Вода поступает к Нью-Йорку по подземным водоводам — акведукам. Три главных из них передают воду из трех систем резервуаров к оперативным хранилищам и компенсирующим емкостям, а три городских туннеля соединяют эти резервуары и распределительные сети. Город, состоящий из пяти районов (Манхэттен, Бруклин, Бронкс, Квинс и Стэйтен-Айленд), обслуживается сетью водных магистралей общей длиной почти 10,0 тыс. км диаметром от 15 см до 2,1 м.

водоснабжение, Нью-Йорк, водовод, акведуки, резервуары
Рис. 1. Схема водоснабжения Нью-Йорка.
Фото: www.nyc.gov/html/nycwater/html/drinking/reservoir.shtml

ВНЕШНЕЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

 

Как уже говорилось, водоснабжение Нью-Йорка осуществляется из трех систем резервуаров. Старейшей является Кротонская система, расположенная в 40 км от Нью-Йорка. До того, как она была построена, жители города получали воду из колодцев, прудов и ручьев. Система начала эксплуатироваться в 1942 г., и сегодня через Кротонский акведук она дает городу до 10 % питьевой воды, которая поступает в резервуары Джером парка, расположенного в северо-западной части Бронкса. На самом деле этот парк представляет собой небольшое зеленое пространство, отделенное от воды двойной оградой (рис. 2). Далее вода поступает в резервуары всемирно известного Центрального парка (рис. 3).

Резервуар, Джером-парк, вода, ограда, система
Рис. 2. Резервуар в Джером-парке.
Фото: hiddenwatersblog.wordpress.com/2017/01/05/jeromep/

Катскильская система, завершенная в 1927 г., теперь доставляет около 40 % всей необходимой городу воды через Катскильский акведук и включает в себя резервуары Хиллвью (рис. 4) и Кенсико (рис. 5), расположенные в 160 км севернее Нью-Йорка.

 

 

 

Третий главный компонент водоснабжения города — система Делавер, расположенная в 200 км северо-западнее Нью-Йорка. Законченная в 1967 г., это — новейшая и наибольшая из трех систем. Она подает около 50 % необходимого объема воды через Делаверский акведук к тем же резервуарам Хиллвью и Кенсико. Хотя работы на этой системе начались в 1936 г., строительство дважды прерывалось — вначале судебными тяжбами, затем — Второй мировой войной.

Резервуар, Центральный парк, вода, поступление
Рис. 3. Один из резервуаров Центрального парка.
Фото: www.centralpark.com/things-to-do/attractions/reservoir/

Вода к Нью-Йорку подходит по Кротонскому (рис. 6), Катскильскому и Делаверскому акведукам. Первый из них длиной 53,1 км прокладывался между 1837 и 1842 гг. встречными забоями из 40 вертикальных шахт глубиной от 6,0 м до 120 м. На основном участке он представляет собой туннель диаметром 4,0 м, закрепленный кирпичом, со средней глубиной от поверхности 38,0 м. Местами кирпичная кладка усилена чугунными кольцами. На участке примыкания к резервуару Центрального парка длиной около 2,0 км вода поступает по трубам.

 

Туннель проходился буровзрывным способом через вертикальные шахты. Как это всегда бывает при подземных работах, часто требовались специальные меры по предотвращению сползания в туннель мокрого песка и гравия.

Резервуар, Хиллвью, аквидук, город
Рис. 4. Резервуар Хиллвью.
Фото: newyorkcity.blogs. sudouest.fr/archive/2008/11/04/comment-fonctionne-une-...

На севере Манхэттена проведение туннеля под рекой Гарлем вначале планировалось на глубине 46,0 м, где разведочное бурение показало наличие в кровле скального слоя мощностью 2,0 м. Однако после проходки 90,0 м туннеля на его трассе обнаружилась связанная с рекой полость, из которой вода с песком свободно изливались в туннель. Поэтому пришлось отказаться от продолжения проходческих работ по запланированной трассе туннеля и расположить его на глубине 90,0 м от поверхности реки.

 

 

 

Катскильский акведук имеет общую длину 262 км, из которой 88 км построены открытым способом, 45 км построены как безнапорный туннель, 56 км — как напорный туннель, 10 км представляют собой стальной сифон и 63 км — труб (рис. 7).

плотина, резервуар, глубина, вода
Рис. 5. Одна из ветвей резервуара Кенсико с плотиной.
Фото: maps.yourgmap.com/v/9_1nk_Water_Water.html

Одной из сложных инженерных задач при строительстве акведука было пересечение им реки Гудзон. Здесь рассматривались несколько возможных вариантов: строительство моста, несущего трубу через реку, прокладка труб в траншее на дне реки, проходка на глубине около 30,0 м от поверхности реки туннеля, закрепленного стальной оболочкой или содержащего трубы. Окончательно был принят вариант проходки туннеля в скальной породе. Однако поиски этого скального слоя бурением разведочных скважин заняли годы. Скважины бурились с берегов реки из специально пройденных разведочных шахт и с барж в реке для обнаружения слоя гранита мощностью не менее 45,0 м в кровле туннеля, чтобы противостоять давлению воды в нем. Вертикальные и наклонные скважины на глубине около 350,0 м обнаружили нужный слой гранита, а затем из углубленных разведочных шахт на этой глубине с помощью буровзрывных работ был пройден туннель круглого сечения диаметром 5,2 м длиной более 920,0 м.

Ремонт, работа, акведук, шахта
Рис. 6. Ремонтные работы в Кротонском акведуке.
Фото: http://haks.net/project.php?mark-sub=serv-sub&scat_id=78&pro_id=201

Делаверский акведук — закрепленный бетоном туннель круглого сечения с диаметром 4,5–5,5 м, общей длиной 135,2 км, построен из 31 вертикальной шахты и состоит из 3 напорных туннелей, пройденных в скальном слое на глубине от 91,0 м до 472,0 м (рис. 8).

 

На севере штата Нью-Йорк в городе Вестчестер в 2012 г. начала работать Катскил-Делаверская ультрафиолетовая дезинфекционная установка, наибольшая в мире по обеззараживанию питьевой воды. Она занимает территорию 15 000 м2 и имеет производительность 8,3 млн м3 /сут (рис. 9).

 

ГОРОДСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

 

Вода, пришедшая к городу из системы внешнего водоснабжения, собирается в резервуарах Кенсико и Хиллвью, парка Джером и Центрального парка. Отсюда по городским туннелям 1, 2, 3 вода подается к распределительным сетям, общая длина которых, как уже говорилось, составляет более 10,0 тыс. км. По вертикальным шахтам, которые служили для проходки туннелей, вода поднимается на уровень улиц, где разводится по городским сетям с трубами диаметрами до 2,1 м.

Катскильский акведук, длина, туннель, трубы
 
сечение, туннель, акведук, участок
Рис. 7. Поперечные сечения Катскильского акведука: вверху — участок, построенный открытым способом, внизу слева — участок безнапорного туннеля, справа — участок напорного туннеля (размеры в футах и дюймах, 1 фут=0,3 м; 1 дюйм=2,54 см).
Фото: www.catskillarchive.com/rrextra/dnaque.Html

Напор воды в системе создается за счет разницы высот около 300 м между питающими резервуарами и распределяющими системами районов города. Создаваемое таким образом давление достаточно для подъема воды на уровень шестых этажей большинства строений без дополнительной подкачки.

 

 

 

Вначале городские власти не осознавали необходимости строительства туннелей для городского водоснабжения, поскольку считали возможным обойтись только прокладкой труб под улицами, что применяется в большинстве городов. Однако сравнение пропускной способности туннеля и труб показало, что туннель диаметром 4,5 м эквивалентен 23 трубам диаметром по 1,2 м или 16 трубам диаметром по 1,7 м. Обычная водопроводно-насосная система потребовала бы весьма значительных первоначальных затрат, а также больших эксплуатационных затрат по дальнейшему поддержанию разнотипных труб (рис. 10). Поэтому было принято решение о строительстве туннелей, позволяющих, кроме снижения затрат, обеспечить более высокое давление воды в сети, чтобы достичь высоких строений города без применения насосных станций. Туннели, кроме того, позволяют лучше, чем водопроводная сеть, обеспечить резкое увеличение пропускной способности в экстренных случаях, например, при возникновении пожара.

Строительство, Делаверский акведук, скала, шахта
Рис. 8. Строительство Делаверского акведука.
Фото: http:// america. aljazeera.com/watch/shows/america-tonight/articles/2014/8/4/new-york-water-...

Городской туннель 1 был запроектирован, чтобы доставить воду в Нью-Йорк, поступающую от Кастильских гор. Построенный в 1911–1915 гг., он имеет длину около 29,0 км, диаметр 3,4–4,6 км, способен подать около 3,8 млн м3 воды в сутки к 1 млн жителей. Выходя из резервуара Хиллвью, туннель достигает районов Бронкс, Манхэттен и Бруклин, пересекая две реки — Гарлем и Ист-Ривер. Глубина его расположения составляет 76,0–230,0 м. После завершения строительства этот туннель стал наибольшим напорным туннелем в мире.

ультрафиолет, дезинфекция, установка, город, вода
Рис. 9. Катскил-Делаверская ультрафиолетовая дезинфекционная установка.
Фото: www.water-technology.net/projects/catskill-delawareultraviolet-water-treatment-facility/

При строительстве туннеля использовались тонны взрывчатки, и поэтому особой заботой строителей было предотвращение повреждений существующих сетей канализации, водопровода, электроснабжения, а также линий метро. В результате, проводимые взрывные работы, как правило, не замечались жителями города, за исключением периодически сооружаемых вертикальных шахт, через которые проходились участки туннелей. Всего вдоль трассы туннеля 1 были пройдены 24 таких шахты с расстоянием между ними 1,2 км, из которых 22 остались служить для доставки воды к магистралям на поверхности.

шахта, распределение, водопровод, Нью-Йорк
Рис. 10.Схема подземной распределительной водопроводной сети Нью-Йорка.
Фото: www.nyc.gov/html/dep/pdf/climate/ one-nyc-one-water.pdf

Из-за высокого уровня грунтовых вод при проходке шахт применялись кессонные камеры, стены которых использовались, как временная крепь шахт (рис. 11). Их диаметр варьировался от 4,6 м до 5,5 м. По мере опускания кессонной камеры грунт из забоя шахты вынимался и выдавался на поверхность. Чтобы избежать проникновения воды, давление внутри кессонной камеры составляло 3,2 атм.

 

Для обеспечения водой одного из городских районов — острова Стейтен-Айленд — через Нью-Йоркскую бухту, отделяющую этот остров от Бруклина, в 1914–1917 гг. по дну бухты в траншее длиной более 3,0 км, шириной около 9,0 м, и глубиной от 3,0 до 10 м была проложена чугунная труба диаметром 1,2 м. Был также построен подземный резервуар емкостью 380 тыс. м3 на месте осушенного озера, чтобы сохранить напор воды. В 1962–1970 гг. эта труба была заменена напорным Ричмонд-туннелем длиной 7,6 км, диаметром 3,0 м, пройденным на глубине 290,0 м ниже дна Нью-Йоркской бухты из двух вертикальных шахт, расположенных на берегах островов Стейтен-Айлен и Бруклин.

шахта, работы, кесонные камеры, грунтовые воды
Рис. 11. Подземные работы в кесонной камере.
Фото: www.alertdiver. com/Caissons_Compressed_Air_Work_Deep_Tunneling

Городской туннель 2, как и туннель 1, питается водой из резервуара Хиллвью. Проходился он с использованием методов и техники строительства туннеля 1. Туннель 2 имеет диаметр 4,6–5,2 м, длину 32,2 км. Глубина расположения туннеля 110,0–234,0 м. Около 26,0 км туннеля проходит непосредственно под городскими улицами, около 1,3 км туннеля расположено под рекой, но жизнь города избежала каких-либо нарушений (рис. 12). На рис.13 показано сечение туннеля 2. Работы проводились в 1928–1935 гг. Были построены 19 вертикальных шахт глубиной 110,0–234,0 м, которые располагались на расстоянии 2,1 км друг от друга.

сооружения, распределитель, глубина, туннель, улицы
Рис. 12. Модель размещения подземных сооружений Нью-Йорка:
Water distribution hub — распределитель воды;
Est River: 83 feet deep below the Brooklyn Bridge — река Ист Ривер: 25 м глубина под мостом Бруклин Бридж;
Depth in feet — глубина в футах;
Subways: 30 to 50 feet deep — линии метро: от 9 до 15 м глубины;
Piers — причалы;
Sewer mains: typically 3 to 15 feet deep — канализационные магистрали в основном, на глубине 0,9 м до 4,5 м;
63rd street tunnel — туннель 63 улицы;
Glacial deposits — ледниковые отложения;
Upper bedrock layer — верхний слой твердых пород;
Old water tunnel— старый водопроводный туннель;
Uptake shaft — вертикальная шахта;
Lower bedrock layer — нижний слой твердых пород;
3rd water tunnel — городской туннель 3.
Фото: www.constructionequipmentguide.com/the-mother-of-all-dirtyjobs-sandhogs-burrow-...

Отличительной особенностью работ по проходке туннеля 2 явилось применение при проходке шахт замораживания слабых водонасыщенных грунтов вместо кессонного метода.

 

 

 

Городской туннель 3 начал строиться в далеком 1970 г. (рис. 14). Он предназначен не для полной замены туннелей 2 и 3, но увеличит надежность общей системы и улучшит водоснабжение внешних районов города. После завершения в 2020 г. туннель 3 будет иметь длину 100,5 км с возможностью доставки воды в объеме 3,8 млн м3 /сут. Он располагается на глубине от 61,0 м до 244,0 м, параллельно существующим туннелям 1 и 2, и будет служить для подачи воды от резервуаров Хиллвью и соседнего с ним Кенсико в четыре из пяти районов Нью-Йорка (кроме СтейтенАйленда). Общая стоимость строительства составит 6 млрд долларов.

сооружения, сечение, туннель 2, замена, защита, система
Рис. 13. Сечение туннеля 2.
Фото: www.theverge. com/2013/10/19/4853636/underground-with-manhattans-new-water-...

Ввод туннеля в эксплуатацию позволит начать ремонтные работы в старых туннелях 1 и 2. Если какой-либо из них испытает серьезную аварию и утечку воды, он выйдет из строя и потребует весьма значительного времени для ремонта. Это приведет к разрушительным последствиям в социальной, экономической и политической сферах.

 

Проект состоит из четырех стадий:

Стадия 1. Участок туннеля, который считается этой стадией, имеет длину 20,8 км от резервуара Хиллвью до резервуара Центрального парка, круглое сечение с диаметром 6,1 до 7,3 м (рис. 15) и расположен на глубине 135,0–240,0 м. Четырнадцать вертикальных шахт, из которых проходился туннель, используются для подачи воды к городским сетям. В стадию 1 входят три подземные вентильные (запорные) камеры для контроля расхода и давления воды (в парке ВанКортланд в Бронксе, на острове Рузвельта в реке ИстРивер и в Центральном парке в Манхэттене).

сооружения, строительство, туннель 3, надежность
Рис. 14. Схема стадий строительства городского туннеля 3.
Фото: www.pinterest.com/pin/120119515038869028/

Наибольшая из вентильных камер в парке Ван-Кортленд (рис. 16) имеет длину 186,0 м, ширину 13,0 м, высоту 12,5 м и она расположена на глубине 76,0 м. Вентильный комплекс также содержит 9 вертикальных шахт, 2 распределительные магистрали, каждая около 170 м длиной и 7,2 м в диаметре, и 34 подсобных туннеля по 30,0 м длиной каждый. Некоторые из шахт проводились не обычным буровзрывным способом с поверхности, а комбинированным: снизу вверх с уровня камеры до поверхности бурилась скважина диаметром 0,3 м в диаметре, расширяемая затем до нужного диаметра шахты. Отбитая при этом порода грузилась на конвейер на уровне вентильной камеры.

сооружения, город, туннель , диаметр, парк
Рис. 15. Сечение городского туннеля 3 на стадии 1.
Фото: www.google. com/search?q=nyc+water+tunnel+3+stage+1&source=lnms&tbm=isch&sa.

Стадия 2 состоит из двух отдельных туннелей, строительство которых началось в 1993 г. и закончилось в 2006 г. Бруклинский туннель имеет длину 8,9 км и служит для подачи воды от резервуара Центрального парка к районам Квинс и Бруклин, а также для связи с подземным водохранилищем в районе Стейтен-Айленда. Диаметр туннеля 6,1 м в Квинсе и 4,9 м в Бруклине. Туннель в Манхэттене имеет длину 14,0 км и диаметр 3,0 м. Он проходился с помощью буровой туннельной машины (рис. 17) и с использованием десяти вертикальных шахт. Работы на этой стадии были завершены к концу 2013 г. Применение машин сокращает число рабочих, создает гладкую поверхность стен, уменьшая стоимость бетонной крепи, снижает уровень шума на поверхности по сравнению со взрывными работами, что важно в городских условиях.

Вентильная камера, парк, резервуар
Рис. 16. Вентильная камера в парке Ван-Кортленд.
Фото: http://flatrock. org.nz/topics/environment/new_york_city_water_tunnel_no_3.htm

Стадия 3 — это участок туннеля длиной 25,7 км, диаметром 7,3 м (рис. 18), который расположен параллельно Катскильскому и Делаверскому акведукам. Он будет проведен от резервуара Кенсико и свяжется с туннелем стадии 1 в вентильной камере парка Ван-Кортланд в Бронксе. Стадия 3 даст возможность обеспечить дополнительную подачу воды и служить в качестве резерва для аварийных случаев. От вентильной камеры вода может быть подана к туннелю 3 или к резервуару Хиллвью для доставки к туннелям 1 и 2.

 

 

 

Стадия 4. На этой стадии вода будет поступать в туннель из резервуара Хиллвью и доставляться к восточным частям Бронкса и Квинса. Будет сооружен 22,5-километровый участок туннеля.

бур, туннель, машина, водохранилище
Рис. 17. Работа буровой туннельной машины в стадии 2 туннеля 3.
Фото: http://flatrock.org.nz/topics/environment/new_york_city_water_tunnel_no_3.htm

Сегодня состояние дел со строительством туннеля 3 таково. Бывший мэр Нью-Йорка Майкл Блумберг считал, что завершение строительства туннеля 3 — настоятельная задача для города. Он обратился к дюжине экспертных агентств по чрезвычайным ситуациям с просьбой дать рейтинговую оценку опасностям, угрожающим городу, включая террористическую угрозу и природные катаклизмы. Все они ответили, что самая реальная опасность — обрушение двух старых водопроводных туннелей 1 и 2. Эти туннели не прекращали работу для осмотра и ремонта со времени их запуска: туннель 1 — с 1917 г., туннель 2 — с 1936 г. В 1954 г. была сделана попытка временно закрыть старейший из них, но из-за увеличения нагрузки начали выходить из строя гигантские задвижки в вентильной камере у Центрального парка. Поэтому эксперименты были прекращены.

 

Нынешний мэр Билл де Блазио отложил работы по завершению туннеля 3 (правда, потом под давлением общественного мнения возобновил финансирование) и теперь сдача его в эксплуатацию назначена на 2021 г.

 Сечение, городской туннель, водоснабжение
Рис. 18. Сечение на стадии 3 городского туннеля 3. Фото: www.theverge. com/2013/10/19/4853636/underground-with-manhattans-new-water-...

ЛИТЕРАТУРА

 

1. A Tunnel 60 Miles Long. New York City Water Tunnel Number 3. http://flatrock.org.nz/topics/environment/new_ york_city_water_tunnel_no_3.htm.

2. Construction of the Delaware Aqueduct in Pictures. http://www.nyc.gov/html/dep/html/news/delaware_ aqueduct_construction_slideshow.shtml.

3. D'Orazio, D. Eight miles of water: underground with Manhattan's new aquatic lifeline. October 19, 2013. https://www.theverge.com/2013/10/19/4853636/ underground-with-manhattans-new-water-tunnel-threephoto-essay.

4. Dwyer, D. De Blasio Postpones Work on Crucial Water Tunnel. The New York Times. April 5, 2016. https:// www.nytimes.com/2016/04/06/nyregion/de-blasiopostpones-work-on-crucial-water-tunnel.html.

5. History of New York City’s Water Supply System. http://www.nyc.gov/html/dep/html/drinking_water/history. shtml.

6. New York City Tunnel No. 3. https://www.watertechnology.net/projects/new-york-tunnel-3/

7. New York City Water Tunnel No. 3. .https:// groundfreezing.com/projects/new-york-city-water-tunnelno-3.

8. Rush, J. A Look at New York’s City Tunnel No. 3. https://tunnelingonline.com/look-newyorks-city-tunnel-3.

9. Salazar, C. How New York City gets its water, from reservoir to tap: NYCurious, April 18, 2018. https://www. amny.com/lifestyle/how-nyc-gets-its-water-1.9205765.

10. Stabile, T. NYC Water Tunnel Work Gets Ready to Alter Flow, July 14, 2016. https://www.enr.com/ articles/39869-nyc-water-tunnel-work-gets-ready-toalter-flow.

11. Vintinner, E. Thirsty Metropolis: A Case Study of New York. City’s Drinking Water. Columbia University; New York, NY. email evintinner@amnh.org.

12. Watershed Management for Potable Water Supply: Assessing the New York City Strategy (2000). Executive Summare. https://www.nap.edu/read/9677/chapter/2.

13. Water on the Brain. April 8, 2016. https:// businessfacilities.com/2016/04/water-on-the-brain/. New York City Water Tunnel No. 3. https://alchetron.com/NewYork-City-Water-Tunnel-No.-3.

14. Сапиенца, B. Отчет о снабжении питьевой водой и ее качестве в г. Нью-Йорке за 2017 г. http://www. nyc.gov/html/dep/pdf/wsstate17-ru.pdf.

 

Статья была опубликована в августовском номере журнала "Наука и техника" за  2018 год

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!