السد

السد ( يُلفظ / ˈlɛvi / أو / ˈlɛveɪ / ) ، ^{[ a ] [ 1 ]} هو نتوء مرتفع على ضفاف النهر ، يُقصد به غالبًا حماية المنطقة المجاورة للنهر من الفيضانات . ويُطلق عليه أيضًا اسم السد ( في الإنجليزية الأمريكية )، أو السد ( في الإنجليزية البريطانية )، أو حاجز الفيضان ، أو حاجز التوقف . وهو نوع من أنواع السدود الترابية . عادةً ما يكون السد، سواءً كان طبيعيًا أو اصطناعيًا، ترابيًا ، وغالبًا ما يمتد موازيًا لمجرى النهر في سهله الفيضي أو على طول السواحل المنخفضة. ^{[ 2 ]}

تتشكل السدود الطبيعية على سهول الفيضانات النهرية عقب حدوثها. تترسب الرواسب والطمي على ضفاف النهر وتستقر، مكونةً سلسلة جبلية تزيد من سعة مجرى النهر. ويعود شكل السد إلى ترسب الحمولة الخشنة للنهر مباشرةً بجوار المجرى مع انخفاض سرعة المياه أثناء الفيضان، بينما تترسب الرواسب الأنعم تدريجيًا على السهل الفيضي على جانبي المجرى، مما يُشكل انحدارًا لطيفًا على جانبي المجرى ذي الشكل U. وبدلاً من ذلك، يمكن إنشاء السدود صناعيًا من مواد ردمية ، مصممة لتنظيم مستويات المياه. وفي بعض الحالات، قد تُلحق السدود الصناعية أضرارًا بالبيئة . ^{[ 3 ]}

شيدت الحضارات القديمة في وادي السند ومصر القديمة وبلاد ما بين النهرين والصين السدود. واليوم، تنتشر السدود في جميع أنحاء العالم، وقد يؤدي انهيارها بسبب التعرية أو غيرها من الأسباب إلى كوارث كبرى، ^{[ 4 ]} مثل الانهيارات الكارثية للسدود في منطقة نيو أورليانز الكبرى عام 2005 نتيجة إعصار كاترينا .

كلمة "levee" (سد )، الشائعة الاستخدام بين متحدثي الإنجليزية الأمريكية ، مشتقة من الكلمة الفرنسية "levée" (من صيغة اسم المفعول المؤنث للفعل الفرنسي " lever " بمعنى "يرفع"). وقد ورد استخدامها في نيو أورليانز بعد سنوات قليلة من تأسيس المدينة عام 1718، ثم تبناها متحدثو الإنجليزية لاحقًا. ^{[ 5 ]} أما الكلمة اللاتينية "levata " (اسم المفعول المؤنث للفعل "levare ") فقد استُخدمت لأول مرة بمعنى "سد" في وثيقة تعود لعام 954، تشير إلى بركة طاحونة قرب بانيولو دي بو، نشأت بفعل سد كان يمر فوقه طريق. وقد استُخدم الفعل "levare" بمعنى تحويل المياه لطاحونة منذ عام 778، عندما منح الدوق هيلدبراند من سبوليتو قناةً للأسقف جويكبيرت من رييتي لبناء طاحونة. ^{[ 6 ]} ويُشتق الاسم من خاصية ارتفاع حواف السد عن كل من القناة والسهول الفيضية المحيطة بها.

يُرجّح أن كلمة "دايك" أو "دايك" الحديثة مشتقة من الكلمة الهولندية "دايك" ، حيث وُثّق بناء السدود منذ القرن الحادي عشر. وقد شُيّد سد وستفريز أومرينغدايك ، الذي يبلغ طوله 126 كيلومترًا (78 ميلًا) ، والذي اكتمل بناؤه عام 1250، من خلال ربط سدود أقدم قائمة. ويذكر المؤرخ الروماني تاسيتوس أن الباتافيين المتمردين قاموا بثقب السدود لإغراق أراضيهم وحماية ملجأهم (70 ميلاديًا ). ^{[ 7 ]} كانت كلمة "دايك" في الأصل تشير إلى كل من الخندق والضفة . وهي تُشابه إلى حد كبير الفعل الإنجليزي " to dig" ( يحفر) . ^{[ 8 ]}  

في اللغة الأنجلوسكسونية ، كانت كلمة "dic" موجودة بالفعل، وكانت تُنطق " dick" في شمال إنجلترا و" ditch" في جنوبها. وكما هو الحال في اللغة الهولندية، فإن أصول الكلمة الإنجليزية تعود إلى حفر خندق وتشكيل التربة المتصاعدة منه إلى ضفة بجانبه. وقد أدى هذا إلى إمكانية تسمية الحفرة أو الضفة بالاسم. وهكذا، فإن " Offa's Dyke" عبارة عن بنية مركبة، و "Car Dyke" عبارة عن خندق - على الرغم من أنه كان يحتوي في السابق على ضفاف مرتفعة أيضًا. في منطقة ميدلاندز وشرق أنجليا الإنجليزية ، يُطلق على السد اسم "ditch" كما يُطلق على الخندق في جنوب إنجلترا، أي علامة حدودية للملكية أو قناة تصريف. وعندما يحمل مجرى مائيًا، يُطلق عليه اسم "Rippingale Running Dike"، كما هو الحال في "Rippingale Running Dike" ، الذي ينقل المياه من مصرف تجميع المياه ، "Car Dyke"، إلى مصرف "South Forty Foot Drain" في لينكولنشاير (TF1427). أما "Weir Dike" فهو سد امتصاص في "Bourne North Fen" ، بالقرب من "Twenty" وعلى طول نهر "Glen" في لينكولنشاير . في منطقة نورفولك وسوفولك برودز ، قد يكون السد عبارة عن خندق تصريف أو قناة اصطناعية ضيقة متفرعة من نهر أو منطقة واسعة للوصول أو الإرساء، وقد تم تسمية بعض السدود الأطول، على سبيل المثال، سد كاندل. ^{[ 9 ]}

في أجزاء من بريطانيا ، وخاصة اسكتلندا وشمال إنجلترا ، قد يكون السد عبارة عن جدار حقلي، مصنوع عادة من الحجارة الجافة .

يتمثل الهدف الرئيسي من السدود الاصطناعية في منع غمر المناطق الريفية المجاورة بالمياه، وإبطاء التغيرات الطبيعية في مجرى النهر لتوفير ممرات ملاحية موثوقة للتجارة البحرية على المدى الطويل. كما أنها تحدّ من تدفق النهر، مما يؤدي إلى زيادة سرعة جريان المياه وارتفاع منسوبها. وتوجد السدود بشكل رئيسي على طول البحر، حيث لا تكون الكثبان الرملية قوية بما يكفي، وعلى طول الأنهار للحماية من الفيضانات العالية، وعلى طول البحيرات أو الأراضي المستصلحة . علاوة على ذلك، بُنيت السدود لغرض استصلاح الأراضي، أو كحدود لمنطقة غمر. وقد يكون هذا الأخير غمرًا مُتحكمًا به من قِبل الجيش، أو إجراءً لمنع غمر منطقة أكبر محاطة بالسدود. كما بُنيت السدود أيضًا كحدود للحقول وكتحصينات عسكرية . يمكن الاطلاع على المزيد حول هذا النوع من السدود في مقال الجدران الحجرية الجافة .

يمكن أن تكون السدود أعمالاً ترابية دائمة أو منشآت طارئة (غالباً من أكياس الرمل ) يتم بناؤها على عجل في حالة الطوارئ المتعلقة بالفيضانات.

شُيِّدت بعض أقدم السدود على يد حضارة وادي السند (في باكستان وشمال الهند حوالي عام 2600 قبل الميلاد )، والتي اعتمدت عليها الحياة الزراعية لشعوب هارابا. ^{[ 10 ]} كما شُيِّدت سدودٌ قبل أكثر من 3000 عام في مصر القديمة ، حيث بُني نظامٌ من السدود على طول الضفة اليسرى لنهر النيل لأكثر من 1000 كيلومتر (600 ميل) ، ممتدًا من أسوان الحالية إلى دلتا النيل على شواطئ البحر الأبيض المتوسط . وشيّدت حضارات بلاد ما بين النهرين والصين القديمة أيضًا أنظمة سدودٍ ضخمة. ^{[ 11 ]} ولأن قوة السد تعتمد على أضعف نقطة فيه، يجب أن يكون ارتفاعه ومعايير بنائه متسقة على امتداده. ويرى بعض الباحثين أن هذا يتطلب وجود سلطة حاكمة قوية لتوجيه العمل، وربما كان ذلك حافزًا لتطوير أنظمة الحكم في الحضارات القديمة. ومع ذلك، يشير آخرون إلى أدلة على أعمال ترابية واسعة النطاق للتحكم في المياه مثل القنوات و/أو السدود التي يعود تاريخها إلى ما قبل عهد الملك سكوربيون في مصر ما قبل الأسرات ، والتي كانت فيها الحوكمة أقل مركزية بكثير.

مثال آخر على السدود التاريخية التي حمت مدينة مكسيكو-تينوتشتيتلان المتنامية ومدينة تلاتيلولكو المجاورة، شُيّد في أوائل القرن الخامس عشر الميلادي، تحت إشراف حاكم منطقة تيكسكوكو، نيزاهوالكويوتل. وكانت وظيفته فصل المياه المالحة لبحيرة تيكسكوكو (المثالية لتقنية تشيناميتلس الزراعية ) عن المياه العذبة الصالحة للشرب التي كانت تُزوّد ​​بها المستوطنات. إلا أنه بعد أن دمّر الأوروبيون تينوتشتيتلان، دُمّر السد أيضاً، وأصبحت الفيضانات مشكلة رئيسية، مما أدى إلى تجفيف معظم البحيرة في القرن السابع عشر.

تُبنى السدود عادةً بتكديس التراب على سطح مستوٍ ومُسوّى. وهي عريضة عند القاعدة، وتضيق تدريجيًا حتى تصل إلى قمة مستوية، حيث يمكن وضع سدود مؤقتة أو أكياس رمل. ونظرًا لزيادة شدة تصريف الفيضانات في السدود على ضفتي النهر ، ولأن ترسبات الطمي ترفع مستوى قاع النهر ، فإن التخطيط والتدابير المساعدة أمران بالغا الأهمية. غالبًا ما تُبعد أجزاء من السدود عن النهر لتشكيل قناة أوسع، وتُقسّم أحواض وديان الفيضانات بواسطة سدود متعددة لمنع أي خرق واحد من إغراق مساحة واسعة. يُعرف السد المصنوع من الحجارة المرصوفة في صفوف أفقية مع طبقة رقيقة من العشب بين كل صف وآخر باسم " سبيتشل" .

تتطلب السدود الاصطناعية هندسة دقيقة. يجب حماية سطحها من التعرية، لذا تُزرع بنباتات مثل نجيل برمودا لتماسك التربة. على الجانب البري من السدود العالية، تُضاف عادةً مصطبة ترابية منخفضة تُعرف باسم " البانكيت" كإجراء إضافي لمكافحة التعرية. أما على جانب النهر، فتُشكل التعرية الناتجة عن الأمواج أو التيارات القوية تهديدًا أكبر لسلامة السد. تُواجَه آثار التعرية بزراعة نباتات مناسبة أو تركيب أحجار أو صخور كبيرة أو حصائر مُثقَّلة أو جدران خرسانية . تُنشأ قنوات أو أنابيب تصريف منفصلة لضمان عدم تشبُّع الأساسات بالمياه.

الوقاية من فيضانات الأنهار

شُيِّدت أنظمة سدود بارزة على طول نهري المسيسيبي وسكرامنتو في الولايات المتحدة ، وأنهار بو ، والراين ، والميز ، والرون ، واللوار ، والفيستولا ، ودلتا نهري الراين والميز/الميز وشيلدت في هولندا ، ونهر الدانوب في أوروبا . خلال فترة الممالك المتحاربة في الصين ، أنشأت سلالة تشين نظام دوجيانغيان للري كمشروع لحفظ المياه والسيطرة على الفيضانات. تقع بنية النظام التحتية على نهر مين ، أطول روافد نهر اليانغتسي ، في مقاطعة سيتشوان الصينية .

يُعدّ نظام سدود نهر المسيسيبي أحد أكبر أنظمة السدود في العالم، إذ يمتدّ على مسافة تزيد عن 5600 كيلومتر (3500 ميل) على طول نهر المسيسيبي، لمسافة تقارب 1000 كيلومتر (620 ميلًا) ، من كيب جيراردو في ولاية ميسوري إلى دلتا المسيسيبي . وقد بدأ المستوطنون الفرنسيون في لويزيانا ببناء هذه السدود في القرن الثامن عشر لحماية مدينة نيو أورليانز . ^{[ 12 ]} بلغ ارتفاع السدود الأولى في لويزيانا حوالي 90 سنتيمترًا (3 أقدام) ، وامتدت لمسافة تقارب 80 كيلومترًا (50 ميلًا) على طول ضفاف النهر. ^{[ 12 ]} وفي عام 1882، قام فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي، بالتعاون مع لجنة نهر المسيسيبي، بتوسيع نظام السدود ليشمل ضفاف النهر من القاهرة في ولاية إلينوي إلى مصب دلتا المسيسيبي في لويزيانا. ^{[ 12 ]} بحلول منتصف ثمانينيات القرن العشرين، وصلت سدود نهر المسيسيبي إلى امتدادها الحالي، وبلغ متوسط ​​ارتفاعها 7.3 متر (24 قدمًا) ؛ ويصل ارتفاع بعضها إلى 15 مترًا (50 قدمًا) . كما تضم ​​سدود المسيسيبي بعضًا من أطول السدود المتصلة في العالم. يمتد أحد هذه السدود جنوبًا من باين بلاف ، أركنساس ، لمسافة تقارب 610 كيلومترات (380 ميلًا) . وكثيرًا ما تُقارن ضخامة سدود المسيسيبي وامتدادها بسور الصين العظيم . ^{[ 13 ]}              

يوصي فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي (USACE) بتقنية الحصر الخلوي (الخلايا الجيولوجية) ويدعمها باعتبارها من أفضل الممارسات الإدارية. ^{[ 14 ]} ويُولى اهتمام خاص لمسألة تآكل السطح، ومنع تجاوز المياه ، وحماية قمة السد والمنحدر السفلي. يوفر التدعيم بالخلايا الجيولوجية قوة شد للتربة لمقاومة عدم الاستقرار بشكل أفضل.

قد تؤدي السدود الاصطناعية إلى ارتفاع قاع النهر الطبيعي بمرور الوقت؛ ويعتمد حدوث ذلك وسرعته على عوامل مختلفة، منها كمية ونوع حمولة قاع النهر. تميل الأنهار الرسوبية ذات التراكمات الكثيفة من الرواسب إلى هذا السلوك. ومن الأمثلة على الأنهار التي أدت فيها السدود الاصطناعية إلى ارتفاع قاعها، حتى وصل إلى مستوى أعلى من سطح الأرض المجاور خلف السدود، نهر هوانغ هي في الصين ونهر المسيسيبي في الولايات المتحدة.

يمكن أن تنهار السدود الطبيعية والصناعية على حد سواء بعدة طرق. تشمل العوامل المسببة لانهيار السدود: تجاوز المياه للسد، والتآكل، والانهيارات الهيكلية، وتشبع السد بالماء. أما أكثرها شيوعًا (وأكثرها خطورة) فهو انهيار السد . في هذه الحالة، ينكسر جزء من السد أو يتآكل، تاركًا فتحة كبيرة تسمح بتدفق المياه إلى الأراضي التي كان يحميها السد. قد يكون الانهيار مفاجئًا أو تدريجيًا، وينتج إما عن تآكل سطحي أو عن ضعف في طبقات السد تحت السطحية. وقد يُخلّف الانهيار رواسب على شكل مروحة تتفرع من مكان الانهيار، تُعرف باسم " انتشار الشق" . في السدود الطبيعية، بمجرد حدوث الانهيار، تبقى الفجوة في السد حتى تُملأ مرة أخرى بعمليات بناء السد. وهذا يزيد من احتمالية حدوث انهيارات مستقبلية في نفس الموقع. كما يمكن أن تكون الانهيارات مواقع لانقطاع التعرجات النهرية إذا تم تحويل اتجاه تدفق النهر بشكل دائم عبر الفجوة.

يُقال أحيانًا إن السدود تنهار عندما يتجاوز منسوب المياه قمتها. وهذا يُسبب فيضانات في السهول الفيضية، ولكن نظرًا لعدم تضرر السد نفسه، فإن عواقبه على الفيضانات المستقبلية تكون أقل.

من بين آليات الانهيار المختلفة التي تُسبب انهيار السدود، يُعدّ تآكل التربة أحد أهم العوامل. ويُعدّ التنبؤ بتآكل التربة وتكوّن الجرف عند حدوث الفيضان أمرًا بالغ الأهمية لتصميم سدود وجدران حماية من الفيضانات مستقرة . وقد أُجريت دراسات عديدة للتحقق من قابلية التربة للتآكل. استخدم بريو وآخرون (2008) ^{[ 20 ]} اختبار جهاز قياس وظيفة التآكل (EFA) لقياس قابلية التربة للتآكل، ثمّ أجروا محاكاة عددية على السد باستخدام برنامج Chen 3D لتحديد متجهات السرعة في المياه المتدفقة والجرف الناتج عند اصطدامها بالسد. ومن خلال تحليل نتائج اختبار EFA، تمّ تطوير مخطط تآكل لتصنيف قابلية التربة للتآكل. درس هيوز ونادال في عام 2009 ^{[ 21 ]} تأثير اجتماع تجاوز الأمواج وتدفق مياه العواصف على التآكل وتكوّن الحفر في السدود. شملت الدراسة معايير هيدروليكية وخصائص تدفق المياه، مثل سماكة التدفق، وفترات الأمواج، ومستوى ارتفاع المياه فوق قمة السد، وذلك لتحليل تطور الحفر. وبناءً على الاختبارات المعملية، تم اشتقاق علاقات تجريبية تتعلق بمتوسط ​​تصريف المياه المتجاوزة لتحليل مقاومة السد للتآكل. لا يمكن تطبيق هذه المعادلات إلا على حالات مشابهة للاختبارات التجريبية، بينما يمكن أن تعطي تقديرًا معقولًا عند تطبيقها على ظروف أخرى.

أجرى أوسولي وآخرون (2014) وكريمبور وآخرون (2015) نمذجة فيزيائية على نطاق المختبر للسدود لتقييم خصائص درجات السدود المختلفة نتيجة لتجاوز المياه لجدران الحماية من الفيضانات. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

يُعدّ التصوير المقطعي للمقاومة الكهربائية (ERT) أحد الأساليب الأخرى المُستخدمة لمنع انهيار السدود . تُمكّن هذه الطريقة الجيوفيزيائية غير المُتلفة من الكشف المُسبق عن مناطق التشبع الحرجة في السدود الترابية. وبالتالي، يُمكن استخدام التصوير المقطعي للمقاومة الكهربائية في رصد ظواهر التسرب في المنشآت الترابية، والعمل كنظام إنذار مُبكر، على سبيل المثال، في الأجزاء الحرجة من السدود الترابية أو السدود. ^{[ 24 ]}

في الولايات المتحدة، غالباً ما يتم التعبير عن مستويات تحمل السدود وجدران الحماية من الفيضانات كنسبة مئوية لمستوى التجاوز، حيث يشير احتمال حدوث فيضان سنوي أقل من 1% إلى وجود ضمان بأن أقل من فيضان واحد في 100 عام من المتوقع أن يخترقها. ^{[ 25 ]}

تعمل السدود النهرية الطبيعية، المصنوعة من الرواسب الفيضية، والسدود الاصطناعية على الحد من تدفق الفيضانات والترسب المتكرر للمغذيات والمواد العضوية والرواسب في السهول الفيضية المحيطة ^{[ 26 ]} والأراضي الرطبة ^{[ 27 ]} . ويمكن للسدود أن تقلل من ترسب الرواسب على ضفاف الأنهار، مما يؤدي إلى تآكل السواحل وفقدان الأراضي ^{[ 27 ] . وقد لاحظت دراسات أجريت على أراضٍ أزيلت منها السدود زيادة في الموائل النهرية والتنوع البيولوجي [ 26 ]} .

تعمل السدود، من خلال حصر المياه، على تسريع وتوجيه تدفقات الفيضانات التي كانت ستنتشر لولاها على سهول فيضية واسعة. ويمكن احتجاز هذه التدفقات والحدّ منها جزئيًا بواسطة السدود والخزانات الاصطناعية . ^{[ 25 ]} إلا أن لهذه السدود والخزانات آثارًا بيئية وملاحية خاصة بها. فزيادة توجيه مجرى النهر والانخفاض العام في مساحة السهول الفيضية يُضخّم من شدة الفيضانات في العواصف الأشدّ تأثيرًا، مما يستلزم المزيد من الجهود الهندسية للتعويض. ^{[ 28 ]}

• "حيلة حفاري الآبار"، مقال نُشر في مجلة العلوم الشعبية في يونيو 1951، يتناول كيفية استخدام مهندسي مكافحة الفيضانات لطريقة قديمة لحماية السدود على طول الأنهار من تسرب المياه الذي يُضعف السد.
• "تصميم وبناء السدود" دليل مهندسي الجيش الأمريكي EM-1110-2-1913 ، مؤرشف بتاريخ 19 فبراير 2018 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• دليل السدود الدولي