Плотина

Плотина — это гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток (реку, канал) или водоём для создания подпора воды, регулирования стока, подъёма уровня воды или создания напора. Плотины являются основным элементом гидроузлов и используются для целей гидроэнергетики, ирригации, водоснабжения, судоходства, защиты от наводнений и рекреации.

История

Древний мир

Первые плотины строились в древних цивилизациях для орошения земель. Древнейшей известной плотиной считается Садд-э-Ковсар (или Садд-э-Кохсар) в Египте, построенная около 3200 года до н. э. для защиты Мемфиса от наводнений. В Месопотамии, на территории современного Ирака, около 3000 года до н. э. возводились земляные плотины для оросительных систем. В Древнем Китае, в долине реки Хуанхэ, с III века до н. э. строились дамбы и плотины для борьбы с наводнениями и ирригации. В Древней Греции и Риме плотины использовались для водоснабжения городов и создания водохранилищ. Например, римская плотина в Кордубе (современная Кордова, Испания) была построена в I веке н. э.

Средневековье

В Средние века строительство плотин продолжалось, в основном для мельниц и водоснабжения. В Европе с XII века распространились водяные мельницы, для которых сооружались небольшие плотины. В России первые плотины строились в XV–XVI веках для обеспечения работы мельниц и заводов (например, на реке Яузе в Москве). В горных районах Центральной Азии и Кавказа возводились плотины для орошения.

Новое время

С развитием промышленности в XVIII–XIX веках плотины стали использоваться для гидроэнергетики. В 1882 году в США была построена первая гидроэлектростанция на плотине в Эпплтоне (штат Висконсин). В России в 1892 году была введена в эксплуатацию гидроэлектростанция на плотине на реке Охте (под Санкт-Петербургом). В XX веке, с развитием бетонных и железобетонных конструкций, началось строительство крупных плотин, таких как плотина Гувера (США, 1936 год) и Саяно-Шушенская ГЭС (Россия, 1978 год).

Классификация

По конструкции

• Гравитационные плотины — устойчивость обеспечивается собственной массой. Сооружаются из бетона, камня или железобетона. Пример: плотина Гувера.
• Арочные плотины — имеют криволинейную форму, передающую нагрузку на берега. Используются в узких ущельях. Пример: плотина Ингурской ГЭС (Грузия).
• Контрфорсные плотины — состоят из наклонных плит, опирающихся на контрфорсы. Экономичны по расходу материала.
• Земляные плотины — насыпные из грунта, часто с ядром из глины или бетона. Самый распространённый тип.
• Каменно-набросные плотины — из камня с экраном из бетона или асфальта.
• Надувные плотины — из эластичных материалов, наполняемых водой или воздухом. Используются для временного регулирования стока.

По назначению

• Энергетические — для создания напора на гидроэлектростанциях.
• Ирригационные — для подъёма уровня воды в оросительных каналах.
• Водоснабженческие — для создания водохранилищ питьевого и технического водоснабжения.
• Судоходные — для поддержания глубин в шлюзованных реках.
• Противопаводковые — для защиты территорий от наводнений.
• Рекреационные — для создания водоёмов для отдыха и спорта.

По материалу

• Бетонные (в том числе железобетонные)
• Каменные (бутовые, кладочные)
• Земляные (грунтовые)
• Деревянные (исторические, ныне редки)
• Смешанные (комбинированные)

По высоте

• Низкие (до 15 м)
• Средние (15–50 м)
• Высокие (50–100 м)
• Сверхвысокие (более 100 м)

Устройство и характеристики

Основные элементы

• Тело плотины — основная конструкция, воспринимающая давление воды.
• Фундамент — основание, передающее нагрузку на грунт.
• Водосброс — устройство для сброса избыточной воды (паводков).
• Водозабор — устройство для забора воды в туннели или каналы.
• Шлюзы (при необходимости) — для пропуска судов.
• Рыбоходы — для миграции рыб.

Гидротехнические параметры

• Напор — разность уровней воды верхнего и нижнего бьефов (измеряется в метрах).
• Расход — объём воды, проходящий через плотину в единицу времени (м³/с).
• Длина — протяжённость по гребню.
• Высота — максимальная высота от основания до гребня.
• Объём водохранилища — полный и полезный (млн м³).

Безопасность

Плотины проектируются с учётом сейсмической активности, максимальных паводков, фильтрации и устойчивости. Регулярно проводятся обследования, мониторинг деформаций и уровня грунтовых вод. В России действуют «Правила безопасности гидротехнических сооружений», утверждённые Ростехнадзором.

Применение и значение

Гидроэнергетика

Плотины являются основой гидроэлектростанций (ГЭС). Крупнейшие ГЭС мира: «Три ущелья» (Китай, 22,5 ГВт), «Итайпу» (Бразилия/Парагвай, 14 ГВт), «Гури» (Венесуэла, 10,2 ГВт). В России крупнейшие ГЭС: Саяно-Шушенская (6,4 ГВт), Красноярская (6,0 ГВт), Братская (4,5 ГВт).

Ирригация

Плотины обеспечивают орошение сельскохозяйственных земель, особенно в засушливых регионах. Например, в Центральной Азии (Казахстан, Узбекистан) плотины на реках Сырдарья и Амударья используются для хлопководства.

Водоснабжение

Водохранилища, создаваемые плотинами, служат источниками питьевой и технической воды для городов и промышленности. Пример: Рыбинское водохранилище (Россия) обеспечивает водоснабжение Ярославской и Вологодской областей.

Защита от наводнений

Плотины регулируют сток, снижая пики паводков. В России защитные дамбы и плотины построены в Санкт-Петербурге (Комплекс защитных сооружений от наводнений), в низовьях Волги и Кубани.

Судоходство

Шлюзы на плотинах позволяют судам преодолевать перепады уровней воды. В России крупные шлюзы действуют на Волго-Камском каскаде (например, Волгоградский шлюз).

Рекреация

Водохранилища используются для купания, рыболовства, водных видов спорта и туризма.

Примеры крупных плотин

Интересные факты

• Самая высокая плотина в мире — Нурекская (Таджикистан, 300 м), строящаяся Рогунская (335 м) после завершения может стать рекордной.
• Самая длинная плотина — дамба на реке Янцзы (Китай, проект «Три ущелья»), длина гребня 2309 м.
• В России старейшая действующая плотина — на реке Ижора (Ленинградская область), построена в 1721 году для водоснабжения Ижорского завода.
• Плотины могут вызывать экологические последствия: изменение гидрологического режима, затопление земель, нарушение миграции рыб, эвтрофикацию водоёмов.

Критика и проблемы

Строительство крупных плотин вызывает споры из-за экологических и социальных последствий. Затопление территорий приводит к переселению людей (например, при строительстве «Трёх ущелий» переселено более 1,2 млн человек). Изменение стока рек влияет на экосистемы, в том числе на нерест рыб. В России проблемы связаны с заилением водохранилищ, ухудшением качества воды и аварийными ситуациями (например, авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году). В ряде стран (США, Франция) начался демонтаж устаревших плотин для восстановления речных экосистем.

Источники

• «Гидротехнические сооружения» — учебник для вузов, под ред. В. С. Лапшина, 2010.
• «Плотины мира» — справочник, Международная комиссия по большим плотинам (ICOLD), 2020.
• «Экология водохранилищ» — монография, А. В. Измайлов, 2015.
• «Правила безопасности гидротехнических сооружений» — НПА РФ, 2021.
• Данные Росгидромета и Ростехнадзора.