ฝาย( weir )หรือเขื่อนหัวต่ำคือสิ่งกีดขวางขวางความกว้างของแหล่งน้ำ ซึ่งเปลี่ยนแปลงลักษณะการไหลของน้ำและมักส่งผลให้ระดับน้ำ เปลี่ยนแปลง ฝาย ใช้เพื่อ ควบคุมการไหลของน้ำสำหรับแม่น้ำ ทางออกของทะเลสาบ บ่อ และอ่างเก็บน้ำ การระบายน้ำเสียจากอุตสาหกรรม และโครงสร้างควบคุมการระบายน้ำ มีการออกแบบฝายหลายแบบ แต่โดยทั่วไปน้ำจะไหลอย่างอิสระเหนือยอดฝายก่อนที่จะไหลลงสู่ระดับที่ต่ำกว่า ไม่มีคำจำกัดความเดียวว่าอะไรคือฝาย ฝายเป็นอันตรายอย่างร้ายแรงต่อผู้ที่ใช้เรือและเกี่ยวข้องกับการจมน้ำเสียชีวิตหลาย ครั้ง

คำว่า "Weir"ยังอาจหมายถึงอุปกรณ์ดักจับสิ่งสกปรกที่พบในสระว่ายน้ำแบบฝังดินส่วนใหญ่ ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมการไหลของน้ำที่ถูกดึงเข้าไปในระบบกรอง

คำนี้น่าจะมีต้นกำเนิดมาจากภาษาอังกฤษยุคกลางwereและภาษาอังกฤษโบราณwerซึ่งเป็นคำที่มาจากรากศัพท์ของคำกริยาwerianหมายถึง "ป้องกัน, กั้น" ^{[ 1 ] [ 2 ]}คำที่คล้ายคลึงกันในภาษาเยอรมันคือWehrซึ่งมีความหมายเหมือนกับ weir ในภาษาอังกฤษ

โดยทั่วไปแล้ว ฝายจะใช้เพื่อป้องกันน้ำท่วมวัดปริมาณน้ำที่ไหลออก^{[ 3 ]}และช่วยให้แม่น้ำสามารถเดินเรือได้ สะดวกขึ้น ในบางพื้นที่ คำว่าเขื่อนและฝายมีความหมายเหมือนกัน

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเขื่อนและฝายคือ น้ำสามารถไหลผ่านได้ทั้งสองอย่าง (โดยในกรณีของเขื่อน น้ำจะควบคุมการไหลและมักจะหมุนกังหันน้ำ) แต่ฝายจะไหลผ่านได้เท่านั้น ดังนั้นเขื่อนหลายแห่งจึงมีทางระบายน้ำล้น ที่อยู่ ต่ำกว่าสันเขื่อน เพื่อระบายน้ำส่วนเกินที่เกินความสามารถในการกักเก็บหรือควบคุมการไหล

ฝายกั้นน้ำมีขนาดแตกต่างกันทั้งในแนวนอนและแนวตั้ง โดยฝายที่เล็กที่สุดมีความสูงเพียงไม่กี่เซนติเมตร ในขณะที่ฝายที่ใหญ่ที่สุดอาจสูงหลายเมตรและยาวหลายร้อยเมตร วัตถุประสงค์ทั่วไปของการสร้างฝายกั้นน้ำมีดังต่อไปนี้

เมื่อตรงตามเงื่อนไขที่เหมาะสม ฝายช่วยให้นักอุทกวิทยาและวิศวกรสามารถวัดอัตราการไหลเชิงปริมาตรในลำธาร/แม่น้ำขนาดเล็กถึงขนาดกลางหรือในบริเวณปล่อยน้ำเสียจากอุตสาหกรรมได้ อย่างง่ายดาย ^{[ 4 ​​]}เนื่องจากทราบรูปทรงเรขาคณิตของส่วนบนของฝายและน้ำทั้งหมดไหลผ่านฝาย ความลึกของน้ำด้านหลังฝายจึงสามารถแปลงเป็นอัตราการไหลได้ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้สามารถทำได้เฉพาะในบริเวณที่น้ำทั้งหมดไหลผ่านยอดฝายและไม่มีน้ำไหลออกไปทางอื่น

การคำนวณอัตราการไหลโดยทั่วไปสามารถสรุปได้ดังนี้

Q = C L H ⁿ

ที่ไหน

Qคืออัตราการไหลเชิงปริมาตรของของเหลว (ปริมาณการไหลออก )

Cคือค่าสัมประสิทธิ์การไหลของโครงสร้าง (โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 3.33)

Lคือความกว้างของสันตรา

Hคือความสูงของระดับน้ำเหนือยอดคลื่น

n ^{จะ แตกต่างกันไปตามโครงสร้าง (}เช่น 3/2 สำหรับ ^ฝายแนวนอน 5/2 สำหรับ ^ฝายรูปตัววี) [ ^{5 ]} [ 6 ]

อัตราการไหลผ่านฝายรูปตัววี (ในหน่วย ft³ ^/ s) กำหนดโดยสมการ Kindsvater–Shen: ^{[ 7 ]}

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

ที่ไหน

Qคืออัตราการไหลเชิงปริมาตรของของเหลวในหน่วย ft³ ^/ s

gคือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงในหน่วยฟุต/ วินาที^²

C _eคือปัจจัยการแก้ไขการไหลที่ระบุไว้ในShen 1981หน้า B29 รูปที่ 12

θคือมุมของฝายรูปตัว V

hคือความสูงของของเหลวเหนือก้นรอยบากรูปตัว V

kคือค่าตัวประกอบการแก้ไขหัวที่ระบุไว้ในShen 1981หน้า B20 รูปที่ 4

เนื่องจากฝายเป็นสิ่งกีดขวางทางกายภาพ จึงสามารถขัดขวางการเคลื่อนที่ตามแนวยาวของปลาและสัตว์อื่นๆ ขึ้นและลงตามแม่น้ำได้ ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อปลาที่อพยพย้ายถิ่นเพื่อการผสมพันธุ์ (เช่น ปลาแซลมอน ) แต่ก็อาจมีประโยชน์ในฐานะวิธีการป้องกันชนิดพันธุ์ต่างถิ่นรุกรานไม่ให้เคลื่อนตัวขึ้นไปต้นน้ำได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น ฝายใน ภูมิภาค ทะเลสาบใหญ่ได้ช่วยป้องกันไม่ให้ปลาแลมเพรย์ทะเล รุกราน เข้ามาแพร่กระจายในบริเวณต้นน้ำได้

บ่อเก็บน้ำสำหรับโรงสีสร้างขึ้นโดยใช้ฝายกั้นน้ำ ก่อนที่น้ำจะไหลผ่านโครงสร้างนั้น พลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงระดับความสูงของน้ำสามารถนำไปใช้ในการขับเคลื่อนกังหานน้ำ และขับเคลื่อนโรงเลื่อยโรงโม่และอุปกรณ์อื่นๆ ได้

ฝายกั้นน้ำมักใช้เพื่อควบคุมอัตราการไหลของแม่น้ำในช่วงที่มีปริมาณน้ำมากประตูระบายน้ำ (หรือในบางกรณี ความสูงของสันฝาย) สามารถปรับเปลี่ยนเพื่อเพิ่มหรือลดปริมาณน้ำที่ไหลลงสู่ปลายน้ำได้ ฝายกั้นน้ำเพื่อจุดประสงค์นี้มักพบอยู่เหนือเมืองและหมู่บ้าน และสามารถควบคุมได้ทั้งแบบอัตโนมัติหรือแบบใช้แรงงานคน การลดอัตราการไหลของน้ำลงสู่ปลายน้ำแม้เพียงเล็กน้อย ก็สามารถลดโอกาสการเกิดน้ำท่วมได้อย่างมาก ในแม่น้ำขนาดใหญ่ ฝายกั้นน้ำยังสามารถเปลี่ยนแปลงลักษณะการไหลของทางน้ำได้จนถึงจุดที่เรือสามารถแล่นผ่านพื้นที่ที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถเข้าถึงได้เนื่องจากกระแสน้ำหรือกระแสน้ำวน ที่รุนแรง ฝายกั้น น้ำขนาดใหญ่หลายแห่งจะมีลักษณะการก่อสร้างที่ช่วยให้เรือและผู้ใช้แม่น้ำสามารถ "แล่นผ่านฝาย" และแล่นเรือขึ้นหรือลงตามกระแสน้ำโดยไม่ต้องออกจากแม่น้ำ ฝายกั้นน้ำที่สร้างขึ้นเพื่อจุดประสงค์นี้พบได้ทั่วไปในแม่น้ำเทมส์ และส่วนใหญ่ตั้งอยู่ใกล้กับ ประตูน้ำ ทั้ง 45 แห่ง ของ แม่น้ำ

เนื่องจากฝายกั้นน้ำและเปลี่ยนแปลงรูปแบบการไหลของแม่น้ำ จึงอาจส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศ ในท้องถิ่น ได้ โดยทั่วไปแล้ว ความเร็วของกระแสน้ำที่ลดลงในบริเวณต้นน้ำอาจนำไปสู่การตกตะกอน ที่เพิ่มขึ้น (การสะสมของอนุภาคละเอียดของตะกอนและดินเหนียวที่ก้นแม่น้ำ) ซึ่งจะลดปริมาณออกซิเจนในน้ำและทำลายแหล่งที่อยู่อาศัยของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังและ แหล่ง วางไข่ ของปลา ปริมาณออกซิเจนมักจะกลับสู่ระดับปกติเมื่อน้ำไหลผ่านสันฝายไปแล้ว (แม้ว่าอาจมีออกซิเจนสูงเกินไป) แต่ความเร็วของกระแสน้ำที่เพิ่มขึ้นอาจกัดเซาะก้นแม่น้ำ ทำให้เกิดการพังทลายและสูญเสียแหล่งที่อยู่อาศัยได้

ฝายอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อการอพยพของปลา [ ^{8 ] ฝาย}ใดๆ ที่สูงเกินกว่าความสูงสูงสุดที่ปลาสามารถกระโดดข้ามได้ หรือสร้างสภาวะการไหลที่ไม่สามารถเลี่ยงผ่านได้ (เช่น เนื่องจากความเร็วของน้ำมากเกินไป) จะจำกัดจุดสูงสุดที่ปลาสามารถอพยพขึ้นไปทางต้นน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในบางกรณี อาจหมายความว่าแหล่งที่อยู่อาศัยสำหรับการผสมพันธุ์จำนวนมากจะหายไป และเมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประชากรปลา

ในหลายประเทศ ปัจจุบันมีข้อกำหนดทางกฎหมายให้สร้างบันไดปลาไว้ในการออกแบบฝายเพื่อให้ปลาสามารถเลี่ยงสิ่งกีดขวางและเข้าถึงแหล่งที่อยู่อาศัยต้นน้ำได้ ฝายต่างจากเขื่อนตรงที่โดยทั่วไปแล้วจะไม่ขัดขวางการอพยพของปลาลงสู่ปลายน้ำ (เนื่องจากน้ำไหลผ่านด้านบนและทำให้ปลาเลี่ยงโครงสร้างในน้ำนั้นได้) แม้ว่าฝายอาจสร้างสภาวะการไหลที่ทำให้ปลาวัยอ่อนได้รับบาดเจ็บก็ตาม การศึกษาล่าสุดชี้ให้เห็นว่าประตูน้ำสำหรับการเดินเรือยังมีศักยภาพในการเพิ่มการเข้าถึงสำหรับสิ่งมีชีวิต หลากหลายชนิด รวมถึงสิ่งมีชีวิตที่ว่ายน้ำไม่เก่งด้วย^{[ 9 ]}

แม้ว่าน้ำรอบๆ ฝายมักจะดูค่อนข้างสงบ แต่ก็อาจเป็นสถานที่อันตรายอย่างยิ่งสำหรับการพายเรือ ว่ายน้ำ หรือลุยน้ำ เนื่องจากรูปแบบการไหลเวียนของน้ำทางด้านล่าง—โดยทั่วไปเรียกว่าการกระโดดไฮดรอลิก —สามารถทำให้คนจมน้ำได้ไม่รู้จบ นักพายเรือแคนูและเรือคายัคมักเรียกฝายว่า "เครื่องจักรจมน้ำ" โดยเฉพาะอย่างยิ่งในป้ายเตือน^{[ 10 ]}กรมทรัพยากรธรรมชาติแห่งรัฐโอไฮโอแนะนำว่าเหยื่อควร "ก้มคางลง งอเข่าเข้าหาหน้าอกโดยใช้แขนโอบรอบตัว หวังว่าสภาพการณ์จะเป็นเช่นนั้น กระแสน้ำจะผลักเหยื่อไปตามก้นแม่น้ำจนกระทั่งถูกพัดผ่านเส้นเดือดและหลุดออกไปโดยไฮดรอลิก" ^{[ 11 ]}ตำรวจรัฐเพนซิลเวเนียยังแนะนำให้เหยื่อ "ขดตัว ดำดิ่งลงไปที่ก้นแม่น้ำ และว่ายน้ำหรือคลานลงไปตามกระแสน้ำ" ^{[ 12 ]}เมื่อการกระโดดของไฮดรอลิกดึงอากาศเข้ามาแรงลอยตัวของน้ำระหว่างเขื่อนและเส้นเดือดจะลดลงมากกว่า 30% และหากเหยื่อไม่สามารถลอยตัวได้ การหนีออกจากฐานของเขื่อนอาจเป็นทางเลือกเดียวในการเอาชีวิตรอด

ฝายมีหลายประเภทและแตกต่างกันไป ตั้งแต่โครงสร้างหินเรียบง่ายที่แทบมองไม่เห็น ไปจนถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนและขนาดใหญ่มากซึ่งต้องมีการจัดการและบำรุงรักษาอย่างกว้างขวาง

• 
  สะพานและกลไกฝายที่เมืองสตูร์มินสเตอร์ นิวตันบนแม่น้ำสตูร์มณฑลดอร์เซ็ตสหราชอาณาจักร
• 
  ฝายสองแห่งบนแม่น้ำเวียร์ในเมืองเดอรัมสหราชอาณาจักร: ฝายด้านล่างเป็นฝายแบบผสมที่มีบันไดปลาเพื่อให้ปลา เช่น ปลาแซลมอน สามารถว่ายผ่านฝายได้
• 
  ฝายที่ประตูน้ำแฮมเบิลเดนบนแม่น้ำเทมส์ที่เมืองแฮมเบิลเดน มณฑลบักกิงแฮมเชียร์เป็นฝายแบบสันกว้าง ประชาชนมีสิทธิ์ข้ามแม่น้ำโดยใช้ทางเดินเท้า
• 
  เขื่อน กั้นน้ำแบบเข็มที่ใช้งานด้วยมือใกล้เมืองเรแวง บนแม่น้ำเมิสประเทศฝรั่งเศส
• 
  ฝายกั้นน้ำแบบสันกว้างในเมืองวาร์คเวิร์ธประเทศนิวซีแลนด์
• 
  เขื่อนด็อบส์ (Dobbs Weir)ในเฮิร์ตฟอร์ดเชียร์สหราชอาณาจักรเป็นระบบฝายที่ซับซ้อน ประกอบด้วยฝายสันกว้างและฝายรูปตัววี

ฝายสันกว้างเป็นโครงสร้างที่มีสันแบนราบ โดยน้ำจะไหลผ่านสันที่ปกคลุมความกว้างของช่องทางน้ำส่วนใหญ่หรือทั้งหมด นี่เป็นหนึ่งในประเภทของฝายที่พบได้บ่อยที่สุดทั่วโลก

ฝายผสม คือฝายที่ประกอบด้วยการออกแบบหลายแบบรวมอยู่ในโครงสร้างเดียว มักพบเห็นได้ในบริเวณที่แม่น้ำมีผู้ใช้งานหลายรายที่อาจจำเป็นต้องเลี่ยงผ่านโครงสร้างนั้น การออกแบบที่พบได้ทั่วไปคือฝายที่มีสันกว้างตลอดความยาว แต่มีส่วนที่ฝายปิดหรือ "เปิด" เพื่อให้เรือเล็กและปลาสามารถผ่านไปได้

ฝายแบบมีร่อง คือฝายที่สิ่งกีดขวางทางกายภาพสูงกว่าระดับน้ำอย่างเห็นได้ชัด ยกเว้นร่อง เฉพาะ (มักเป็นรูปตัววี) ที่ตัดเข้าไปในแผ่นผนัง ในช่วงเวลาที่มีปริมาณน้ำไหลปกติ น้ำทั้งหมดจะต้องไหลผ่านร่องนี้ ทำให้การคำนวณปริมาณน้ำไหลง่ายขึ้น และในช่วงเวลาที่เกิดน้ำท่วม ระดับน้ำสามารถสูงขึ้นและท่วมฝายได้โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนโครงสร้างใดๆ

ฝายพหุนามคือฝายที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่กำหนดโดยสมการพหุนามลำดับnใดๆ[ ^{13 ] ใน}ทางปฏิบัติ ฝายส่วนใหญ่เป็นฝายพหุนามลำดับต่ำ ตัวอย่างเช่น ฝายสี่เหลี่ยมผืนผ้ามาตรฐานเป็นฝายพหุนามลำดับศูนย์ ฝายสามเหลี่ยม (แบบ V-notch) และ ฝาย สี่เหลี่ยมคางหมูเป็นฝายพหุนามลำดับหนึ่ง ฝายพหุนามลำดับสูงให้ความสัมพันธ์ระหว่างระดับน้ำกับปริมาณการไหลที่หลากหลายมากขึ้น จึงทำให้สามารถควบคุมการไหลที่ทางออกของทะเลสาบ บ่อ และอ่างเก็บน้ำได้ดีขึ้น

• เขื่อนครัมป์
• โครงสร้างหยดน้ำ
• เขื่อนดักปลา
• เขื่อนสันคงที่
• รางน้ำ
• เขื่อนควบคุมระหว่างประเทศ
• การผลิตไฟฟ้าพลังน้ำแบบไหลตามลำน้ำ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเขื่อนกั้นน้ำ

ลองค้นหาคำว่า weirใน Wiktionary ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• หลักการทางไฮดรอลิกของท่อระบายน้ำและทางน้ำใต้สะพานที่ลดการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด (MEL) (คลิก "ดำเนินการต่อ" ที่หน้าเว็บคำแนะนำของ UQ-ITS)