高中工程/饮用水
饮用水是干净到可以安全饮用的水。它不包含有害水平的化学污染物或微生物。由于数千年前开始的工程努力，大多数发达国家居民都可以获得安全清洁的水。然而，许多发展中国家居民没有这种机会，每天都在与疾病和不良水质带来的其他影响作斗争。为这些人提供水是工程师及其所在社会面临的挑战。
在本节中，我们将追踪一些与社会背景下清洁水相关的重要的历史工程进展。我们着眼于古代罗马世界、中世纪和工业化欧洲以及现代美国西部向大型城市供水的情况。
贯穿本节讨论的所有工程项目的共同主题是这些项目规模巨大。许多项目都超越了实施它们的文明的技术能力。它们的实施不仅需要良好的工程，还需要政府对大量劳动力进行大量资金投入，并提供大量的材料。纵观历史，清洁供水和卫生系统的发展主要由政府承担，而不是由个人或公司承担。因此，领导这些项目的工程师需要的技能远远超出了数学和科学的应用；他们需要了解并能够与政府合作以获取项目资源，并且他们需要了解将参与项目的工人的能力。
在罗马之前出现的许多文明发展了重要的工程技术，后来被罗马人采用。耶路撒冷是第一个由工程系统供水的重大人类定居点之一。来自该城市附近泉水的用水通过该城市下方的隧道输送到蓄水池和地下储水库进行储存。邻近的文明，包括现今叙利亚、伊拉克和伊朗的文明，都使用水坝、引水渠、隧道和卡纳特来供水。
最初，罗马居民的饮用水来自台伯河以及当地的泉水和井。然而，随着罗马的不断发展，这些水源变得污染，无法为该城市提供足够的水。当罗马需要可靠的供水时，罗马工程师就可以利用这些早期文明发展起来的供水技术。
罗马人修建了引水渠，将泉水或河流中的水输送到罗马。我们熟悉用拱桥将引水渠跨越山谷的景象；图 6.2 中所示的引水渠就是一个例子。或许鲜为人知的是，罗马工程师尽可能避免建造这些桥梁，而是更倾向于使用地面渠道或隧道运输水。
最早为罗马供水的引水渠是阿皮斯引水渠，建于公元前 312 年。最终，大约在公元 100 年左右，12 条引水渠为居住在罗马的超过 100 万人提供水；这些引水渠的总长度约为 300 英里，其中只有 40 英里位于拱桥上。除了罗马之外，大多数其他大型罗马城市都拥有饮用水供应。
与许多工程项目类似，规划和建造罗马水系统的罗马工程师并没有发明他们使用过的所有技术，而是对这些技术进行了改进。例如，罗马人发明了一种防水水泥，用于衬砌引水渠。罗马人还发展了在水源附近储存饮用水的概念，而不是在城市中储存饮用水。
我们对罗马水系统的大部分了解来自塞克斯图斯·尤利乌斯·弗朗蒂努斯（约公元 40-103 年）的著作，他大约在公元 100 年担任罗马水务专员。他显然对罗马水系统和实施它的工程感到自豪。他写道“与这些必不可少的结构一起，如此多的水流通过，请与闲置的金字塔或希腊人那无用但著名的作品相比。”
除了饮用水供应之外，罗马还拥有一个排水系统。在这个系统中，来自引水渠的水以及来自溪流和泉水的用水将人类废物和其他不需要的物质冲入台伯河的排水沟中。与现代污水处理系统不同，废水未经处理，污染了河流。只有最富有的私人住宅连接到该系统。对于没有室内管道的人来说，公共厕所可以以低廉的价格使用。然而，许多人会从高层窗户向街道上倾倒便盆。
随着罗马帝国的衰落，许多在饮用水供应和废物处理方面取得的进步都消失了，特别是在北欧和西欧。
伦敦位于泰晤士河畔。在 13 世纪，它的人口约为 40,000 人。到 17 世纪，这个数字已增至 50 多万人。与罗马一样，伦敦人最初也依靠泰晤士河、泉水和井的水，但随着城市的发展，这些资源变得污染，无法维持人口增长。
许多工程项目被开发出来以增加水供应。在 13 世纪中期，“大水渠”是后来建造的 12 个水渠系统中的第一个。在这些系统中，来自泉水的水被储存在附近的一个大型蓄水池中。该蓄水池通过管道连接到另一个距离一英里远的地方的蓄水池；第二个蓄水池设有阀门来分配水。从 1609 年到 1613 年，由休·米德尔顿爵士（1560-1631）建造了长达 60 公里的运河——新河。这条运河至今仍是伦敦重要的水源。
与罗马一样，人类和动物废物的处理一直是伦敦历史上的一大问题。不洁饮用水和卫生条件差是 14 世纪中期至 17 世纪中期席卷欧洲（包括伦敦）的毁灭性瘟疫流行的主要原因。尽管政府反复努力，泰晤士河仍然被流入其中的污水和其他垃圾污染。
在 1840 年代中期，伦敦的都会排水委员会下令关闭化粪池，并将房屋排水管连接到排入泰晤士河的排水系统。污染加剧导致 1848 年和 1849 年爆发霍乱。图 32 显示了英国著名科学家迈克尔·法拉第（1791-1867）在 1855 年对河流状况的评论的漫画。1858 年的夏天异常炎热，泰晤士河以及流经伦敦的许多溪流都受到污水严重污染。由此产生的恶臭如此之大，以至于威胁到英国政府的运营。这一事件被称为“大臭味”。
大臭味如此严重，以至于都会工程委员会（取代了都会排水委员会）授权其首席工程师约瑟夫·巴扎尔杰特（1819-1891）重新设计和重建伦敦排水系统。他的设计使用了 83 英里的砖砌排水沟隧道，将污水转移到伦敦下游，在那里未经处理地排放到泰晤士河。排水系统的容量非常大，至今仍在使用。伦敦排水系统是一个巨大的公共工程项目。
美国西部大部分地区是干旱或半干旱地区。西部的大多数主要大都市中心只能通过大型节水项目来维持目前的人口。节水项目包括用于储水的坝和用于分配水的运河。
西部的大多数大型节水项目建于 20 世纪上半叶。这些项目的建设是一项重要的工程壮举。它们都涉及巨额预算、庞大的劳动力队伍，并利用了当时最先进的技术。这三个项目是亚利桑那州的索尔特河工程、加州的洛杉矶引水渠以及科罗拉多河上的胡佛水坝（位于内华达州/亚利桑那州边界）。我们简要介绍一下这三个项目。
索尔特河工程始于 1904 年，当时西奥多·罗斯福大坝开始建设。索尔特河从亚利桑那州东部山区流出，穿过菲尼克斯都会区，然后与吉拉河汇合，最终流入科罗拉多河。索尔特河容易受到洪水和干旱的影响。依靠这条河流灌溉农作物的农民需要更可靠的水供应。因此，他们在 1903 年成立了索尔特河谷用水协会。第一个主要的工程项目是西奥多·罗斯福大坝的建设，如图 33 中 1915 年的照片所示。这座大坝始建于 1904 年，于 1911 年竣工，在完工时是世界上最高的砌体大坝。它高 280 英尺，在西奥多·罗斯福湖（大坝形成的蓄水池）中储存了 165 万英亩英尺（5370 亿加仑）的水。图 34 是该大坝落成时西奥多·罗斯福在该大坝上的演讲照片，当时他是美国总统。
在 1923 年至 1930 年期间，在西奥多·罗斯福大坝下方的索尔顿河上增加了三座水坝（马蹄形山大坝、摩门平原大坝和斯图尔特山大坝）。这些水坝储存的水在需要时会释放到索尔顿河中，并向下游流到花岗岩礁渠导流坝，在那里被引导进入运河，将水分配到整个菲尼克斯都市区。索尔顿河工程最初的目的是为农业提供水。自 1960 年代以来，这些水也使菲尼克斯都市区的快速人口增长成为可能；菲尼克斯都市区的人口已增长到 400 多万。
洛杉矶引水渠为洛杉矶都市区提供水。引水渠将水从加利福尼亚州中部的欧文斯河输送到洛杉矶。它建于 1908 年至 1913 年，由约 5000 名工人建造，耗资 2300 万美元。
引水渠的设计和建造主要负责人是威廉·穆尔霍兰（1855-1935 年）。他是一位 1855 年出生于爱尔兰的移民，于 1877 年来到洛杉矶，开始做沟渠维护员的工作。他接受的正规教育很少，主要靠自学数学和工程学教科书。他最终成为洛杉矶水利电力局局长，并在这一职位上规划并建造了引水渠。他的工程师生涯在 1928 年戛然而止，当时他设计并监督建造的圣弗朗西斯大坝倒塌，造成洪水，导致近 500 人丧生。
引水渠在其建造之时是一项重大的工程成就。它输送水的距离为 226 英里。它拥有 142 条隧道，总长度为 43 英里；最长的隧道是伊丽莎白隧道，长 5 英里。引水渠使用虹吸管跨越几个大峡谷。引水渠进入洛杉矶的入口是图 35 所示的瀑布。
洛杉矶引水渠使洛杉矶地区的快速发展成为可能，特别是在 20 世纪上半叶。但这付出了沉重的环境代价：欧文斯河谷变成了沙漠。欧文斯湖最初由欧文斯河供水，干涸成一片碱性盐滩，如今来自这片盐滩的尘土是一种环境危害。鸟类曾经在迁徙途中将欧文斯湖作为休息区；现在它们不再这样做。由于 2003 年达成的一项诉讼，洛杉矶水利电力局（运营洛杉矶引水渠）被要求开始允许一些水流入欧文斯河。
科罗拉多河从其发源地落基山脉流经 1440 英里，流入太平洋的加利福尼亚湾，流域面积为 244,000 平方英里。它的年平均流量为 1750 万英亩英尺；这个流量变化很大，干旱年份流量远低于平均水平，洪水年份流量远高于平均水平。科罗拉多河流域包括七个州的部分地区：亚利桑那州、科罗拉多州、加利福尼亚州、内华达州、新墨西哥州、犹他州和怀俄明州。科罗拉多河为流域内外的 2400 多万人提供水，包括洛杉矶、菲尼克斯、阿尔伯克基、拉斯维加斯、盐湖城、丹佛和圣地亚哥。它还为约 200 万英亩土地提供灌溉水。
科罗拉多河是美国受监管程度最高的供水来源之一，各州的水份额由几项联邦法律决定。为了提供这些水，人们在科罗拉多河及其支流上修建了水坝和运河系统。胡佛水坝是这些水坝中的第一个，也是美国最大的工程项目之一。
胡佛水坝（最初称为博尔德峡谷大坝）建于 1931 年至 1935 年之间。大坝和米德湖（大坝后面的水库）如图 36 所示。在建成时，它是世界上最大的混凝土结构。它高 726 英尺，建成时是世界上最高的坝。大坝底部的水力发电站发电；从 1939 年到 1949 年，它是世界上最大的水力发电站。
图 37 显示了大坝和周围峡谷的平面图。它显示了几种在深峡谷底部建造大坝所必需的技术。在开始建造大坝之前，科罗拉多河被从施工现场引流。河流被引流到四个开凿在峡谷壁上的隧道中。隧道直径 56 英尺，混凝土衬砌厚度 3 英尺。隧道建成后，建造了两个围堰，一个在大坝工地上游，另一个在大坝工地下游。它们将河流引流到隧道中，使大坝工地干燥以便施工。
在其建造之时，大坝是当时建造的最大混凝土结构。这给施工带来了几个挑战。一个是如何将湿混凝土移动到建造大坝时适当的位置。另一个是如何冷却混凝土使其硬化（混凝土在凝固时会放热，如果温度过高，就会凝固不当）。
弗兰克·克劳（1882-1946）是指导大坝建造的工程师。他发明了用于解决许多施工问题的技术。他出生于 1882 年，于 1891 年至 1895 年就读于缅因大学，主修土木工程。1905 年，他开始在美国垦务局工作，并在接下来的 20 年里从事大坝建造工作；正是在这一时期，他开始发展能够使胡佛水坝建造成为可能的施工技术。除了他的技术专长外，他还擅长与不同级别的人相处。据一位同事说：“他最了解的就是人”。
与所有规模如此巨大的开发项目一样，大坝也存在一些问题。一个问题是米德湖正在慢慢地被沉积物填满。科罗拉多河携带大量来自其流域的土地的岩石、沙子和淤泥。当河流流入米德湖时，流速减慢，这些沉积物就会从水中沉淀出来。最近的研究表明，米德湖现在的深度在 30 米到 70 米之间。以目前的沉积速度，除非找到解决沉积问题的办法，否则，在未来几百年内，足够的沉积物会累积起来，将米德湖完全填满。
纵观历史，工程师一直在解决问题，并想出让事物运转的方法。随着数学和科学知识的增加，特别是在过去 150 年中，工程师在工作中越来越需要应用数学和科学原理。在如今的许多设计和开发工作中，需要广泛的科学学科的先进理解，以及使用复杂和复杂的计算机分析和建模工具的能力。
随着工程系统变得越来越复杂，工程师团队也随之发展起来，以应对这种复杂性。工业革命的许多进步是由个人或小型团队取得的；另一方面，现代喷气式飞机的制造现在需要全球数千人的努力。工程进步极大地影响了社会，并将继续影响社会。技术进步为改善社会提供了机会，但也带来了风险。当今和未来的工程师必须在全球社会的背景下工作，确保工程进步不会带来负面影响。
- 引水渠
- 人工开凿的输水渠道。
- 流水线
- 使用一系列工序组装相同物体的系统。
- 计算机辅助设计与绘图
- 计算机辅助设计与绘图（CADD）是指使用计算机软件来表示设计对象的几何形状的做法。
- 大教堂
- 大型教堂建筑。大教堂通常与主教有关。
- 化粪池
- 地下用于储存人畜粪便和其他污水的坑或池。
- 计时器
- 用于测量时间的装置。
- 蓄水池
- 用于盛放水或其他液体的容器。
- 公司
- 依法被授权作为一个整体行动的一群人，通常是为了赚钱的目的。
- 流域
- 河流或溪流的排水区域。降落在河流流域的降水最终会流入河流，除非它蒸发或渗入地下。
- 发电机
- 将旋转能量（如水轮或蒸汽机产生的能量）转换为电能的机器。
- 电磁波
- 通过电场和磁场的相互作用传播的波，如光波或无线电波。
- 工厂
- 制造物品的建筑。
- 电传操纵
- 飞机控制系统，其中控制面的设置（例如，方向舵、副翼等）由电信号控制。
- 飞扶壁
- 在哥特式建筑中将屋顶和上层建筑的重量荷载转移到地面的结构。
- 集成电路
- 蚀刻在小块硅片上的晶体管电子电路，有时被称为微芯片。
- 互换零件
- 按照特定规格制造的零件，因此任何一个给定的零件都可以用于机器或组件。
- 内燃机
- 通过在发动机内部燃烧燃料产生动力的发动机。
- 机车
- 用于拉动火车的发动机。
- 经度
- 东经或西经的距离，是指穿过英国格林威治的假想南北线（本初子午线）。它以度为单位测量。
- 大型机
- 通常支持多个用户同时使用的大型高速计算机。
- 泥瓦匠
- 石匠。
- 微处理器
- 一种集成电路，实现了一种计算机处理器，可以存储和处理数据以执行各种有用的功能。
- 小型机
- 一种同时支持多个用户的计算机，其计算能力低于大型机。 小型机在很大程度上已被功能强大的个人计算机取代。
- 莫尔斯电码
- 一种代码，其中字母由长短声的模式表示。
- 专利
- 政府授予发明人制造、使用或销售发明的独占权利，期限为一定年限。
- 透视
- 一种绘制立体物体的方式，使它们的高度和深度显而易见。
- 活塞
- 在较大的空心圆筒中上下移动的圆盘或实心圆筒。
- 可饮用的
- 可饮用水是指足够清洁可以饮用的水。
- 印刷机
- 用于印刷报纸和书籍的机器。
- 水库
- 水体，通常形成在水坝后面。
- 经验法则
- 可能不适用于其所应用的每个情况的一般原则。
- 半导体
- 一种物质，其导电性比绝缘体好，但不如导体好。 硅是一种用于制造微芯片的半导体。
- 虹吸管
- 一种管道，用于通过高于或低于虹吸管起点和终点的区域输送水。
- 贸易组织
- 为促进一群人的经济利益而成立的组织。
- 横贯大陆的
- 横跨大陆。
- 晶体管
- 由硅或其他半导体制成的电子元件，可用于制造计算机、收音机和其他有用的电子设备。
- 排版
- 在印刷前排列字母的过程。
- 真空管
- 一种电子元件，以前用于制造放大器和其他有用的电子电路。 真空管在密封的玻璃管内包含金属部件，以防止空气或其他气体进入管内。
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