Речное машиностроение

Река Лос-Анджелес широко канализирована бетонными насыпями.

Речное строительство — это дисциплина гражданского строительства которая изучает вмешательство человека в русло, характеристики или течение реки , с целью получения определенной выгоды. Люди вмешивались в естественное русло и поведение рек с незапамятных времен — для управления водными ресурсами , защиты от наводнений или облегчения перехода вдоль рек или через них. Со времен династии Юань и Древнего Рима реки использовались в качестве источника гидроэнергетики . С конца 20-го века практика речного строительства стала ответом на экологические проблемы, выходящие за рамки непосредственной пользы человека. Некоторые речные инженерные проекты были сосредоточены исключительно на восстановлении или защите природных характеристик и среды обитания .

Гидромодификация включает в себя систематическое реагирование на изменения речных и неречных водоемов, таких как прибрежные воды ( эстуарии и заливы ) и озера. США Агентство по охране окружающей среды (EPA) определило гидромодификацию как «изменение гидрологических характеристик прибрежных и неприбрежных вод, что, в свою очередь, может вызвать деградацию водных ресурсов». Речное проектирование часто приводило к непреднамеренным систематическим реакциям, таким как сокращение среды обитания рыб и диких животных, а также изменение температуры воды и моделей переноса наносов .

Начиная с конца 20-го века, речная инженерная дисциплина была больше сосредоточена на устранении гидромодифицированных деградаций и учете потенциального систематического реагирования на запланированные изменения с учетом речной геоморфологии . Речная геоморфология — это изучение того, как реки меняют свою форму с течением времени. Речная геоморфология представляет собой совокупность ряда наук, включая гидравлику открытых каналов , перенос наносов , гидрологию , физическую геологию и прибрежную экологию. Специалисты по речному проектированию пытаются понять речную геоморфологию, осуществить физические изменения и обеспечить общественную безопасность.

Характеристики рек

Размер рек выше любого приливного предела и их средний расход пресной воды пропорциональны протяженности их бассейнов и количеству осадков, которые, выпадая в этих бассейнах, достигают речных русл на дне долин, по которым они передаются. к морю.

Бассейн реки Миссисипи является крупнейшим в США.

Бассейн ( реки — это пространство страны, ограниченное водоразделом в Северной Америке называемым «водоразделом»), по которому осадки стекают к реке, пересекая самую нижнюю часть долины, тогда как дождь выпадает на дальний склон реки. водораздел стекает в другую реку, дренирующую соседний бассейн. Речные бассейны различаются по протяженности в зависимости от конфигурации страны: от незначительных водосборных площадей ручьев, берущих начало на возвышенностях очень близко к побережью и впадающих прямо в море, до огромных участков больших континентов, где реки берут начало на склонам горных хребтов далеко вглубь страны приходится пересекать обширные участки долин и равнин, прежде чем достичь океана. Размер крупнейшего речного бассейна любой страны зависит от протяженности континента, на котором он расположен, его положения по отношению к холмистым регионам, в которых обычно берут начало реки, и морю, в которое они впадают, а также от расстояния между истоками. и выход в море дренирующей его реки.

Скорость течения рек зависит главным образом от их падения, также известного как уклон или наклон. Когда две реки разных размеров имеют одинаковое падение, более крупная река имеет более быстрое течение, так как ее замедление из-за трения о русло и берега меньше пропорционально ее объему, чем в случае с меньшей рекой. Падение на участке реки примерно соответствует уклону местности, по которой она пересекает; Поскольку реки поднимаются близко к самой высокой части своих бассейнов, обычно в холмистых регионах, их падение вблизи истока быстрое и постепенно уменьшается, со случайными неравномерностями, пока, пересекая равнины вдоль последней части своего русла, их падение обычно становится довольно сильным. нежный. Соответственно, в крупных бассейнах реки в большинстве случаев начинаются ручьями с весьма переменным течением, а заканчиваются пологими реками со сравнительно равномерным стоком.

Сооружения для борьбы с наводнениями на Темзе в Лондоне.

Неравномерность течения рек на всем протяжении их течения составляет одну из основных трудностей при разработке работ по смягчению последствий наводнений или повышению судоходных возможностей рек. В тропических странах, подверженных периодическим дождям, реки разливаются в сезон дождей и практически не имеют стока в остальное время года, тогда как в регионах с умеренным климатом , где осадки распределяются более равномерно в течение года, испарение приводит к увеличению количества осадков. в жаркую летнюю погоду их будет гораздо меньше, чем в зимние месяцы, так что летом реки опускаются до низкого уровня, а зимой весьма склонны к разливу. Фактически, при умеренном климате год можно разделить на теплый и холодный сезоны, продолжающиеся с мая по октябрь и с ноября по апрель в северном полушарии соответственно; Реки маловодные и умеренные паводки в теплый период случаются редко, а реки многоводные и подвержены периодическим сильным паводкам после значительных дождей в холодный период в большинстве лет. Исключение составляют лишь реки, берущие начало среди гор, покрытых вечными снегами, и питающиеся ледники ; их разливы происходят летом из-за таяния снега и льда, примером чему является Рона над Женевским озером и река Арве , впадающая в него ниже. Но даже эти реки могут изменять свой сток из-за притока притоков, находящихся в различных условиях, так что Рона ниже Лиона имеет более равномерный сток, чем большинство рек, поскольку летнему разливу Арве в значительной степени противодействуют низкий уровень Соны, впадающей в Рону в Лионе, где разливы происходят зимой, когда Арв, напротив, низок.

Другое серьезное препятствие, встречающееся в речном строительстве, состоит в большом количестве выносимого ими во время паводка детрита , образующегося главным образом в результате разрушения поверхностных слоев холмов и склонов в верхних частях долин ледниками, морозами и дождями. Сила течения, переносящего материалы, варьируется в зависимости от его скорости , так что потоки с быстрым падением вблизи истоков рек могут сносить камни, валуны и большие камни постепенно измельчаются в результате истощения , которые по мере своего дальнейшего движения в сланец , гравий. , песка и ила , одновременно с постепенным уменьшением падения, а, следовательно, и транспортирующей силы течения. Соответственно, в обычных условиях большая часть материалов, сносимых с возвышенностей ливневыми водотоками, выносится главной рекой к морю или частично рассыпается по плоским аллювиальным равнинам во время паводков; Размер материалов, образующих русло реки или переносимых потоком, постепенно уменьшается по мере продвижения к морю, так что в Например, на реке По в Италии галька и гравий встречаются примерно на 140 миль ниже Турина , песок — на следующих 100 милях, а ил и грязь — на последних 110 милях (176 км).

Методы

Улучшения можно разделить на те, которые направлены на улучшение стока реки, особенно в условиях паводка, и те, которые направлены на сдерживание стока, прежде всего для навигационных целей, хотя выработка электроэнергии часто является важным фактором. Первое известно в США как канализация , а второе обычно называют канализацией .

Канализация

Канализованный поток ( Sechler Run ) в Данвилле, штат Пенсильвания.

Уменьшение длины канала путем замены извилистого русла прямыми прорезями — единственный способ увеличить эффективное падение. Это влечет за собой некоторую потерю пропускной способности русла в целом, а в случае большой реки со значительным расходом очень трудно поддерживать прямой разрез из-за склонности течения размывать берега и снова образовывать извилистые русла. канал. Даже если прорезь сохранится за счет защиты берегов, она может привести к изменению мелей и повышению уровня паводка в канале чуть ниже его окончания. Тем не менее, там, где доступный уровень падения исключительно мал, как, например, на землях, первоначально отвоеванных у моря, как, например, в английских Фенландах , и где, как следствие, дренаж в значительной степени искусственный, для рек образовались прямые русла. Из-за предполагаемой ценности защиты этих плодородных низменных земель от затопления были также предусмотрены дополнительные прямые каналы для сброса осадков, известные как дренажи в болотах. Даже обширное изменение русла реки в сочетании с расширением ее русла часто приводит лишь к ограниченному снижению ущерба от наводнений. Следовательно, такие паводковые работы соизмеримы только с затратами. где значительные активы (например, город) находятся под угрозой. Кроме того, даже в случае успеха такие паводковые работы могут просто перенести проблему дальше вниз по течению и поставить под угрозу какой-то другой город. Недавние работы по паводковым работам в Европе включали восстановление естественных пойм и извилистых русл, чтобы паводковые воды задерживались и высвобождались медленнее.

Удаление препятствий, естественных или искусственных (например, стволов деревьев, валунов и скоплений гравия) со русла реки, представляет собой простой и эффективный способ увеличения пропускной способности ее русла. Такое удаление, следовательно, снизит высоту паводков вверх по течению. Каждое препятствие на пути потока, пропорционально его протяженности, поднимает уровень реки над ним, создавая дополнительный искусственный спад, необходимый для прохождения потока через ограниченный канал, тем самым уменьшая общий доступный уровень падения.

Вмешательство человека иногда непреднамеренно изменяет течение или характеристики реки, например, создавая препятствия, такие как горнодобывающие отходы, шлюзовые ворота для мельниц, ловушки для рыбы, слишком широкие опоры для мостов и прочные плотины . Препятствуя стоку, эти меры могут поднять уровень паводка вверх по течению. Правила управления реками могут включать строгие запреты на загрязнение , требования по расширению шлюзов и обязательному поднятию их шлюзов для пропуска паводков, снятию ловушек для рыбы , которые часто забиваются листьями и плавающим мусором. , уменьшение количества и ширины опор моста при реконструкции, а также замена сплошных плотин подвижными.

Установив на довольно большой реке и ее притоках в подходящих точках водомеры и ведя в течение некоторого времени непрерывный учет высоты воды на различных станциях, подъема паводков в различных притоках, периодов, в течение которых они проходят вниз. можно установить определенные станции на главной реке и влияние, которое они оказывают на высоту паводков в этих местах. С помощью этих записей, а также путем наблюдения за временем и высотой максимального подъема того или иного паводка на станциях различных притоков можно определить время прихода и высоту вершины паводка на любой станции главной реки. быть предсказано с поразительной точностью за два или более дней вперед. Сообщая эти подробности о сильном наводнении в местах нижнего течения реки, смотрители плотин могут заранее полностью открыть подвижные плотины, чтобы обеспечить проход паводка, а прибрежные жители получают своевременное предупреждение о надвигающемся наводнении.

Если части прибрежного города расположены ниже максимального уровня паводка или когда важно защитить земли, прилегающие к реке, от наводнений, сток реки должен быть отведен в паводковую дамбу или ограничен непрерывными насыпями с обеих сторон. . Помещая эти насыпи несколько назад от края русла, создается широкий паводковый канал для стока реки, как только она выйдет из берегов, оставляя естественное русло неизменным для обычного стока. Низких насыпей может быть достаточно там, где необходимо исключить с лугов лишь исключительные летние паводки. Иногда насыпи поднимают достаточно высоко, чтобы удерживать паводки в течение большей части лет, при этом предусматривают возможность отвода редких, исключительно высоких паводков в специальных местах насыпей, где предохраняется от размыва вытекающего течения и затопления. соседней земли наименее вреден. Таким образом, можно избежать увеличения стоимости насыпей, поднятых выше самого высокого уровня редкого паводка, а также опасности прорывов в берегах из-за необычно высокого подъема паводка и быстрого течения с их катастрофическими последствиями.

Эффекты

Наиболее серьезным возражением против образования сплошных высоких насыпей вдоль рек, сбрасывающих значительные количества детрита, особенно вблизи мест, где их падение резко уменьшено за счет спуска со склонов гор на аллювиальные равнины, является опасность поднятия их русла за счет отложения, вызывающие повышение уровня паводка и вызывающие необходимость поднятия насыпей для предотвращения наводнений. Продольные разрезы реки По, сделанные в 1874 и 1901 годах, показывают, что ее русло в этот период было существенно поднято от места впадения реки Тичино до уровня ниже Каранеллы , несмотря на очистку отложений, вызванную стремительным потоком через трещины. Поэтому завершение строительства насыпей вместе с их подъемом в конечном итоге лишь усугубит ущерб от наводнений, которые они призваны предотвратить, поскольку рано или поздно должен произойти выход паводков из поднятой реки.

В Великобритании в проблемах затопления жилых домов на рубеже 21 века возлагают вину о неадекватном контроле за планированием , который позволил застройку в поймах рек. Это подвергает объекты поймы риску затопления, а замена природных слоев бетоном ускоряет сток воды, что увеличивает опасность затопления ниже по течению. На Среднем Западе и Юге США для обозначения этой меры используется канализация. Большая часть работ была сделана под эгидой или под общим руководством армии США Инженерного корпуса . Одним из наиболее сильно руслированных районов в Соединенных Штатах является Западный Теннесси , где каждый крупный поток, за одним исключением ( река Хэтчи ), был частично или полностью руслен.

Преимущества

Канализация потока может быть предпринята по нескольким причинам. Один из них — сделать реку более подходящей для судоходства или плавания более крупных судов с глубокой осадкой. Другой вариант — ограничить подачу воды определенной площадью естественной поймы ручья, чтобы большую часть таких земель можно было использовать для сельского хозяйства. Третья причина — борьба с наводнениями, с идеей предоставить ручью достаточно большое и глубокое русло, чтобы наводнение за пределами этих пределов было минимальным или вообще отсутствовало, по крайней мере, на регулярной основе. Одной из основных причин является уменьшение естественной эрозии ; Поскольку естественный водный путь изгибается взад и вперед, он обычно откладывает песок и гравий на внутренних углах, где вода течет медленно, и срезает песок, гравий, недра и ценный верхний слой почвы с внешних углов, где он течет быстро из-за изменения в направлении. В отличие от песка и гравия, эродированный верхний слой почвы не откладывается на внутренней стороне следующего угла реки. Оно просто смывается.

Недостатки

Канализация имеет несколько предсказуемых и негативных последствий. Одним из них является потеря водно-болотных угодий . Водно-болотные угодья являются отличной средой обитания для многих форм дикой природы и, кроме того, служат «фильтром» для большей части поверхностной пресной воды в мире. Другая причина заключается в том, что направленные потоки почти всегда выпрямляются. Например, русло реки Киссимми во Флориде было названо причиной, способствующей утрате водно-болотных угодий. Это выпрямление приводит к более быстрому течению рек, что в некоторых случаях может значительно усилить эрозию почвы. Это также может увеличить наводнение ниже по течению от области, в которой расположены каналы, поскольку большие объемы воды, движущиеся быстрее, чем обычно, могут достичь узких мест за более короткий период времени, чем в противном случае, при этом чистый эффект борьбы с наводнениями в одной области достигается за счет сильно усугубившегося наводнения в другом месте. Кроме того, исследования показали, что формирование русла рек приводит к сокращению популяций речных рыб.

Исследование реки Харитон в северном штате Миссури , США, в 1971 году показало, что русловая часть реки содержит только 13 видов рыб, тогда как естественный участок реки является домом для 21 вида рыб. Биомасса рыбы, которую удалось поймать на дноуглубительных участках реки, была на 80 процентов меньше, чем в естественных частях того же ручья. Считается, что потеря разнообразия и численности рыб происходит из-за сокращения среды обитания, ликвидации перекатов и водоемов, больших колебаний уровня рек и температуры воды, а также смещения субстрата. Скорость восстановления ручья после его дноуглубления чрезвычайно низкая, при этом многие ручьи не демонстрируют значительного восстановления через 30–40 лет после даты проведения русла.

Современная политика в США

По причинам, указанным выше, в последние годы канализация потоков в США значительно сократилась, а в некоторых случаях даже частично изменилась. В 1990 году правительство Соединенных Штатов опубликовало политику « не допускать чистых потерь водно-болотных угодий», согласно которой проект по канализации рек в одном месте должен компенсироваться созданием новых водно-болотных угодий в другом - процесс, известный как «смягчение последствий».

Основным органом, участвующим в обеспечении соблюдения этой политики, является тот же Инженерный корпус армии, который на протяжении многих лет был основным пропагандистом широкомасштабной канализации. Часто в тех случаях, когда разрешено создание каналов, в русло нового канала могут быть установлены валуны, чтобы замедлить скорость воды, а каналы также могут быть намеренно изогнуты. США В 1990 году Конгресс дал Армейскому корпусу специальный мандат на включение защиты окружающей среды в свою миссию, а в 1996 году он разрешил Корпусу осуществлять проекты восстановления. Закон США о чистой воде регулирует некоторые аспекты канализации, требуя от нефедеральных организаций (т.е. органов власти штатов и местных властей, частных лиц) получать разрешения на дноуглубительные работы и операции по наполнению. Разрешения выдаются армейским корпусом при участии EPA.

Канализация рек

Участок реки Флойд с руслом в Су-Сити, штат Айова.

Канализованный участок южной развилки реки Кроу в округе Микер, штат Миннесота.

Раннюю большую канализацию осуществил Иоганн Готфрид Тулла на Верхнем Рейне .

Рекам, расход которых в нижней части реки может стать весьма малым или которые имеют довольно большой уклон, как это обычно бывает в верхней части рек, нельзя придать достаточную глубину для судоходства только за счет работ по регулированию стока; их обычный летний уровень должен быть поднят путем перекрытия потока плотинами через определенные промежутки времени поперек канала, а рядом с плотиной или в боковом канале должен быть предусмотрен шлюз для обеспечения прохода судов. Таким образом, река превращается в череду довольно ровных участков, ступенчато поднимающихся вверх по течению, обеспечивая навигацию по стоячей воде, сравнимую с судоходством по каналу; но он отличается от канала наличием плотин для поддержания уровня воды, обеспечением регулярного сброса реки у плотин и тем, что два подоконника шлюзов укладываются на одном уровне вместо верхний порог приподнят над нижним на высоту подъема у шлюза, как это обычно бывает на каналах.

Канализация обеспечивает определенную доступную глубину для судоходства; и расхода реки обычно вполне достаточно для поддержания уровня запрудной воды, а также для обеспечения необходимой воды для шлюзования. Судоходство, однако, может прекратиться во время схода высоких паводков, которые во многих случаях поднимаются выше шлюзов; и в холодном климате на всех реках оно обязательно задерживается длительными и сильными морозами и особенно льдом. Многие небольшие реки, такие как Темза выше границы приливов, стали судоходными благодаря канализации, а несколько довольно крупных рек тем самым обеспечили хорошую глубину для судов на значительные расстояния вглубь страны. Таким образом, канализированная Сена обеспечила судоходную глубину в 10 м. 1 ⁄ фута ( 3,2 метра) от границы прилива до Парижа, расстояние 135 миль и глубина 6 3 ⁄ фута ( 2,06 метра) до Монтеро, на 62 мили выше.

Регулировочные работы (контроль расхода и глубины)

Землесосная баржа , на Висла , Варшава . Польша реке

По мере того как реки текут вперед к морю, их падение значительно уменьшается, а площадь бассейна, который они дренируют, постепенно увеличивается вследствие последовательного притока их различных притоков. Таким образом, их течение постепенно становится более мягким, а их разряд увеличивается по объему и менее подвержен резким изменениям; и, следовательно, они становятся более пригодными для мореплавания. В конце концов, крупные реки при благоприятных условиях часто служат важными естественными магистралями для внутреннего судоходства в нижней части своего течения, как, например, Рейн , Дунай и Миссисипи . Речные инженерные работы необходимы лишь для предотвращения изменений русла реки, регулирования ее глубины, а особенно для закрепления меженного русла и концентрации в нем стока с целью увеличения, насколько это практически возможно, судоходной глубины в Самая низкая стадия уровня воды.

Инженерные работы по повышению судоходности рек целесообразно проводить только на крупных реках с умеренным падением и достаточным стоком в самой нижней его стадии, так как при большом спаде течение представляет собой большое препятствие для судоходства вверх по течению, и, как правило, большие колебания уровня воды, а в засушливый сезон расход становится очень небольшим. В маловодном русле невозможно поддерживать достаточную глубину воды.

Возможность обеспечения равномерности глубины реки за счет понижения отмелей, перегораживающих русло, зависит от характера отмелей. Мягкая мель в русле реки образуется из-за уменьшения скорости течения, вызванного уменьшением падения и расширением русла, или из-за потери концентрации размыва основного течения при прохождении. переход от одного вогнутого берега к другому на противоположной стороне. Опускание такой отмели путем выемки грунта приводит лишь к временному углублению, поскольку вскоре оно снова образуется под действием причин, вызвавших его. Кроме того, удаление каменных завалов на порогах, хотя и увеличивает глубину и выравнивает течение в этих местах, вызывает понижение реки над порогами за счет облегчения стока, что может привести к появлению свежих отмелей в низине. этап реки. Однако там, где узкие скалистые рифы или другие твердые отмели простираются по дну реки и создают препятствия для эрозии течением мягких материалов, образующих русло реки сверху и снизу, их удаление может привести к постоянному улучшению, позволяя река углубила свое русло за счет естественного размыва.

Способность реки обеспечивать водный путь для судоходства летом или в течение всего засушливого сезона зависит от глубины, которую можно обеспечить в русле на самом низком уровне. Проблемой засушливого сезона является малый сток и дефицит промыва в этот период. Типичным решением является ограничение ширины меженного русла, сосредоточение в нем всего стока, а также закрепление его положения таким образом, чтобы оно ежегодно размывалось паводками, следующими по самой глубокой части русла по руслу. линия сильнейшего течения. Этого можно добиться, перекрывая второстепенные меженные каналы дамбами поперек них, а на нижнем этапе сужая русло пологими поперечными дамбами, идущими от берегов реки вниз по склону и направленными немного вверх по течению, чтобы направить воду. течет по ним в центральный канал.

Эстуарные работы

Потребности судоходства также могут потребовать, чтобы от судоходной реки до глубокой воды в устье устья был продлен устойчивый, непрерывный, судоходный канал . Взаимодействие речного потока и прилива необходимо моделировать с помощью компьютера или с использованием масштабных моделей, соответствующих конфигурации рассматриваемого устья и воспроизводящих в миниатюре приливы и отливы, а также расход пресной воды над слоем очень мелкого песка, в какие различные линии тренировочных стен могут быть последовательно вставлены. Модели должны быть способны предоставить ценные сведения о соответствующих эффектах и ​​сравнительных преимуществах различных схем, предлагаемых для работ.

См. также

• Обыск моста
• Борьба с наводнениями

Внешние ссылки

• Инженерный корпус армии США – Программа строительных работ
• Справочники по морфологии рек и восстановлению ручьев - Гидрология дикой природы в веб-архивах Библиотеки Конгресса (заархивировано 13 августа 2002 г.)