История управления наводнениями на реке Миссисипи: строительство дамб, экологические последствия и уроки речной инженерии

Обширная история наводнений и борьбы с ними в бассейне реки Миссисипи позволила получить важнейшее представление об управлении реками. Дамбы обычно возводятся вдоль берегов для защиты городов и сельскохозяйственных угодий от затопления, и, хотя они часто достигают этой локальной цели, они также создают значительные побочные эффекты. Предотвращая попадание паводковых вод на прилегающие поймы, дамбы препятствуют естественному отложению богатого питательными веществами ила, в результате чего пойменные почвы теряют плодородие и постепенно деградируют.

Древние цивилизации, такие как египтяне, полагались на ежегодные паводковые осадки для поддержания продуктивности сельского хозяйства — выгода, которая заметно снизилась с тех пор, как река Нил была перекрыта и зарегулирована. Кроме того, дамбы сужают реку до узкого коридора, концентрируя паводковые воды, которые когда-то медленно распространялись по обширным территориям, в ограниченном пространстве, что приводит к более быстрому подъёму, более высоким и стремительным наводнениям, которые быстрее достигают районов ниже по течению, часто с достаточной силой, чтобы разрушить сами дамбы.

Менее известным следствием строительства дамб является тенденция постепенного возвышения русла реки над окружающей поймой. Многие реки естественным образом подвергаются агградации (накоплению наносов вдоль русел); в неограниченных системах этот процесс сопровождается боковой миграцией русла, при этом сохраняется постоянная высота русла относительно поймы. Однако, когда дамбы ограничивают русло, река не может двигаться в боковом направлении, что вынуждает её фиксироваться на месте. По мере того как русло поднимается, как естественные процессы, так и вмешательство человека увеличивают высоту дамб, чтобы сдержать течение реки, в конечном счёте поднимая русло над поймой до тех пор, пока катастрофическое наводнение не приведёт к прорыву дамбы и река не проложит новое русло. Этот естественный процесс разрушения дамбы, известный как срыв (crevasse), происходил семь раз в нижнем течении Миссисипи за последние 6000 лет. Во время каждого выброса река прорывает свои дамбы в нескольких сотнях миль от устья, находя более короткий и крутой путь к Мексиканскому заливу, впоследствии покидая прежнее русло и дельту, которые оседают, поскольку лишены возможности пополнять запасы наносов.

История строительства дамб вдоль реки Миссисипи иллюстрирует, как динамическое поведение реки изначально было неправильно понято по мере того, как происходили изменения. Ранние попытки ограничить сток для уменьшения наводнений и улучшения навигации непреднамеренно нарушили естественные процессы, и к тому времени, когда инженеры осознали долгосрочные последствия, два столетия изменений уже нанесли значительный ущерб. Несмотря на растущую осведомлённость, дальнейшие изменения продолжались, а риски наводнений сохранялись и во многих отношениях со временем усугублялись. Река Миссисипи входит в число самых протяжённых рек в мире и занимает третье место по величине водосборного бассейна, занимая площадь в 1 245 000 квадратных миль (3 224 550 км²) и осушая 41 процент континентальной части Соединённых Штатов. Ежегодно по ней переносится 230 миллионов тонн наносов, что является шестым по величине стоком ила в мире. До заселения европейцами и изменения структуры рек эти наносы естественным образом обогащали поймы во время полугодовых паводков и питали дельту Миссисипи.

Строительство дамб вдоль нижнего течения Миссисипи началось с первых поселенцев и продолжается по сей день, в результате чего была создана система, состоящая из 2203 миль (3580 км) дамб, противопаводковых ограждений и контрольных сооружений, из которых 1607 миль (2586 км) расположены вдоль самой Миссисипи, а дополнительные 596 миль (959 км) — вдоль рек Арканзас и Ред-Ривер в бассейне Атчафалайи, а также обширные дамбы вдоль реки Миссури. Первая дамба на Миссисипи была построена вокруг первоначального поселения Новый Орлеан между 1718 и 1727 годами и представляла собой земляную насыпь длиной 5400 футов (1646 м), высотой 4 фута (1,2 м) и шириной 18 футов (5,5 м), увенчанную дорогой. Её целью было защитить молодой город от ежегодных наводнений и связанных с ними эпидемий, которые продолжались с марта по июнь. Новый Орлеан был основан Жаном Батистом Ле Мойном, сеньором де Бьенвиллем, в 1718 году в излучине реки, выбранной для контроля над переправой между Миссисипи и озером Поншартрен.

Это место было по своей природе ненадёжным, со всех сторон окружённое водой, и город с трёх сторон неоднократно подвергался наводнениям из-за разливов рек и ураганных волн примерно каждые 30 лет с момента своего основания. Первоначальная дамба не смогла предотвратить наводнение, и в 1722 году ураган с устойчивым ветром 100 миль в час (161 км/ч) и штормовой волной высотой 7-8 футов (2-2,4 м) преодолел дамбу, почти разрушив город. Вместо того чтобы пересмотреть место, власти ответили возведением более высоких дамб, установив шаблон, который будет повторяться при разрушительных наводнениях и ураганах в 1812, 1819, 1837, 1856, 1893, 1909, 1915, 1947, 1956, 1965, 1969, 2005 годах, после ураганов «Катрина» и «Рита» снова нарушивших систему насыпей. Ранние дамбы представляли собой земляные насыпи с типичными боковыми уклонами 1:2, сооружённые местными фермерами с использованием повозок, запряжённых лошадьми, которые перевозили всего 10-12 кубических ярдов (7,5–9 м³) материала в день.

Федеральное вмешательство началось в 1820 году, хотя в первоначальном законодательстве основное внимание уделялось судоходству, а не борьбе с наводнениями. По мере ускоренного строительства дамб река становилась всё более ограниченной, что привело к углублению русла, поскольку русло больше не могло перемещаться вбок для рассеивания наносов. Катастрофические наводнения 1844, 1849 и 1850 годов привели к принятию Законов о болотах 1849 и 1850 годов, которые предоставили заболоченные земли Луизиане, Миссисипи, Арканзасу, Миссури и Иллинойсу; доходы от продажи земли пошли на строительство дамб и рекультивацию дренажных систем. В период с 1850 по 1927 год дамбы вдоль нижнего течения Миссисипи требовали постоянного укрепления из-за последствий срыва, усугублявшихся самими дамбами. В 1850 году Конгресс выделил 50 000 долларов на проведение двух топографических и гидрографических исследований для обеспечения защиты от наводнений. Одно исследование было проведено гражданским инженером Чарльзом Эллетом-младшим, а другое — военными инженерами А. А. Хамфрисом и Генри Эбботом.

В отчёте Хамфриса и Эббота были проанализированы три стратегии борьбы с наводнениями: перекрытие излучин реки, создание отводящих водохранилищ и стоков, а также ограждение реки дамбами. Первые два варианта были сочтены слишком дорогостоящими, поэтому было принято решение о системе дамб — решение, имевшее долгосрочные последствия. Их конструкция предусматривала надводные борта на высоте от 1 до 3,4 фута над уровнем наводнения 1858 года. Во время Гражданской войны (1861-1865) дамбы пришли в упадок, что усугубилось крупными наводнениями в 1862, 1865 и 1867 годах. Наводнения 1874 года привели к созданию Комиссии по строительству дамб, которая провела новую оценку и задокументировала фундаментальные дефекты: дамбы были построены в неподходящих местах, с плохой организацией, недостаточной высотой, некачественной конструкцией и недостаточным контролем. Комиссия подсчитала, что ремонт обойдётся в 3,5 миллиона долларов, в то время как для создания полностью новой системы дамб потребуется 46 миллионов долларов.

В 1879 году Конгресс учредил Комиссию по реке Миссисипи (MRC) , в состав которой вошли три офицера Инженерного корпуса армии США, три гражданских лица и один офицер Береговой и геодезической службы США под руководством Джеймса Б. Идза. MRC провела исследования и рекомендовала многочисленные изменения, приняв в 1882 году политику закрытия разрывов дамб и строительства непрерывной линии дамб, предназначенных для предотвращения частых наводнений. Наводнение 1890 года разрушило дамбы протяжённостью 56 миль (90 км), что побудило MRC увеличить высоту дамб до 38-46 футов (11,5–14 м). В ходе этой масштабной реконструкции было добавлено более 125 миллионов кубических ярдов (96 миллионов м³) грунта, хотя многое было утрачено из-за обвала берегов. Несмотря на усилия по восстановлению, наводнение 1912 года нанесло значительный ущерб, и MRC в ответ снова возвела дамбы — на три фута выше уровня наводнения 1912 года, — не осознавая, что ограничение реки будет продолжать приводить к агградации русла.

Первый федеральный закон о борьбе с наводнениями был принят в 1917 году, разрешающий строительство дамб для борьбы с наводнениями на Миссисипи и её притоках, при этом федеральное правительство покрывало две трети расходов, а местные власти финансировали оставшуюся часть. В 1920-е годы механизация с использованием кранов, драглайнов и передвижных башенных кранов ускорила строительство. Великое наводнение на Миссисипи в 1927 году стало поворотным моментом. Многие дамбы, построенные в соответствии со стандартами MRC, обрушились в нижней части долины, что привело к катастрофическим человеческим жертвам, перемещению населения и материальному ущербу.

В ответ Конгресс принял Закон о борьбе с наводнениями 1928 года, который санкционировал повышение уровня дамб, моделирование сценариев наводнений и создание больших водостоков для отвода воды во время паводков. Заметными среди них были трасса Бёрдс-Пойнт — Нью-Мадрид длиной приблизительно 35 миль (56 км) и шириной 3-10 миль (5-16 км), рассчитанная на отвод 550 000 кубических футов (15 576 м³) в секунду, и трасса Уэст-Атчафалайя, рассчитанная на транспортировку половины от смоделированных 1 500 000 кубических футов (139 400 м³) за второй поток. Дамба Бонн-Карре была построена выше по течению от Нового Орлеана для отвода стока и защиты города. Дамбы были реконструированы с учётом прогнозируемого срока службы от 20 до 30 лет, и строительство продолжалось, несмотря на периодические наводнения, такие как в 1929 году.

Карта нижнего течения реки Миссисипи от устья дельты до юга Миссури, на которой показаны тысячи миль дамб, построенных вдоль реки в прошлом столетии (курсивом — описание рисунка).

Наводнение на реке Огайо в 1937 году привело к активизации паводкового пути в Бёрдс-Пойнт — Нью-Мадрид в результате срабатывания дамбы Fuse Plug (плавкой пробки), сбросив огромные объёмы воды и ослабив давление ниже по течению. Наводнение подчеркнуло необходимость строительства дорог поверх дамб для облегчения транспортировки материалов во время чрезвычайных ситуаций. К 1947 году MRC уделила особое внимание уплотнению дамб, чтобы снизить риск их разрушения. Дамбы обычно разрушаются по трём основным причинам: просачивание воды, когда давление под дамбой создаёт канал, ведущий к катастрофическому обрушению; гидравлическое трубообразование (piping), когда вода находит слабый проход через конструкцию; и перелив (overtopping), когда вода перетекает через гребень и размывает стенки дамбы. Разрушение может также произойти из-за размыва основания дамбы во время сильных потоков, что приводит к просадке и массовому обрушению. Продолжительные паводки насыщают поры дамбы, ослабляя структуру и увеличивая потенциал разжижения (liquefaction), при этом большинство разрушений происходит в течение длительных периодов высокого стока, что повышает поровое давление и риск размыва.

К 1956 году MRC моделировала наводнения со сбросами, превышающими предыдущие оценки, оценивая пропускную способность системы в 3 000 000 кубических футов (2 300 000 м³) в секунду. Наводнение 1973 года установило рекорды по количеству дней, в течение которых река не выходила из берегов, причинив ущерб на сумму более 183 миллионов долларов и выявив критическую ситуацию: строительство дамб, береговых плотин и других навигационных мер фактически снизило пропускную способность реки, что привело к более высоким уровням паводка при любом данном стоке, чем до постройки дамб. Великое наводнение 1993 года стало ещё одним серьёзным испытанием, приведшим к массовым системным сбоям. Примерно две трети всех дамб в верховьях реки Миссисипи были прорваны, перекрыты или иным образом повреждены. Наводнение унесло десятки жизней, повредило или разрушило 50 000 домов и причинило общий ущерб, превышающий 15 миллиардов долларов.

Потоки представляют собой динамический баланс между движущими силами и сопротивлением течению. Морфология русла развивается в ответ на квазиравновесие между уклоном, расходом, нагрузкой наносов, неровностями дна и сопротивлением берегов. В результате этих взаимодействий возникают три основных типа каналов: прямые (встречаются редко и обычно контролируются разрезом коренных пород, хотя течение в них обычно идёт по изогнутому пути); извилистые ручьи (наиболее распространённый тип, активно разрушающие вогнутые берега, образуя остриёвые побочни, что позволяет меандрам мигрировать по поймам и поддерживать равновесие за счёт изменения извилистости, длины волны, соотношения ширины и глубины и скорости); а также оплетённые ручьи (характеризующиеся множеством каналов и быстрыми морфологическими изменениями, которые переносят более высокие нагрузки наносов и часто встречаются в таких условиях, как предгорные области ледников, где сток и нагрузка существенно колеблются).

Отдельные водотоки являются компонентами более крупных дренажных систем, а расположение ответвлений и углов соединения отражают глубинные геологические процессы. Некоторые системы демонстрируют дендритные узоры на однородных склонах, в то время как прямоугольные узоры совпадают с системами разломов или трещин, радиальные узоры развиваются на куполообразных структурах, таких как вулканы, а некоторые ручьи сохраняют предшествующие русла, прорезающие восходящие горные хребты. Эти региональные закономерности отражают структурный контроль со стороны геологии коренных пород, в то время как локальные формы русел отражают баланс между движущими силами и силами сопротивления. Потоки наносят толстые слои песка, ила и гравия на пойменные участки, позже прорезая их, образуя террасы, и переносят огромные объёмы наносов в море, где они формируют обширные дельтовые комплексы. Морфология дельты отражает равновесие между запасом наносов, диапазоном приливов и энергией волн; отдельные участки дельты обычно остаются активными около 1000 лет, прежде чем река перейдёт в новое русло, а заброшенный участок начнёт опускаться.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.