السد

السد المنخفض هو حاجز يمتد عبر عرض النهر ويغير خصائص تدفق المياه وعادة ما يؤدي إلى تغيير في ارتفاع مستوى النهر. تُستخدم السدود أيضًا للتحكم في تدفق المياه إلى منافذ البحيرات والبرك والخزانات . هناك العديد من تصميمات السدود، ولكن عادةً ما يتدفق الماء بحرية فوق قمة السد قبل أن يتدفق إلى مستوى أدنى. لا يوجد تعريف واحد لما يشكل السد.

يمكن أن يشير السد أيضًا إلى جهاز إزالة الرغوة الموجود في معظم حمامات السباحة الأرضية، والذي يتحكم في تدفق المياه المسحوبة إلى نظام الترشيح.

من المرجح أن الكلمة نشأت من الإنجليزية الوسطى were ، والإنجليزية القديمة wer ، وهي مشتقة من جذر الفعل werian، والذي يعني "الدفاع، السد". ^{[1] [2]} الكلمة الألمانية ذات الصلة هي Wehr ، والتي تعني نفس كلمة weir الإنجليزية.

تُستخدم السدود عادةً لمنع الفيضانات وقياس تصريف المياه والمساعدة في جعل الأنهار أكثر قابلية للملاحة بالقوارب. في بعض المواقع، تكون مصطلحات السد والسد مترادفتين، ولكن عادةً ما يكون هناك تمييز واضح بين الهياكل. عادةً ما يتم تصميم السد خصيصًا لحجز المياه خلف جدار، بينما يتم تصميم السد لتغيير خصائص تدفق النهر.

إن التمييز الشائع بين السدود والسدود هو أن الماء يتدفق فوق قمة السد أو تحته على الأقل لبعض طوله. وعليه، فإن قمة ممر الفائض في سد كبير يمكن أن يشار إليها باسم السد. يمكن أن تختلف أحجام السدود أفقيًا ورأسيًا، حيث يبلغ أصغرها بضعة سنتيمترات فقط في الارتفاع بينما قد يبلغ أكبرها عدة أمتار وطولها مئات الأمتار. فيما يلي بعض الأغراض الشائعة للسدود.

تتيح السدود لعلماء المياه والمهندسين طريقة بسيطة لقياس معدل التدفق الحجمي في الجداول/الأنهار الصغيرة والمتوسطة الحجم أو في مواقع التصريف الصناعي. ونظرًا لأن هندسة الجزء العلوي من السد معروفة وأن كل المياه تتدفق فوق السد، فيمكن تحويل عمق المياه خلف السد إلى معدل تدفق. ومع ذلك، لا يمكن تحقيق ذلك إلا في المواقع التي تتدفق فيها كل المياه فوق قمة السد (على عكس حول الجوانب أو من خلال القنوات أو المنافذ) وفي المواقع التي يتم فيها حمل المياه التي تتدفق فوق القمة بعيدًا عن الهيكل. وإذا لم يتم استيفاء هذه الشروط، فقد يؤدي ذلك إلى تعقيد قياس التدفق أو عدم دقته أو حتى استحالة ذلك.

يمكن تلخيص حساب التفريغ على النحو التالي

س = ج ل ح ^ن

أين

Q هو معدل التدفق الحجمي للسائل ( التفريغ )،

C هو معامل التدفق للهيكل (في المتوسط ​​رقم 3.33)،

L هو عرض القمة ،

H هو ارتفاع منسوب المياه فوق القمة،

يختلف n حسب الهيكل (على سبيل المثال، 3 ⁄ 2 للسد الأفقي، و 5 ⁄ 2 للسد ذي الشق V).

ومع ذلك، فإن هذا الحساب عبارة عن علاقة عامة وهناك حسابات محددة متاحة للعديد من أنواع السدود المختلفة. يجب صيانة سدود قياس التدفق جيدًا حتى تظل دقيقة. ^{[3] [4]}

يتم تحديد التدفق عبر السد ذي الشق V (بالقدم ³ / ثانية) بواسطة معادلة Kindsvater-Shen: ^[5]

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

أين

Q هو معدل التدفق الحجمي للسائل بالقدم ³ /ثانية،

g هو تسارع الجاذبية بوحدة قدم/ثانية ² متر

C _e هو عامل تصحيح التدفق الموضح في Shen 1981، ص. B29، الشكل 12،

θ هي زاوية السد على شكل حرف V،

h هو ارتفاع السائل فوق الجزء السفلي من الشق V،

k هو عامل تصحيح الرأس الموضح في Shen 1981، ص. B20، الشكل 4.

وبما أن السدود تشكل حاجزًا ماديًا، فإنها قد تعيق الحركة الطولية للأسماك والحيوانات الأخرى صعودًا وهبوطًا في النهر. وقد يكون لهذا تأثير سلبي على أنواع الأسماك التي تهاجر كجزء من دورة تكاثرها (على سبيل المثال، أسماك السلمون )، ولكنها قد تكون مفيدة أيضًا كطريقة لمنع الأنواع الغازية من التحرك عكس التيار. على سبيل المثال، ساعدت السدود في منطقة البحيرات العظمى في منع سمك اللامبري البحري الغازي من الاستعمار أبعد من المنبع.

يتم إنشاء برك الطاحونة بواسطة سد يحجز الماء الذي يتدفق بعد ذلك فوق الهيكل. يمكن بعد ذلك استخدام الطاقة الناتجة عن تغيير ارتفاع الماء لتشغيل عجلات المياه ومصانع الأخشاب وعجلات الطحن وغيرها من المعدات.

تُستخدم السدود عادةً للتحكم في معدلات تدفق الأنهار خلال فترات التصريف العالي. يمكن تغيير بوابات السد (أو في بعض الحالات ارتفاع قمة السد) لزيادة أو تقليل حجم المياه المتدفقة في اتجاه مجرى النهر. توجد السدود لهذا الغرض عادةً في اتجاه مجرى النهر من المدن والقرى ويمكن تشغيلها آليًا أو يدويًا. من خلال إبطاء معدل تحرك المياه باتجاه مجرى النهر ولو قليلاً، يمكن أن يكون هناك تأثير غير متناسب على احتمالية حدوث الفيضانات. في الأنهار الأكبر حجمًا، يمكن أن يغير السد أيضًا خصائص تدفق الممر المائي إلى الحد الذي تتمكن فيه السفن من التنقل في مناطق لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا بسبب التيارات الشديدة أو الدوامات . ستحتوي العديد من السدود الأكبر حجمًا على ميزات بناء تسمح للقوارب ومستخدمي النهر "بإطلاق النار على السد" والتنقل بالمرور لأعلى أو لأسفل مجرى النهر دون الحاجة إلى الخروج من النهر. تعتبر السدود المبنية لهذا الغرض شائعة بشكل خاص على نهر التيمز ، وتقع معظمها بالقرب من كل من أقفال النهر البالغ عددها 45 .

نظرًا لأن السد يحجز المياه خلفه ويغير نظام تدفق النهر، فقد يكون له تأثير على البيئة المحلية . عادةً، يمكن أن تؤدي سرعة النهر المنخفضة في اتجاه المنبع إلى زيادة الطمي (ترسب جزيئات دقيقة من الطمي والطين في قاع النهر) مما يقلل من محتوى الأكسجين في الماء ويخنق موائل اللافقاريات ومواقع تكاثر الأسماك . عادةً ما يعود محتوى الأكسجين إلى طبيعته بمجرد مرور الماء فوق قمة السد (على الرغم من أنه يمكن أن يكون مفرط الأكسجين)، على الرغم من أن زيادة سرعة النهر يمكن أن تجرف قاع النهر مما يتسبب في التآكل وفقدان الموائل.

يمكن أن يكون للسدود تأثير كبير على هجرة الأسماك . ^[6] أي سد يتجاوز إما الحد الأقصى للارتفاع الذي يمكن أن يقفز عليه نوع ما أو يخلق ظروف تدفق لا يمكن تجاوزها (على سبيل المثال، بسبب سرعة المياه المفرطة) يحد بشكل فعال من أقصى نقطة يمكن للأسماك أن تهاجر إليها. في بعض الحالات، قد يعني هذا فقدان أطوال هائلة من موائل التكاثر، وبمرور الوقت يمكن أن يكون لهذا تأثير كبير على تجمعات الأسماك.

في العديد من البلدان، أصبح من المتطلبات القانونية الآن بناء سلالم للأسماك في تصميم السد لضمان قدرة الأسماك على تجاوز الحواجز والوصول إلى الموائل الواقعة أعلى النهر. وعلى عكس السدود، لا تمنع السدود عادةً هجرة الأسماك إلى أسفل النهر (حيث يتدفق الماء فوقها ويسمح للأسماك بتجاوز الهيكل في تلك المياه)، على الرغم من أنها يمكن أن تخلق ظروف تدفق تؤذي الأسماك الصغيرة. تشير الدراسات الحديثة إلى أن أقفال الملاحة لديها أيضًا القدرة على توفير وصول متزايد لمجموعة من الكائنات الحية ، بما في ذلك السباحين الضعفاء. ^[7]

على الرغم من أن المياه المحيطة بالسدود قد تبدو هادئة نسبيًا في كثير من الأحيان، إلا أنها قد تكون أماكن خطيرة للغاية للقوارب أو السباحة أو الخوض، حيث يمكن لأنماط الدورة الدموية على الجانب المصب - والتي تسمى عادةً بالقفز الهيدروليكي - أن تغمر الشخص إلى أجل غير مسمى. هذه الظاهرة معروفة جيدًا لراكبي الزوارق والكاياك وغيرهم ممن يقضون وقتًا في الأنهار حتى أنهم أطلقوا على السدود اسمًا حزينًا: "آلات الغرق". ^[8] توصي إدارة الموارد الطبيعية في ولاية أوهايو بأن "ينحني الضحية للأسفل، ويسحب ركبتيه إلى الصدر مع لف ذراعيه حولهما. نأمل أن تكون الظروف بحيث يدفع التيار الضحية على طول قاع النهر حتى يتم اجتياحه إلى ما بعد خط الغليان وإطلاقه بواسطة الهيدروليكية". ^[9] توصي شرطة ولاية بنسلفانيا أيضًا الضحايا "بالالتفاف والغوص إلى القاع والسباحة أو الزحف في اتجاه مجرى النهر". ^[10] مع دخول الهواء إلى القفزة الهيدروليكية، تقل طفو الماء بين السد وخط الغليان بنسبة تصل إلى 30%، وإذا كان الضحية غير قادر على الطفو، فقد يكون الهروب عند قاعدة السد هو الخيار الوحيد للبقاء على قيد الحياة.

هناك العديد من أنواع السدود المختلفة ويمكن أن تتنوع من هيكل حجري بسيط بالكاد يمكن ملاحظته، إلى هياكل معقدة وكبيرة جدًا تتطلب إدارة وصيانة مكثفة.

• 
  آلية الجسر والسد في ستورمينستر نيوتن على نهر ستور ، دورست ، المملكة المتحدة
• 
  سدان على نهر وير في دورهام بالمملكة المتحدة: السد السفلي عبارة عن سد مركب يحتوي أيضًا على سلالم سمكية للسماح للأسماك مثل السلمون بالملاحة عبر السد
• 
  السد عند قفل هامبلدن على نهر التيمز في هامبلدن ، باكينجهامشير . السد ذو القمة العريضة، يحق للجمهور عبور النهر باستخدام ممر المشاة الخاص به.
• 
  سد إبرية يتم تشغيله يدويًا بالقرب من ريفين على نهر ميوز ، فرنسا
• 
  سد ذو قمة عريضة في واركوورث ، نيوزيلندا
• 
  سلسلة معقدة من السدود ذات القمة العريضة والشق على شكل حرف V في سد دوبس في هيرتفوردشاير ، المملكة المتحدة

السد ذو القمة العريضة هو هيكل ذو قمة مسطحة، حيث يمر الماء فوق قمة تغطي جزءًا كبيرًا من عرض القناة أو كله. وهو أحد أكثر أنواع السد شيوعًا في جميع أنحاء العالم.

السد المركب هو أي سد يتألف من عدة تصميمات مختلفة في هيكل واحد. وعادة ما نراها في المواقع التي يوجد فيها العديد من المستخدمين للنهر والذين قد يحتاجون إلى تجاوز الهيكل. ومن بين التصميمات الشائعة تصميم يكون فيه السد ذو قمة عريضة لمعظم طوله، ولكنه يحتوي على قسم يتوقف عنده السد أو يكون "مفتوحًا" بحيث يمكن للقوارب الصغيرة والأسماك عبور الهيكل.

السد ذو الشق هو أي سد يكون الحاجز المادي فيه أعلى بكثير من مستوى الماء باستثناء شق محدد (غالبًا على شكل حرف V) مقطوع في اللوحة. في أوقات التدفق الطبيعي، يجب أن يمر كل الماء عبر الشق، مما يبسط حسابات حجم التدفق، وفي أوقات الفيضان يمكن أن يرتفع مستوى الماء ويغمر السد دون إجراء أي تعديلات على الهيكل.

السد متعدد الحدود هو سد له هندسة محددة بمعادلة متعددة الحدود من أي رتبة n . ^[11] في الممارسة العملية، معظم السدود هي سدود متعددة الحدود من الدرجة المنخفضة. السد المستطيل القياسي هو، على سبيل المثال، سد متعدد الحدود من الدرجة صفر. السدود المثلثة (الشق V) والسد شبه المنحرف من الدرجة الأولى. توفر السدود متعددة الحدود عالية الدرجة نطاقًا أوسع من علاقات المنبع والمصب، وبالتالي تحكمًا أفضل في التدفق عند منافذ البحيرات والبرك والخزانات.

• سد كرومب
• هيكل القطرة
• سد الصيد
• سد ذو قمة ثابتة
• مجرى مائي
• سد السيطرة الدولية

• أنظمة هيدروليكية ذات أدنى حد من فقدان الطاقة (MEL) لقنوات المياه والجسور (انقر فوق "متابعة" على صفحة الويب الاستشارية لـ UQ-ITS)