Речное машиностроение - River engineering - Wikipedia

В Река Лос-Анджелес Обширно русифицировано бетонными насыпями.

Речное машиностроение это процесс запланированного вмешательства человека в русло, характеристики или течение реки с намерением принести определенную выгоду. Люди вмешивались в естественное течение и поведение рек еще до появления письменных свидетельств - чтобы управлять водные ресурсы, для защиты от наводнений или для облегчения перехода вдоль рек или через них. Из Римский раз реки использовались в качестве источника гидроэнергетика. С конца 20 века река инженерное дело имел относящийся к окружающей среде касается не только непосредственной выгоды для человека, и некоторые проекты речного строительства были связаны исключительно с восстановлением или защитой природных характеристик и среда обитания.

Гидромодификация включает систематическое реагирование на изменения в речных и неречных водоемах, таких как прибрежные воды (эстуарии и заливы) и озера. Соединенные штаты. Агентство по охране окружающей среды (EPA) определило гидромодификацию как «изменение гидрологических характеристик прибрежных и прибрежных вод, которое, в свою очередь, может вызвать деградацию водных ресурсов».[1] Речное строительство часто приводит к непреднамеренным системным ответам, таким как сокращение среды обитания для рыб и диких животных, а также изменение температуры воды и характера переноса наносов.[2]

Начиная с конца 20-го века, инженерная дисциплина речного строительства была больше сосредоточена на восстановлении гидромодифицированных деградаций и учете потенциальной систематической реакции на запланированные изменения с учетом речных геоморфология. Флювиальная геоморфология - это изучение того, как реки меняют свою форму с течением времени. Флювиальная геоморфология - это совокупность ряда наук, включая открытый канал. гидравлика, перенос наносов, гидрология, физическая геология и прибрежный экология. Речная инженерия пытается понять речную геоморфологию, осуществить физические изменения и обеспечить общественную безопасность.[3]:3–13ff

Характеристики рек

Размер рек выше любого приливный предел и их средний пресноводный увольнять пропорциональны протяженности их бассейнов и количеству дождя, который, выпав на эти бассейны, достигает русел рек на дне долин, по которым доставляется в море.[4]

Гидрография Паннонский бассейн до речных и озерных правил в 19 веке.
В Река Миссисипи бассейн - самый большой в США.

В бассейн реки - это просторы страны, ограниченные водораздел (называемый «водоразделом» в Северной Америке), по которому дожди стекают в сторону реки, пересекающей самую нижнюю часть долины, тогда как дождь, падающий на дальнем склоне водораздела, стекает в другую реку, стекающую в соседний бассейн. Речные бассейны различаются по протяженности в зависимости от конфигурации страны, начиная от незначительных водосборов ручьев, поднимающихся на возвышенностях в непосредственной близости от побережья и текущих прямо в море, до огромных участков больших континентов, где реки берут начало в склоны горных хребтов далеко вглубь суши должны пересекать обширные участки долин и равнин, прежде чем достичь океана. Размер самого большого речного бассейна в любой стране зависит от протяженности континента, на котором он расположен, его положения по отношению к холмистым регионам, в которых обычно возникают реки, и моря, в которое они впадают, а также расстояния между ними. источник и выход в море реки, истощающей его.[4]

В мощность потока рек зависит главным образом от их падения, также известного как градиент или уклон. Когда две реки разного размера имеют одинаковое падение, более крупная река имеет более быстрое течение, поскольку ее замедление из-за трения о ее русло и берега меньше пропорционально ее объему, чем в случае с меньшей рекой. Водопад на участке реки примерно соответствует склону страны, которую он пересекает; поскольку реки поднимаются близко к самой высокой части их бассейнов, как правило, в холмистых регионах, их падение происходит быстро у истока и постепенно уменьшается, иногда с неровностями, до тех пор, пока, пересекая равнины на последней части своего русла, их падение обычно становится совершенно нежный. Соответственно, в крупных бассейнах реки в большинстве случаев начинаются как торренты с очень переменным потоком и заканчиваются пологими реками со сравнительно регулярным расходом.[4]

Сооружения для защиты от наводнений на Темза Барьер В Лондоне.

Неравномерное течение рек на всем их течении представляет собой одну из основных трудностей при разработке работ по уменьшению наводнений или увеличению судоходных возможностей рек. В тропических странах, где периодически бывают дожди, реки находятся в наводнение вовремя дождливый сезон и почти не имеют потока в остальное время года, а в умеренный регионы, где осадки распределяются более равномерно в течение года, испарение приводит к тому, что в жаркую летнюю погоду количество осадков намного меньше, чем в зимние месяцы, так что реки летом достигают своего низкого уровня, а зимой могут быть паводки. Фактически, с умеренным климатом год можно разделить на теплый и холодный периоды, продолжающиеся с мая по октябрь и с ноября по апрель. Северное полушарие соответственно; реки низкие, а умеренные паводки в теплый период случаются редко, а реки высокие и подвержены периодическим сильным наводнениям после значительных дождей в холодный период в большинстве лет. Единственное исключение - реки, берущие начало среди гор, покрытых вечным снегом, и питаемые водой. ледники; их наводнения происходят летом из-за таяния снега и льда, примером чего является Рона выше Женевское озеро, а Arve который присоединяется к нему ниже. Но даже в этих реках поток может измениться из-за притока притоков в зависимости от других условий, так что Рона ниже Лион имеет более равномерный сток, чем большинство рек, так как летним паводкам Арве в значительной степени противодействует низкий уровень воды. Сона впадает в Рону в Лионе, где зимой бывают наводнения, когда Арве, наоборот, низко.[4]

Еще одно серьезное препятствие, с которым сталкивается речное машиностроение, состоит в большом количестве детрит они обрушиваются во время паводков, главным образом из-за разрушения ледниками поверхностных слоев холмов и склонов в верхних частях долин, мороз и дождь. Сила Текущий транспортировать материалы зависит от скорость, так что потоки с быстрым падением у истоков рек могут уносить камни, валуны и большие камни, которые постепенно измельчаются потертость в их поступательном движении в шифер, гравий, песок и ил, одновременно с постепенным уменьшением падения, а следовательно, и транспортной силы тока. Соответственно, в обычных условиях большая часть материалов, принесенных с возвышенностей проливными водотоками, выносится основной рекой в ​​море или частично рассыпается по равнине. аллювиальный равнины во время паводков; размер материалов, образующих русло реки или переносимых ручьем, постепенно уменьшается по мере продвижения к морю, так что в Река По в Италии, например, галька и гравий встречаются примерно на 140 миль ниже Турин, песок на следующих 100 миль и ил и грязь на последних 110 миль (176 км).[4]

Методы

Усовершенствования можно разделить на те, которые направлены на улучшение течения реки, особенно в условиях наводнения, и те, которые направлены на сдерживание течения, в первую очередь для целей навигации, хотя выработка энергии часто является важным фактором. Первый известен в США как канализация а последний обычно называют канализация.

Канализация

Канальный поток (Sechler Run ) в Данвилл, Пенсильвания

Уменьшение длины канала путем замены намотки прямыми разрезами - единственный способ увеличить эффективное падение. Это влечет за собой некоторую потерю пропускной способности русла в целом, а в случае большой реки со значительным потоком очень трудно поддерживать прямой разрез из-за тенденции течения размывать берега и снова образовывать извилистый канал. Даже если сокращение сохраняется за счет защиты банков, оно может привести к изменениям. косяки и поднять уровень флуда в канале чуть ниже его окончания. Тем не менее, там, где доступное падение исключительно мало, как на суше, первоначально отвоеванной у моря, например, на английской Fenlands, и где, как следствие, дренаж в значительной степени является искусственным, для рек образовались прямые русла. Из-за кажущейся ценности защиты этих плодородных низменных земель от затопления были также предусмотрены дополнительные прямые каналы для отвода дождя, известные как стоки в болотах. Даже значительное изменение русла реки в сочетании с расширением ее русла часто приводит лишь к ограниченному снижению ущерба от наводнения. Следовательно, такие паводковые работы соизмеримы только с соответствующими затратами.[4] где значительные активы (например, город) находятся под угрозой. Кроме того, даже в случае успеха такие наводнения могут просто сдвинуть проблему дальше вниз по течению и поставить под угрозу какой-либо другой город. Недавние наводнения в Европе включали восстановление естественных поймен и извилистых русел, чтобы паводковые воды задерживались и выпускались медленнее.

Удаление естественных или искусственных препятствий (например, стволов деревьев, валунов и скоплений гравия) с русла реки представляет собой простое и эффективное средство увеличения пропускной способности ее русла. Такие отводы, следовательно, снизят высоту паводков выше по течению. Каждое препятствие потоку, пропорционально его протяженности, поднимает уровень реки над ним, чтобы вызвать дополнительный искусственный водопад, необходимый для передачи потока через ограниченный канал, тем самым уменьшая общий доступный водопад.[4]

Вмешательство человека иногда непреднамеренно изменяет русло или характеристики реки, например, путем создания препятствий, таких как горнодобывающие отходы, шлюзовые ворота для мельниц, ловушки для рыбы, чрезмерно широкие опоры для мостов и плотные плотины. Препятствуя потоку, эти меры могут повысить уровень паводка выше по течению. Правила управления реками могут включать строгие запреты в отношении загрязнение, требования для увеличения шлюзы и принудительное поднятие ворот для преодоления наводнений, удаление ловушки для рыбы, которые часто забиваются листьями и плавающим мусором, уменьшение количества и ширины моста пирсы при восстановлении и замене движимого плотины для плотных водосливов.[4]

Установив датчики в довольно большой реке и ее притоках в подходящих точках, и ведение непрерывных записей в течение некоторого времени о высоте воды на различных станциях, подъеме паводков в разных притоках, периодах, которые они занимают при переходе к определенным станциям на главной реке, и влияние, которое они по отдельности оказывают на высоту паводков в этих местах, можно установить. С помощью этих записей, а также путем наблюдения за временем и высотой максимального подъема конкретного паводка на станциях на различных притоках можно определить время прибытия и высоту максимума паводка на любой станции на главной реке. может быть предсказан с поразительной точностью за два или более дня до этого. Сообщая эти сведения о высоком наводнении местам в нижнем течении реки, водители плотин получают возможность заранее полностью открыть передвижные водосливы, чтобы обеспечить проход паводка, и прибрежные жители получают своевременное предупреждение о надвигающемся наводнении.[4]

Если участки прибрежного города расположены ниже максимального уровня паводка или когда важно защитить прилегающие к реке земли от наводнений, разлив реки должен быть направлен в дамбу или ограничен непрерывным набережные с обеих сторон. Путем размещения этих насыпей на некотором удалении от края русла реки создается широкий паводок для стока реки, как только она выходит из берегов, при этом естественное русло остается неизменным для обычного течения. Низкие насыпи могут быть достаточными там, где с лугов нужно исключить только исключительные летние паводки. Иногда насыпи поднимаются достаточно высоко, чтобы выдерживать наводнения в течение большинства лет, в то время как в особых местах на насыпях, где защищается от размыва истекающего течения, и от наводнений предусматриваются меры по предотвращению редких, исключительно высоких наводнений. соседней земли наименее вреден. Таким образом избегается повышенная стоимость насыпей, возвышающихся над наивысшим уровнем паводка из редких случаев, равно как и опасность прорыва берегов в результате необычно высокого подъема паводка и быстрого потока с их катастрофическими последствиями.[4]

Последствия

Наиболее серьезным возражением против образования сплошных высоких дамб вдоль рек, приносящих значительное количество обломков, особенно вблизи мест, где их падение резко сократилось за счет спуска с горных склонов на аллювиальные равнины, является опасность того, что их русло будет поднято отложения, вызывающего повышение уровня паводка и необходимость поднятия насыпи для предотвращения наводнений. Продольные разрезы реки По, сделанные в 1874 и 1901 годах, показывают, что ее русло в этот период было существенно поднято в результате слияния реки По. Тичино ниже Каранелла, несмотря на очистку от наносов, вызванную прорывом через прорывы.[нужна цитата ] Таким образом, завершение строительства насыпей вместе с их возведением только в конечном итоге усугубит ущерб от наводнений, которые они были призваны предотвратить, поскольку выход паводков из поднявшейся реки должен произойти рано или поздно.[4]

В Великобритании виноваты проблемы затопления жилых домов на рубеже 21 века.[кем? ] на неадекватных контроль планирования которые разрешили развитие на поймах. Это подвергает свойства поймы опасности затопления, а замена естественных пластов бетоном ускоряет сток воды, что увеличивает опасность затопления ниже по течению. в Средний Запад США и южной части Соединенных Штатов срок для этой меры ченнелизирование. Многое из этого было сделано под эгидой или общим руководством Армия США Инженерный корпус. Одна из самых сильно канализированных областей в Соединенных Штатах - Западный Теннесси, где каждый основной поток за одним исключением ( Река Хэтчи ) был частично или полностью направлен.[нужна цитата ]

Преимущества

Канализацию потока можно предпринять по нескольким причинам. Один из них - сделать ручей более пригодными для плавания или для плавания более крупных судов с большой осадкой. Другой - ограничить водопотребление определенной частью естественных низин ручья, чтобы большая часть таких земель могла быть использована для сельского хозяйства. Третья причина - это борьба с наводнениями с идеей создания для потока достаточно большого и глубокого русла, чтобы затопление за этими пределами было минимальным или отсутствовало вообще, по крайней мере, на регулярной основе. Одна из основных причин - уменьшить естественное эрозия; поскольку естественный водный путь изгибается взад и вперед, он обычно оседает песок и гравий на внутренней стороне углов, где вода течет медленно и режет песок, гравий, недра и драгоценный верхний слой почвы из внешних углов, где он быстро течет из-за изменения направления. В отличие от песка и гравия, эродированный верхний слой почвы не оседает на внутренней стороне следующего угла реки. Он просто смывается.

Недостатки

Создание каналов имеет несколько предсказуемых и отрицательных последствий. Один из них - потеря водно-болотные угодья. Водно-болотные угодья являются прекрасной средой обитания для многих видов диких животных, а также служат «фильтром» для большей части поверхностных пресных вод в мире. Во-вторых, канализированные потоки почти всегда выпрямляются. Например, передача канала Флориды Киссимми Ривер был назван причиной потери водно-болотных угодий.[5] Это выпрямление заставляет ручьи течь быстрее, что в некоторых случаях может значительно увеличить эрозию почвы. Это также может увеличить затопление ниже по течению от участка с выделением каналов, так как большие объемы воды, движущиеся быстрее, чем обычно, могут достигать узких мест за более короткий период времени, чем в противном случае, с чистым эффектом борьбы с наводнениями в одной области за счет сильно обострился флуд в другом. Кроме того, исследования показали, что формирование каналов приводит к сокращению популяций речных рыб.[3]:3–1ff

Исследование 1971 г. Река Харитон на севере Миссури, США, выяснили, что на выделенном из каналов участке реки обитает только 13 видов рыб, тогда как на естественном участке реки обитает 21 вид рыб.[6] Биомасса рыбы, которую можно было поймать на дноуглубительных участках реки, была на 80 процентов меньше, чем в естественных частях того же ручья. Считается, что эта потеря разнообразия и численности рыб происходит из-за сокращения среды обитания, устранения перекатов и водоемов, более сильных колебаний уровня и температуры воды, а также смещения субстратов. Скорость восстановления потока после проведения дноуглубительных работ чрезвычайно низка, при этом многие потоки не показывают значительного восстановления через 30-40 лет после даты создания канала.[7]

Современная политика в США

По причинам, указанным выше, в последние годы разделение потоков на каналы в США сильно сократилось, а в некоторых случаях даже частично полностью изменилось. В 1990 г. Правительство США опубликовал "нет чистого убытка политики водно-болотных угодий », согласно которой проект создания каналов в одном месте должен быть компенсирован созданием новых водно-болотных угодий в другом, и этот процесс известен как« смягчение последствий ».[8][нуждается в обновлении ]

Основным агентством, задействованным в обеспечении соблюдения этой политики, является тот же самый армейский инженерный корпус, который в течение многих лет был основным инициатором широкомасштабной канализации. Часто в тех случаях, когда разрешено создание каналов, валуны могут быть установлены в дне нового канала, чтобы замедлить скорость воды, а также каналы могут быть намеренно искривлены. В 1990 году США Конгресс дал армейскому корпусу конкретный мандат на включение защиты окружающей среды в свою миссию, а в 1996 году он уполномочил корпус осуществлять проекты восстановления.[9] Соединенные штаты. Закон о чистой воде регулирует определенные аспекты распределения каналов, требуя от нефедеральных субъектов (т. е. государственный и местный правительства, частные лица) для получения разрешений на дноуглубление и операции по наполнению. Разрешения выдаются армейским корпусом при участии EPA.[10]

Канализация рек

Разделенная секция Флойд Ривер в Су-Сити, Айова
Разделенная секция Южной развилки Crow River в Микер Каунти, Миннесота
Ранняя крупная канализация была выполнена Иоганн Готфрид Тулла на Верхний Рейн.

Реки, сток которых на нижнем уровне может стать совсем небольшим или которые имеют довольно большое падение, как это обычно бывает в верховьях рек, не могут получить достаточную глубину для плавания исключительно с помощью работ, регулирующих течение; их обычный летний уровень необходимо поднять, заполнив поток плотинами через определенные промежутки времени через канал, в то время как замок должен быть предусмотрен рядом с водосливом или в боковом канале, чтобы обеспечить проход судов. Таким образом, река превращается в череду достаточно ровных достигает ступенчатый подъем вверх по течению, обеспечивающий плавание в спокойной воде, сравнимое с каналом; но он отличается от канала наличием плотин для поддержания уровня воды, обеспечением регулярного стока реки в плотинах и двумя порогами шлюзов, проложенными на одном уровне вместо приподнятие верхнего порога над нижним на величину подъема у шлюза, как это принято на каналах.[4]

Канализация обеспечивает определенную доступную глубину для навигации; и расход реки обычно достаточен для поддержания уровня запруженной воды, а также обеспечивает воду, необходимую для запирания. Однако судоходство может быть остановлено во время спуска паводков, которые во многих случаях поднимаются над шлюзами; и в холодном климате на всех реках он обязательно задерживается длительными сильными морозами и особенно льдом. Множество малых рек, таких как Темза выше его границы прилива, были сделаны судоходными благодаря канализации, и поэтому несколько довольно крупных рек обеспечили хорошую глубину для судов на значительные расстояния вглубь суши. Таким образом, канализированные Сена достигла судоходной глубины 101⁄2 футов (3,2 метра) от приливного предела до Парижа, на расстоянии 135 миль и на глубине 63⁄4 футов (2,06 метра) до Монтро, 62 мили выше.[4]

Регулирующие работы (контроль потока и глубины)

Всасывание земснаряд баржа на Река Висла, Варшава, Польша.
Еще одна баржа земснаряда на реке Висла, Варшава, Польша.

По мере того как реки текут по направлению к морю, они испытывают значительное уменьшение своего падения и постепенное увеличение бассейна, который они истощают, благодаря последовательному притоку их различных притоков. Таким образом, их ток постепенно становится более слабым, а их разряд больше по объему и менее подвержен резким изменениям; и, как следствие, они становятся более удобными для навигации. В конце концов, большие реки при благоприятных условиях часто служат важными естественными магистралями для внутреннего судоходства в нижней части своего русла, как, например, Рейн, то Дунай и Миссисипи. Речные инженерные работы требуются только для предотвращения изменений русла, регулирования его глубины и, в особенности, для фиксации маловодного русла и концентрации в нем потока, чтобы максимально увеличить судоходную глубину на участке. нижняя ступень уровня воды.

Инженерные работы по повышению судоходности рек могут быть выгодно предприняты только на больших реках с умеренным падением и достаточным расходом на их самой низкой стадии, поскольку при сильном падении течение представляет собой большое препятствие для навигации вверх по течению, и обычно большие колебания уровня воды, и когда сброс становится очень небольшим в сухой сезон. В маловодном русле невозможно поддерживать достаточную глубину воды.[4]

Возможность обеспечить равномерность глубины реки за счет снижения мелей, загораживающих русло, зависит от характера мелей. Мягкий мелководье в русле реки происходит из-за отложения из-за уменьшения скорости потока, вызванного уменьшением падения и расширения русла, или из-за потери концентрации размыва основного течения при переходе от одного вогнутая банка к следующему на противоположной стороне. Понижение такого отмели за счет дноуглубительных работ просто вызывает временное углубление, так как вскоре оно снова образуется по причинам, которые его породили. Кроме того, устранение каменистых препятствий на порогах, хотя и увеличивает глубину и выравнивает поток в этих местах, вызывает понижение реки над порогами за счет облегчения оттока, что может привести к появлению свежих отмелей на низинах. этап реки. Однако там, где узкие скалистые рифы или другие твердые отмели тянутся по дну реки и представляют препятствия для эрозии течением мягких материалов, образующих русло реки вверху и внизу, их удаление может привести к постоянному улучшению, позволяя река, чтобы углубить свое русло естественным размывом.[4]

Способность реки обеспечивать водный путь для судоходства летом или в течение засушливого сезона зависит от глубины, которую можно обеспечить в русле на самом низком уровне. Проблема в засушливый период - небольшие выделения и недостаток промывки в этот период. Типичное решение - ограничить ширину маловодного русла, сконцентрировать в нем весь поток, а также зафиксировать его положение так, чтобы он ежегодно вымывался наводнениями, которые следуют за самой глубокой частью русла вдоль берега. линия сильнейшего течения. Этого можно добиться, закрыв второстепенные маловодные русла дамбами, пересекающими их, и сужая русло на нижнем уровне за счет перекрестных дамб с низким падением, идущих от берегов реки вниз по склону и немного направленных вверх по течению, чтобы направлять воду. течет по ним в центральный канал.[4]

Эстуарные работы

Для нужд судоходства может также потребоваться, чтобы устойчивый, непрерывный судоходный канал был продлен от судоходной реки до глубоководья в устье реки. устье. Взаимодействие речного потока и прилив должны быть смоделированы на компьютере или с использованием масштабных моделей, адаптированных к конфигурации рассматриваемого эстуария и воспроизводящих в миниатюре приливные отливы и отливы, а также расход пресной воды над слоем очень мелкого песка, в котором различные линии тренировочных стен могут быть вставлены последовательно. Модели должны быть способны предоставить ценные сведения о соответствующих эффектах и ​​сравнительных достоинствах различных схем, предлагаемых для работ.[4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Руководство, определяющее меры управления источниками неточечного загрязнения прибрежных вод (Отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). 1993. С. 6–90. EPA-840-B-92-002B.
  2. ^ «Неточечный источник: гидромодификация и изменение среды обитания». EPA. 24 октября 2016 г.
  3. ^ а б Национальные меры управления по контролю загрязнения из неточечных источников в результате гидромодификации (Отчет). EPA. 2007. EPA 841-B-07-002.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Вернон-Харкорт, Левезон Фрэнсис (1911). "Речная инженерия ". В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия. 23 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. С. 374–385.
  5. ^ Хиннант, Ли (1970). «Река Киссимми». В Марте, Дел; Март, Марти (ред.). Реки Флориды. Сарасота, Флорида: Pineapple Press. ISBN  0-910923-70-1.
  6. ^ Конгдон, Джеймс К. (1971). «Популяции рыб в разделенных каналами и без каналов разделах реки Харитон, штат Миссури». В Schneberger, E .; Функ, J.E. (ред.). Канализация потока - симпозиум. Северо-центральный отдел Американского рыболовного общества. С. 52–62.
  7. ^ «Экологические эффекты руслообразования (влияние руслообразования)». Брукер, М.Географический журнал, 1985, 151, 1, 63–69, Королевское географическое общество (совместно с Институтом британских географов).
  8. ^ «Меморандум о соглашении относительно смягчения последствий согласно разделу 404 (b) (1) CWA Руководящих принципов». Министерство армии США и Агентство по охране окружающей среды. 6 февраля 1990 г.
  9. ^ Соединенные Штаты. Закон о развитии водных ресурсов 1990 г., 33 U.S.C.  § 1252, 2316. Закон о развитии водных ресурсов 1996 г., 33 U.S.C.  § 2330.
  10. ^ Соединенные Штаты. Закон о чистой воде. Раздел 404, г. 33 U.S.C.  § 1344

внешняя ссылка