Kann ein Wassertransportkanal mit Wasserkraft ausgehoben werden?

1. „Ein sehr großes Wasserreservoir befindet sich über einer großen Fläche von fast flachem Land. Vom Grund des Reservoirs fällt das Land mit einem sehr sanften Gefälle von etwa 1 zu 10.000 ab. […] Die Menschen wollen bauen ein Kanal durch das flache Land, um Wasser vom Grund des Stausees in einen 400 km entfernten Fluss zu leiten."

   Zunächst müssen sie ein großes Ausgleichsbecken graben , um die hydraulische Fallhöhe des in den Kanal einströmenden Wassers kontrollieren zu können. Sie möchten auf keinen Fall, dass sich die Wasserquelle Hunderte von Metern über Ihrem Kanal befindet und das Wasser direkt unter hohem Druck von einer Druckleitung geliefert wird . Was sie wollen, ist ungefähr so:

   \-------------------/
    \ - - Upper - - - /  control valve       ___ constant level of water
     \ - reservoir - /   ||                  |
      \ - - - - - - /____||___\--------------v--/--||-----------------------
       \ - - - - - __penstock___ compensation  ____||_________canal_________
        \---------/      ||     \  reservoir  /    ||
                                 \-----------/     outflow sluice
   

2. 1 zu 10.000 ist ein kleiner Gradient; Wasser wird langsam fließen: Sie benötigen einen sehr großen Kanal, um eine Last von 1.000 m³/s zu liefern.

   Zum Vergleich: Die durchschnittliche Neigung des Unterlaufs des Nils von Assuan bis zum Meer beträgt 1 zu 13.300; Mit einer durchschnittlichen Abflussmenge von etwa 2800 m³/s ist der Fluss 2,8 km breit und etwa 10 m tief. Ihr Kanal wäre etwa 1 km (0,6 Meilen) breit. Das ist ein sehr breiter Kanal.

3. Flüsse, die über kleine Steigungen fließen, neigen dazu, ihren Lauf unvorhersehbar zu ändern, wenn sie nicht kontrolliert werden. Die Menschen müssen ein beträchtliches Budget an Ressourcen und Arbeitskräften aufwenden, um den Kanal instand zu halten.

4. Ein großer Fluss ist eine starke Erosionskraft. Sie werden es nicht überzeugen können, frei über ein konstantes Gefälle vom Ausgleichsbecken zum Meer zu fließen. Dies ist eine Folge des Prinzips der kleinsten Wirkung ; Wenn sie das Wasser frei fließen lassen, neigt es dazu, ein tiefes Tal an der Quelle und ein sehr breites Tal in Richtung seiner Mündung zu graben. Das wollen sie nicht, und deshalb müssen sie den Kanalverlauf in Abschnitte gliedern, die durch Dämme oder Wehre getrennt sind.

5. Kommen wir nun zu den vier Optionen, die durch die Frage präsentiert werden:

   • Option 1, den Kanal graben, bevor das Wasser eingelassen wird: Dies kann zu einem stabilen Kanal führen, vorausgesetzt, sie wissen, was sie tun. Sie müssen nicht alles graben, bevor sie das Wasser einlassen: Sie können einen Abschnitt graben, Wasser hineinfließen lassen, dann einen weiteren Abschnitt graben und so weiter.

   • Die Optionen 2, 3 und 4 laufen alle darauf hinaus, den Fluss seinen Lauf so zu nehmen, wie er es für richtig hält: Dies führt zu einem natürlichen Fluss, nicht zu einem Kanal. Sie müssen Option 1 für den Anfangsteil des Flusses am Ausgang des Ausgleichsbeckens übernehmen, sonst wird der Fluss ihre Arbeit erodieren. Diese Optionen sind großartig, wenn die Ebene nicht besiedelt ist, wenn sie das Wasser fließen lassen – sie können den Fluss stabilisieren lassen und dann die Bewohner hereinholen. Will man aber den Lauf des Flusses vorhersagen oder ihn nicht das variable Gefälleprofil eines natürlichen Flusses annehmen lassen, sind diese Möglichkeiten nicht zu empfehlen.

Die Antwort von @AlexP war fantastisch. Ich habe dafür gestimmt. Das sollten Sie auch. Aber vielleicht gibt es noch eine Alternative....

Verwenden Sie hydraulische Bergbautechniken

Hydraulischer Bergbau ist eine Form des Bergbaus, bei der Hochdruckwasserstrahlen verwendet werden, um Gesteinsmaterial zu lösen oder Sedimente zu bewegen. ( Quelle , auch Bild unten)

Richten Sie Rohre ein, die das Wasser so zum Ende (das Meer) bringen, dass es viel Druck gibt, und schnitzen Sie dann den Kanal von hinten nach vorne und spülen Sie das Sediment (langsam) ins Meer hinaus. Abhängig von den Mineralvorkommen in der Region kann diese Methode mit Placer-Mining-Techniken (der Verwendung von Schleusen zum Extrahieren schwererer Mineralien) kombiniert werden, um diese Mineralien zu extrahieren und (aus der Perspektive der Aufhebung des Unglaubens) das Projekt zu bezahlen.

TL:DR

Angesichts der Tatsache, dass es von einem Ende zum anderen nur 40 Meter Gefälle gibt, könnte sich herausstellen, dass der Boden relativ flach und frei von Hindernissen ist und dass Sie nach einer Strömung von 1000 Kubikmetern pro Sekunde Ihre beste Option sind Es könnte einfach sein, das Erodieren des Kanals zu vergessen, das Graben eines Pilotkanals zu vergessen, einen gegrabenen Kanal tatsächlich vollständig zu vergessen und einfach einen 400 km langen Zwilling zu bauen. lang 5 m. hoher Deich, um das Wasser zu leiten.

Bei einer breiten Rinne bewegen Sie möglicherweise viel weniger Material - die Deichwände haben nicht annähernd die Abmessungen der Rinne.

Wasser fließt aufgrund von Energieunterschieden. Potenzielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Je höher die potentielle Energie, desto größer die kinetische Energie und die resultierende Strömung. Zehn Tonnen Wasser fließen durch einen Kanal, weil in erster Linie genügend Energie auf diese zehn Tonnen Wasser aufgebracht wurde, um es in Bewegung zu bringen (zu beschleunigen). Um diese zehn Tonnen Wasser durch die Reibung von 400 km in Bewegung zu halten. des Kanals benötigen Sie zunächst eine Kombination aus viel Trägheit und genügend Energie, um die Reibung zu überwinden. Ein Gefälle von 40 m. auf 400km. liefert nicht viel potenzielle Energie, um zehn Tonnen Wasser mit 1000 Kubikmetern pro Sekunde durch raue, felsige, mäandrierende Wasserstraßen zu bewegen. Das Wasser wird am Kopfende einfach über die Ufer fließen und über die Ebene fließen, bis es sich im Boden auflöst, verdunstet oder in Becken stagniert.

Je glatter, gerader und reibungsfreier die Ufer sind, desto mehr Wasser kann in der gleichen Kanaldimension fließen.

Römische Aquädukte waren erfolgreich, weil sie versiegelte Rohre waren und somit der Wasserkanal unter Druck gesetzt werden konnte. Das Wasser konnte mit hohem Quellendruck durch die Rohre „gedrückt“ werden, so dass die Druckenergie viel weiter entlang des Laufs als nur an der Quelle eingedämmt und abgeführt werden konnte. Versuchen Sie das mit einem Fluss, und das Wasser dehnt sich einfach unter dem Druck an der Quelle aus und löst es schnell durch Überschwemmungen auf.

Erosion tritt nur dann auf, wenn das Wasser genug Energie hat, um das erodierte Material tatsächlich ein Stück weit weg zu tragen. Wenn das Wasser nicht genug Energie hat, um die Trägheit des Sandpartikels (oder was auch immer) zu überwinden, geht das Sandpartikel nirgendwo hin. Um einen ganzen Kanal zu erodieren, braucht man genug Energie, um die Trägheit des gesamten Materials in diesem Kanal zu überwinden, das man bewegen muss – die gesamte Masse. Sie bewegen nicht nur zehn Tonnen Wasser, Sie bewegen zehn Tonnen Wasser UND zehn Tonnen Erde (Zahlen dienen nur zur Veranschaulichung).

Um Ihr Wasser über diese 400 km zu bringen. Entfernung, müssen Sie an der Quelle viel Energie aufbauen, genug, um es über die gesamte Entfernung zu schaffen. Um es nun zum Erodieren zu bringen, müssen Sie an der Quelle genügend Energie liefern, um das Wasser UND die Erde um dieselben 400 km zu bewegen. Flüsse tun dies, indem sie eine parabolische Form verwenden. Am Anfang steil, am Ende flacher. Wie eine Achterbahn oder eine Rutsche. Bauen Sie Geschwindigkeit auf, wenn Sie den steilen Hang hinunterkommen, bauen Sie die Energie auf und fahren Sie dann im Leerlauf. Diese zehn Tonnen Wasser in einem steilen Abgrund haben jetzt genug Energie aufgebaut, um sowohl sich selbst als auch die zehn Tonnen Erde über 400 km zu bewegen. der Oberfläche, hoffentlich. Auf dem Weg dorthin wird nur sehr wenig zusätzliche Energie hinzugefügt.

Sie möchten die zehn Tonnen Wasser STARTEN, die sich an der OBERSEITE des Reservoirs bewegen, es den Hang hinunterfallen lassen und Geschwindigkeit aufbauen. Aber Sie wollen nicht, dass es einfach auf den Boden kracht. Das ist wie ein One-Way-Trip von einer Klippe. Ein großer Klecks auf dem Boden, ein großes Loch, aber nicht viel seitliche Bewegung. Sie möchten unten einen parabolischen Kanal. Etwas, das den Vektor ändert. Vertikale Bewegung in horizontale Bewegung. Sie möchten nicht, dass die Energie in einem großen Knall zerstreut wird, Sie möchten, dass sie sich stromabwärts fortsetzt.

Sie wollen also viel Technik an der Quelle. Ein Kanal, der in parabolischer Form am Hang des Stausees gebaut wurde. Ein Design, das nicht dem Zufall überlassen werden kann. Die Natur scheint die 'Splat'-Option, die Wasserfälle, zu bevorzugen. Gerade nach unten.

Sobald Sie die Technik am Kopfende und die Technik haben, den Fluss an der Basis in eine einzige Richtung zu lenken, anstatt sich aufzufächern, können Sie entscheiden, ob diese zehn Tonnen Wasser genug Energie haben, um die zehn Tonnen Erde zu tragen. oder was auch immer die Masse tatsächlich ist. Sind es mehr als zehn Tonnen, wird deutlich mehr Energie benötigt. Wenn es weniger als zehn Tonnen sind, wird weniger Energie benötigt. Das ist eine technische Berechnung – wie viel Material muss bewegt werden, wie weit muss es bewegt werden und die Energie, die benötigt wird, um es zuerst zu beschleunigen (Trägheit) und dann die Reibung zu überwinden. Wir können das nicht wissen, bis das tatsächliche Material bekannt ist, wie hoch das Kopfende ist (potenzielle Energie aufgrund der Schwerkraft) und wie viel Wasser sich bewegt.

Eines ist sicher: Damit das Wasser in den Fluss gelangt, muss es gelenkt werden. Gibt es einen natürlichen Weg, dem das Wasser folgen kann, oder ist das Land fast flach? Je flacher das Land, desto mehr will sich das Wasser ausbreiten und seine Energie über eine sehr weite Fläche verteilen. In einem Ventilator ist die Fläche quadratisch mit der Entfernung von der Quelle, sodass das Wasser sehr schnell die Fähigkeit verliert, Material zu transportieren, wenn es sich weiter von der Quelle entfernt.

Wenn kein natürlicher gerader Verlauf vorhanden ist, muss das Wasser „gelenkt“ werden. Ja, das geht, indem man einen Pilotkanal gräbt, aber das geht auch, indem man einen Deich baut. Wofür Sie sich entscheiden, hängt von dem Material ab, durch das Sie graben, und der Verfügbarkeit von geeignetem Material für den Deichbau. Wenn der Boden aus flachem, festem, starkem, zusammenhängendem Grundgestein besteht, aber in der Nähe reichlich körnigere Aufschüttungen vorhanden sind, ist der Bau eines Deiches wahrscheinlich die beste Option. Da das Land flach ist, werden die Deichwände parallel zum Boden verlaufen. Wenn der Boden leicht zu graben ist oder Sie eine ergiebige Quelle für Sprengstoffe oder Energiestrahlen haben, ist das Ausheben des Kanals wahrscheinlich vorzuziehen. Es ist viel einfacher, einen großen Stein zu bewegen, als denselben Stein aus festem Stein zu schlagen und ihn dann zu bewegen.

Jetzt müssen Sie das Ende bedenken. In was fließt dieser Kanal? Ein Fluss, Pool, See oder Ozean? Denken Sie daran, dass die Oberfläche dieses Endpunkts nur 40 Meter niedriger ist als das Kopfende. Gezeitenkräfte? Windgetriebene Wellen? Überschwemmung? Ist es zulässig, dass das Wasser in den Kanal zurückgedrückt wird? Wie tief ist der Wasserfluss am Ende? Wenn es sich um einen Fluss handelt, der nur zehn Meter tief ist, kann der Kanal natürlich nicht tiefer als zehn Meter sein, sonst besteht die Gefahr eines Rückflusses. Wenn es ein flaches Ufer hat, muss der Graben weit vom Ufer entfernt gegraben werden – je tiefer der Kanal, desto weiter draußen muss er gegraben werden. Kann der Wasserstrom 1000 Kubikmeter Wasser pro Sekunde aufnehmen, PLUS das ganze Sediment? Müssen Sie sich Sorgen machen, dass sich alle Sedimente aus dem Wasser absetzen? Wirst du mit einem kolossalen Flussdelta enden? Oder gibt es im Zielort genug Wasserbewegung, um auch das Sediment abzutransportieren?

Wenn Sie einen Deich verwenden, befindet sich der Boden des Wasserflusses (Bodenniveau) immer noch über dem Oberflächenniveau des Flusses oder dergleichen, anstatt den Kanal zu graben. Das Kanalwasser fließt oben auf den vorhandenen Wasserfluss, nicht IN ihn hinein. Es spielt keine Rolle, wie flach die Uferlinie ist, der zusätzliche Wasserfluss kann immer noch hinzugefügt werden.