Кіріспе

Өзен инженерлігі – өзен ағысының, ерекшеліктерінің немесе бағытының өзгеруіне адамның араласуын белгілі бір пайда алу мақсатында зерттейтін азаматтық инженерия саласы. Адамдар өзендердің табиғи бағыты мен мінез-құлқына тарих жазылғаннан бері араласып келеді – су ресурстарын басқару, су тасқынынан қорғану немесе өзен бойымен немесе арқылы өтуді жеңілдету үшін. Юань әулеті мен ежелгі Рим дәуірінен бастап өзендер гидроэнергияның көзі ретінде қолданылып келеді. 20-шы ғасырдың соңынан бастап, өзен инженерлігі адамның тікелей пайдасынан гөрі кең ауқымды экологиялық мәселелерге жауап беретіндей болып өзгерді. Кейбір өзен инженерлік жобалары табиғи ерекшеліктерді және мекендеу орындарын қалпына келтіруге немесе қорғауға толыққанды бағытталған. Гидромодификация – өзендік және өзен емес су объектілерінің, мысалы, жағалау суларының (эстуарлар мен шығанақтар) және көлдердің өзгеруіне жүйелі жауап беруді қамтиды. АҚШ-тың Қоршаған ортаны қорғау агенттігі (EPA) гидромодификацияны "жағалаулық және жағалаулық емес сулардың гидрологиялық сипаттамаларын өзгерту, бұл өз кезегінде су ресурстарының нашарлауына әкелуі мүмкін" деп анықтаған. Өзен инженерлігі жиі балықтар мен жануарлардың мекендеу ортасының азаюы, су температурасының өзгеруі және шөгінділердің тасымалдану схемалары сияқты күтпеген жүйелі салдарларға алып келді. 20-шы ғасырдың соңынан бастап, өзен инженерлігі гидромодификация салдарынан туған бұзылыстарды жоюға және жоспарланған өзгерістерге ықтимал жүйелі жауаптарды ескере отырып, өзен геоморфологиясын зерделеуге көбірек назар аударады. Өзен геоморфологиясы – өзендердің уақыт өте келе пішінін қалай өзгертетінін зерттейтін ғылым. Өзен геоморфологиясы – ашық канал гидравликасы, шөгінді тасымалдау, гидрология, физикалық геология және жағалау экологиясы сияқты ғылымдардың жиынтығы. Өзен инженерлері өзен геоморфологиясын түсінуге, физикалық өзгерістерді жүзеге асыруға және халықтың қауіпсіздігін қамтамасыз етуге тырысады.

Өзендердің ерекшеліктері

Кез келген тасқындық шектен жоғары өзендердің мөлшері және олардың орташа тұщы су шығыны, олардың алаптарының ауданына және осы алаптарға жауғаннан кейін, аңғарлардың түбіндегі өзен арналарына жетіп, теңізге жеткізілетін жаңбыр мөлшеріне пропорционалды. Өзен алабы – суайдынының шекарасы (Солтүстік Америкада "бөлініс" деп аталады) арқылы шектелген жердің кеңістігі, онда жаңбыр аңғардың ең төменгі бөлігімен өтетін өзенге қарай ағып түседі, ал суайдынының қарама-қарсы беткейіне жауған жаңбыр басқа өзенге ағып, жақын орналасқан алапты суландырады. Өзен алаптарының ауданы елдің географиялық ерекшеліктеріне сәйкес әртүрлі болады. Олар, жағалауға жақын биік жерлерде басталып, тікелей теңізге құятын кішкентай өзендердің шағын су жинау аймақтарынан бастап, алып құрлықтардың кең аудандарына дейін жетеді, онда таулардың беткейлерінде пайда болатын өзендер мұхитқа жету үшін үлкен аңғарлар мен жазықтарды кесіп өтуі керек. Кез келген елдегі ең ірі өзен алабының мөлшері, ол орналасқан континенттің ауданына, өзендер көбінесе пайда болатын төбелі аймақтарға және олар құятын теңізге қатысты орналасуына, сондай-ақ оны құятын өзеннің бастауы мен теңізге құятын жері арасындағы қашықтыққа байланысты. Бұл түзету арналардың жылдам ағып кетуіне әкеледі, бұл кейбір жағдайларда топырақ эрозиясын күшейтеді. Бұдан басқа, арналанған аумақтан төменгі ағыста су тасқынының қаупі артады, себебі әдеттегіден жылдам қозғалатын үлкен су көлемі, әдеттегіден қысқа мерзімде тоғысқан жерлерге жетеді, нәтижесінде бір аймақта су тасқынын бақылау шаралары басқа аймақта су тасқынының күшеюіне алып келеді. Сонымен қатар, зерттеулер өзен арналарын түзетудің өзен балықтарының популяциясының азаюына себеп болатынын көрсетті. Өзеннің қазылған бөліктерінде ұсталған балықтардың биомассасы сол өзеннің табиғи бөліктерімен салыстырғанда 80 пайызға төмен болды. Балықтардың түрлік құрамы мен санының азаюы тіршілік ортасының қысқаруы, шағын су айдындарының жойылуы, өзен деңгейі мен су температурасының өзгеруі және төсеніштің (су түбінің) өзгерісі салдарынан туындайды деп саналады. Өзен арнасы қазылғаннан кейін қалпына келу өте баяу болады, көптеген өзендер арнаны түзету күнінен кейін 30-40 жыл өткен соң да айтарлықтай жақсармайды.

АҚШ-тағы қазіргі заманғы саясат

Жоғарыда келтірілген себептер бойынша, соңғы жылдары АҚШ-та өзен арналарын түзету ісі көбінесе тоқтатылды, ал кейбір жағдайларда тіпті ішінара кері қайтарылды. 1990 жылы АҚШ Үкіметі «балалардың сулы жерлерін жоғалтпау» саясатын жариялады, оған сәйкес бір жердегі өзен арнасын түзету жобасы басқа жерде жаңа сулы жерлерді құру арқылы өтелуі тиіс, бұл процесс «жайластыру» деп аталады. Бұл саясатты іске асыруға жауапты негізгі мекеме – көп жылдар бойы кең ауқымды арна түзетуді қолдаған Армия инженерлік корпусы. Көптеген жағдайларда, арна түзетуге рұқсат берілген кезде, су ағысының жылдамдығын баяулату үшін жаңа арнаның төсегіне тастар орнатылуы мүмкін, сондай-ақ арналар қасақана қисық жасалуы да мүмкін. 1990 жылы АҚШ Конгресі Армия корпусына өз міндеттеріне қоршаған ортаны қорғауды қосуға нақты тапсырма берді, ал 1996 жылы Корпуске қалпына келтіру жобаларын жүргізуге рұқсат берді. АҚШ-тың «Таза су туралы» заңы арна түзетудің кейбір аспектілерін реттейді, федералдық емес ұйымдарға (яғни штаттық және жергілікті билік органдары, жеке тұлғалар) дренаж және толтыру жұмыстарына рұқсат алуды талап етеді. Рұқсаттарды Армия корпусы, Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің (EPA) қатысуымен береді.

Өзендерді арнамен жабдықтау

Төменгі сатысында ағыны өте азайып кетуі мүмкін немесе өзендердің жоғарғы бөлігіндегідей, көлбеуі тік болған өзендерге, тек ағынын реттейтін құрылыстар арқылы кеме қатынасы үшін қажетті тереңдік беру мүмкін емес. Олардың әдеттегі жазғы деңгейін канал бойындағы аралықта бөгеттер орнату арқылы көтеру қажет, ал кемелердің өтуін қамтамасыз ету үшін бөгеттің қасында немесе жанама каналда шлюз орнатылуы керек. Осылайша, өзен ағысқа қарай сатылап көтерілетін, су айдынымен салыстырылатын, бірінен соң бірі жазық учаскелерге айналады, бұл кеме қатынасын қамтамасыз етеді. Алайда, ол каналдан су деңгейін сақтау үшін бөгеттердің болуымен, бөгеттерде өзен ағынының тұрақты түрде шығуының қамтамасыз етілуімен және шлюздердің екі есігі де бір деңгейде орналасуымен ерекшеленеді – бұл каналдардағыдай, жоғарғы есік төменгі есіктен шлюз көтерілісінің мөлшеріне қарай жоғарырақ орналаспайды. Канализация кеме қатынасы үшін нақты тереңдікті қамтамасыз етеді, ал өзеннің ағыны, әдетте, су деңгейін сақтауға және шлюздерді пайдалануға қажетті сумен қамтамасыз етуге жеткілікті. Дегенмен, кеме қатынасы, көбінесе шлюздерден биікке көтерілетін, су тасқыны кезінде тоқтатылуы мүмкін, сондай-ақ суық климаттағы барлық өзендерде ұзақ, қатты аяз және әсіресе мұздың пайда болуы салдарынан тоқтатылады. Көптеген кішкентай өзендер, мысалы, Темза өзенінің тасымалдау шегінен жоғарыда, арналар арқылы кеме жүруге жарамды болды, ал бірнеше ірі өзендер кемелерге едәуір қашықтыққа дейін жақсы тереңдік берді. Мысалы, каналдан өткен Сена өзені тасымалдау шегінен Парижге дейін 101/2 фут (3,2 метр) тереңдікті қамтамасыз етті, бұл 135 мильді құрайды, ал Монтероға дейін 63/4 фут (2,06 метр) тереңдікке дейін, тағы 62 миль жоғары көтеріледі.

Регуляциялау жұмыстары (ағынды және тереңдікті басқару)

Өзендер теңізге қарай ағып бара жатқанда, олар құлдыраудың айтарлықтай азаюын және түрлі салаларының бірігіп ағуына байланысты су жиналатын алаптың үнемі өсуін бастан кешіреді. Осылайша, олардың ағысы біртіндеп жайпасырақ болады, көлемі артып, кенеттен өзгеруге бейімділігі азаяды, демек, кеме жүзуге қолайлырақ жағдай туады. Соңғы сатыда, қолайлы жағдайларда, ірі өзендер төменгі ағысында құрлық ішіндегі су жолы ретінде маңызды табиғи магистральдарды ұсынады, мысалы, Рейн, Дунай және Миссисипи. Өзендерді инженерлік тұрғысынан жарақтандыру жұмыстары тек ағыстың бағытын өзгертуге жол бермеу, оның тереңдігін реттеу және, әсіресе, төменгі су арнасын бекіту, ағынды шоғырландыру үшін қажет, осылайша су деңгейінің ең төменгі сатысында кеме жүзуге қолайлы тереңдікті мүмкіндігінше арттыруға болады. Өзендердің кеме жүзуге қолайлылығын арттыруға бағытталған инженерлік жұмыстарды орташа құлдырауы бар және ең төменгі сатысында жеткілікті ағыны бар ірі өзендерде ғана тиімді жүзеге асыруға болады, себебі үлкен құлдырау кезінде ағыс жоғары қарай кеме жүзуге үлкен кедергі келтіреді, су деңгейінің үлкен ауытқулары болады және құрғақ мезгілде ағын өте аз болады. Төменгі су арнасында жеткілікті тереңдікті сақтау мүмкін емес. Өзенде тереңдіктің біркелкілігін қамтамасыз ету мүмкіндігі арнаны бөгейтін сазды үйінділерді төмендетуге байланысты, ал сазды үйінділердің сипатына байланысты. Өзен төсегіндегі жұмсақ саздық үйінділер ағыс жылдамдығының төмендеуінен, құлдыраудың азаюынан және арнаның кеңеюінен немесе негізгі ағыстың жағалаудан жағалауға өту кезінде шоғырлануын жоғалтудан пайда болады. Мұндай үйінділерді кептіру арқылы төмендету тек уақытша тереңдеуге әкеледі, өйткені олар оны тудырған себептерге байланысты тез қайта пайда болады. Сонымен қатар, тасқайнарлардағы тасты бөгеттерді жою, тереңдікті ұлғайту және осы жерлерде ағысты теңестіру, ағысты жеңілдету арқылы өзеннің тасқайнарлардан жоғары бөлігінің төмендеуіне әкелуі мүмкін, бұл су деңгейінің төмендеуі кезінде жаңа сазды үйінділердің пайда болуына себеп болуы мүмкін. Алайда, өзеннің түбінде тар тас жартастар немесе басқа да қатты сазды үйінділер болса және өзеннің төбесін құрайтын жұмсақ материалдардың үсті мен астындағы ағымның эрозиясына кедергі келтірсе, оларды жою өзеннің табиғи тазарту арқылы төбесін тереңдетуге мүмкіндік беру арқылы тұрақты жақсартуға әкелуі мүмкін. Өзеннің жазда немесе құрғақ мезгілде кеме қатынасы үшін су жолы болу мүмкіндігі ең төменгі сатыда арнада қамтамасыз етілетін тереңдікке байланысты. Құрғақ мезгілдегі проблема - бұл осы кезеңде судың аз ағып кетуі және тазартудың жетіспеуі. Типик шешім - төменгі су арнасының енін шектеу, барлық ағынды оған шоғырландыру, сондай-ақ оның орнын бекіту, осылайша оны жыл сайын ең күшті ағымның желісі бойынша төсектің ең терең бөлігін ұстанатын су тасқыны тазартады. Бұл көмекші төменгі су арналарын бөгеттермен жабу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін және арнаны төменгі сатыда төменгі суға батыратын көлденең бөгеттер арқылы теңіз жағалауларынан төмен қарай қарай созылып, өзен ағысын орталық арнаға бағыттау үшін ағысты суды сәл жоғары қарай бағыттау арқылы.

Эстуарлық жұмыстар

Кеме қатынасының қажеттіліктері тұрақты, үздіксіз кеме жүретін арнаның кеме жүретін өзеннен сағаға дейін терең суға дейін созылуын талап етуі мүмкін. Өзен ағысы мен толқындардың өзара әрекеттесуін компьютерлік модельдеу немесе қарастырылып отырған сағаның пішініне сәйкес келетін, толқындардың күшін және өзен суының ағынын өте ұсақ құм төсегінде шағын түрде қайта жасайтын масштабты модельдер арқылы жүзеге асыру қажет. Модельдер ұсынылған жұмыстардың әртүрлі схемаларының тиімділігі мен салыстырмалы артықшылықтары туралы құнды мәліметтер беруге қабілетті болуы керек.