Мягкая инженерия - Soft engineering

Взяв во внимание гражданское строительство береговых линий, мягкая инженерия это практика управления береговой линией, которая использует устойчивые экологические принципы для восстановления стабилизации береговой линии и защиты прибрежных местообитаний. Soft Shoreline Engineering (SSE) использует стратегическое размещение органических материалов, таких как растительность, камни, песок, мусор и другие конструкционные материалы, для уменьшения эрозии, улучшения эстетики береговой линии, смягчения границы раздела суши и воды и снижения затрат на экологическое восстановление.[1]

Чтобы отличать Soft Shoreline Engineering от Hard Shoreline Engineering, Hard Shoreline Engineering стремится использовать стальные шпунтовые сваи или бетонные стены для предотвращения опасности и укрепления береговой линии. Как правило, Hard Shoreline Engineering используется в навигационных или промышленных целях. Напротив, Soft Shoreline Engineering делает упор на применении экологических принципов, а не на нарушении инженерной целостности береговой линии.[2]

Фон

До середины 1990-х в стандартных инженерных практиках для большинства проектов управления прибрежными районами использовались традиционные сложная инженерия методы. Строительство жестких береговых линий - это использование неорганических армирующих материалов, таких как бетон, сталь и пластик, для укрепления береговой линии, остановки эрозии и защиты городского развития от наводнений. Однако по мере того, как развитие береговой линии в прибрежных городах резко возросло, пагубные экологические факторы стали очевидными. Проектирование жестких береговых линий было разработано с учетом человеческого развития на побережье с упором на повышение эффективности в коммерческом, навигационном и промышленном секторах экономики. В 2003 году население Земли, живущее в пределах 120 миль (190 км) от океана, составляло 3 миллиарда человек, и ожидается, что к 2025 году оно удвоится.[3] Эти разработки были дорогостоящими, так как были уничтожены биологические сообщества, изолированы прибрежные среды обитания, изменился естественный перенос наносов, нарушив действие волн и протяженных береговых течений. Во многих прибрежных регионах началась значительная деградация прибрежных территорий из-за человеческого развития: река Детройт потеряла до 97% прибрежных водно-болотных угодий.[1] Сингапур также задокументировал исчезновение большинства своих мангровых лесов, прибрежных рифов и илистых регионов в период между 1920 и 1990 годами из-за развития береговой линии.[3]

К концу 20-го века прибрежная инженерная практика претерпела постепенный переход к включению природной среды в планирование. В отличие от жесткой инженерии, используемой с единственной целью улучшения судоходства, промышленного и коммерческого использования реки, мягкая инженерия использует многогранный подход, разрабатывая береговые линии для получения множества преимуществ и включая рассмотрение среды обитания рыб и диких животных.[4] Инженерный корпус армии США, на который возложена ответственность за строительство и обслуживание проектов прибрежных строительных работ, санкционированных Федеральным правительством США, играет важную роль в разработке принципов прибрежного строительства, применяемых в США, отчасти из-за деградации береговой линии по всей территории США. Штат, с тех пор ядро ​​обновило свои методы управления прибрежными районами с повышенным акцентом на компьютерное моделирование, обслуживание проектов и восстановление окружающей среды.[5] Однако мягкая и жесткая инженерия не исключают друг друга, сочетание двух методов управления может использоваться для проектирования береговых линий, особенно для водоемов с большим потоком.[2]

Принципы проектирования мягких береговых линий

  • Подражайте природе - Имитация характеристик окружающей среды имеет решающее значение для успеха мягких инженерных работ. Существующие черты ландшафта служат отличительными признаками действующих геоморфических сил. Попытка добавить растительность в бесплодную местность с сильными ветрами не принесет желаемых результатов.[6]
  • Пологие склоны - Пологие склоны чаще всего встречаются в естественной среде и наиболее устойчивы к действию силы тяжести. Постепенно наклонные склоны вдоль берегов и береговой линии позволяют рассеивать волновую энергию на большее расстояние, уменьшая силу эрозии.[6]
  • «Мягкое бронирование» - Мягкое армирование включает использование таких материалов, как живые растения, кустарники, корневые тампоны, бревна, растительные маты, кусты и т. Д. Эти живые материалы могут адаптироваться к изменениям окружающей среды и помогают поддерживать регулярные прибрежные процессы, нарушая естественная береговая линия как можно меньше. Мягкая броня также имеет первостепенное значение для улучшения среды обитания на береговой линии и улучшения качества воды.[7]
  • Разнообразие материалов - Разнообразие текстур и растительности улучшает эстетику, разнообразит природный ландшафт и максимизирует биоразнообразие. По возможности следует использовать местные растения и виды, находящиеся под угрозой исчезновения или находящиеся под угрозой исчезновения.[2] Использование местных обильных и легкодоступных природных ресурсов также значительно снижает затраты на разработку.

Методы

Посадка

Самая основная и фундаментальная форма проектирования мягкой береговой линии - добавление местной растительности на деградировавшие или поврежденные участки береговой линии. для поддержания структурной целостности почвы. Глубокие корни растений связывают почву вместе, укрепляя структурную целостность почвы и предотвращая ее растрескивание и осыпание на водоем. Дополнительный слой растительности также защищает насыпи от агрессивных воздействий, таких как дождь и ветер.[7]

Прокатные продукты для контроля эрозии (RECP)

Рулонные продукты для борьбы с эрозией представляют собой одеяла или сетки, созданные как из натуральных, так и из синтетических материалов, которые используются для защиты поверхности земли от эрозионных сил и способствуют росту растительности. РЭЧП часто используются в местах, очень подверженных эрозии, таких как крутые склоны, каналы и районы с редкой естественной растительностью. Этот продукт способствует росту растений, защищая почву от капель дождя, удерживая семена на месте и поддерживая параметры влажности и температуры, соответствующие росту растений. Типичный состав РЭЧП включает семена, удобрения, разлагаемые колья и связующий материал. Хотя конструкция зависит от производителя, большинство РЭЧП являются биоразлагаемыми или фоторазлагаемыми и разлагаются по истечении определенного времени.[8]

Койровые бревна

Кокосовые бревна для борьбы с эрозией - это изделия из натурального волокна, предназначенные для стабилизации почвы за счет поддержки подверженных эрозии участков, таких как берега рек, склоны, холмы и ручьи. Койра - это кокосовое волокно, извлекаемое из внешней оболочки кокосового ореха и используемое в таких продуктах, как веревки, циновки и сети. Как и RECP, кокосовые бревна являются натуральными и биоразлагаемыми, поскольку состоят в основном из плотно упакованных волокон кокосового волокна, удерживаемых вместе трубчатой ​​сеткой из шпагата из кокосового волокна. Кокосовое волокно прочное, водостойкое, что делает его прочным барьером от волн и речных течений. Несколько секций кокосового бревна можно соединить вместе шпагатом, чтобы обеспечить контроль и предотвращение эрозии уязвимых участков.[9] Кокосовые бревна также можно зарастить и использовать для создания корневой системы местных растений по краям заболоченных земель.

Живые ставки и фашины

Живые колья и фашины - это особые виды деревьев или кустарников, которые процветают в условиях влажной почвы и могут быть стратегически использованы для стабилизации берегов ручьев и береговой линии. Живые колья - это черенки лиственных пород с удаленными ветвями, которые при посадке во влажную почву позволят вырастить новые растения из стеблей срезанных ветвей. Их можно использовать отдельно, имплантировать в пилотные отверстия диаметром 2 дюйма (5 см) в почве или использовать в качестве устройства для защиты других материалов для биоинженерии, таких как рулонные продукты для борьбы с эрозией и бревна из кокосового волокна. Fascines - подобные живые ветви, связанные вместе и уложенные горизонтально по контурам берега реки, чтобы препятствовать или предотвращать течение воды и сдерживать эрозию.[10]

Кисть Матрас

Щеточные матрасы, также известные как живые щеточные маты или щеточные маты, - это метод, используемый для создания немедленного защитного покрытия водотока. Матрасы со щетками представляют собой плотные конструкции из живых кольев, фасцинов и обрезков веток, укрепленных дополнительными кольями для защиты насыпи. Матрас со щеточкой предназначен для того, чтобы со временем пустить корни и улучшить условия для заселения местных растений. Помимо помощи в восстановлении прибрежных местообитаний, этот продукт задерживает отложения, стекающие вниз по течению, и обеспечивает ряд преимуществ для рыб и водных видов, обеспечивая физическую защиту от хищников, регулируя температуру воды и затеняя ручей.

Live Cribwalls

Стены живой кроватки - это конструкции, которые напоминают деревянную бревенчатую хижину, встроенную в русло реки и заполненную натуральными материалами, такими как почва, спящие древесные опилки и камни. Стена живой кроватки способна укрепить берега ручья за счет комбинации прочной бревенчатой ​​конструкции и корневой массы, которая вырастет из опилок и укоренится глубоко в берегу, защищая его от эрозии. Несмотря на то, что кровля довольно трудоемка, она может прослужить десятилетия и обеспечить отличную водную среду обитания под поверхностью воды. Cribwalls обладают способностью предотвращать возникновение разделенного канала в потоке, но не должны использоваться в потоках с нисходящим потоком, поскольку основание структуры будет скомпрометировано.[11]

Инкапсулированные грунтовые подъемники

Инкапсулированные подъемники почвы - это метод, при котором почва «инкапсулируется» в биоразлагаемое одеяло и организована на склоне таким образом, чтобы создать желаемый уклон берега ручья. Слои грунта или подъемники используются для стабилизации берегов береговых линий с умеренным и высоким уровнем энергии. После постройки подъемники засаживают семенами местных цветов, кустарников и трав. Помимо уменьшения эрозии почвы в водоеме, подъемники почвы защищают качество воды и окружающую прибрежную среду обитания.[12]

Овощная каменная ракушка

Растительная каменная наброска - это метод строительства мягкой береговой линии, который является альтернативой обычной каменной наброске для защиты от эрозии. Обычная каменная наброска - это форма каменной брони, щебня или бетона, используемая для защиты береговых сооружений от сил эрозии. Растительная каменная наброска - более экономически эффективная форма защиты береговой линии, которая улучшает среду обитания рыб и диких животных, а также смягчает внешний вид и улучшает эстетику набережной. Растительная каменная наброска включала местную растительность вместе с камнями, чтобы создать живые черенки на берегу. Этот метод улучшает естественную среду обитания водных видов наряду с защитой берегов и перенаправлением водных потоков.[13]

Сумки Geo

Мешки Geo или мешки / трубки для контроля эрозии действуют как фильтры для удаления отложений, защищая от эрозии береговой линии, улавливая частицы ила и песка и не позволяя им покидать прибрежную зону. Мешки сконструированы таким образом, чтобы естественный поток воды беспрепятственно входил и выходил, ограничивая разрушение береговой линии. Эти гео-сумки или трубы предназначены для естественного внешнего вида в прибрежной среде, в отличие от бетонных альтернатив, и созданы, чтобы выдерживать нагрузку на открытом воздухе. Материал мешка Geo обычно состоит из геотекстильной ткани и может быть разработан для различных спецификаций.[14]

Лучшие практики управления

Чтобы применить принципы мягкой инженерии на практике, береговые линии должны быть перестроены для достижения нескольких целей. Например, проектирование мягких береговых линий позволяет снизить затраты, стабилизировать берега, повысить эстетическую ценность, защитить прибрежные среды обитания, расширить доступ общественности и поддержать разнообразие дикой природы.[2] Для достижения нескольких целей по развитию и проектированию береговой линии необходимо сформировать многопрофильную команду, которая объединит экологические, социальные и экономические принципы.

Первым шагом в внедрении мягкой инженерии является предварительная оценка объекта и определение ее применимости и практичности. Типичная оценка включает определение протяженности проектной территории, оценку существующих видов использования, документирование удобств и характеристик, таких как места обитания, виды, общественный доступ, развитие, а также рассмотрение воздействия желаемого использования в будущем.[2] Если команда решает, что сайт подходит для реализации мягкого инжиниринга, разрабатывается сложный процесс для достижения заранее определенных целей разработки и завершается поставленными задачами. Затем должны быть созданы стандарты и цели для измерения развития и прогресса проекта. Междисциплинарные партнерства должны быть установлены на ранней стадии процесса, чтобы гарантировать включение экологических, социальных и экономических ценностей, а также поставленных целевых задач для измерения прогресса. Устанавливаются приоритеты и альтернативы, команда работает вместе, чтобы выбрать лучшие методы управления для достижения максимальной эффективности. После определения и внедрения передовых методов управления успех проекта зависит от достижения целей и эффективных усилий по сохранению и сохранению.[2]

Примеры из практики

Инициатива Большого Детройта по реке Наследие Америки

В 1998 году президент Соединенных Штатов Америки создал Инициативу по рекам американского наследия, чтобы восстановить и оживить реки и прибрежные районы с помощью недавно представленных методов мягкой инженерии.[4] В отчете Шнайдера сообщается, что 47,2% реки Детройт в США и Канаде было укреплено бетоном или сталью в соответствии с традиционной практикой жесткого инженерного менеджмента. В 1999 году конференция SSE в США и Канаде разработала передовые методы управления использованием SSE, которые были реализованы среди 38 проектов SSE, реализованных в бассейне реки Детройт в западной части озера Эри. На эти проекты было потрачено в общей сложности 17,3 миллиона долларов, которые были направлены на улучшение прибрежной и водной среды обитания, восстановление естественной береговой линии и очистку ливневых вод. Исследование показало, что экономические выгоды для восстановления окружающей среды огромны и предоставляют убедительные доказательства для дальнейших исследований и инвестиций в процессы восстановления береговой линии. Исследователи также обнаружили, что SSE не только улучшила естественную среду обитания, но и с социальной точки зрения, усилия помогли восстановить связь людей с природой, способствуя развитию у людей чувства привязанности к успеху и здоровью этих прибрежных территорий.[1]

Сингапур

Начиная с британского колониального строительства в 1819 году, береговая линия Сингапура претерпела обширную историю упадка из-за изменений и мелиорации земель. Хилтон и Мэннинг обнаружили, что в период с 1922 по 1993 годы площадь мангровых зарослей, коралловых рифов и приливных илистых отмелей резко сократилась, фактическая доля естественной береговой линии снизилась с 96 до 40%.[3] Для борьбы с этим пагубным антропогенным воздействием правительство Сингапура в 2008 году разработало Генеральный план, который включал изменение береговой линии в соответствии с экологическими принципами мягкой инженерии. Исследование, посвященное успеху экологической инженерии в Сингапуре, показало, что наиболее эффективный способ внедрения экологических принципов в проектирование и сохранение береговой линии - это реализация подхода «сверху вниз», который координирует и обучает множество агентств, участвующих в управлении прибрежными районами. Утрата Сингапура естественной береговой линии - лишь один пример неизбежного ущерба, наносимого интенсивным человеческим развитием, а методы мягкой инженерии обеспечивают эффективный способ уравновесить сохранение и восстановление береговой линии с развитием городов, которое, несомненно, будет продолжаться.[3]


Рекомендации

  1. ^ а б c Hartig, J.H .; Zarull, M.A .; Кук, А. (2011). «Инженерные изыскания мягкой береговой линии на экологическую эффективность». Экологическая инженерия. 37 (8): 1231–1238. Дои:10.1016 / j.ecoleng.2011.02.006.
  2. ^ а б c d е ж Колк А.Д., Ганнон Дж. Э., Шоу Дж. Р., Хартиг Дж. Х. «Лучшие практики управления мягким проектированием береговых линий». Инициатива Большого Детройта по реке Наследие Америки, Детройт, Мичиган, США. 2000 г.
  3. ^ а б c d Лай, Саманта; Loke, Lynette H.L .; Хилтон, Майкл Дж .; Bouma, Tjeerd J .; Тодд, Питер А. (2015). «Влияние урбанизации на прибрежные среды обитания и потенциал для экологической инженерии: пример из Сингапура». Управление океаном и прибрежными районами. 103: 78–85. Дои:10.1016 / j.ocecoaman.2014.11.006.
  4. ^ а б Хартиг, Джон Х .; Керр, Джон К .; Breederland, Марк (2001). «Содействие мягкому проектированию на берегах реки Детройт». Земля и вода - журнал по управлению и восстановлению природных ресурсов. Форт Дадж, штат Айова. 45 (6): 24–27.
  5. ^ Инженерный корпус армии США (1 августа 2008 г.). «Руководство по прибрежной инженерии». EM 1110-2-1100. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  6. ^ а б «Принципы и цели стабилизации мягкой береговой линии | Прибрежные процессы, опасности и общество». www.e-education.psu.edu. Получено 2019-02-28.
  7. ^ а б «Методы стабилизации береговой линии - Департамент охраны окружающей среды штата Нью-Йорк». www.dec.ny.gov. Получено 2019-02-28.
  8. ^ Район городской канализации и борьбы с наводнениями (ноябрь 2010 г.). «Руководство по критериям городского ливневого дренажа». 3. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  9. ^ «Кокосовые бревна | Контроль естественной эрозии для стабилизации почвы». www.erosioncontrol-products.com. Получено 2019-02-28.
  10. ^ "Live Stakes & Fascines - Питомник местных растений Кардно". www.cardnonativeplantnursery.com. Получено 2019-02-28.
  11. ^ Департамент природных ресурсов штата Огайо. «Live Cribwalls» (PDF). Руководство по управлению потоками Огайо. Путеводитель № 17: 57–59.
  12. ^ «Герметизированные грунтовые подъемники - благоприятный для озер вариант восстановления размывающих берегов на внутренних озерах». Расширение МГУ. Получено 2019-02-28.
  13. ^ «Применение растительной каменной наброски ~ Инновационные методы». www.terraerosion.com. Получено 2019-02-28.
  14. ^ «Мешки для защиты от эрозии для защиты побережья». www.erosioncontrol-products.com. Получено 2019-02-28.

Смотрите также