Речная инженерия — это дисциплина гражданского строительства , которая изучает вмешательство человека в течение, характеристики или течение реки с намерением получения определенной выгоды. Люди вмешивались в естественное течение и поведение рек еще до начала письменной истории — для управления водными ресурсами , защиты от наводнений или облегчения прохода по рекам или через них. Со времен династии Юань и Древнего Рима реки использовались в качестве источника гидроэнергии . С конца 20-го века практика речной инженерии отвечала на экологические проблемы, выходящие за рамки непосредственной человеческой выгоды. Некоторые проекты по речной инженерии были сосредоточены исключительно на восстановлении или защите природных характеристик и мест обитания .
Гидромодификация охватывает систематическую реакцию на изменения в речных и неречных водоемах, таких как прибрежные воды ( эстуарии и заливы ) и озера. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) определило гидромодификацию как «изменение гидрологических характеристик прибрежных и не прибрежных вод, что в свою очередь может привести к деградации водных ресурсов». [1] Речная инженерия часто приводила к непреднамеренным систематическим реакциям, таким как сокращение среды обитания рыб и диких животных, а также изменения температуры воды и схем переноса осадков . [2]
Начиная с конца 20-го века, дисциплина речного строительства была больше сосредоточена на восстановлении гидромодифицированных деградаций и учете потенциального систематического ответа на запланированные изменения путем рассмотрения речной геоморфологии . Речная геоморфология - это изучение того, как реки меняют свою форму с течением времени. Речная геоморфология - это совокупность ряда наук, включая гидравлику открытого русла , транспорт наносов , гидрологию , физическую геологию и прибрежную экологию. Специалисты по речной инженерии пытаются понять речную геоморфологию, реализовать физическое изменение и обеспечить общественную безопасность. [3] : 3–13ff
Размер рек, превышающих любой приливной предел, и их средний расход пресной воды пропорциональны размерам их бассейнов и количеству осадков, которые после выпадения в этих бассейнах достигают речных русел на дне долин, по которым они переносятся в море. [4]
Бассейн реки — это территория страны, ограниченная водоразделом ( называемым «водоразделом» в Северной Америке), по которому осадки стекают вниз к реке, пересекая самую низкую часть долины, тогда как осадки, выпадающие на дальнем склоне водораздела, стекают в другую реку, дренирующую соседний бассейн. Речные бассейны различаются по размеру в зависимости от конфигурации страны, начиная от незначительных водосборных площадей ручьев, берущих начало на возвышенностях очень близко к побережью и текущих прямо вниз в море, до огромных участков больших континентов, где реки, берущие начало на склонах горных хребтов далеко в глубине страны, должны пересекать обширные участки долин и равнин, прежде чем достичь океана. Размер самого большого речного бассейна любой страны зависит от протяженности континента, на котором она расположена, ее положения по отношению к холмистым районам, в которых обычно берут начало реки, и к морю, в которое они впадают, а также расстояния между истоком и выходом в море реки, дренирующей ее. [4]
Скорость течения рек зависит в основном от их падения, также известного как градиент или уклон. Когда две реки разных размеров имеют одинаковое падение, большая река имеет более быстрый поток, так как ее замедление из-за трения о ее русло и берега меньше пропорционально ее объему, чем в случае с меньшей рекой. Падение, доступное на участке реки, приблизительно соответствует уклону страны, которую она пересекает; поскольку реки поднимаются близко к самой высокой части своих бассейнов, как правило, в холмистых районах, их падение быстрое вблизи их истока и постепенно уменьшается, с редкими неровностями, пока, пересекая равнины вдоль последней части своего течения, их падение обычно не становится довольно плавным. Соответственно, в больших бассейнах реки в большинстве случаев начинаются как потоки с очень изменчивым потоком и заканчиваются как медленно текущие реки со сравнительно регулярным стоком. [4]
Неравномерный поток рек на протяжении всего их течения является одной из основных трудностей при разработке работ по смягчению наводнений или по увеличению судоходных возможностей рек. В тропических странах, подверженных периодическим дождям, реки разливаются в сезон дождей и практически не имеют стока в остальное время года, в то время как в умеренных регионах, где осадки распределяются более равномерно в течение года, испарение приводит к тому, что в жаркую летнюю погоду выпадает гораздо меньше осадков, чем в зимние месяцы, так что реки достигают своего низкого уровня летом и очень склонны к наводнениям зимой. 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 маловодны и умеренны, наводнения случаются редко в теплый период, а реки многоводны и подвержены случайным сильным наводнениям после значительного количества осадков в холодный период в большинстве лет. Исключение составляют только реки, берущие начало в горах, покрытых вечными снегами, и питающиеся ледниками ; их разливы происходят летом из-за таяния снега и льда, как это видно на примере Роны выше Женевского озера и Арвы , которая впадает в нее ниже. Но даже эти реки подвержены изменению своего течения из-за притока притоков, находящихся в разных условиях, так что Рона ниже Лиона имеет более равномерный сток, чем большинство рек, поскольку летние разливы Арвы в значительной степени компенсируются низким уровнем Соны, впадающей в Рону в Лионе, которая разливается зимой, когда Арва, напротив, низкая. [4]
Другое серьезное препятствие, с которым приходится сталкиваться при строительстве рек, заключается в большом количестве обломков, которые они приносят во время паводков, образующихся в основном из-за разрушения поверхностных слоев холмов и склонов в верхних частях долин ледниками, морозом и дождем. Способность течения переносить материалы меняется в зависимости от его скорости , так что потоки с быстрым падением вблизи истоков рек могут переносить вниз скалы, валуны и крупные камни , которые постепенно измельчаются истиранием в своем дальнейшем течении в сланец , гравий , песок и ил , одновременно с постепенным уменьшением падения и, следовательно, транспортирующей силы течения. Соответственно, при обычных условиях большая часть материалов, приносимых с возвышенностей ливневыми водными потоками, переносится главной рекой в море или частично разбрасывается по плоским аллювиальным равнинам во время паводков; размер материалов, формирующих русло реки или переносимых потоком, постепенно уменьшается по мере продвижения к морю, так, например, в реке По в Италии галька и гравий встречаются примерно на 140 милях ниже Турина , песок — на следующих 100 милях, а ил и грязь — на последних 110 милях (176 км). [4]
Улучшения можно разделить на те, которые направлены на улучшение течения реки, особенно в условиях паводков, и те, которые направлены на сдерживание течения, в первую очередь для целей навигации, хотя выработка электроэнергии часто является важным фактором. Первое известно в США как канализация , а последнее обычно называют канализацией .
Сокращение длины русла путем замены извилистого русла прямыми срезами является единственным способом увеличения эффективного падения. Это влечет за собой некоторую потерю пропускной способности русла в целом, и в случае большой реки со значительным потоком очень трудно поддерживать прямой срез из-за тенденции течения размывать берега и снова образовывать извилистое русло . Даже если срез сохраняется путем защиты берегов, он может привести к изменению отмелей и повышению уровня паводка в русле чуть ниже его окончания. Тем не менее, там, где доступное падение исключительно мало, как на землях, изначально отвоеванных у моря, таких как английские болота , и где, как следствие, дренаж в значительной степени искусственный, для рек были образованы 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 сокращению ущерба от наводнения. Следовательно, такие работы по предотвращению наводнения соизмеримы с затратами [4] только в случае, когда под угрозой находятся значительные активы (например, город). Кроме того, даже в случае успеха такие работы по предотвращению наводнения могут просто переместить проблему дальше по течению и поставить под угрозу какой-либо другой город. Недавние работы по предотвращению наводнения в Европе включали восстановление естественных пойм и извилистых русел, так что паводковая вода задерживается и сбрасывается медленнее.
Удаление препятствий, естественных или искусственных (например, стволов деревьев, валунов и скоплений гравия) из русла реки представляет собой простой и эффективный способ увеличения пропускной способности ее русла. Такие удаления, следовательно, снизят высоту наводнений выше по течению. Каждое препятствие потоку, пропорционально его протяженности, повышает уровень реки над ним, так что создается дополнительный искусственный перепад, необходимый для пропуска потока через ограниченное русло, тем самым уменьшая общий доступный перепад. [4]
Вмешательство человека иногда непреднамеренно изменяет течение или характеристики реки, например, путем создания препятствий, таких как отходы горнодобывающей промышленности, шлюзы для мельниц, ловушки для рыбы, чрезмерно широкие опоры для мостов и сплошные плотины . Препятствуя потоку, эти меры могут поднять уровень паводка вверх по течению. Правила управления реками могут включать строгие запреты в отношении загрязнения , требования по расширению шлюзов и обязательному подъему их затворов для пропуска паводков, удаление ловушек для рыбы , которые часто засоряются листьями и плавающим мусором, уменьшение количества и ширины опор мостов при перестройке и замену подвижных плотин на сплошные. [4]
Установив водомерные посты на довольно большой реке и ее притоках в подходящих точках и ведя непрерывные записи в течение некоторого времени о высоте воды на различных станциях, можно определить подъем паводков на различных притоках, периоды, которые они занимают при прохождении до определенных станций на главной реке, и влияние, которое они по отдельности оказывают на высоту паводков в этих местах. С помощью этих записей и путем наблюдения за временем и высотой максимального подъема конкретного паводка на станциях на различных притоках, можно с удивительной точностью предсказать время прибытия и высоту верхней точки паводка на любой станции на главной реке за два или более дней. Сообщая эти подробности о высоком паводке в места на нижней реке, смотрители плотины получают возможность полностью открыть подвижные плотины заранее, чтобы обеспечить проход паводка, и прибрежные жители получают своевременное предупреждение о надвигающемся наводнении. [4]
Если части прибрежного города расположены ниже максимального уровня паводка или если важно защитить земли, прилегающие к реке, от наводнений, разлив реки должен быть отведен в дамбу или ограничен непрерывными насыпями с обеих сторон. Размещая эти насыпи несколько в стороне от края русла реки, обеспечивается широкий канал для сброса реки, как только она выйдет из берегов, в то время как естественное русло остается неизменным для обычного потока. Низкие насыпи могут быть достаточными там, где только исключительные летние наводнения должны быть исключены из лугов. Иногда насыпи поднимаются достаточно высоко, чтобы удерживать наводнения в течение большинства лет, в то время как принимаются меры для выхода редких, исключительно высоких наводнений в особых местах насыпей, где размыв выходящего потока защищен от, а затопление соседних земель наименее вредно. Таким образом, удается избежать увеличения стоимости насыпей, возводимых выше самого высокого уровня паводка, который случается редко, а также опасности прорывов берегов из-за необычно высокого подъема уровня паводка и быстрого потока с их катастрофическими последствиями. [4]
Самым серьезным возражением против формирования непрерывных, высоких насыпей вдоль рек, сносящих значительные количества обломков, особенно вблизи мест, где их падение резко сократилось из-за спуска с горных склонов на аллювиальные равнины, является опасность поднятия их русла отложениями, что приведет к повышению уровня паводка и потребует поднятия насыпей, если необходимо предотвратить наводнения. Продольные разрезы реки По, сделанные в 1874 и 1901 годах, показывают, что ее русло было существенно поднято в этот период от впадения в Тичино до ниже Каранеллы, несмотря на очистку отложений, вызванную прорывом через прорывы. [ необходима цитата ] Таким образом, завершение строительства насыпей вместе с их поднятием в конечном итоге только усугубит ущерб от наводнений, которые они были призваны предотвратить, поскольку отток наводнений из поднятой реки должен произойти рано или поздно. [4]
В Великобритании проблемы затопления жилых домов на рубеже 21-го века были возложены [ кем? ] на неадекватный контроль за планированием , который позволил застройку на поймах. Это подвергает объекты на пойме затоплению, а замена бетона на естественные слои ускоряет сток воды, что увеличивает опасность затопления ниже по течению. На Среднем Западе США и на Юге США эта мера называется канализацией. Большая ее часть была сделана под эгидой или под общим руководством Инженерного корпуса армии США . Одной из наиболее сильно канализированных областей в Соединенных Штатах является Западный Теннесси , где все основные потоки, за исключением одного ( реки Хэтчи ), были частично или полностью канализированы. [ необходима ссылка ]
Канализация потока может быть предпринята по нескольким причинам. Одна из них — сделать поток более подходящим для навигации или для навигации более крупных судов с большой осадкой. Другая — ограничить воду определенной областью естественных пойменных земель потока, чтобы большая часть таких земель могла быть доступна для сельского хозяйства. Третья причина — борьба с наводнениями, с идеей предоставить потоку достаточно большое и глубокое русло, чтобы наводнение за этими пределами было минимальным или отсутствовало, по крайней мере, на регулярной основе. Одна из основных причин — уменьшить естественную эрозию ; поскольку естественный водный путь изгибается вперед и назад, он обычно откладывает песок и гравий на внутренней стороне углов, где вода течет медленно, и срезает песок, гравий, подпочву и драгоценный верхний слой почвы с внешних углов, где она течет быстро из-за изменения направления. В отличие от песка и гравия, верхний слой почвы, который подвергается эрозии, не откладывается на внутренней стороне следующего угла реки. Он просто смывается.
Канализация имеет несколько предсказуемых и негативных последствий. Одним из них является потеря водно-болотных угодий . Водно-болотные угодья являются прекрасной средой обитания для многих форм диких животных и, кроме того, служат «фильтром» для большей части поверхностных пресных вод мира. Другим является тот факт, что канализированные потоки почти всегда выпрямляются. Например, канализация реки Киссимми во Флориде была названа причиной, способствующей потере водно-болотных угодий. [5] Это выпрямление заставляет потоки течь быстрее, что может, в некоторых случаях, значительно увеличить эрозию почвы. Это также может увеличить наводнения ниже по течению от канализированной области, поскольку большие объемы воды, движущиеся быстрее обычного, могут достичь точек застоя за более короткий период времени, чем они могли бы в противном случае, при этом чистый эффект контроля за наводнениями в одной области достигается за счет значительно усугубленных наводнений в другой. Кроме того, исследования показали, что канализация потоков приводит к сокращению популяции речных рыб. [3] : 3-1ff
Исследование реки Харитон в северном Миссури , США, проведенное в 1971 году, показало, что на канализированном участке реки обитало всего 13 видов рыб, тогда как на естественном участке ручья обитал 21 вид рыб. [6] Биомасса рыбы, которую можно было поймать на вырытых участках реки, была на 80 процентов меньше, чем на естественных участках того же ручья. Считается, что эта потеря разнообразия и численности рыб происходит из-за сокращения среды обитания, устранения перекатов и заводей, больших колебаний уровня ручья и температуры воды, а также смещения субстратов. Скорость восстановления ручья после его вырытия чрезвычайно медленная, и многие ручьи не показывают значительного восстановления через 30–40 лет после даты канализации. [7]
По указанным выше причинам в последние годы в США значительно сократилось и в некоторых случаях даже частично отменено русло рек. В 1990 году правительство США опубликовало политику « нет чистой потери водно-болотных угодий», согласно которой проект по русло рек в одном месте должен быть компенсирован созданием новых водно-болотных угодий в другом, процесс, известный как «смягчение последствий». [8] [ требуется обновление ]
Основным агентством, участвующим в реализации этой политики, является тот же Корпус инженеров армии, который в течение многих лет был основным сторонником широкомасштабного создания каналов. Часто, в случаях, когда создание каналов разрешено, в ложе нового канала могут быть установлены валуны, чтобы замедлить скорость воды, а каналы также могут быть намеренно изогнуты. В 1990 году Конгресс США дал Корпусу армии конкретный мандат на включение защиты окружающей среды в его миссию, а в 1996 году он уполномочил Корпус проводить проекты по восстановлению. [9] Закон США о чистой воде регулирует некоторые аспекты создания каналов, требуя от нефедеральных субъектов (т. е. государственных и местных органов власти, частных лиц) получать разрешения на дноуглубительные работы и операции по заполнению. Разрешения выдаются Корпусом армии при участии Агентства по охране окружающей среды. [ 10]
Реки, сток которых может стать совсем небольшим на низком уровне или которые имеют довольно большое падение, как это обычно бывает в верхней части рек, не могут получить достаточную глубину для судоходства только за счет работ, которые регулируют поток; их обычный летний уровень должен быть поднят путем перекрытия потока плотинами с интервалами поперек русла, в то время как шлюз должен быть предусмотрен вдоль плотины или в боковом канале, чтобы обеспечить проход судов. Река, таким образом, превращается в последовательность довольно ровных участков, поднимающихся ступенями вверх по течению, обеспечивая судоходство по спокойной воде, сравнимое с каналом; но она отличается от канала введением плотин для поддержания уровня воды, обеспечением регулярного сброса реки на плотинах и тем, что два порога шлюзов укладываются на одном уровне вместо того, чтобы верхний порог был поднят над нижним на величину подъема у шлюза, как это обычно бывает на каналах. [4]
Канализация обеспечивает определенную глубину для навигации; и сброс реки обычно вполне достаточен для поддержания уровня запруженной воды, а также для обеспечения необходимой воды для шлюзования. Однако навигация может быть остановлена во время спуска высоких паводков, которые во многих случаях поднимаются выше шлюзов; и она обязательно останавливается в холодном климате на всех реках из-за длительных, сильных морозов и особенно льда. Многие небольшие реки, такие как Темза выше ее приливного предела, стали судоходными благодаря канализации, и несколько довольно крупных рек тем самым обеспечили хорошую глубину для судов на значительных расстояниях вглубь страны. Таким образом, канализированная Сена обеспечила судоходную глубину 10 1/2 футов ( 3,2 метра ) от ее приливного предела до Парижа, на расстоянии 135 миль, и глубину 6 3/4 футов (2,06 метра) до Монтеро, на 62 мили выше. [ 4]
По мере того, как реки текут вперед к морю, они испытывают значительное уменьшение своего падения и постепенное увеличение бассейна, который они дренируют, из-за последовательного притока их различных притоков. Таким образом, их течение постепенно становится более спокойным, а их сток больше по объему и менее подвержен резким изменениям; и, следовательно, они становятся более подходящими для судоходства. В конце концов, большие реки, при благоприятных условиях, часто предоставляют важные естественные пути для внутреннего судоходства в нижней части своего течения, как, например, Рейн , Дунай и Миссисипи . Речные инженерные работы требуются только для предотвращения изменений в течении потока, для регулирования его глубины и, в особенности, для фиксации русла с низкой водой и концентрации потока в нем, чтобы увеличить, насколько это практически осуществимо, судоходную глубину на самой низкой стадии уровня воды.
Инженерные работы по повышению судоходности рек могут быть с пользой проведены только на крупных реках с умеренным падением и достаточным расходом на самой низкой стадии, поскольку при большом падении течение представляет собой большое препятствие для навигации вверх по течению, и обычно наблюдаются большие колебания уровня воды, а когда расход становится очень малым в сухой сезон, невозможно поддерживать достаточную глубину воды в русле с низкой водой. [4]
Возможность обеспечения равномерности глубины в реке путем понижения отмелей, преграждающих русло, зависит от характера отмелей. Мягкая отмель в русле реки возникает из-за отложений из-за уменьшения скорости течения, вызванного уменьшением падения и расширением русла, или из-за потери концентрации размыва основного течения при переходе от одного вогнутого берега к другому на противоположной стороне. Понижение такой отмели путем драгирования вызывает лишь временное углубление, поскольку она вскоре снова образуется из-за причин, которые ее вызвали. Более того, удаление каменистых препятствий на порогах, хотя и увеличивает глубину и выравнивает поток в этих местах, вызывает понижение реки над порогами, способствуя оттоку, что может привести к появлению новых отмелей на низком уровне реки. Однако там, где узкие скалистые рифы или другие твердые отмели тянутся по дну реки и представляют собой препятствия для эрозии потоком мягких материалов, образующих русло реки выше и ниже, их удаление может привести к постоянному улучшению, позволяя реке углубить свое русло путем естественного размыва. [4]
Способность реки обеспечивать водный путь для навигации летом или в течение всего сухого сезона зависит от глубины, которую можно обеспечить в русле на самом низком уровне. Проблема в сухой сезон заключается в малом расходе и недостаточном размыве в этот период. Типичное решение — ограничить ширину русла с низкой водой, сконцентрировать в нем весь поток, а также зафиксировать его положение так, чтобы оно ежегодно размывалось паводками, которые следуют за самой глубокой частью русла вдоль линии самого сильного течения. Этого можно добиться, закрыв второстепенные русла с низкой водой дамбами поперек них и сузив русло на низком уровне низкопадающими поперечными дамбами, простирающимися от берегов реки вниз по склону и направленными немного вверх по течению, чтобы направить текущую по ним воду в центральный канал. [4]
Потребности навигации могут также потребовать, чтобы стабильный, непрерывный, судоходный канал был продлен от судоходной реки до глубокой воды в устье эстуария . Взаимодействие речного потока и прилива необходимо моделировать с помощью компьютера или с использованием масштабных моделей, отлитых в соответствии с конфигурацией рассматриваемого эстуария и воспроизводящих в миниатюре приливно-отливные течения и сброс пресной воды по ложу из очень мелкого песка, в которое могут быть последовательно вставлены различные линии тренировочных стенок. Модели должны быть способны предоставить ценные указания относительно соответствующих эффектов и сравнительных достоинств различных схем, предлагаемых для работ. [4]
