Гидротехника

Гидротехника, собирательное понятие, которым обозначают разнообразные инженерные работы, а также — в несколько ином смысле — тот цикл инженерных наук, который описывает и изучает все эти работы. Общим их признаком является вода, от которой нужно защищаться, или которую нужно подчинить определенной дели, которую нужно, наконец, отвести с одного места на другое. Так, например, вопрос об утилизации энергии текучих вод земной поверхности входит в гидротехнику, и все сооружения, сюда относящиеся, называются гидротехническими, как-то: плотины, которыми сосредоточивается в одном месте падение реки, распределенное на более или менее значительной ее длине, и которыми облегчается забор воды; подводящие и отводящие каналы, трубопроводы и т. д., позволяющие не только отвести воду к месту установок машин, но и сконцентрировать в одном месте еще большую степень напора и затем вернуть в реку воду отработавшую, т. е. спустившуюся на уровень нижнего участка утилизируемой части падения реки; далее, помещения для машин, самые машины... все это изучается в различных отделах гидротехники. Защита местности от наводнений, осушение заболоченных участков, проведение воды для целей орошения, добыча и проведение воды для удовлетворения нужды данного населенного пункта в питьевой воде или в воде для промышленных целей, удаление из населенного пункта грязных и сточных вод и их обезвреживание, все эти вопросы, часто носящие специальные названия мелиораций, водоснабжения, орошения, канализации, очистки сточных вод и т. д., — все это отделы гидротехники. Улучшение судоходных условий реки, увеличение ее глубины шлюзованием, т. е. помощью плотин, поднимающих уровень воды, и шлюзов, позволяющих переводить суда с одного уровня на другой, увеличение глубины помощью землечерпания, обход порогов и стремнин искусственными судоходными каналами вместе со шлюзами, создание путей сообщения, соединяющих водные системы разных бассейнов с переходом через водоразделы, регулирование рек и озер в разнообразных целях, обычно для того, чтобы иметь возможность управлять уровнем озера и расходом   реки, всевозможные работы по укреплению омываемого водой грунта, как для создания прочного фундамента под какое-нибудь сооружение, так и для предохранения от размыва и обвалов берегов, набережных и т. п., наконец, разные вопросы и работы по устройству гаваней, защищенных от ветров и волнения, а вместе с тем и таких сооружений, как молы, маяки и т. п., которые должны выдерживать разрушительное действие этого волнения, — все это тоже отделы гидротехники, и все эти сооружения нужно назвать гидротехническими.

В основу проекта любого из этих сооружений, как и для всякой инженерной работы, кладется детальное изучение местных условий, для чего производятся изыскания. В зависимости от назначения сооружения программа последних ставится более или менее широко. В нее входят обычно: чисто топографическое изучение местности будущего сооружения, иногда в нескольких вариантах; изучение геологического строения иногда в целях выяснения лишь строительных качеств грунта, часто в целях нахождения водоносных слоев, а иногда, наоборот, для выяснения степени их водонепроницаемости; выяснение ряда экономических вопросов, не только в смысле стоимости необходимых отчуждений, но и в смысле установления возможных в будущем экономических результатов от возведения сооружения, например, для водного пути — возможный для него грузооборот, тарифы и т. п., для орошений и мелиоративных сооружений — условия эксплуатации улучшенных участков, возможные на них культуры, для предприятий по утилизации гидравлической энергии — местные цены на энергию, возможные для данной местности производства, потребляющие энергию, и т. д. Характер и детальность изысканий могут значительно видоизменяться от случая к случаю, и выше отмеченные вопросы далеко не исчерпывают всех рубрик программы. Почти во всяком гидротехническом сооружении есть еще одна сторона, которая должна быть выяснена предварительными исследованиями на месте, это — режим текучих вод затрагиваемого сооружением района. Знать режим реки, это значит знать, как в разное время года и в разных пунктах потока меняются его расходы, т. е.  протекающие в 1 секунду объемы воды; знать продольный профиль свободной поверхности потока при разных высотах стояния воды, а также профиль его дна; знать, как и когда устанавливается замерзание (ледостав) и как идет ледоход, каковы пределы разлива реки и т. д. Только в редких случаях эти данные имеются за более или менее долгий промежуток времени и вообще с желательной обстоятельностью. Поэтому часто к вопросу о режиме реки присоединяется изучение площадей бассейнов, как всего потока, так и важнейших его   притоков, а  также изучение количеств атмосферных осадков, как средних годовых, так и их колебаний в течение года, с разделением осадков на твердые и жидкие. Во многих случаях важно установить только колебание высоты стояния воды; иногда необходимо знать, сколько и какого твердого материала влечет за собой поток и при каких условиях он его отлагает и т. д. Все эти крайне важные вопросы режима рек, кроме чисто метеорологических, объединяются в одном гидрометрическом их исследовании, так  что гидрометрия представляется важным отделом гидротехники.

Сведения о типах отдельных гидротехнических сооружений приводятся в особом приложении; здесь же для характеристики роли и значения некоторых из перечисленных сооружений, приводим следующие данные.

Запасы энергии текучих вод, или, как часто говорят, по почину министра Кавура, в особенности в применении к рекам, берущим начало в ледниках и вечных снегах, запасы «белого угля», не приведены в точную известность. Можно только утверждать, что, в противоположность ископаемому углю, использование «белого угля» не уменьшает его запасов, ибо они будут налицо, пока солнце будет посылать земле достаточно тепла, а на земле будет достаточно воды для испарения, которая затем, конденсируясь в атмосфере, будет падать на землю и образовывать ее ледники и потоки. Далеко не вся падающая по земной поверхности вода может быть использована для получения механической и электрической работы: она может находиться в таких местностях, где ее некуда было бы применить; она может находиться в таком виде (например, очень малое падение слишком больших масс воды), что было бы технически трудно, значит, дорого, т. е. экономически невозможно, утилизировать ее; вся или часть протекающей воды должна быть сохранена для целей более важных, например, для судоходства или для орошения; наконец, всегда часть падения должна оставаться неиспользованной, чтобы осуществлять  перемещение водяных масс, которых по существу невозможно задержать. При всех этих ограничениях все-таки запасы энергии в текучих водах громадны. Достаточно указать, что один водопад Ниагара представляет мощность около 5 000 000 л. с. Громадные водопады имеются во всех частях света, в том числе и в Европе, в особенности в Норвегии и Швеции. Богата водопадами и порогами также и Европейская Россия; так, самая большая стремнина Финляндии Пюхекоски на реке Улеа несет мощность около 290 000 лошадиных сил; одна Иматра, не считая прочих порогов Вуоксы, несет до 120 000 л. с.; Кивач и два другие водопада на той же реке Суне—Пор-порог и Гирвас — представляют мощность около 40 000 л. с. каждый; Нарвский водопад может дать до 85 000 л. с., если, пользуясь Чудским озером, урегулировать расход реки; пороги реки Волхова проносят не менее 45 000 л. с.; Боровицкие пороги на р. Мете — до 30 000 л.. с.; пороги Западной Двины от Крейцбурга до Риги — свыше 100 000 л. с.; один Ненасытец на Днепре — около 50 000 л. с., а все Днепровские пороги — до 300 000 л. с. и т. д.¹⁾. Наконец, в настоящее время близко к осуществлению предприятие по утилизации части падения р. Терека и озера Гокча, причем предусматривается возможность установки турбин с общей мощностью до 240 000 л. с.

¹⁾  Все эти числа представляют валовую работу потоков при низком стоянии воды. В механическую энергию могло бы быть обращено от 75 до 80% от этих величин.

Совершенно приблизительные исчисления позволяют оценивать следующими числами ту энергию, которая в разных государствах Европы могла бы быть извлечена из текущей воды и обращена в механическую:

Англия – 900 000 л.с.
Германия – 1 400 000 л.с.
Швейцария – 1 500 000 л.с.
Италия – 5 500 000 л.с.
Франция – 5 800 000 л.с.
Австро-Венгрия – 6 100 000 л.с.
Швеция – 6 750 000 л.с.
Норвегия – 7 500 000 л.с.

Многие из этих чисел в отдельных своих составных частях основаны на точных данных: это нужно сказать, например, про Швейцарию, про отдельные государства Германии, также про альпийские участки Франции (инженер де-ла-Бросс насчитывает в этой области до 1 000 000 л. с. круглый год и до 2 300 000 л. с. — в течение 9 месяцев) и т. д. Уже совершенно приближенно и очень осторожно инженер С. П. Максимов насчитывает в реках Европейской России, не считая Финляндии и Кавказа, не менее 1 000 000 л. с., тогда как француз Пакоре говорит, что во всей Европейской России имеется в реках до 11 млн. л. с.

Из этих громадных запасов энергии было обращено в электрическую энергию в 1902 году, по вычислениям Campbell Swinton’а:

В Англии – 12 000 л.с.
В Германии – 81 000 л.с.
В Швейцарии – 133 000 л.с.
В Италии – 210 000 л.с.
В Франции – 161 000 л.с.
В Австрии – 16 000 л.с.
В Швеции – 71 000 л.с.
В России – 10 000 л.с.

Эти числа, несомненно, преуменьшены, а кроме того, сильно увеличились с течением времени. Так, в Швейцарии к 1907 году на всех станциях, мощностью свыше 275 л. с. было установлено водяных турбин до 335 000 л. с., а к 1910 году — на станциях, свыше 2 750 л. с. каждая, оборудование достигало мощности свыше 400 000 л. с., т. е. в 3 раза больше данных Свинтона. Также в Австрии к 1910 году на гидравлических станциях, работающих только водой, без дополнения тепловыми машинами, было установлено около 150 000 л. с. Подобным же образом в Североамериканских Соединенных Штатах по Свинтону в 1902 году было утилизировано до 500 000 л. с., а к 1907 году это число увеличилось до 900  000 л. с. и расходуется исключительно на производство тока. На одном Ниагарском водопаде на территории Штатов двумя компаниями установлено турбин на мощность 180 000 л. с., а на Канадской стороне того же водопада четыре компании установили около 480 000 л. с.

Из таблицы Свинтона видно, между прочим, что, если для многих стран утилизация их водных богатств является делом настоящего момента, то для России — это только дело будущего. Надо надеяться, что это будущее не слишком отдаленно, так как экономическое значение утилизации водяной энергии очень велико, что видно из следующих двух примеров. В 1904 году вся промышленность Франции потребляла около 8,2 млн. л. с. (6,2 млн. л. с. на железных дорогах и трамваях, 0,08 млн. л. с. на речном судоходстве и 1,9 млн. л. с. на фабриках, заводах и проч.). Из воды извлекалось   только 0,161 млн. л. с., или около 2%. При этом ей не хватало своего угля и она ввезла в этом году 13 млн. тонн, т. е. около 22% всего потребления угля. Эта стоимость оставалась бы в стране ежегодно, если бы было соответствующее развитие использования водяной энергии. Для Волховских порогов проектируется гидравлическая станция мощностью в 35 000 л. с. Считая с запасом капитальную стоимость установки 1 л. с.  в 400 руб. и полагая, что на %, на амортизацию, на ремонт и уход и, наконец, в фонд возобновления должно отчисляться в год 10% затраченного капитала, находим эксплуатационные расходы такой станции 0,1 Х 400 Х 35 000 = 1 400 000 руб. С другой стороны, станция, оборудованная современными паровыми турбинами, расходующими 5,5 килограммов пару на киловатт-час, работающая 7 000 часов в год и развивающая до 25 000 KW (что почти равно 35 000 л. с.), при паропроизводительности угля в 7 kgr пару на 1 kgr угля, должна сжигать угля в год (25 000 Х 5,5 Х 7 000 Х 60)/(7 Х 1 000) = 8 250 000 пудов или на сумму 1 650 000 руб. Считая, что расход на топливо в таких станциях составляет 0,6 всех эксплуатационных расходов, получим стоимость эксплуатации такой станции в год 2 750 000 руб. Таким образом, помимо того, что гидравлическая станция может работать все 8 760 часов в год, тогда как паровая рассчитана лишь на 7 000 час., эксплуатация последней обойдется ежегодно дороже на 1 350 000 руб. В более мелких станциях выгодность гидравлической энергии не так велика, тем не менее, экономичность ее не подлежит никакому сомнению. Об недостатках гидравлической энергии — см. в приложении.

Не меньшее значение и развитие имеют ирригационные и вообще мелиоративные работы, эти древнейшие гидротехнические сооружения, восходящие к временам египетских фараонов и царей персидских. Очень большого развития достигают оросительные предприятия в западной, сухой части Североамериканских Соединенных Штатов, где к 1890 году орошалось около 1,5 млн. десятин, а в 1905 году эта площадь возросла до 3,38 млн. десятин. Также в Египте орошается теперь свыше 2,5 млн. десятин, причем около 1,47 млн. десятин находятся в Нижнем Египте, а остальные 1,1 млн. десятин находятся в Среднем и Верхнем Египте. Для осуществления этого орошения на Ниле близ Ассуана, в 1 200 км от Средиземного моря, построена плотина, грандиознейшая в мире как по своей водопропускной способности — до 15 000 куб. метров в секунду в полую воду, — так и по объему накопленной воды — 1 065 млн. куб. метров, с длиной образовавшегося таким образом искусственного озера в 160 км. Все сооружение построено инженером Вилькоксом, открыто в 1902 г. и стоило около 22,6 млн. руб., т. е. почти по 9 руб. на орошенную десятину. Большого развития достигают эти работы в Индии; для Месопотамии тот же Вилькокс разработал грандиозный проект.

В России работы такого рода представляют для многих местностей насущную необходимость и производятся давно, особенно в Туркестане, но до последнего времени без системы и часто без успеха. Лишь в самые последние годы Отдел земельных улучшений Главного Управления земледелия и землеустройства приступил к систематическим изысканиям в этой местности, создав там в 1909 г. особую Гидрометрическую часть, которая организована инженером В. Глушковым. Считают, что воды рек Сыр-Дарьи, Аму-Дарьи и Мургаба может хватить для орошения не менее как 1,3 млн. десятин, что представляет только часть нуждающихся в орошении земель. Правда, имеются также реки Чу, Или, Нарын, воды которых могут также быть использованы. По последней реке оросительные работы задуманы и осуществляются частным предприятием.

Приблизительно такую же площадь -  около 1,22 млн. десятин — можно оросить в Закавказье водами Куры и Аракса, из них один Аракс оросит свыше 324 000 десятин Муганской степи и до 320 000 десятин Мильской степи. На Мугани часть работ уже выполнена — орошаются 30 000 десятин Голицинской системой и 12 000 десятин — Нижне-Воронцовской; к весне 1911 года ожидалось открытие орошения еще 8 000 десятин Верхне-Муганским каналом. Далее, предстоят большие оросительные работы в других местах Закавказья, в степях Северного Кавказа по Тереку и Кубани; огромные площади в Западной Сибири (до 10 млн. десятин) требуют орошения; в 7 южных губерниях от Бессарабии до Астрахани маловодных и безводных земель считают до 9 млн. десятин.

Как характеристику эффекта, достигаемого орошением, можно указать, например, что в степях Дагестанской области, на участках, орошаемых из реки Сулак, всадник верхом скрывается в буйной пшенице, а на соседнем участке, но без орошения, уже в начале июня все выжжено солнцем. Построенные орошения в Муганской степи дали капитальную затрату около 35 руб. на орошенную десятину. И в то же время такая десятина под хлопком дает 15 пудов хлопка, стоимостью 225 руб.; под пшеницей та же десятина приносит валового дохода 80 руб. Подобным же образом в Калифорнии в 1899 году было под апельсинными рощами около 18 000 орошенных десятин, с которых было снято апельсинов на 7 млн. долларов, или около 780 руб. с десятины. Средняя же стоимость урожая во всех орошенных западных областях Соединенных Штатов была в 1890 г. около 90 руб. При этом капитальная затрата на устройство орошения была в среднем по 42,5 руб. на десятину, подымаясь для Калифорнии до 85,5 руб.; содержание орошения обходилось в среднем около 6,5 руб. в год на орошенную десятину, изменяясь от 2,5 до 32 руб. в отдельных участках Калифорнии.

Нетрудно представить себе, что для России осушения имеют также огромное значение. Здесь нужно иметь ввиду не только болота Средней России, но и большие и в сущности богатейшие по своему плодородию площади в низовьях больших рек, впадающих в Черное и Каспийское моря. Эти площади покрыты так называемыми плавнями, остающимися после половодий; на них не растет ничего, кроме камыша; жизнь на них почти невозможна вследствие свирепствующих лихорадок. Защищенные от наводнений и орошенные, эти земли обращаются в житницы: например, по Днестру 1 десятин плавня с камышом приносит не более 1 руб. доходу, тогда как валовой доход с десятины орошенного фруктового сада доходит там, в среднем до 1 000 руб. в год. Таких плавней по Днестру имеется до 37 000 десятин; по Дунаю одних казенных земель под плавнями до 32 000 десятин; то же самое повторяется по Кубани, по Тереку и т. д.

Наконец, для выяснения значения гидротехники, как науки о водяных путях сообщения, укажем на грандиозные и говорящие за себя сооружения Суэцкого и Панамского каналов. Не меньшее, хотя только местное, значение имеют внутренние водные пути. Европейская Россия обладает самой длинной в мире сетью сплавных и судоходных рек; ее длину считают в 168 000 верст. В том числе одна Волга представляет путь в 3 362 версты длины (от Верхневолжского бейшлота; от Рыбинска — 2 683 верст). Но наша сеть отличается большой мелководностью. Так, осадка судов в 8 четвертей признавалась на многих съездах для Волги только желательной, а непрерывное движение до Рыбинска обеспечено только для судов с осадкой в 4 четверти. Между тем, 41% всей длины немецкой сети доступны для судов с осадкой до 2 метров, т. е. больше 12 четвертей, а во Франции для таких же судов доступны 56% всей сети. Так же характерно малое развитие искусственных путей, т. е. копанных каналов и шлюзованных участков рек. В России таких искусственных путей только 1 859 верст, т. е. 1,1%; в Германии их 28,5% из общей длины в 12 900 верст, а во Франции — 48,5% из общей длины в 9 500 верст. Шлюзованные участки русских рек доступны для небольших судов, и шлюзы не высоки. Из этого видно, что русской гидротехнике предстоит еще много работ, чтобы поставить речное судоходство на должную высоту.

А. Астров.