Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Изучение вмешательства человека в течение, характеристики или режим рек
Study of human intervention in the course, characteristics, or flow of rivers
Речная инженерия – это дисциплина гражданского строительства, изучающая вмешательство человека в течение, характеристики или режим реки с целью получения определенной выгоды. Люди вмешивались в естественный ход и поведение рек с доисторических времен – для управления водными ресурсами, защиты от наводнений или облегчения судоходства вдоль и через реки. С династии Юань и времен Древнего Рима реки использовались как источник гидроэнергии. С конца XX века практика речной инженерии учитывает более широкий спектр экологических проблем, чем просто непосредственная польза для человека. Некоторые проекты в области речной инженерии сосредоточены исключительно на восстановлении или защите естественных характеристик и среды обитания. Гидромодификация охватывает систематический ответ на изменения в речных и неречных водных объектах, таких как прибрежные воды (эстуарии и заливы) и озера. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) определяет гидромодификацию как «изменение гидрологических характеристик прибрежных и не прибрежных вод, что, в свою очередь, может привести к деградации водных ресурсов». Речная инженерия часто приводит к непредвиденным систематическим последствиям, таким как сокращение среды обитания для рыб и диких животных, а также изменение температуры воды и закономерностей переноса наносов. Начиная с конца XX века, дисциплина речной инженерии все больше внимания уделяет устранению последствий гидромодификации и учету возможных систематических реакций на запланированные изменения, опираясь на знания речной геоморфологии. Флювиальная геоморфология – это изучение того, как реки изменяют свою форму с течением времени. Флювиальная геоморфология объединяет ряд наук, включая гидравлику открытых каналов, перенос наносов, гидрологию, физическую геологию и прибрежную экологию. Специалисты в области речной инженерии стремятся понять речную геоморфологию, внедрять физические изменения и обеспечивать общественную безопасность.
River engineering is a discipline of civil engineering which studies human intervention in the course, characteristics, or flow of a river with the intention of producing some defined benefit. People have intervened in the natural course and behaviour of rivers since before recorded history—to manage the water resources, to protect against flooding, or to make passage along or across rivers easier. Since the Yuan Dynasty and Ancient Roman times, rivers have been used as a source of hydropower. From the late 20th century, the practice of river engineering has responded to environmental concerns broader than immediate human benefit. Some river engineering projects have focused exclusively on the restoration or protection of natural characteristics and habitats. Hydromodification encompasses the systematic response to alterations to riverine and non riverine water bodies such as coastal waters (estuaries and bays) and lakes. The U. S. Environmental Protection Agency (EPA) has defined hydromodification as the "alteration of the hydrologic characteristics of coastal and non coastal waters, which in turn could cause degradation of water resources." River engineering has often resulted in unintended systematic responses, such as reduced habitat for fish and wildlife, and alterations of water temperature and sediment transport patterns. Beginning in the late 20th century, the river engineering discipline has been more focused on repairing hydromodified degradations and accounting for potential systematic response to planned alterations by considering fluvial geomorphology. Fluvial geomorphology is the study of how rivers change their form over time. Fluvial geomorphology is the cumulation of a number of sciences including open channel hydraulics, sediment transport, hydrology, physical geology, and riparian ecology. River engineering practitioners attempt to understand fluvial geomorphology, implement a physical alteration, and maintain public safety.
Характеристики рек
Размер рек, расположенных выше границы приливов, и их средний сток пресной воды пропорциональны площади их бассейнов и количеству осадков, которые, выпадая на эти бассейны, достигают речных русел в нижней части долин и по ним отводятся в море. Бассейн реки – это территория, ограниченная водоразделом (в Северной Америке называемым "divide"), по которой дождевая вода стекает к реке, протекающей по самой низкой части долины, в то время как дождь, выпадающий на дальний склон водораздела, стекает в другую реку, дренирующую смежный бассейн. Речные бассейны различаются по площади в зависимости от рельефа местности, от небольших водосборных площадей ручьев, берущих начало вблизи побережья и впадающих непосредственно в море, до огромных территорий на больших континентах, где реки, начинающиеся на склонах горных хребтов в глубине страны, должны пересекать обширные долины и равнины, прежде чем достичь океана. Размер крупнейшего речного бассейна в любой стране зависит от размера континента, на котором он расположен, его положения относительно холмистых районов, где обычно берут начало реки, и моря, в которое они впадают, а также от расстояния между истоком и устьем реки, дренирующей этот бассейн. Такое спрямление русла приводит к более быстрому течению, что в некоторых случаях может значительно усилить эрозию почвы. Оно также может увеличить риск наводнений ниже по течению от участка с измененным руслом, поскольку большие объемы воды, движущиеся быстрее обычного, могут достигать узких мест за более короткий период времени, чем обычно, что приводит к тому, что эффект от борьбы с наводнениями в одном районе достигается за счет резкого ухудшения ситуации с наводнениями в другом. Кроме того, исследования показали, что изменение русла ручьев приводит к сокращению популяций речных рыб. Биомасса рыбы, которую можно поймать на дноуглубленных участках реки, на 80% меньше, чем на естественных участках того же ручья. Считается, что такая потеря разнообразия и численности рыб происходит из-за сокращения среды обитания, исчезновения перекатов и омутов, увеличения колебаний уровня воды и температуры, а также изменения состава дна. Скорость восстановления ручья после дноуглубления крайне мала, и многие ручьи не показывают значительного восстановления в течение 30–40 лет после изменения русла.
The size of rivers above any tidal limit and their average freshwater discharge are proportionate to the extent of their basins and the amount of rain which, after falling over these basins, reaches the river channels in the bottom of the valleys, by which it is conveyed to the sea. The basin of a river is the expanse of country bounded by a watershed (called a "divide" in North America) over which rainfall flows down towards the river traversing the lowest part of the valley, whereas the rain falling on the far slope of the watershed flows away to another river draining an adjacent basin. River basins vary in extent according to the configuration of the country, ranging from the insignificant drainage areas of streams rising on high ground very near the coast and flowing straight down into the sea, up to immense tracts of great continents, where rivers rising on the slopes of mountain ranges far inland have to traverse vast stretches of valleys and plains before reaching the ocean. The size of the largest river basin of any country depends on the extent of the continent in which it is situated, its position in relation to the hilly regions in which rivers generally arise and the sea into which they flow, and the distance between the source and the outlet into the sea of the river draining it. This straightening causes the streams to flow more rapidly, which can, in some instances, vastly increase soil erosion. It can also increase flooding downstream from the channelized area, as larger volumes of water traveling more rapidly than normal can reach choke points over a shorter period of time than they otherwise would, with a net effect of flood control in one area coming at the expense of greatly aggravated flooding in another. In addition, studies have shown that stream channelization results in declines of river fish populations. The biomass of fish able to be caught in the dredged segments of the river was 80 percent less than in the natural parts of the same stream. This loss of fish diversity and abundance is thought to occur because of reduction in habitat, elimination of riffles and pools, greater fluctuation of stream levels and water temperature, and shifting substrates. The rate of recovery for a stream once it has been dredged is extremely slow, with many streams showing no significant recovery 30 to 40 years after the date of channelization.
Современная политика в Соединенных Штатах
По причинам, указанным выше, в последние годы регулирование русел рек значительно сократилось в США, а в некоторых случаях даже частично было отменено. В 1990 году правительство Соединенных Штатов приняло политику "отсутствия чистого уменьшения площади водно-болотных угодий", в соответствии с которой реализация проекта по регулированию русла реки в одном месте должна компенсироваться созданием новых водно-болотных угодий в другом, процесс, известный как "компенсационные мероприятия". Основным органом, ответственным за обеспечение соблюдения этой политики, является тот же Армейский инженерный корпус, который на протяжении многих лет был главным сторонником широкомасштабного регулирования русел рек. Часто, в тех случаях, когда регулирование русла разрешено, в русло нового канала могут быть установлены крупные камни для снижения скорости потока воды, а каналы могут быть намеренно изогнуты. В 1990 году Конгресс США дал Армейскому корпусу конкретное задание включить охрану окружающей среды в его миссию, а в 1996 году он уполномочил Корпус осуществлять проекты по восстановлению. Закон США о чистой воде регулирует определенные аспекты регулирования русел рек, требуя от нефедеральных субъектов (то есть государственных и местных органов власти, частных лиц) получения разрешений на дноуглубительные и засыпные работы. Разрешения выдаются Армейским корпусом при участии Агентства по охране окружающей среды (EPA).
For the reasons cited above, in recent years stream channelization has been greatly curtailed in the U. S., and in some instances even partially reversed. In 1990 the United States Government published a "no net loss of wetlands" policy, whereby a stream channelization project in one place must be offset by the creation of new wetlands in another, a process known as "mitigation." The major agency involved in the enforcement of this policy is the same Army Corps of Engineers, which for many years was the primary promoter of wide scale channelization. Often, in the instances where channelization is permitted, boulders may be installed in the bed of the new channel so that water velocity is slowed, and channels may be deliberately curved as well. In 1990 the U. S. Congress gave the Army Corps a specific mandate to include environmental protection in its mission, and in 1996 it authorized the Corps to undertake restoration projects. The U. S. Clean Water Act regulates certain aspects of channelization by requiring non Federal entities (i. e. state and local governments, private parties) to obtain permits for dredging and filling operations. Permits are issued by the Army Corps with EPA participation.
Канализация рек
Реки, расход воды которых может значительно уменьшиться на меженных участках или которые имеют значительный уклон, как это обычно бывает в верховьях, не могут быть обеспечены достаточной глубиной для судоходства только регулированием потока. Их обычный летний уровень необходимо повысить путем создания переливов через определенные промежутки по руслу, при этом рядом с переливом или в обводном канале должен быть предусмотрен шлюз для прохода судов. Таким образом, река превращается в последовательность относительно спокойных участков, поднимающихся ступенями вверх по течению, обеспечивая судоходство, сравнимое с каналом. Однако она отличается от канала наличием переливов для поддержания уровня воды, обеспечением регулярного сброса воды через переливы и тем, что пороги шлюзов расположены на одном уровне, а не верхний порог поднят над нижним на величину подъема в шлюзе, как это принято на каналах. Канализация обеспечивает определенную судоходную глубину, а расход воды в реке, как правило, достаточен для поддержания уровня воды в запрудах и обеспечения необходимого количества воды для работы шлюзов. Однако судоходство может быть приостановлено во время половодий, когда вода поднимается выше уровня шлюзов, а также обязательно прекращается в холодных климатах из-за продолжительных и сильных морозов, особенно при образовании льда. Многие небольшие реки, такие как Темза выше границы приливов, стали судоходными благодаря канализации, и несколько достаточно крупных рек обеспечили хорошую глубину для судов на значительные расстояния вглубь страны. Так, канализованная Сена обеспечивает судоходную глубину 3,2 метра от границы приливов до Парижа, на протяжении 135 миль, и глубину 2,06 метра до Монтеро, еще на 62 мили выше.
Rivers whose discharge is liable to become quite small at their low stage, or which have a somewhat large fall, as is usual in the upper part of rivers, cannot be given an adequate depth for navigation purely by works which regulate the flow; their ordinary summer level has to be raised by impounding the flow with weirs at intervals across the channel, while a lock has to be provided alongside the weir, or in a side channel, to provide for the passage of vessels. A river is thereby converted into a succession of fairly level reaches rising in steps up stream, providing still water navigation comparable to a canal; but it differs from a canal in the introduction of weirs for keeping up the water level, in the provision for the regular discharge of the river at the weirs, and in the two sills of the locks being laid at the same level instead of the upper sill being raised above the lower one to the extent of the rise at the lock, as usual on canals. Canalization secures a definite available depth for navigation; and the discharge of the river generally is amply sufficient for maintaining the impounded water level, as well as providing the necessary water for locking. Navigation, however, is liable to be stopped during the descent of high floods, which in many cases rise above the locks; and it is necessarily arrested in cold climates on all rivers by long, severe frosts, and especially by ice. Many small rivers, like the Thames above its tidal limit, have been rendered navigable by canalization, and several fairly large rivers have thereby provided a good depth for vessels for considerable distances inland. Thus the canalized Seine has secured a navigable depth of 101/2 feet (3.2 metres) from its tidal limit up to Paris, a distance of 135 miles, and a depth of 63/4 feet (2.06 metres) up to Montereau, 62 miles higher up.
Регулирующие работы (регулирование потока и глубины)
По мере того, как реки текут к морю, они испытывают значительное уменьшение уклона и постепенное увеличение площади водосбора, благодаря последовательному притоку многочисленных притоков. Таким образом, их течение постепенно становится более плавным, а расход – больше по объему и менее подвержен резким колебаниям, что делает их более пригодными для судоходства. В конечном итоге, крупные реки, при благоприятных условиях, часто служат важными естественными водными путями для внутреннего судоходства в нижней части своего русла, как, например, Рейн, Дунай и Миссисипи. Речные инженерные работы требуются лишь для предотвращения изменения русла, регулирования его глубины и, особенно, для закрепления меженного русла и концентрации потока в нем, чтобы максимально увеличить судоходную глубину при самых низких уровнях воды. Инженерные работы по увеличению судоходности рек целесообразны только на крупных реках с умеренным уклоном и достаточным расходом в меженный период, поскольку при большом уклоне течение создает значительное препятствие для движения вверх по течению, а также наблюдаются значительные колебания уровня воды и недостаток расхода в сухой сезон. Поддержание достаточной глубины воды в меженном русле становится невозможным. Возможность обеспечения равномерной глубины реки путем понижения отмелей, препятствующих судоходству, зависит от характера этих отмелей. Пологие отмели в русле реки образуются вследствие уменьшения скорости течения, вызванного уменьшением уклона и расширением русла, или потери концентрации размыва основного потока при переходе от одного вогнутого берега к другому. Углубление таких отмелей с помощью дноуглубления дает лишь временный эффект, поскольку они быстро восстанавливаются из-за причин, которые их вызвали. Более того, удаление скальных препятствий на перекатах, хотя и увеличивает глубину и выравнивает течение в этих местах, приводит к понижению уровня воды выше переката, облегчая отток, что может привести к образованию новых отмелей при низком уровне воды. Однако, если узкие скалистые гряды или другие твердые отмели простираются по дну реки и препятствуют размыву мягких пород, образующих русло выше и ниже по течению, их удаление может привести к устойчивому улучшению, позволяя реке углублять свое русло естественным размывом. Способность реки обеспечивать судоходный путь в летний период или в течение сухого сезона зависит от глубины, которую можно обеспечить в меженном русле. Основная проблема в сухой сезон – это малый расход и недостаток размывающего действия в этот период. Типичное решение заключается в ограничении ширины меженного русла, концентрации всего потока в нем и закреплении его положения, чтобы оно ежегодно прочищалось паводками, следующими за самой глубокой частью русла вдоль линии самого сильного течения. Этого можно достичь путем перекрытия второстепенных меженных русел дамбами и сужения русла в меженный период низкими поперечными дамбами, простирающимися от берегов вниз по склону и слегка направленными вверх по течению, чтобы направить воду, перетекающую через них, в центральное русло.
As rivers flow onward towards the sea, they experience a considerable diminution in their fall, and a progressive increase in the basin which they drain, owing to the successive influx of their various tributaries. Thus, their current gradually becomes more gentle and their discharge larger in volume and less subject to abrupt variations; and, consequently, they become more suitable for navigation. Eventually, large rivers, under favorable conditions, often furnish important natural highways for inland navigation in the lower portion of their course, as, for instance, the Rhine, the Danube and the Mississippi. River engineering works are only required to prevent changes in the course of the stream, to regulate its depth, and especially to fix the low water channel and concentrate the flow in it, so as to increase as far as practicable the navigable depth at the lowest stage of the water level. Engineering works to increase the navigability of rivers can only be advantageously undertaken in large rivers with a moderate fall and a fair discharge at their lowest stage, for with a large fall the current presents a great impediment to up stream navigation, and there are generally great variations in water level, and when the discharge becomes very small in the dry season. It is impossible to maintain a sufficient depth of water in the low water channel. The possibility to secure uniformity of depth in a river by lowering the shoals obstructing the channel depends on the nature of the shoals. A soft shoal in the bed of a river is due to deposit from a diminution in velocity of flow, produced by a reduction in fall and by a widening of the channel, or to a loss in concentration of the scour of the main current in passing over from one concave bank to the next on the opposite side. The lowering of such a shoal by dredging merely effects a temporary deepening, for it soon forms again from the causes which produced it. The removal, moreover, of the rocky obstructions at rapids, though increasing the depth and equalizing the flow at these places, produces a lowering of the river above the rapids by facilitating the efflux, which may result in the appearance of fresh shoals at the low stage of the river. Where, however, narrow rocky reefs or other hard shoals stretch across the bottom of a river and present obstacles to the erosion by the current of the soft materials forming the bed of the river above and below, their removal may result in permanent improvement by enabling the river to deepen its bed by natural scour. The capability of a river to provide a waterway for navigation during the summer or throughout the dry season depends on the depth that can be secured in the channel at the lowest stage. The problem in the dry season is the small discharge and deficiency in scour during this period. A typical solution is to restrict the width of the low water channel, concentrate all of the flow in it, and also to fix its position so that it is scoured out every year by the floods which follow the deepest part of the bed along the line of the strongest current. This can be effected by closing subsidiary low water channels with dikes across them, and narrowing the channel at the low stage by low dipping cross dikes extending from the river banks down the slope and pointing slightly up stream so as to direct the water flowing over them into a central channel.
Эстуарные работы
Потребности судоходства также могут потребовать продления стабильного, непрерывного судоходного канала от судоходной реки до глубоководья в устье эстуария. Взаимодействие речного течения и прилива необходимо моделировать с помощью компьютера или масштабных моделей, созданных с учетом конфигурации рассматриваемого эстуария и воспроизводящих в миниатюре приливные течения и сброс пресной воды на ложе, состоящем из очень мелкого песка, в которое последовательно можно вставлять различные линии волноломов. Эти модели должны предоставлять ценные данные о влиянии и сравнительных преимуществах различных предлагаемых проектов работ.
The needs of navigation may also require that a stable, continuous, navigable channel is prolonged from the navigable river to deep water at the mouth of the estuary. The interaction of river flow and tide needs to be modeled by computer or using scale models, moulded to the configuration of the estuary under consideration and reproducing in miniature the tidal ebb and flow and fresh water discharge over a bed of very fine sand, in which various lines of training walls can be successively inserted. The models should be capable of furnishing valuable indications of the respective effects and comparative merits of the different schemes proposed for works.