Роль контрольных плотин в сокращении стока осадка и эрозии

Роль контрольных плотин в сокращении стока осадка и эрозии

Деградация земель, вызванная водной эрозией, остается одной из наиболее постоянных проблем в управлении водосборными бассейнами, устойчивости сельского хозяйства и защите инфраструктуры. По всей холмистой местности, обезлесенным водосборам и нарушенным строительным объектам неуправляемый поток ливневых вод уносит верхний слой почвы, забивает дренажные системы и ухудшает качество воды вниз по течению. Среди набора структурных и природных мероприятий, доступных для землеустроителей, контрольные плотины занимают отличительную позицию: они являются простыми, недорогими барьерами, которые могут принести негабаритные выгоды при правильном размещении и обслуживании.

Контрольные плотины представляют собой небольшие, часто временные или полупостоянные структуры, построенные через каналы, свалки или овраги. Их основная функция заключается в уменьшении скорости концентрированного стока, что позволяет осадку оседать из водной колонны, прежде чем она достигнет более крупных водоемов. Хотя они не являются заменой для комплексного восстановления водораздела, контрольные плотины служат эффективной линией защиты от стока осадков - особенно в районах, где растительность была лишена или склоны естественно неустойчивы.

В этой статье подробно рассматриваются контрольные плотины, их механизмы удержания осадочных пород, проектные и материальные соображения, экологические сопутствующие выгоды и оперативные реалии, определяющие, увенчается ли успехом проект контрольной плотины или нет. Для специалистов в области гражданского строительства, лесного хозяйства, сельского хозяйства и восстановления окружающей среды понимание того, как стратегически развернуть контрольные плотины, может означать разницу между местом, которое заживает, и тем, которое продолжает разрушаться из года в год.

Что такое Check Dams?

Проверочная плотина — это небольшая структура, расположенная перпендикулярно направлению потока в канале или овраге. В отличие от крупных плотин, создающих водохранилища, проверочные плотины предназначены для закапывания воды только временно и на очень короткие сроки. Их цель — не хранить воду, а уменьшить ее кинетическую энергию и стимулировать осаждение взвешенных осадков.

Контрольные плотины обычно строятся с использованием местных доступных материалов, что позволяет снизить затраты и обеспечить быстрое развертывание.

• Рок (хвост или камень с сухим стеком) — наиболее распространенный и долговечный вариант, хорошо подходящий для каналов с умеренными скоростями потока.
• Логи или древесина — используются в лесных условиях, где древесина в изобилии; они со временем ухудшаются, но хорошо интегрируются с естественными системами.
• Бетонная или каменная кладка — предназначена для постоянных установок в районах с высоким риском, где требуется долгосрочная структурная целостность.
• Габионы — проволочные корзины, заполненные камнем, сочетающие проницаемость породы с повышенной устойчивостью к цинге.
• Переработанные материалы — например, измельченный бетон, фрагменты кирпича или использованные шины в некоторых экспериментальных применениях.

Высота контрольной плотины обычно колеблется от 0,5 до 2 метров, в зависимости от глубины канала и ожидаемого объема стока.Важно, что плотина не предназначена для полной блокировки канала; большинство контрольных плотин предназначены для перекрытия во время событий с высоким потоком, действуя как структура контроля степени, а не барьер.

Как проверить плотины уменьшить осадок

Чтобы понять, почему контрольные плотины эффективны, помогает рассмотреть физику эрозии. Когда осадки попадают в голую почву, воздействие капель дождя вытесняет частицы. По мере того, как вода накапливается и начинает течь вниз по склону, она набирает скорость и эрозионную силу. Чем быстрее движется вода, тем больше частиц она может переносить. В неконтролируемом овраге ускоряется стоок, глубже врезаясь в профиль почвы и транспортируя массивные грузы осадка вниз по течению.

Проверка дамб вмешивается в этот процесс с помощью трех основных механизмов:

Энергетическая диссипация

Создавая резкое падение в канальном русле, контрольная плотина заставляет воду замедляться, так как она объединена за структурой. Снижение скорости снижает сдвиговое напряжение, оказываемое на русло канала и берега, предотвращая дальнейшее увязывание частиц почвы. Это рассеивание энергии является наиболее непосредственной и важной функцией контрольной плотины.

Осадочный ловушка

По мере того, как скорость потока уменьшается вверх по течению плотины, вода теряет способность нести взвешенную нагрузку. Более тяжелые частицы - грубый песок, гравий и агрегаты - рассасываются первыми, образуя клин отложений за структурой. Со временем более мелкие частицы, такие как ил и глина, также могут откладываться, в зависимости от продолжительности прудирования и скорости оседания частиц. Регулярное удаление этого накопленного осадка требуется для поддержания эффективности улавливания.

Контроль уровня

В размывающихся оврагах русло канала часто разрезается (срезается вниз) быстрыми темпами. Проверочные плотины действуют как жесткие точки, которые стабилизируют продольный профиль канала. Предотвращая дальнейшее вырубка, они снижают риск обрушения банка и миграции среза головы - два процесса, которые могут дестабилизировать целые склоны холмов. Со временем осадочный клин за каждой плотиной восстанавливает более естественный градиент, позволяя растительности восстановиться на бывшем полу оврага.

Типы контрольных дам

Выбор правильного типа контрольной плотины зависит от условий участка, ожидаемых показателей потока, доступности материалов и целей проекта. Ниже приведены наиболее распространенные категории с примечаниями об их соответствующих применениях.

Rock Check Dams (альбом)

Рок-проверочные плотины являются отраслевым стандартом для большинства применений. Они построены из хорошо сортированной рябины, как правило, с ядром из более мелких камней и броневым слоем более крупных пород на нисходящем лицевом покрытии, чтобы противостоять перекрывающим потокам. Рок-плотины проницаемы, что позволяет небольшому потоку проходить через структуру без наращивания чрезмерного гидростатического давления. Они подходят для каналов с дренажной площадью до 40 га и широко используются в управлении эрозией строительных площадок и дренажем лесных дорог.

Log Check Dams (альбом)

В лесных водоразделах, где древесина легкодоступна, бревенчатые плотины предлагают недорогую, биоразлагаемую альтернативу. Ловушки крепятся в берегах канала и ложе с помощью арматурных или земляных якорей, часто с выемкой водосброса, вырезанной в верхушке, чтобы концентрировать поток и предотвратить фланкирование. Первичный компромисс - это продолжительность жизни: бревна начинают гнить в течение 3-7 лет, в зависимости от климата и пород древесины. Однако к тому времени, когда бревна выходят из строя, осадочный клин позади них может стабилизировать канал до точки, где структура больше не нужна.

Конкретные и масонские проверочные плотины

Для постоянных установок в высокоскоростных каналах или урбанизированных условиях бетонные или каменно-кислотные контрольные плотины обеспечивают наибольшую структурную определенность. Они спроектированы с инженерными водосбросами и диссипатиторами энергии (такими как бассейны для утопления) для обработки больших потоков без повреждений. Эти плотины дороги и требуют квалифицированной рабочей силы, но они могут функционировать в течение десятилетий с минимальным обслуживанием. Они обычно используются в муниципальных системах ливневых вод и в оврагах, которые угрожают инфраструктуре, такой как дороги или трубопроводы.

Габион Проверка дамб

Габионные структуры состоят из проволочных сетчатых корзин, заполненных камнем. Они сочетают проницаемость и гибкость породы со структурной сплоченностью монолитного блока. Габионы особенно полезны в каналах, где чесотка вызывает беспокойство, так как проволочная сетка препятствует смыванию отдельных камней. Со временем растительность колонизирует осадок, который накапливается в габионной матрице, что еще больше повышает устойчивость. Основным недостатком является то, что проволочная сетка уязвима к коррозии в кислой или соленой среде, что может привести к структурному отказу через 10-20 лет.

Дизайн-соображения и выбор сайта

Эффективность системы контрольных плотин зависит от правильного расположения и гидравлической конструкции. Плохо расположенная плотина может фактически ухудшить эрозию, концентрируя поток вокруг конструкции или вызывая нестабильность канала вниз по течению. Перед началом строительства необходимо оценить несколько факторов.

Зона дренажа и пиковый поток

Размер площади водосбора верхнего течения определяет объем и скорость стока, которые должна выдержать контрольная плотина. Как правило, отдельные контрольные плотины подходят для дренажных районов до примерно 20 - 40 га. Для более крупных водосборных бассейнов используется серия контрольных плотин ( "поезд контрольной плотины"), каждая из которых обрабатывает часть совокупного потока. Для оценки пикового сброса за данный период возврата (обычно 10-летний или 25-летний шторм для постоянных сооружений) может использоваться гидрологическое моделирование или рациональный метод.

Геометрия канала и градиент

Проверочные плотины наиболее эффективны в каналах с градиентом от 2% до 15%. На более плоских склонах эрозия может быть недостаточно серьезной, чтобы оправдать стоимость; на более крутых склонах структурные требования становятся значительными, а эффективность улавливания осадка снижается, потому что продолжительность водосбора коротка. Плотина должна быть расположена там, где канал относительно прямой и однородный, избегая изгибов, где более вероятны фланги или рыскания.

Пространство между дамбами

Вертикальный интервал между последовательными контрольными плотинами определяется концепцией «контроля уровня»: гребень каждой нижестоящей плотины должен быть на той же высоте, что и основание вышестоящей плотины (или немного выше, чтобы учесть накопление осадка). Это создает ступенчатый профиль, который заменяет первоначальный крутой канал серией пологих склонов. Горизонтальное расстояние рассчитывается как вертикальное падение, деленное на желаемый градиент клина осадка. Общие расстояния варьируются от 10 до 50 метров, в зависимости от склона канала.

Дизайн шпильки и Freeboard

Каждая контрольная плотина должна иметь четко определенный водосброс, чтобы передавать перекрывающие потоки без повреждения структуры или ее примыканий. Для каменных плотин водосброс обычно является самой низкой точкой на гребне, бронированной самыми большими доступными породами. Для бетонных плотин используется предварительно сформированная V-образная или прямоугольная выемка. Доска - вертикальное расстояние между гребнем водосброса и верхней частью плотины - должна быть не менее 0,3 метра, чтобы предотвратить волновое действие или обломки от неконтролируемого перекрытия плотины.

Фонд и Скур Оскорбления

Наиболее распространенным режимом отказа для контрольных плотин является рыскание на носу (база вниз по течению) или вокруг рифов (где плотина встречается с канальным банком). Для предотвращения этого фартук вниз по течению должен быть бронирован ряби или бетонным бассейном, а рифы должны быть забиты в банки минимум на 0,5 метра. Для габионов и каменных плотин слой фильтра под структурой помогает предотвратить трубопроводы - эрозию мелких частиц почвы через фундамент.

Преимущества Check Dams

При правильной разработке и обслуживании контрольные плотины обеспечивают ряд гидрологических, экологических и экономических преимуществ, которые выходят далеко за рамки улавливания осадков.

Сохранение осадков и улучшение качества воды

Наиболее прямым преимуществом является уменьшение нагрузки осадков в нисходящих водных путях. Задерживая грубые и средние фракции осадков, проверяя плотины, предотвращают иллюзию водоемов, ирригационных каналов и нерест гравия для рыбы. Задержанный осадок также несет меньше фосфора, азота и пестицидов, которые адсорбируются с частицами почвы, тем самым улучшая качество воды в принимающих потоках и озерах.

Подзарядка грунтовых вод

Замедляя стоки и позволяя воде временно прудиться, проверочные плотины увеличивают возможность инфильтрации. В засушливых и полузасушливых регионах это может стать значительным вкладом в локальную подзарядку грунтовых вод. Осадочный клин за плотиной, однажды зарастая, действует как губка, медленно выпускающая воду в недра в течение нескольких дней — недель после штормового события.

Восстановление растительности

Проверочные плотины создают благоприятную микросреду для застройки растений. Сохраняемая влажность, накопленные мелкие осадки и сниженная скорость потока позволяют травам, кустарникам и даже саженцам деревьев колонизировать овражный пол. Корневые системы затем дополнительно стабилизируют почву, создавая петлю положительной обратной связи, которая уменьшает эрозию более эффективно, чем одна только плотина когда-либо могла. Во многих проектах восстановления проверочные плотины используются специально в качестве предшественника ревегетации.

Создание среды обитания

В деградированных каналах, которые были вырезаны до основания или уплотненных недр, проверочные плотины восстанавливают степень сложности среды обитания. Бассейны, образующиеся за плотинами, обеспечивают убежище для водных насекомых и мелких рыб в периоды низкого стока. Клиновые отложения поддерживают прибрежную растительность, которая в свою очередь обеспечивает тень, органическое вещество и покрытие дикой природы. Со временем канал, который когда-то был безжизненным оврагом, может восстановить большую часть своей экологической функции.

Защита инфраструктуры

За счет снижения нагрузки на осадочные породы и стабилизации каналов контрольные плотины защищают инфраструктуру нижнего течения, включая дороги, мосты, водопроводы и системы ливневых вод. Стоимость ремонта одного забитого водопровода или эрозированного мостового примыкания может превышать стоимость всей программы монтажа контрольных плотин. Во многих юрисдикциях правила контроля эрозии требуют использования контрольных плотин или эквивалентных мер на строительных площадках выше определенного размера.

Ограничения и вызовы

Проверочные плотины не являются панацеей. Они имеют хорошо документированные ограничения, которые необходимо признать, чтобы избежать нереалистичных ожиданий и провала проекта.

Ограниченная ловушка тонкого осадка

Контрольные плотины наиболее эффективны при улавливании песка и более крупных частиц. Ил и глина, которые имеют очень низкие скорости оседания, как правило, остаются в подвеске и проходят через плотину, если продолжительность водосбора не является необычно долгой. В водоразделах, где мелкий осадок является основной проблемой (например, сельскохозяйственный ил), только контрольные плотины недостаточны и должны сочетаться с другими методами, такими как растительные буферы или осадочные бассейны.

Обременение на техническое обслуживание

Проверка плотин требует регулярного осмотра и технического обслуживания, особенно после крупных штормовых событий. Накопленные осадочные породы должны быть удалены для восстановления улавливающей способности, а поврежденные участки должны быть отремонтированы. На практике многие системы контрольных плотин установлены и затем забыты, что приводит к снижению эффективности и возможному отказу. На этапе проектирования должен быть установлен график технического обслуживания с четко установленным финансированием и ответственностью.

Риски возникновения разрыва канала вниз по течению

Если контрольная плотина не предназначена для рассеивания энергии, концентрированный поток, который проливается через структуру, может немедленно прочесать русло канала вниз по течению, создавая водораздел, который подрывает фундамент плотины. Эта «головная рубка» может распространяться вверх по течению, разрушая плотину и вызывая большую эрозию, чем если бы не была построена плотина. Правильная бронезащита и конструкция бассейна для усмирения необходимы для снижения этого риска.

Барьер для водного прохода

В многолетних ручьях контрольные плотины могут препятствовать движению рыбы и других водных организмов. Для видов, требующих миграции вверх по течению для нереста или кормления, даже небольшая вертикальная капля может быть значительным барьером. Там, где водный проход вызывает беспокойство, контрольные плотины должны включать рыбные лестницы, скальные пандусы или заменяться альтернативными структурами контроля класса, такими как скальные риффы или последовательности степ-пула.

Осуществление и техническое обслуживание

Успешные программы контрольных плотин следуют структурированному жизненному циклу: планирование, проектирование, строительство, мониторинг и техническое обслуживание. Каждый этап имеет свои лучшие практики.

Предстроительное планирование

Перед тем как переместить какую-либо породу, оценка участка должна документировать существующие условия: градиент канала, устойчивость банка, тип почвы, площадь дренажа, землепользование и любые нормативные ограничения. Во многих юрисдикциях для проверки плотин, которые изменяют канал потока, могут потребоваться разрешения в соответствии с правилами водно-болотных угодий или качества воды. Для определения оптимального расстояния и высот гребня для поезда контрольной плотины необходимо обследование продольного профиля канала.

Строительные техники

Для рок-проверочных плотин строительство начинается с раскопки ключевой траншеи через канал и в берега, обычно глубиной от 0,3 до 0,5 м. Траншея заполнена большой скалой, чтобы сформировать фундамент. Затем плотина застроена слоями, с самыми большими породами, расположенными на нижнем течении и гребне, и меньшими породами, используемыми для ядра. Гребень должен быть ровным по всему каналу, с самой низкой точкой в центре, чтобы концентрировать поток и предотвращать фланкирование. Для бревенчатых плотин бревна расположены перпендикулярно потоку, закреплены арматурой, вбитой в русло канала, а верхняя сторона заполнена грунтом или небольшой скалой для создания уплотнения.

Мониторинг и инспекция

После строительства контрольные плотины должны проверяться после каждого значительного события осадков (например, > 25 мм за 24 часа) до тех пор, пока система не станет стабильной, и, по крайней мере, ежеквартально после этого.

• Глубина накопления осадка за плотиной
• Сквозь нос или щиколотки
• Фланкинг (вода размывается вокруг концов плотины)
• Растительное учреждение на осадочном клине
• Структурная целостность материалов плотины

Удаление осадка

When sediment accumulates to within 0.3 meters of the dam crest, it should be removed to maintain trapping efficiency. The removed sediment can be spread on adjacent upland areas, used as fill, or disposed of according to local regulations. Timing is important: sediment removal should be done during dry weather when the channel is not flowing, and the dam structure should not be disturbed more than necessary.

Проверка плотин на практике: применение в разных секторах

Контрольные плотины развернуты в широком диапазоне настроек, каждая из которых имеет различные требования к производительности и ограничения.

Лесное хозяйство и лесозаготовительные работы

На лесных дорогах и заносных тропах контрольные плотины используются для контроля стока с дорожных поверхностей и предотвращения образования оврагов в дренажных канавах. Лесная служба США рекомендует проводить контрольные плотины на лесных дорогах с градиентами более 5%, где скорости стока превышают 1,5 м/с. Лесозаготовительные компании на Тихоокеанском северо-западе регулярно устанавливают контрольные плотины в рамках своих лучших практик управления, часто используя материалы, собранные на месте (слэш, небольшие бревна или замаскированный древесный мусор).

Сельское хозяйство и управление диапазоном

В сельскохозяйственных водоразделах контрольные плотины используются для контроля эрозии в травянистых водных путях и полевых оврагах. Особенно распространены они на Лёссском плато Китая и в полузасушливых районах Африки к югу от Сахары, где сочетаются с террацированием и контурным связыванием для удержания влаги почвы и уменьшения осадочных пород в водохранилищах. В условиях пастбищных угодий контрольные плотины помогают концентрировать стоки и поддерживают рост кормовой растительности в иных деградировавших каналах.

Строительная площадка Эрозионный контроль

Осадочные стоки с активных строительных площадок являются основным источником загрязнения воды в урбанизирующих районах. Проверочные плотины являются стандартным элементом планов контроля осадков и эрозии, требуемых Агентством по охране окружающей среды США в соответствии с Законом о чистой воде. Как правило, они строятся из камня или щебня, они размещаются через дренажные проволоки с интервалами от 15 до 30 метров, в зависимости от склона. Они остаются на месте до тех пор, пока участок не стабилизируется растительностью или тротуаром.

Восстановление шахтного участка

На заброшенных шахтных землях, где верхний слой почвы был удален или загрязнен, контрольные плотины используются для стабилизации размывающих каналов и улавливания осадка, который может содержать тяжелые металлы или кислотообразующие материалы. В этих приложениях сам материал контрольной плотины может быть инертным или выстлан геомембраной для предотвращения выщелачивания. Обнаружение клина осадка часто ускоряется с использованием гидропосева с местными видами.

Заключение

Проверочные плотины являются проверенным, экономически эффективным инструментом для сокращения стока осадков и эрозии в каналах и оврагах в широком диапазоне ландшафтов. Их способность рассеивать энергию потока, улавливать грубые осадки и стабилизировать уровни каналов делает их неотъемлемой частью инструментария управления эрозией для землеустроителей, инженеров и практиков восстановления. В сочетании с хорошим выбором участка, надлежащим гидравлическим дизайном и приверженностью к постоянному техническому обслуживанию контрольные плотины могут превращать эрозионную оврагу в стабильный, растительной водоток, который улучшает качество воды и поддерживает экологическое восстановление.

Однако контрольные плотины не являются самостоятельным решением. Их ограничения, особенно в улавливании мелкого осадка и поддержании водного прохода, означают, что они должны быть развернуты в рамках более широкой стратегии управления водоразделами, которая включает в себя контроль эрозии нагорья, вегетативные буферы и методы устойчивого землепользования. В контекстах, где инвазивные или постоянные структуры не подходят, могут рассматриваться альтернативы, такие как каменные риффлы, лопасти или древесные мусорные добавки.

Для тех, кто заинтересован в дальнейшем техническом руководстве, Национальная база данных по буровой воде BMP предоставляет данные о производительности контрольных плотин в нескольких климатических регионах. Национальное руководство по инженерии USDA предлагает подробные процедуры проектирования для плотин для проверки пород и бревен. Для практиков, работающих в развивающихся регионах, Руководство Всемирного банка по борьбе с эрозией включают практические тематические исследования из проектов контрольных плотин в Эфиопии, Индии и Непале.