Table of Contents

Как плотины и водохранилища смягчают наводнения: плотина трех ущелий как глобальный ориентир

Наводнение остается одной из самых разрушительных природных опасностей на Земле, вызывая ущерб в миллиарды долларов и вытесняя миллионы людей каждый год. Перед лицом все более интенсивных осадков, вызванных изменением климата, роль инженерной инфраструктуры в смягчении риска наводнений никогда не была более важной. Среди самых мощных инструментов в арсенале борьбы с наводнениями являются плотины и водохранилища. Эти структуры, при стратегическом проектировании и эксплуатации, могут поглощать шок от экстремальных осадков, хранить избыточный стоок и выпускать воду контролируемым образом, который защищает общины вниз по течению. Плотина Три ущелья в Китае, крупнейший в мире гидроэнергетический проект по установленной мощности, является наиболее ярким примером того, как плотина может быть специально построена для снижения риска наводнений в массовом масштабе. В этой статье рассматриваются механизмы, с помощью которых плотины и водохранилища смягчают наводнения, с глубоким погружением в плотину Три ущелья в качестве примера, и исследуются более широкие последствия для управления наводнениями в меняющемся климате.

Наука смягчения последствий наводнений: как работают плотины и водохранилища

Чтобы понять, как плотины уменьшают затопление, необходимо сначала ухватить естественную динамику реки во время наводнения. При нормальных условиях речной канал может нести определенный объем воды. Когда сильный дождь или таяние снега превышает эту емкость, вода разливается по берегам, затопляя прилегающую пойму. Плоды прерывают этот процесс, создавая искусственный барьер, который забивает воду в водохранилище вверх по течению. Этот водохранилище действует как бассейн временного хранения, захватывая часть пика наводнения и высвобождая ее со скоростью, с которой канал нисходящего потока может безопасно справиться.

Ключ к эффективному смягчению наводнений лежит в концепции емкости для хранения наводнений . Дамбы обычно проектируются с выделенным бассейном для управления наводнениями, объемом резервуара, который остается пустым или частично пустым в ненаводненные сезоны. Когда происходит штормовое событие, приток из реки заполняет этот бассейн, тем самым уменьшая пиковый поток, который в противном случае будет скатываться вниз по течению. Затем запасенная вода постепенно высвобождается в течение нескольких дней или недель, позволяя реке возвращаться к нормальным уровням, не вызывая ущерба. Этот контролируемый выпуск управляется через водосбросы , шлюзовые ворота и шлюзовые ворота , которые позволяют операторам регулировать скорость сброса в режиме реального времени на основе данных о входящих осадках, измерений стадии реки и условий ниже по течению.

Помимо простого хранения, плотины также покупают время. Сдерживая паводковые воды, они позволяют синоптикам и аварийным менеджерам выдавать предупреждения, эвакуировать уязвимые районы и развертывать временную защиту. В крупных речных системах, где штормы развиваются в течение нескольких дней, плотина может сбривать критические часы или даже дни от прибытия гребня наводнения, давая общинам вниз по течению жизненно важное окно для подготовки. Эффективность этого подхода зависит от размера водохранилища & #8217;s, гидравлической способности плотины & #8217;s и точности системы прогнозирования, которая направляет выбросы.

Важно отметить, что не все плотины построены в первую очередь для борьбы с наводнениями. Многие служат многоцелевым функциям, включая гидроэнергетику, ирригацию, водоснабжение и навигацию. Однако, когда контроль за наводнениями является основной целью, плотина должна работать с кривой правила наводнения , которая определяет целевые уровни водохранилища в течение года. Во время влажного сезона водохранилище стягивается для создания места для хранения; в сухой сезон ему разрешено заполнять для других целей. Этот сезонный танец требует тщательного балансирования, поскольку слишком много воды для гидроэнергетики или орошения может поставить под угрозу защиту от наводнений и наоборот.

Дамба Трех Ущелий: Инженерный шедевр для управления наводнениями

Обзор проекта и масштабы

Расположенная на реке Янцзы в провинции Хубэй, центральный Китай, плотина Трех ущелий представляет собой бетонную гравитационную плотину, которая простирается на 2 335 метров (7 661 фут) через реку и высотой 181 метр (594 фута). Строительство началось в 1994 году и было завершено в 2012 году, а также проект стал полностью работоспособным в 2012 году. Резервуар плотины & # 8217, который простирается более чем на 600 километров (370 миль) вверх по течению, имеет общую емкость хранения около 39,3 миллиарда кубических метров (31,9 миллиона акров футов), из которых 22,15 миллиарда кубических метров [ FLT: 1] предназначен специально для контроля за наводнениями. Этот объем хранения наводнений больше, чем весь годовой поток многих крупных рек, что подчеркивает масштаб проекта & # 8217.

Плотина Трех ущелий задумывалась не только как источник чистой энергии, но и как центральный элемент комплексной стратегии укрощения реки Янцзы, имеющей долгую и смертоносную историю наводнений. Например, наводнение Янцзы 1931 года убило около 145 000 человек и затопило миллионы гектаров сельскохозяйственных угодий. Наводнение 1954 года унесло более 30 000 жизней и вытеснило 18 миллионов человек. Еще в 1998 году катастрофическое наводнение вдоль Янцзы привело к гибели более 4000 человек и экономическим потерям, превышающим 26 миллиардов долларов. Плотина Трех ущелий была призвана уменьшить повторение таких бедствий, обеспечивая массивный буфер против экстремальных потоков.

Особенности дизайна управления наводнением

Способность плотины и No 8217 контролировать наводнения встроена в ее физическую структуру и операционные системы.

  • Шпильная и шлюзовая заслонки:] Дамба имеет 23 нижних шлюзовых затвора и 22 поверхностных шлюзовых затвора, способных разряжаться до 116 000 кубических метров в секунду (4,1 миллиона кубических футов в секунду) в общей сложности. Эта огромная пропускная способность позволяет операторам быстро выпускать воду, когда резервуар приближается к опасным уровням.
  • Зоонирование водохранилищ: Резервуар разделен на операционные зоны. Зона контроля за наводнениями, между высотами 145 метров и 175 метров, зарезервирована для хранения паводков. В течение сезона паводков (с июня по сентябрь) водохранилище держится на уровне или ниже 145 метров, чтобы максимизировать доступное хранилище паводков.
  • Мониторинг и прогнозирование в реальном времени:] Сложная сеть датчиков дождя, датчиков уровня реки и метеорологических радаров подает данные в интегрированную систему прогнозирования. Операторы плотин могут регулировать выбросы на основе прогнозов осадков и таяния снега, часто за несколько дней.
  • Управление осадками: Поскольку накопление осадков уменьшает емкость резервуара с течением времени, плотина использует a & #8220; сохраняет чистоту, высвобождает грязь & #8221; стратегия во время наводнений. Это включает в себя выпуск воды с высокой нагрузкой на осадки через шлюзовые ворота для промывки осадка вниз по течению, сохраняя объем хранения паводка.

Оперативные стратегии управления наводнениями

Операционный учебник по борьбе с наводнениями в Трех ущельях является одновременно проактивным и реактивным. Перед началом сезона паводков водохранилище намеренно стягивается до уровня 145-метрового. Это известно как предпусковое и является наиболее важным подготовительным действием. Когда прогнозируется сильное событие осадков, операторы могут начать высвобождать дополнительную воду для создания еще большего пространства для хранения, практика, называемая предразрядное . Во время шторма притоки захватываются в зоне контроля за наводнениями, а отток ограничивается уровнями, которые может безопасно передать нисходящий речной канал. После прохождения волны паводка запасенная вода высвобождается постепенно, часто в течение нескольких недель, чтобы вернуть водохранилище к его уровню до наводнения во время следующего события.

Эта эксплуатационная гибкость оказалась эффективной в нескольких наводнениях с тех пор, как плотина стала полностью работоспособной. Например, в течение сезона наводнений в Янцзы в 2020 году, когда было несколько самых сильных осадков за десятилетия, плотина Три ущелья успешно сократила пиковый поток, входящий в средний регион Янцзы, более чем на 30%, предотвратив то, что могло быть катастрофическим наводнением в таких городах, как Ухань и Нанкин. Плотина поглотила пиковый приток 75 000 кубометров в секунду и выпустила только 49 500 кубометров в секунду, сохраняя разницу в водохранилище.

Измерение воздействия: как плотина трех ущелий снижает риск наводнений

Защита сообществ Downstream

Основными бенефициарами функции контроля за наводнениями в трех ущельях являются десятки миллионов людей, живущих вдоль средней и нижней реки Янцзы. Такие города, как Ухань , Нанкин , Шанхай и десятки небольших городских центров и сельскохозяйственных районов, испытали измеримое снижение риска наводнений с момента ввода плотины в эксплуатацию. По данным Министерства водных ресурсов Китая, плотина предотвратила затопление более 1,5 миллионов гектаров сельскохозяйственных угодий и защитила более 15 миллионов жителей от перемещения в крупных наводнениях с 2010 года.

Плотина также уменьшила частоту нарушений леви и перекрывающих событий. До плотины система управления наводнениями Yangtze & #8217 в значительной степени полагалась на земляные дамбы, которые были склонны к отказу во время экстремальных наводнений. Снизив пиковые потоки, плотина Три ущелья ослабила давление на эти дамбы, давая им более высокий запас прочности и уменьшая расходы на техническое обслуживание. Только в сезоне наводнения 2020 года плотине приписывают предотвращение необходимости аварийного отвода наводнений в регионе Цзинцзян, районе, который исторически был принесен в жертву, чтобы спасти города вниз по течению.

Экономические и сельскохозяйственные выгоды

Экономическая ценность ущерба от наводнений, которого удалось избежать плотине Три ущелья, значительна. Исследование 2019 года, опубликованное в журнале Natural Hazards, показало, что плотина снижает ежегодные ожидаемые потери от наводнений в бассейне Янцзы примерно на $2,5 млрд.. Эта цифра учитывает прямой ущерб инфраструктуре, посевам и зданиям, а также косвенные потери, такие как сбои в работе предприятий и расходы на реагирование на чрезвычайные ситуации. Для фермеров в пойме, плотина обеспечивает уровень уверенности, который ранее был недостижим, что позволяет им инвестировать в более ценные культуры и долгосрочные улучшения без постоянной угрозы затопления.

В дополнение к контролю за наводнениями, плотина генерирует около 100 миллиардов киловатт-часов электроэнергии в год, что приводит к развитию промышленности и домов в восточном и центральном Китае. Эта гидроэнергетика заменяет угольную генерацию, сокращая выбросы парниковых газов примерно на 100 миллионов тонн в год. В то время как контроль за наводнениями остается основным операционным приоритетом во время сезона дождей, способность плотины & #8217 интегрировать управление наводнениями с производством энергии и навигацией является моделью многоцелевого управления водными ресурсами.

Ограничения и вызовы

Несмотря на успехи, плотина Три ущелья не является панацеей от всех рисков наводнений. Следует признать несколько ограничений:

  • Раздробление: Река Янцзы несет массивные нагрузки на осадки из верхнего бассейна. С тех пор как плотина начала накапливать воду, осадок накапливался в водохранилище, постепенно уменьшая емкость для хранения наводнений. В то время как “ сохраняют чистоту, выпускают грязь” стратегия замедлила этот процесс, долгосрочное моделирование предполагает, что накопление осадков может сократить хранение наводнений на 10-20 процентов в течение следующих 50 лет без активного управления.
  • Наводнение в верховьях: Сам водохранилище затопило большие площади вверх по течению, включая город Чунцин и многочисленные города и деревни. Хотя это и не было “ наводнение” в традиционном смысле, постоянное затопление земель вверх по течению вытеснило более 1,3 миллиона человек и затопило объекты культурного наследия.
  • Экстремальные события за пределами проектной мощности: Плотина была спроектирована для обработки 1-в-1000-летнее наводнение событие, но изменение климата увеличивает интенсивность экстремальных осадков. Шторм, который превышает плотину & #8217;s проектная мощность все еще может перегрузить его наводнение хранения, особенно если водохранилище уже близко к полной мощности из-за предшествующего дождя.
  • Подземный участок нижнего течения: Задерживая осадочные породы, которые в противном случае пополнили бы дельту нижнего течения, плотина способствовала оседанию суши в дельте Янцзы недалеко от Шанхая, что может усугубить местный риск наводнений от штормовых нагонов и повышения уровня моря.

Эти проблемы подчеркивают, что плотина Трех ущелий должна рассматриваться как один из компонентов всеобъемлющей стратегии управления наводнениями, а не как отдельное решение.

За пределами трех ущелий: как плотины способствуют смягчению последствий наводнений во всем мире

Принципы, продемонстрированные плотиной Три ущелья, повторяются в тысячах других плотин по всему миру, хотя в разных масштабах и с различной степенью акцента на контроле за наводнениями. В Соединенных Штатах плотина Гувера на реке Колорадо обеспечивает контроль за наводнениями для нижнего бассейна, в то время как Управление долины Теннесси (TVA) управляет системой из 49 плотин, которые резко сократили наводнения в долине реки Теннесси. В Египте Асуанская высокая плотина предотвратила ежегодные наводнения в Ниле, которые исторически формировали сельское хозяйство и модели поселений, сохраняя избыток воды для орошения в сухие годы. В Бразилии и Парагвае плотина Итайпу включает контроль за наводнениями в качестве вторичной цели, дополняя свою основную роль в производстве гидроэнергетики.

Что эти плотины разделяют способность хранить воду во влажные периоды и выпускать ее в сухие периоды, сглаживая естественную изменчивость речных потоков.Однако эффективность любой плотины для контроля за наводнениями зависит от нескольких факторов: отношение хранилища резервуара к годовому притоку, мощность сброса плотины’s, качество системы прогнозирования и эксплуатационные правила, которые регулируют выбросы.Плотина, которая эксплуатируется в основном для гидроэнергетики или орошения, может фактически увеличить риск наводнения, если она сохраняется полной в течение сезона паводков, поскольку это снижает ее способность поглощать избыточные притоки.

Все чаще инженеры и водные менеджеры переходят к интегрированной эксплуатации водохранилища , где несколько плотин на одной реке координируются для обеспечения смягчения наводнений по всему бассейну. В Китае бассейн реки Янцзы управляется каскадом плотин вверх по течению от трех ущелий, включая плотины Xiluodu и Xiangjiaba , которые могут совместно эксплуатироваться для обеспечения дополнительного хранения наводнений. Этот каскадный подход умножает преимущество борьбы с наводнениями и обеспечивает избыточность в случае, если одна плотина скомпрометирована.

Для более глубокого изучения того, как плотины интегрируются с другими мерами по борьбе с наводнениями, Геологическая служба США предоставляет всесторонние ресурсы по наводнению и управлению наводнениями: Наводнения и поймы наводнений . Аналогичным образом, Всемирная метеорологическая организация предлагает руководство по системам прогнозирования наводнений и раннего предупреждения, которые необходимы для эффективной работы плотин: Всемирная метеорологическая организация .

Будущее борьбы с наводнениями: балансировка плотин с природными решениями

Роль плотин в меняющемся климате

Изменение климата уже изменяет частоту и интенсивность экстремальных осадков. Более теплый воздух содержит больше влаги, что приводит к более сильным осадкам во время штормов. Во многих частях мира это означает, что существующие плотины просят обрабатывать притоки, которые превышают их первоначальные предположения о проектировании. Например, плотина Три ущелья пережила несколько наводнений с 2010 года, которые были классифицированы как & #8220; один раз в столетие & #8221; или реже, что вызывает вопросы о том, останется ли ее способность контролировать наводнения адекватной в течение следующих десятилетий.

Для адаптации операторы плотин все чаще используют динамические правила эксплуатации , которые корректируют уровни водохранилища на основе сезонных климатических прогнозов, а не исторических средних значений. Например, если сезонный прогноз прогнозирует осадки выше среднего, водохранилище может быть сведено более агрессивно до сезона паводков, даже если это означает жертвование некоторым производством гидроэнергии. Этот подход известен как климатически-информированная эксплуатация водохранилища и тестируется в нескольких речных бассейнах по всему миру. Исследования Международной группы экспертов по изменению климата (IPCC) подчеркивает актуальность таких адаптаций: Доклады IPCC об изменении климата и воде .

Дополнительные стратегии: водно-болотные угодья, лесовосстановление и восстановление пойменных

В то время как плотины являются мощными инструментами, они наиболее эффективны в сочетании с природными решениями, которые работают с естественными процессами, а не против них. Восстановление водно-болотных угодий в поймах может поглощать и замедлять паводковые воды, уменьшая пиковый поток, который достигает плотины. лесовосстановление горных склонов увеличивает инфильтрацию и уменьшает поверхностный сток, облегчая нагрузку на водохранилища. Пойменное пересоединение позволяет рекам естественным образом распространяться во время высоких потоков, снижая стадии наводнений и уменьшая давление на дамбы.

В бассейне Янцзы китайское правительство признало важность этих дополнительных мер и инвестировало в проекты восстановления водно-болотных угодий вдоль реки, особенно в районах озера Дунтинг и озера Поян, которые действуют как естественные бассейны для хранения наводнений ниже по течению плотины Трех ущелий. Эти озера сокращались из-за мелиорации и осадка, но усилия по восстановлению теперь помогают восстановить их буферную способность наводнений. Международный союз охраны природы (МСОП) предоставляет полезный обзор того, как плотины и природные решения могут работать вместе: МСОП по плотинам и изменению климата .

Устойчивое использование и модернизация существующих плотин

Для тысяч существующих плотин во всем мире задача состоит не только в том, чтобы построить новые сооружения, но и в том, чтобы модернизировать существующие для оптимального контроля за наводнениями. Это включает модернизацию водосбросов для борьбы с более крупными наводнениями, установку современных систем мониторинга и контроля и пересмотр правил эксплуатации, чтобы отразить текущие климатические прогнозы. В тех случаях, когда плотина больше не обеспечивает адекватную защиту от наводнений или стала опасной из-за стареющей инфраструктуры, вывод из эксплуатации может быть самым безопасным вариантом, с восстановлением пойм и улучшением леви.

Будущее борьбы с наводнениями, вероятно, будет включать гибридный подход: стратегическое использование крупных плотин для регионального хранения наводнений в сочетании с распределенными природными решениями на местном уровне и поддерживаемое передовыми системами прогнозирования и раннего предупреждения.Плотина Три ущелья будет по-прежнему оставаться центральным элементом защиты от наводнений в бассейне Янцзы, но ее долгосрочная жизнеспособность зависит от управления осаждением, адаптации к изменению климата и интеграции с более широким портфелем мер по снижению риска наводнений.

Заключение

Плоды и водохранилища являются одними из наиболее эффективных инструментов, которые человечество разработало для смягчения наводнений, а Плотина Три ущелья в Китае является самым амбициозным примером этой технологии в действии. Храня избыточную воду во время штормов и выпуская ее контролируемым образом, плотина снизила риск наводнений для десятков миллионов людей, защитила миллиарды долларов в экономических активах и продемонстрировала потенциал интегрированного управления водными ресурсами. Однако плотина Три ущелья также раскрывает ограничения, слишком сильно зависящие от одной структуры. Осадки, перемещение вверх по течению и неопределенности изменения климата - все это создает постоянные проблемы, которые требуют адаптивного управления и дополнительных инвестиций в природные решения.

По мере того, как экстремальные погодные явления становятся все более частыми, уроки, извлеченные из плотины Трех ущелий, будут информировать о стратегиях борьбы с наводнениями во всем мире. Ни одна плотина не может устранить весь риск наводнений, но хорошо продуманная, хорошо управляемая система плотин в сочетании со здоровыми водно-болотными угодьями, восстановленными поймами и надежным прогнозированием может значительно уменьшить разрушения, которые вызывают наводнения. Плотина Трех ущелий не является окончательным ответом на контроль над наводнениями, но это знаковое достижение, которое продолжает защищать жизни и средства к существованию, указывая путь к более устойчивому будущему.