Канал (гидрография)

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Каналы Soo Locks на Великих озёрах

Водный канал (лат. canalis — труба, жёлоб) — искусственная водная артерия, предназначенная для сокращения водных маршрутов или для перенаправления потока воды.

Существует два основных назначения канала:

  • ирригационное, канал используется для доставки или отвода воды
  • каналы, осуществляющие транспортные функции, например для доставки грузов или людей

Зачастую каналы совмещают в себе обе функции.

Цель создания судоходного канала — соединение бассейнов двух водоёмов в случае отсутствия такового, сокращение пути между двумя водоёмами, обеспечение гарантированного судоходства, решение проблемы транспортной доступности по водным путям пунктов назначения, создание экономически выгодных путей транспортировки.

Общая информация[править | править исходный текст]

Каналы относятся к водопроводящим сооружениям (водоводам) — искусственным руслам, с помощью которых осуществляется подача воды из одного пункта в другой. Наряду с каналами, к водопроводящим сооружениям относятся лотки, трубопроводы, гидротехнические тоннели. От лотков каналы отличает то, что они располагаются в земле, тогда как лотки — на земле или над землёй. В отличие от трубопроводов и гидротехнических тоннелей русла каналов открыты.

Виды каналов[править | править исходный текст]

«Королевский канал» в Ирландии

В зависимости от предназначения каналы делятся на несколько видов.

С древнейших времён важную роль в сельском хозяйстве играли мелиоративные каналы, которые, в свою очередь, делятся на ирригационные (оросительные) и дренажные (осушительные). Первые из них доставляют воду на поля и распределяют её там, поэтому чаще всего их можно встретить в пустынях и полупустынях Азии и Африки, а также на территориях, где ведётся интенсивное земледелие — например, в Калифорнии и Средиземноморье. Вторые, наоборот, отводят воду из заболоченной местности.

Водопроводные каналы подают воду к месту её потребления, причём условия эксплуатации и санитарные требования часто вынуждают делать такие сооружения закрытыми. Их главная цель — подавать воду в безводные и засушливые районы из мест, где постоянно ощущается избыток воды.

Ещё один вид каналов — энергетические. Они подводят из рек воду к турбинам гидроэлектростанции, а затем отводят прошедшую через турбины воду за пределы ГЭС.

Профиль Беломорско-Балтийского канала

Судоходные каналы — пресноводные и морские, — которые соединяют реки, озёра и моря, рассчитаны, как правило, на всевозможный водный транспорт — от маленьких лодок до огромных сухогрузов. Судоходные каналы подразделяются на открытые и шлюзованные. Первые из них соединяют водные пути с одинаковым уровнем воды, вторые — водоёмы с разными уровнями. Из открытых каналов можно назвать крупные Суэцкий канал и Коринфский, однако подавляющее большинство подобных сооружений — второго типа: их шлюзовые системы позволяют судам подниматься из низких участков канала на более высокие, и наоборот. Самые знаменитые шлюзовые каналы — Панамский и Кильский. В свою очередь, пресноводные каналы делятся на транзитные (соединяют несколько водоёмов), водораздельные (связывают бассейны двух рек), обходные (обводные) или спрямляющие (огибают порожистые или бурные участки, а также сокращают путь между двумя пунктами извилистого русла) и соединяющие (их прокладывают от водных путей к крупным промышленным центрам).

Также различают лесосплавные каналы, предназначенные для транспортирования по воде древесины.

По способу подачи воды каналы разделяются на самотечные, в который вода течёт под действием силы тяжести, и с механическим подъёмом воды, для чего используются насосные станции.

История[править | править исходный текст]

Каналы в древности[править | править исходный текст]

Первые оросительные каналы появились в конце VI тысячелетия до н. э. в Месопотамии. Примерно тогда же, по-видимому, начали возводить ирригационные системы и в Древнем Египте, так что к рубежу ΙΙΙ и ΙΙ тысячелетий в обеих странах была создана широкая сеть оросительных каналов, забота о которых легла на плечи верховной власти. Не исключено, что в Древнем Египте появился и первый в мире судоходный канал, который соединил Красное море с одним из притоков Нила — реки, впадавшей в Средиземное море; благодаря этому пути корабли могли путешествовать из одного моря в другое. Строительство данной водной артерии было начато около 600 года до н. э. и продолжалось до 518 года до н. э., когда страну захватили персы. К сожалению, со временем канал был погребён под песками пустыни и о нем забыли.

XIX век[править | править исходный текст]

Августовский канал, соединяющий бассейны Вислы и Немана, — уникальный памятник инженерного искусства первой половины ΧΙΧ века. Находящееся на территории Польши (80 км) и Белоруссии (22 км), это гидротехническое сооружение — яркий пример замкнутого канала, вдоль которого построено 18 шлюзов. Строительство канала было начато в 1824 году и длилось 15 лет, а главным проектировщиком стал инженер Игнаций Пронджинский. Сохранившись до наших дней почти в первозданном виде, сегодня этот водный путь обслуживает в основном туристов: его русло проходит среди живописных ландшафтов Августовской пущи и Бебжанской низменности, соединяя озера Нецка, Белое и реку Черная Ганча. Сегодня Августовский канал является одной из достопримечательностей, которую, возможно, ждёт включение во Всемирный список культурного и природного наследия ЮНЕСКО[1].

В 1893 был открыт Коринфский канал — канал в Греции, соединяющий Саронический залив Эгейского и Коринфский залив Ионического морей. Прорыт через Коринфский перешеек, отделяющий полуостров Пелопоннес от материка. Любопытно, что первое упоминание о подобном канале относится к VII веку до н. э., когда коринфский тиран Периандр, причисляемый к семи мудрецам древней Греции, попытался прорыть водный путь, но потом остановил работы.

Каналы в СССР и России[править | править исходный текст]

Россия до революции[править | править исходный текст]

Туер с баржами на Мариинской системе. Начало XX века, фотография Сергея Прокудина-Горского

Один из самых старых каналов на территории России — Вышневолоцкая водная система строительство которой началось в 1703 году по указу Петра I.[2] Вышневолоцкая водная система (движение открыто в 1709), Тихвинская (1811) и Мариинская (1810) соединяют Волгу с Балтийским морем и составляют Волго-Балтийский водный путь.

СССР[править | править исходный текст]

В СССР была создана единая глубоководная речная сеть Европейской части страны за счет интенсивного строительства гидроузлов, плотин ГЭС, водохранилищ и каналов. В ходе первой и второй довоенных пятилеток самоходный речной флот увеличился в 2,2, несамоходный — в 2,7 раза; в приречных городах были созданы порты, 50% погрузочно-разгрузочных работ механизированы, объём речных перевозок возрос более чем в 3 раза.[2]

После окончания Великой Отечественной войны, в 1946 году был принят «Закон о пятилетнем плане восстановления и развития народного хозяйства в СССР» (Четвёртая пятилетка СССР), а затем и ряд специальных постановлений, стимулирующих строительство и модернизацию гидротехнических сооружений в СССР.

В соответствии с особенностями планового хозяйства в СССР, строительство гидротехнических сооружений, реализовывалось в рамках комплексной программы, учитывающей интересы всех отраслей народного хозяйства: гидроэнергетики, орошения и обводнения, водного транспорта и водоснабжения.

В рамках реализации так называемого Сталинского плана преобразования природы был принят ряд специальных постановлений, стимулирующих строительство и модернизацию гидротехнических сооружений. К их числу относится:

  • Постановление Совмина СССР от 1950 года «О переходе на новую систему орошения в целях более полного использования орошаемых земель и улучшения механизации сельскохозяйственных работ»[3].
  • Постановление Совмина СССР от 21 августа 1950 года «О строительстве Куйбышевской гидроэлектростанции на реке Волге»[4]
  • Постановление Совмина СССР от 31 августа 1950 года «О строительстве Сталинградской гидроэлектростанции на р. Волге, об орошении и обводнении районов Прикаспия»[5]
  • Постановление Совмина СССР от 12 сентября 1950 года "О строительстве Главного Туркменского канала Аму-Дарья — Красноводск, об орошении и обводнении земель южных районов Прикаспийской равнины Западной Туркмении, низовьев Аму-Дарьи и западной части пустыни Кара-Кумы[6]
  • Постановление СМ СССР от 20 сентября 1950 года «О строительстве Каховской гидроэлектростанции на Днепре, Южно-Украинского канала, Северо-Крымского канала и орошения земель южных районов Украины и северных районов Крыма».[7]

В период с 1940 по 1965 годы было построено множество магистральных каналов общей протяженность более 2000 км, среди которых крупнейшими являются:

Характеристики каналов[править | править исходный текст]

Главными характеристиками канала является форма и размер его живого сечения, то есть поперечного сечения потока. Форма каналов может быть разнообразной. Часто применяются каналы трапецеидального и полигонального очертания. Также сечение может быть прямоугольным, полукруглым, параболическим, очерченным более сложной кривой или составным.

Поперечные сечения каналов
Трапецеидальное Полигональное Прямоугольное Полукруглое
Поперечные сечения каналов Трапецеидальное.svg
Поперечные сечения каналов Полигональное.svg
Поперечные сечения каналов Квадратное.svg
Поперечные сечения каналов Полукруглое.svg

Заложение откоса m, равное

~m = \mathrm{ctg}\,\alpha = a / h ,

зависит от грунта, в котором проходит канал. Если для скальных грунтов заложение откоса приближается к нулю, то, например, для пылеватых песков оно может достигать 3-3,5. Укрепление откосов позволяет назначать заложение требуемой величины.

В отличие от естественных русел существует возможность придать сечению канала гидравлически наивыгоднейшее сечение (то есть подобрать соответствующие величины ширины канала по дну и глубины потока). При таком сечении при заданной шероховатости русла обеспечивается максимальная пропускная способность при минимальной площади сечения. Однако для диапазона наиболее распространённых заложений откосов получается, что такие каналы имеют большую глубину и малую ширину по дну, что часто нецелесообразно по технологии устройства и стоимости работ. В придачу к этому происходит увеличение размывающей скорости потока. Поэтому ширину каналов по дну увеличивают по сравнению с гидравлически наивыгоднейшей.

Расчёт каналов[править | править исходный текст]

В общем случае небольшие каналы рассчитываются в предположении равномерного движения воды. Для определения скорости и расхода используют формулы Шези:

V = C \sqrt{R \cdot I} ,
Q = \omega C \sqrt{R \cdot I} ,

где

V — средняя скорость потока, м/с;
C — коэффициент сопротивления трения по длине (коэффициент Шези), м0,5/с, являющийся интегральной характеристикой сил сопротивления;
R — гидравлический радиус, м;
I — гидравлический уклон, который при равномерном движении потока со свободной поверхностью равен уклону дна и свободной поверхности.
ω — площадь живого сечения, м2.

Расход воды в канале определяется водохозяйственными расчётами. Задача сводится к определению сечения канала и его размеров при сравнительно узком диапазоне возможной скорости потока. Узость диапазона скорости диктуется тем, что русло с одной стороны не должно размываться, а с другой — не должно заиливаться. Расчёт предельных скоростей по заилению и размыванию является сложной задачей и решается приближёнными методами. Для большинства материалов размывающие скорости определены и приводятся в соответствующих таблицах в зависимости от глубины потока.

Учёт русловых процессов[править | править исходный текст]

Многие крупные каналы по своей сути представляют собой искусственные реки. Часто они не имеют укрепления дна и откосов, что обуславливает протекание русловых процессов, свойственных обычным рекам. Это ещё более очевидно при использовании при строительстве каналов русел естественных водотоков. Большая протяжённость каналов, большие расходы воды, влияние стока с прилегающего бассейна, — всё это делает расчёт каналов сложнейшей гидротехнической задачей. Её решение в большинстве случаев возможно только с применением моделирования.

Потери воды из каналов[править | править исходный текст]

Потери воды из каналов обусловлены как её испарением с поверхности открытых каналов, так и её фильтрацией через стенки и дно русла. При этом потери на испарение в большинстве случаев весьма малы, тогда как потери на фильтрацию могут достигать очень больших величин, заметно снижающих экономическую эффективность канала. В добавок к этому обводнение близлежащего грунта может привести к заболачиванию местности, при просадочных грунтах — к деформациям канала и разрушению сооружений, в горных условиях — к опасным обрушениям и селям.

Виды фильтрации воды из каналов
Без подпора в необлицованном канале С подпором в необлицованном канале Без подпора в облицованном канале С подпором в облицованном канале
Фильтрация воды из каналов 1.svg
Фильтрация воды из каналов 2.svg
Фильтрация воды из каналов 3.svg
Фильтрация воды из каналов 4.svg
1 — начальный уровень грунтовых вод
2 — граница растекания
3 — фронт движения зоны промачивания
4 — капельный поток

Различают две стадии фильтрации: свободную и с подпором. При несвободной фильтрации с подпором фильтрационный поток из канала соприкасается с грунтовым потоком и подпирается им.

Бороться с фильтрацией можно как устройством облицовки дна и русла, так и снижением водопроницаемости грунта русла, что можно достичь механическим уплотнением и кольматажем — заполнением пор грунта мелкими частицами, например, для песчаных грунтов может применяться их кольматаж глинистыми и илистыми грунтами. Особым способом снижения водопроницаемости является способ добавления в грунт канала специальных материалов. Сюда можно отнести искусственное осолонение грунта, искусственное оглеение, нефтевание и т. п., однако такие методы ведут к загрязнению водного потока.

Сооружения на каналах[править | править исходный текст]

Строительство каналов почти всегда требует устройства дополнительных сооружений, которые можно разделить на несколько категорий:

  • водопроводящие сооружения;
  • сопрягающие сооружения;
  • сооружения, регулирующие общий режим канала.

Водопроводящие сооружения[править | править исходный текст]

Водопроводящими сооружениями могут заменяться отдельные участки каналов как по экономическим, так и техническим причинам. К таким сооружениям относятся лотки, трубы, туннели, акведуки, дюкеры, селеспуски и пр.

В тех случаях, когда грунтовые условия не позволяют устроить надежное русло канала или рельеф местности, где проходит участок трассы канала, слишком сложный (сильно пересеченная местность, горные склоны и т. п.) целесообразно использование лотков. Лотки также представляют собой искусственные русла, однако они располагаются на поверхности земли или же устраиваются над землёй на опорах. Могут выполняться из дерева, железобетона, металла и прочих материалов. Движение воды в лотках безнапорное. Иногда лотки сверху защищают каким-либо покрытием, что приближает их по своей сути к трубам. Площадь сечения лотка обычно меньше, чем канала. В связи с этим им придают больший уклон. Пропускная способность лотка рассчитывается из рассмотрения его как водослива с широким порогом в канал.

Акведуки устраивают в местах пересечения каналом какого-либо препятствия: реки, оврага, дороги и т. п. От лотка на опорах акведук отличает капитальность. В этом плане акведуки ближе к мостам, при этом непосредственно лоток может выполнять функции пролётного строения.

Трубопроводы позволяют пропустить воду канала под каким-либо препятствием, а также используются при неблагоприятных климатических условиях участка прохождения канала. Трубопроводы могут располагаться как под землёй, так и быть открытого типа с возможностью непосредственного доступа. Режим движения воды в трубопроводах обычно напорный.

Если необходимо пропустить под каналом какой-либо водоток, возможно устройство водопропускных труб. Конструкция и расчеты подобных труб аналогичны трубам, применяемым при пересечении водотоков насыпями автомобильных и железных дорог.

Сопрягающие сооружения[править | править исходный текст]

При большом уклоне местности скорости воды в канале могут достичь недопустимых значений. В связи с этим приходится устраивать участки каналов с разницей по высоте. Для соединения таких участков и применяются сопрягающие сооружения, к которым в общем случае относятся быстротоки и перепады.

В перепадах вода часть пути движется по сооружению, а часть пути падает. В ступенчатых перепадах энергия падающей воды гасится специальными устройствами. В консольных перепадах падающая вода образует в месте падения воронку, которая постепенно достигает такой глубины, что размыв прекращается и энергия падения полностью гасится. Консольные перепады требуют меньших затрат на устройство в силу саморегуляции, однако их расчёт менее точен и требует допустить фазу неопределённого режима, пока размер воронки не достигнет нужных величин.

Быстротоки представляют собой лотки с большими уклонами, в которых вода движется со скоростью больше критической. Скорость, однако, не должна превышать допускаемой для материала дна и стенок. Для снижения скорости возможно применение повышенной шероховатости лотка в виде разнообразных выступов, ступеней и порогов. В конце быстротока устраиваются водобойные колодцы для гашения скорости.

Для сопряжения разных по высоте участков каналов используют также насосные станции.

Сооружения, регулирующие общий режим канала[править | править исходный текст]

К таким сооружениям относятся шлюзы-регуляторы и вододелители, аварийные заграждения, водосбросы и водоспуски, шугосбросы.

Шлюз-регулятор — это плотина, оборудованная затворами. В её функции входит регуляция расхода воды в самом канале, а также в ответвлениях от него. Аварийные заграждения представляют собой пороги, оборудованные затворами. В необходимом случае с их помощью может быть произведена изоляция отдельных участков канала.

Каналы в искусстве[править | править исходный текст]

Применение каналов с древнейших времён обусловило их широкое отражение в искусстве. Художники не редко запечатлевали каналы в рисунках, картинах, художественных фильмах.

Списки каналов[править | править исходный текст]

См. также[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. На данный момент включён в предварительный список объектов-претендентов
  2. 1 2 ПРЕОДОЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА (исторические очерки о путях сообщения в России) Андрей Кокурин
  3. О переходе на новую систему орошения в целях более полного использования орошаемых земель и улучшения механизации сельскохозяйственных работ
  4. О строительстве Куйбышевской гидроэлектростанции на реке Волге
  5. О строительстве Сталинградской гидроэлектростанции на р. Волге, об орошении и обводнении районов Прикаспия
  6. О строительстве Главного Туркменского канала Аму-Дарья — Красноводск, об орошении и обводнении земель южных районов Прикаспийской равнины Западной Туркмении, низовьев Аму-Дарьи и западной части пустыни Кара-Кумы
  7. О строительстве Каховской гидроэлектростанции на Днепре, Южно-Украинского канала, Северо-Крымского канала и орошения земель южных районов Украины и северных районов Крыма

Литература[править | править исходный текст]

  • Гришин М. М. «Гидротехнические сооружения» — Учебник, части 2, 1979.