning" ( PDF) . Flödesmätning och instrumentering . 18 (3–4): 107–113. doi : 10.1016/j.flowmeasinst.2007.05.005 . ISSN 0955-5986 .
• Henderson, FM (1996), Open Channel Flow , New York: MacMillan Company
• McKay, GR (1971). "Design av minimienergitrummor." Forskningsrapport, Institutionen för civilingenjör, Univ. i Queensland, Brisbane, Australien, 29 sidor & 7 plattor.
•   Sturm, Terry W. (2010). Öppna kanalhydraulik . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-126793-9 .

externa länkar

• Hydraulics of Minimum Energy Loss (MEL) kulvertar och brovattenvägar (Klicka på "fortsätt" på UQ-ITS Advisory webbsida)