댐 채우기

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배경

댐은 인간이 집단적으로 사용하기 위해 건설한 가장 오래된 구조물 중 하나입니다. 댐은 강이나 개울을 가로질러 건설된 장벽으로, 식수 또는 관개용 물을 공급하고 홍수를 통제하고 전력을 생산하기 위해 물을 저지하거나 저류할 수 있습니다. 댐의 주요 종류는 흙 채우기, 암석 채우기, 콘크리트 중력, 콘크리트 아치 및 아치 중력입니다. 마지막 세 가지 유형은 모두 콘크리트, 철근 콘크리트 또는 석조로 만들어집니다. (조적이라는 용어는 콘크리트, 벽돌 또는 굴착된 암석 블록을 의미할 수 있습니다.) 채우기 댐은 함께 압축된 흙 재료(토양 및 암석)로 만들어진 모든 댐을 포함합니다. 광미 댐이라고 하는 충전 댐의 한 유형은 채광 중 암석을 처리할 때 발생하는 미세 폐기물로 구성됩니다. 광산 현장에서 이 토양과 같은 폐기물은 채광 및 제분 공정을 위한 물을 저장하는 제방을 형성하거나 광미 자체를 물에 유지하기 위해 압축됩니다.

위에 나열된 댐의 주요 범주 중 19세기와 20세기에 개선된 엔지니어링 기술로 많은 개선 사항이 개발되었지만 모두 고대부터 건설되었습니다. 새는 댐은 단순히 물을 저장할 수 없거나 댐을 통해 스며드는 물이 댐 내부의 재료를 먹어버려 구조적으로 실패하기 때문에 제 역할을 하지 못했습니다. 현대에는 대부분의 성토 댐이 점토 중심 또는 코어, 필터 및 배수층, 점토 코어를 사이에 둔 거친 재료, 침식을 방지하기 위해 상류(물) 면의 암석을 포함하는 구역으로 건설됩니다. 이러한 구역은 댐의 상류측에서 하류측으로 단면을 절단할 때 명확하게 볼 수 있습니다. 모든 채우기 댐은 무게에 의존하여 안정적으로 유지됩니다.

성토 제방은 일반적으로 콘크리트 댐보다 건설 비용이 저렴합니다. 현장에는 토양이나 암석이 있으며 건설 기술은 복잡하지만 콘크리트 건설보다 비용이 적게 듭니다. 사용 가능한 재료, 저렴한 비용 및 질량 안정성의 이러한 이유로 채우기 댐은 종종 넓은 수로에 걸쳐 건설됩니다. 또한 콘크리트 구조물보다 유연하고 댐 아래의 기초 재료가 댐과 물의 무게로 압축되면 반드시 실패하지 않고 변형될 수 있습니다.

연혁

아주 자연스럽게, 초기 댐 건설자들은 모래, 목재, 덤불, 자갈과 같은 풍부한 재료를 사용하여 시작했습니다. 그들의 건설 방법은 바구니에 자재를 운반하고 채우는 것을 느슨하게 버리는 것으로 구성되어 이 댐 중 많은 수가 겨우 몇 년만 살아남았을 것입니다. 과학자들은 최초의 댐 건설 날짜를 정확히 알 수 없었지만 식량이 재배되고 홍수가 발생하기 쉬운 지역에 댐이 필요했다는 것은 알고 있습니다.

채우기 댐의 설계는 경험을 기반으로 합니다. 실패는 불행하고 때로는 치명적이지만 그들은 또한 최고의 교사이며 많은 엔지니어링 발전은 초기 실패에 대한 세심한 연구를 기반으로 합니다. 고대 인도와 스리랑카의 엔지니어들은 채우기 댐 설계 및 건설의 가장 성공적인 개척자였으며 두 나라에서 흙댐의 유적을 여전히 볼 수 있습니다. 스리랑카에서는 관개용수를 저장하기 위해 탱크라고 하는 긴 제방을 건설했습니다. 칼라발랄라 탱크의 둘레는 60km였습니다.

최근 건설된 가장 유명한 흙 채우기 댐은 1970-1980년에 이집트의 나일강을 가로질러 건설된 아스완 하이 댐입니다. 흙 채우기 댐은 또한 1976년 6월에 아이다호의 Teton 댐이 계곡 하류의 침투, 파손 및 범람을 허용하는 댐 내부 구역의 잘못된 설계로 인해 내부에서 침식되었을 때 엄청난 실패의 희생자였습니다. 흙댐은 짧고 넓은 경향이 있지만 타지키스탄의 Nurek 댐은 높이가 300m입니다.

원자재

성토댐 건설에 사용되는 재료는 흙과 암석을 포함합니다. 토양은 입자 크기에 따라 점토라고 하는 가장 작은 초미세 입자부터 분류됩니다. 아주 좋은 미사; 미세한 것에서 거친 것까지 다양한 모래, 미세한 입자는 우리 눈으로 볼 수 있는 가장 작은 토양 입자입니다. 그리고 자갈. 자갈과 바위라고 불리는 더 거친 파편은 댐 건설에도 사용되지만 일반적으로 보호 외부 층으로 사용됩니다.

댐 내부의 구역을 건설하기 위해서는 특정한 토질의 종류와 크기의 범위가 필요하며, 댐의 설계뿐만 아니라 건축자재의 위치 파악을 위해 댐 기초부, 저수될 저수지, 주변 지역 등을 탐사한다. . 성토 공사 비용은 자재를 운반하는 거리에 따라 크게 증가합니다. 잠재적인 건축 자재의 샘플은 입자 크기, 수분 함량, 건조 밀도(무게), 가소성 및 투과성에 대해 토양 실험실에서 테스트됩니다. 점토는 크기가 매우 미세할 뿐만 아니라 서로 달라붙는 화학적 특성을 가지고 있습니다. 미세한 크기와 소성 거동의 조합은 또한 점토가 물에 덜 침투하도록 만듭니다. 현장 근처에 점토가 있는 경우 댐을 불투수성 코어 또는 중앙 구역으로 건설하여 물이 댐을 통과하는 것을 방지할 수 있습니다. 그렇지 않으면 댐은 해당 구역의 다른 재료 조합을 통해 물이 천천히 그리고 안전하게 스며들 수 있도록 설계해야 합니다.

물도 원료입니다. 다양한 토양 유형은 실험실에서 결정될 수 있고 건설 중에 사용할 수 있는 압축 특성을 가지고 있습니다. 토양은 수분, 무게 및 충격을 추가하여 압축 노력이라고 하는 최상의 기능 밀도로 압축될 수 있습니다. 대형 진동 롤러는 최적의 양의 물이 추가된 후 얇은 흙 층을 제자리에 누릅니다. 물과 무게는 토양 입자를 함께 결합하고 작은 입자를 큰 입자 사이의 공간으로 밀어 넣어 공극을 제거하거나 침투를 제한하기 위해 가능한 작게 만듭니다.

점점 더 많은 충전 댐에는 지오텍스타일 및 지오멤브레인도 포함됩니다. 토목 섬유는 강하고 구멍이 잘 나지 않는 부직포입니다. 약한 재료를 강화하기 위해 댐을 올릴 때 리프트 사이에 배치할 수 있습니다. 그들은 또한 더 거친 배수 암석을 감싸고 미세한 토양이 배수 물질로 이동하는 것을 제한하기 위한 필터 직물로 사용됩니다. Geomembranes는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 플라스틱으로 만들어지며 불투과성입니다. 그들은 채우기 댐의 상류 면을 정렬하거나 전체 저수지를 정렬하는 데 사용할 수 있습니다.

타당성 및
예비 설계

물 공급, 광미 또는 기타 자재의 ​​저장 또는 홍수 조절과 같은 댐에 대한 특정 필요성은 채우기 댐을 설계하고 건설하는 과정을 자극합니다. 필요와 위치는 일반적으로 밀접하게 연결되어 있으므로 여러 사이트를 고려할 수 있습니다. 타당성 조사 중에 엔지니어는 이러한 사이트를 식별하고, 예비 비용을 비교하고, 가능한 설계를 결정하고, 탐사에 가장 적합한 사이트를 선택합니다. 타당성이란 댐 건설 비용을 말하지만 부지의 적합성, 설계, 시공, 장기 유지 및 안전 등의 기술적 실용성도 포함한다.

실행 가능한 부지가 선택되면 댐의 예비 설계가 개발됩니다. 댐의 위치는 지형도에 중첩되어 인접 구릉의 정상과 제안된 수위를 기준으로 하는 댐 상단의 치수와 하천 내 댐 바닥의 범위를 표시할 수 있습니다. 채널. 제안된 수위 높이는 저수지의 범위를 나타내며 유역의 모양과 함께 저수지가 보유할 물의 양을 결정합니다. 댐 건설에 사용된 자재와 저장된 물의 양은 프로젝트의 가치와 비용을 결정하는 데 도움이 됩니다. 때로는 부지 선택, 사전 설계 및 비용 추정을 여러 번 반복해야 합니다. 이상적으로는, 댐 아래의 기초 영역은 침투를 방지하기 위해 많은 굴착이나 그라우팅이 필요하지 않을 것이며, 저수지 영역 내부의 자재는 굴착되어 댐을 건설하는 데 사용될 수 있으므로 토양이나 암석과 동시에 더 많은 저장소 저장소를 얻을 수 있습니다. 둑을 건설하기 위해 굴착됩니다.

종이에 최적의 부지가 선택되면 탐사 프로그램이 개발되고 수행됩니다. 탐사하는 동안, 시험 보링은 제안된 너비를 가로질러 댐의 축선을 따라, 제안된 댐의 제안된 상류 및 하류 발가락을 따라 또는 근처, 제안된 방수로 부지 및 저수지 지역에 드릴로 뚫립니다. 보링은 강도와 ​​투과성(잠재적 침투) 속성을 평가하기 위해 기초 깊숙이 굴착됩니다. 보링이 위에 있는 토양을 통해 드릴링됨에 따라 실험실에서도 샘플링되고 테스트되어 잠재적인 댐 건설 자재로 평가될 수 있습니다. 댐 부지와 저수지 지역에서도 현장 투수성 시험을 실시하고 있습니다. 건설 자재의 출처인 경우 사용 가능한 토양의 양(및 관련 비용)을 추정할 수 있도록 저수지 지역에도 테스트 구덩이를 팠습니다.

디자인

현장 탐사 및 실험실 테스트가 완료된 후 엔지니어링 팀은 예비 가정, 현장 조사 결과 및 현장 조사 결과를 기반으로 한 설계 또는 경제성의 변경 사항을 기반으로 댐의 최종 설계를 시작합니다. 채우기 댐을 설계할 때 엔지니어는 5가지 중요한 고려 사항을 확인합니다. 댐을 통한 침투를 방지하기 위한 코어 및 기타 내부 구역의 설계; 차단벽의 설계 또는 댐 아래의 기타 침투 방지; 상류면의 침식 방지; 그리고 경제.

성토 댐은 일반적으로 댐의 상단 또는 마루에 정점 또는 점이 있고 개울 수로 바닥에 넓은 바닥이 있는 삼각형 모양입니다. 횡단면에서 베이스의 너비는 미끄러짐을 방지하기 위해 마찰을 제공하고 댐의 전체 질량은 뒤에 있는 물의 무게를 견딜 만큼 충분히 강합니다. 기초 영역은 부드럽고 침투성이며 압축 가능한 토양으로 청소됩니다. 그리고 차단 벽은 암석이나 단단한 토양으로 절단됩니다. 차단벽은 강판 말뚝이나 콘크리트로 건설할 수 있지만 1960년경 이후에 건설된 대부분의 성토댐의 경우 차단벽은 단순히 점토 코어의 확장입니다. 기초 암석이나 토양에 공극이나 균열이 있는 경우 기초에 일련의 구멍을 뚫고 구멍에 콘크리트 그라우트를 주입하여 균열을 밀봉하고 침투를 차단합니다.

성토 댐의 구역은 댐 중심에서 물을 향해 상류로 이동하는 다수의 별개의 층과 하류로 이동하는 중심에서 다른 세트의 층으로 구성될 수 있습니다. 구역의 재료는 강도 특성 및 투과성 특성을 위해 선택되며 한 구역을 다른 구역 옆에 배치하는 것은 이러한 특성을 기반으로 한 일련의 계산에 의해 신중하게 제어됩니다. 필터 및 배수 구역이 포함되어 있어 댐 내부에 도달한 모든 물은 코어 주위로 흐르고 댐 바닥의 배수층을 통해 빠져 나옵니다.

댐의 상류(물) 면은 때때로 콘크리트 슬래브나 아스팔트 면으로 보호됩니다. 더 일반적으로, 자갈 및 바위 크기의 돌이 수면 근처의 이 면에 배치됩니다. 이 표면을 립랩(riprap)이라고 하며 수면에서의 파도 작용이 댐 건설 자재를 침식하는 것을 방지합니다. 비상 여수로와 같이 수위와 댐을 통한 또는 댐 위의 물 이동을 제어하기 위한 기타 시설도 댐의 위치, 용도, 건설 유형 및 재료, 저수지로의 물 유입을 위해 특별히 설계되었습니다.

댐 건설의 경제성은 설계 프로세스 전반에 걸쳐 고려됩니다. 건설 자재는 현장 또는 근처에서 구할 수 있어야 합니다. 암석은 토양보다 더 가파른 각도로 놓을 수 있으며 무게가 더 큽니다. 따라서 대부분 암석으로 지어진 댐은 설계 섹션에서 더 작을 수 있습니다. 그러나 암석을 굴착하고 이동하는 것은 토양보다 비용이 많이 들 수 있으므로 설계 엔지니어는 비용 요소를 고려해야 합니다. 그라우팅을 위한 아스팔트, 콘크리트, 강철 및 시멘트와 같은 기타 재료도 비쌉니다. 안전과 경제성의 적절한 균형은 엔지니어가 결정해야 합니다. 대형 토공 기계는 구역, 채우기 댐 건설을 더 많이 만들었습니다. 일반적인 채우기 댐의 단면. 많은 현장에서 콘크리트 댐을 건설하는 것보다 경제적입니다.

건설 과정

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성토댐은 하천이나 하천의 수위가 낮아지고 성토원에 강우가 덜 발생하며 대형 건설장비를 가동하기 좋은 조건인 건기에 건설된다. 건설이 실제로 시작되기 전에 현장을 조사하여 기존 지반의 댐 선형, 굴착될 지역, 건설에 사용된 토양 또는 암석의 차입 지역 또는 출처를 찾습니다. 건설 관리 시설이 설치됩니다. 일반적으로 건설 관리자(수년 간의 유사한 경험을 가진 현장 엔지니어)가 현장에서 트레일러를 작업합니다. 현장에 따라 인접 언덕 또는 기타 기능에 대한 댐 건설의 영향을 모니터링하고 기초 및 주변의 건설 전반에 걸쳐 지하수 수준을 측정하기 위한 장비를 설치해야 할 수 있습니다. 그리고 물론 그 부지를 가로질러 막혀 있는 하천의 흐름을 막아야 합니다. 이것은 스트림을 우회하여 아마도 이웃 채널을 통해 흐르게 하거나 임시 댐 또는 코퍼댐으로 상류를 막는 등 다양한 방법으로 수행할 수 있습니다.

댐 건설을 시작하기 전에 기초 영역을 준비해야 합니다. 드문 경우지만 수로 바닥의 기존 자재 위에 직접 댐을 건설할 수 있습니다. 대부분의 현장에서 이러한 재료는 압축 가능하고(댐이 불규칙하게 가라앉게 함) 투과성(물이 댐 아래로 통과할 수 있음)입니다. 기초 영역에는 댐의 양쪽 끝을 형성하는 언덕인 교대도 포함됩니다. 토양과 연약하거나 많이 파쇄된 암석은 굴착되어 유형별로 분류되고 나중에 댐 건설에 사용하기 위해 비축됩니다. 기초 기반암의 표면은 놀라운 정도로 청소됩니다. 빗자루로 빗자루를 치고 물로 호스를 하여 빈 공간이나 불규칙한 부분이 보이도록 하고 부드러운 흙을 청소합니다. 기초는 건설 작업 전에 주의 깊게 검사됩니다. 재단의 상태에 대해 질문이 있는 경우 추가 탐사 시추를 수행할 수 있습니다. 암석이 부서지거나 보이드 또는 구멍이 있는 경우 치과 작업이라고 하는 과정에서 작은 직경의 드릴 구멍을 통해 주입되는 시멘트 그라우트로 밀봉됩니다.

댐의 기초는 댐이 위로 올라가기 전에 땅으로 내려와야 합니다. 댐의 전체 너비인 도랑(수로 건너편)은 단단한 암석으로 절단됩니다. 트렌치는 키홈 또는 차단벽이라고 하며 암석에 여러 개의 벤치 또는 노치가 있을 수 있습니다. 댐이 매끄러운 기초를 따라 미끄러지는 것을 방지하고 누출이 댐 아래로 흐르려고 하는 더 긴 경로를 생성합니다. 댐의 핵심을 구성할 불투수성 점토를 키 홈에 놓고 키 홈의 상단 또는 기초의 대부분의 베이스에 도달할 때까지 층별로 압축하고 들어 올립니다.

키홈의 흙과 댐의 모든 구역이 동시에 같은 높이로 올라갑니다. 경사로를 절단해야 할 수도 있습니다. 계획된 채우기 댐의 공중 전망. 건설 장비를 위한 키 홈 영역에 삽입한 다음 댐의 상승 상단 작업 표면까지 구축해야 합니다. 가능한 한 가장 쉬운 접근을 위해 댐의 양쪽(교대부)에서 도로가 절단됩니다. 결국, 접근 도로는 댐의 산마루에 건설되고 이러한 교대 위로 확장됩니다.

대형 토공업체는 작업 중인 댐의 구역을 높이는 데 필요한 특정 유형의 토양을 운반합니다. 토양은 보통 6-8인치(15.2-20.3cm) 두께의 얇은 층으로 퍼지고 올바른 수분 함량이 될 때까지 물을 뿌린 다음 양발 롤러(롤러 주위에 일렬로 장착된 동물 발굽과 유사한 갈래가 있는 압축 롤러)로 압축됩니다. 제자리에 단단히 눌러 흙을 진동). 건설에 자갈을 사용하는 경우 진동 롤러를 사용하여 곡물을 함께 진동시켜 곡물의 각도가 맞물려 구멍을 남기지 않도록 합니다.

다짐 과정 전반에 걸쳐 검사관은 현장에서 운반되어 댐의 특정 구역으로 운반되는 토양을 승인합니다. 그들은 풀, 뿌리, 쓰레기 또는 기타 파편으로 오염된 물질을 거부합니다. 그리고 그들은 또한 댐의 해당 지역에 적절한 입자 크기로 보이지 않는 토양을 거부합니다. 품질 관리를 위해 다양한 분류 테스트를 위해 실험실(대형 댐의 경우 현장 토양 실험실이 건설 트레일러에 설치됨)에서 샘플을 수집하고 테스트합니다. 한편, 조사관은 핵 밀도 게이지를 사용하여 토양이 배치되고 압축되었을 때 밀도와 수분 함량을 테스트합니다. 핵 밀도 게이지는 매우 작은 방사성 소스를 사용하여 방사성 입자를 토양으로 방출합니다. 입자는 감지기 판으로 다시 반사되어 제자리에 있는 토양의 수분과 밀도를 나타냅니다. 이 프로세스는 환경이나 작업자(방사성 노출을 모니터링하기 위해 배지를 착용하는 사람)에 해롭지 않으며 굴착 및 샘플링 없이 데이터를 제공합니다. 다짐 요건이 충족되지 않으면 해당 토양층을 굴착하고 다시 깔고 수분과 밀도가 적절할 때까지 다시 다집니다.

채우기 댐의 건설은 각 구역의 높이와 결국 댐의 꼭대기에 도달할 때까지 층별로, 구역별로 진행됩니다. 한 건설 시즌에 전체 댐을 건설할 수 없는 경우 댐은 일반적으로 단계 또는 단계적으로 설계됩니다. 건설 단계(또는 전체 댐)를 완료하는 것은 종종 시간, 날씨 및 프로젝트 예산과의 경쟁입니다.

어떤 흙댐은 성토와 동시에 기구를 설치하고, 기구는 성토와 마찬가지로 지표면에 층과 구역으로 시공한다. 댐의 상태는 연방, 주 및 지역 법률과 엔지니어링 관행 표준에서 요구하는 대로 수명 기간 동안 모니터링됩니다. 기구의 종류는 댐의 위치에 따라 다릅니다. 거의 모든 댐에는 댐 표면 또는 영역의 침하를 측정하기 위해 측량되는 침하 기념비, 댐 내부 또는 표면의 경사면이 움직이는지를 나타내는 경사 표시기 및 수위를 모니터링하는 수위 표시기가 있습니다. 댐 구역의 수준. 지진 활동이 활발한 지역의 댐에는 지반 흔들림을 측정하는 장비도 장착될 수 있습니다.

필댐은 그 규모, 용도, 위치에 따라 다양한 시설을 가질 수 있습니다. 모든 댐에는 홍수 물이 댐 상단이 아닌 탈출 경로로 흐를 수 있도록 비상 여수로가 필요합니다. 수력 발전을 위한 다른 여수로는 발전 댐에서 설계 및 건설될 수 있으며, 이러한 목적으로 건설된 제방에서 관개 및 식수 공급을 위한 물을 방출하기 위해 유입구 및 유출구 터널이 필요합니다. 성토댐에서는 일반적으로 기초나 교대암을 통한 굴착에 이러한 다른 시설을 배치하는 것이 바람직합니다. 실제로 성토를 통과하는 구조물에 대해 흙을 압축하는 과정은 까다롭고 침투 경로를 허용합니다.

특히 목재를 수확할 수 있는 경우 물을 채워야 할 때 저수지 지역도 비워지는 경우가 있습니다. 모든 관목과 풀을 제거하는 것은 필요하지 않으며 너무 비싸다. 저수지를 채우는 과정은 상대적으로 느리므로 대부분의 야생 동물은 수위가 상승함에 따라 이동합니다. 우려되는 지역에는 희귀 또는 멸종 위기에 처한 종의 서식지가 포함되며, 이러한 서식지의 익사는 많은 댐 건설에서 우려 사항이었습니다.

댐이 완성되면 하천에서 우회한 물이 저수지를 채울 수 있습니다. 물이 상승함에 따라 댐의 일부에서도 물이 상승하고 저수지 채우기 기간 동안 댐 내의 기구를 주의 깊게 모니터링합니다. 장비와 단순 관찰을 통한 댐 성능 모니터링은 일상적으로 수행됩니다. 그리고 안전 계획이 지역 비상 서비스에 제출되어 계기 판독값의 갑작스러운 변화 또는 댐 또는 저수지의 모양이 하류의 홍수 경로에 사는 사람들에게 경고하고 대피하는 조치를 촉발합니다. 수리도 정기적으로 수행됩니다.

품질 관리

사용된 재료는 콘크리트 댐에 필요한 강철 및 콘크리트보다 강도 특성이 낮고 배치가 궁극적으로 강도, 침투 및 침하와 같은 문제의 가능성, 최종적으로 성능 및 안전성을 결정하기 때문에 품질 엔지니어링은 성토 댐 건설에 필수적입니다. 지반 공학 프로젝트 엔지니어는 안전한 제품을 만들기 위해 설계와 흙 재료가 일치하는지 확인하는 핵심 역할을 합니다. 그러나 지질학자, 건설 기술자, 기타 엔지니어 및 감독 기관의 대표를 포함한 많은 다른 전문가들은 동일한 목적에 완전히 전념하고 있습니다.

부산물/폐기물

성토댐 건설에는 부산물이 없지만 건물 진입로 및 기타 지지 구조물을 위해 때때로 성토가 생성됩니다. 폐기물은 또한 최소이거나 존재하지 않습니다. 과도한 토양과 특히 암석의 굴착은 이러한 재료를 운반하는 데 매우 비쌉니다. 그래서 폐기물은 설계에서 제외됩니다.

미래

주로 환경 문제로 인해 향후 댐의 설계 및 건설은 많은 연구와 논쟁의 여지가 있는 과정이 될 것입니다. 그러나 채우기 댐은 단일 ​​콘크리트 구조물보다 흙 재료로 만들어지고 경관과 더 잘 조화되기 때문에 더 환경 친화적이라고 인식되는 경향이 있습니다. 채우기 댐은 물 공급에 대한 인간의 요구를 충족하는 데 유용하고 저렴한 솔루션으로 입증되었으며 엔지니어링 기술의 광대한 개선으로 20세기 후반에 안전 기록이 향상되었습니다. 댐 건설에 많은 비용과 의제가 고려되어야 하지만, 채우기 댐은 식수, 관개 공급 및 홍수 조절을 제공해야 하는 필요성에 있어 동맹국임을 증명해 왔으며 앞으로도 계속 그럴 것입니다.