高中工程/飲用水
飲用水是乾淨到可以安全飲用的水。它不包含有害水平的化學汙染物或微生物。由於數千年前開始的工程努力，大多數發達國家居民都可以獲得安全清潔的水。然而，許多發展中國家居民沒有這種機會，每天都在與疾病和不良水質帶來的其他影響作鬥爭。為這些人提供水是工程師及其所在社會面臨的挑戰。
在本節中，我們將追蹤一些與社會背景下清潔水相關的重要的歷史工程進展。我們著眼於古代羅馬世界、中世紀和工業化歐洲以及現代美國西部向大型城市供水的情況。
貫穿本節討論的所有工程專案的共同主題是這些專案規模巨大。許多專案都超越了實施它們的文明的技術能力。它們的實施不僅需要良好的工程，還需要政府對大量勞動力進行大量資金投入，並提供大量的材料。縱觀歷史，清潔供水和衛生系統的發展主要由政府承擔，而不是由個人或公司承擔。因此，領導這些專案的工程師需要的技能遠遠超出了數學和科學的應用；他們需要了解並能夠與政府合作以獲取專案資源，並且他們需要了解將參與專案的工人的能力。
在羅馬之前出現的許多文明發展了重要的工程技術，後來被羅馬人採用。耶路撒冷是第一個由工程系統供水的重大人類定居點之一。來自該城市附近泉水的用水透過該城市下方的隧道輸送到蓄水池和地下儲水庫進行儲存。鄰近的文明，包括現今敘利亞、伊拉克和伊朗的文明，都使用水壩、引水渠、隧道和卡納特來供水。
最初，羅馬居民的飲用水來自臺伯河以及當地的泉水和井。然而，隨著羅馬的不斷發展，這些水源變得汙染，無法為該城市提供足夠的水。當羅馬需要可靠的供水時，羅馬工程師就可以利用這些早期文明發展起來的供水技術。
羅馬人修建了引水渠，將泉水或河流中的水輸送到羅馬。我們熟悉用拱橋將引水渠跨越山谷的景象；圖 6.2 中所示的引水渠就是一個例子。或許鮮為人知的是，羅馬工程師儘可能避免建造這些橋樑，而是更傾向於使用地面渠道或隧道運輸水。
最早為羅馬供水的引水渠是阿皮斯引水渠，建於公元前 312 年。最終，大約在公元 100 年左右，12 條引水渠為居住在羅馬的超過 100 萬人提供水；這些引水渠的總長度約為 300 英里，其中只有 40 英里位於拱橋上。除了羅馬之外，大多數其他大型羅馬城市都擁有飲用水供應。
與許多工程專案類似，規劃和建造羅馬水系統的羅馬工程師並沒有發明他們使用過的所有技術，而是對這些技術進行了改進。例如，羅馬人發明了一種防水水泥，用於襯砌引水渠。羅馬人還發展了在水源附近儲存飲用水的概念，而不是在城市中儲存飲用水。
我們對羅馬水系統的大部分了解來自塞克斯圖斯·尤利烏斯·弗朗蒂努斯（約公元 40-103 年）的著作，他大約在公元 100 年擔任羅馬水務專員。他顯然對羅馬水系統和實施它的工程感到自豪。他寫道“與這些必不可少的結構一起，如此多的水流透過，請與閒置的金字塔或希臘人那無用但著名的作品相比。”
除了飲用水供應之外，羅馬還擁有一個排水系統。在這個系統中，來自引水渠的水以及來自溪流和泉水的用水將人類廢物和其他不需要的物質衝入臺伯河的排水溝中。與現代汙水處理系統不同，廢水未經處理，汙染了河流。只有最富有的私人住宅連線到該系統。對於沒有室內管道的人來說，公共廁所可以以低廉的價格使用。然而，許多人會從高層窗戶向街道上傾倒便盆。
隨著羅馬帝國的衰落，許多在飲用水供應和廢物處理方面取得的進步都消失了，特別是在北歐和西歐。
倫敦位於泰晤士河畔。在 13 世紀，它的人口約為 40,000 人。到 17 世紀，這個數字已增至 50 多萬人。與羅馬一樣，倫敦人最初也依靠泰晤士河、泉水和井的水，但隨著城市的發展，這些資源變得汙染，無法維持人口增長。
許多工程專案被開發出來以增加水供應。在 13 世紀中期，“大水渠”是後來建造的 12 個水渠系統中的第一個。在這些系統中，來自泉水的水被儲存在附近的一個大型蓄水池中。該蓄水池透過管道連線到另一個距離一英里遠的地方的蓄水池；第二個蓄水池設有閥門來分配水。從 1609 年到 1613 年，由休·米德爾頓爵士（1560-1631）建造了長達 60 公里的運河——新河。這條運河至今仍是倫敦重要的水源。
與羅馬一樣，人類和動物廢物的處理一直是倫敦歷史上的一大問題。不潔飲用水和衛生條件差是 14 世紀中期至 17 世紀中期席捲歐洲（包括倫敦）的毀滅性瘟疫流行的主要原因。儘管政府反覆努力，泰晤士河仍然被流入其中的汙水和其他垃圾汙染。
在 1840 年代中期，倫敦的都會排水委員會下令關閉化糞池，並將房屋排水管連線到排入泰晤士河的排水系統。汙染加劇導致 1848 年和 1849 年爆發霍亂。圖 32 顯示了英國著名科學家邁克爾·法拉第（1791-1867）在 1855 年對河流狀況的評論的漫畫。1858 年的夏天異常炎熱，泰晤士河以及流經倫敦的許多溪流都受到汙水嚴重汙染。由此產生的惡臭如此之大，以至於威脅到英國政府的運營。這一事件被稱為“大臭味”。
大臭味如此嚴重，以至於都會工程委員會（取代了都會排水委員會）授權其首席工程師約瑟夫·巴扎爾杰特（1819-1891）重新設計和重建倫敦排水系統。他的設計使用了 83 英里的磚砌排水溝隧道，將汙水轉移到倫敦下游，在那裡未經處理地排放到泰晤士河。排水系統的容量非常大，至今仍在使用。倫敦排水系統是一個巨大的公共工程專案。
美國西部大部分地區是乾旱或半乾旱地區。西部的大多數主要大都市中心只能透過大型節水專案來維持目前的人口。節水專案包括用於儲水的壩和用於分配水的運河。
西部的大多數大型節水專案建於 20 世紀上半葉。這些專案的建設是一項重要的工程壯舉。它們都涉及鉅額預算、龐大的勞動力隊伍，並利用了當時最先進的技術。這三個專案是亞利桑那州的索爾特河工程、加州的洛杉磯引水渠以及科羅拉多河上的胡佛水壩（位於內華達州/亞利桑那州邊界）。我們簡要介紹一下這三個專案。
索爾特河工程始於 1904 年，當時西奧多·羅斯福大壩開始建設。索爾特河從亞利桑那州東部山區流出，穿過菲尼克斯都會區，然後與吉拉河匯合，最終流入科羅拉多河。索爾特河容易受到洪水和乾旱的影響。依靠這條河流灌溉農作物的農民需要更可靠的水供應。因此，他們在 1903 年成立了索爾特河谷用水協會。第一個主要的工程專案是西奧多·羅斯福大壩的建設，如圖 33 中 1915 年的照片所示。這座大壩始建於 1904 年，於 1911 年竣工，在完工時是世界上最高的砌體大壩。它高 280 英尺，在西奧多·羅斯福湖（大壩形成的蓄水池）中儲存了 165 萬英畝英尺（5370 億加侖）的水。圖 34 是該大壩落成時西奧多·羅斯福在該大壩上的演講照片，當時他是美國總統。
在 1923 年至 1930 年期間，在西奧多·羅斯福大壩下方的索爾頓河上增加了三座水壩（馬蹄形山大壩、摩門平原大壩和斯圖爾特山大壩）。這些水壩儲存的水在需要時會釋放到索爾頓河中，並向下遊流到花崗岩礁渠導流壩，在那裡被引導進入運河，將水分配到整個菲尼克斯都市區。索爾頓河工程最初的目的是為農業提供水。自 1960 年代以來，這些水也使菲尼克斯都市區的快速人口增長成為可能；菲尼克斯都市區的人口已增長到 400 多萬。
洛杉磯引水渠為洛杉磯都市區提供水。引水渠將水從加利福尼亞州中部的歐文斯河輸送到洛杉磯。它建於 1908 年至 1913 年，由約 5000 名工人建造，耗資 2300 萬美元。
引水渠的設計和建造主要負責人是威廉·穆爾霍蘭（1855-1935 年）。他是一位 1855 年出生於愛爾蘭的移民，於 1877 年來到洛杉磯，開始做溝渠維護員的工作。他接受的正規教育很少，主要靠自學數學和工程學教科書。他最終成為洛杉磯水利電力局局長，並在這一職位上規劃並建造了引水渠。他的工程師生涯在 1928 年戛然而止，當時他設計並監督建造的聖弗朗西斯大壩倒塌，造成洪水，導致近 500 人喪生。
引水渠在其建造之時是一項重大的工程成就。它輸送水的距離為 226 英里。它擁有 142 條隧道，總長度為 43 英里；最長的隧道是伊麗莎白隧道，長 5 英里。引水渠使用虹吸管跨越幾個大峽谷。引水渠進入洛杉磯的入口是圖 35 所示的瀑布。
洛杉磯引水渠使洛杉磯地區的快速發展成為可能，特別是在 20 世紀上半葉。但這付出了沉重的環境代價：歐文斯河谷變成了沙漠。歐文斯湖最初由歐文斯河供水，乾涸成一片鹼性鹽灘，如今來自這片鹽灘的塵土是一種環境危害。鳥類曾經在遷徙途中將歐文斯湖作為休息區；現在它們不再這樣做。由於 2003 年達成的一項訴訟，洛杉磯水利電力局（運營洛杉磯引水渠）被要求開始允許一些水流入歐文斯河。
科羅拉多河從其發源地落基山脈流經 1440 英里，流入太平洋的加利福尼亞灣，流域面積為 244,000 平方英里。它的年平均流量為 1750 萬英畝英尺；這個流量變化很大，乾旱年份流量遠低於平均水平，洪水年份流量遠高於平均水平。科羅拉多河流域包括七個州的部分地區：亞利桑那州、科羅拉多州、加利福尼亞州、內華達州、新墨西哥州、猶他州和懷俄明州。科羅拉多河為流域內外的 2400 多萬人提供水，包括洛杉磯、菲尼克斯、阿爾伯克基、拉斯維加斯、鹽湖城、丹佛和聖地亞哥。它還為約 200 萬英畝土地提供灌溉水。
科羅拉多河是美國受監管程度最高的供水來源之一，各州的水份額由幾項聯邦法律決定。為了提供這些水，人們在科羅拉多河及其支流上修建了水壩和運河系統。胡佛水壩是這些水壩中的第一個，也是美國最大的工程專案之一。
胡佛水壩（最初稱為博爾德峽谷大壩）建於 1931 年至 1935 年之間。大壩和米德湖（大壩後面的水庫）如圖 36 所示。在建成時，它是世界上最大的混凝土結構。它高 726 英尺，建成時是世界上最高的壩。大壩底部的水力發電站發電；從 1939 年到 1949 年，它是世界上最大的水力發電站。
圖 37 顯示了大壩和周圍峽谷的平面圖。它顯示了幾種在深峽谷底部建造大壩所必需的技術。在開始建造大壩之前，科羅拉多河被從施工現場引流。河流被引流到四個開鑿在峽谷壁上的隧道中。隧道直徑 56 英尺，混凝土襯砌厚度 3 英尺。隧道建成後，建造了兩個圍堰，一個在大壩工地上游，另一個在大壩工地下游。它們將河流引流到隧道中，使大壩工地乾燥以便施工。
在其建造之時，大壩是當時建造的最大混凝土結構。這給施工帶來了幾個挑戰。一個是如何將溼混凝土移動到建造大壩時適當的位置。另一個是如何冷卻混凝土使其硬化（混凝土在凝固時會放熱，如果溫度過高，就會凝固不當）。
弗蘭克·克勞（1882-1946）是指導大壩建造的工程師。他發明了用於解決許多施工問題的技術。他出生於 1882 年，於 1891 年至 1895 年就讀於緬因大學，主修土木工程。1905 年，他開始在美國墾務局工作，並在接下來的 20 年裡從事大壩建造工作；正是在這一時期，他開始發展能夠使胡佛水壩建造成為可能的施工技術。除了他的技術專長外，他還擅長與不同級別的人相處。據一位同事說：“他最瞭解的就是人”。
與所有規模如此巨大的開發專案一樣，大壩也存在一些問題。一個問題是米德湖正在慢慢地被沉積物填滿。科羅拉多河攜帶大量來自其流域的土地的岩石、沙子和淤泥。當河流流入米德湖時，流速減慢，這些沉積物就會從水中沉澱出來。最近的研究表明，米德湖現在的深度在 30 米到 70 米之間。以目前的沉積速度，除非找到解決沉積問題的辦法，否則，在未來幾百年內，足夠的沉積物會累積起來，將米德湖完全填滿。
縱觀歷史，工程師一直在解決問題，並想出讓事物運轉的方法。隨著數學和科學知識的增加，特別是在過去 150 年中，工程師在工作中越來越需要應用數學和科學原理。在如今的許多設計和開發工作中，需要廣泛的科學學科的先進理解，以及使用複雜和複雜的計算機分析和建模工具的能力。
隨著工程系統變得越來越複雜，工程師團隊也隨之發展起來，以應對這種複雜性。工業革命的許多進步是由個人或小型團隊取得的；另一方面，現代噴氣式飛機的製造現在需要全球數千人的努力。工程進步極大地影響了社會，並將繼續影響社會。技術進步為改善社會提供了機會，但也帶來了風險。當今和未來的工程師必須在全球社會的背景下工作，確保工程進步不會帶來負面影響。
- 引水渠
- 人工開鑿的輸水渠道。
- 流水線
- 使用一系列工序組裝相同物體的系統。
- 計算機輔助設計與繪圖
- 計算機輔助設計與繪圖（CADD）是指使用計算機軟體來表示設計物件的幾何形狀的做法。
- 大教堂
- 大型教堂建築。大教堂通常與主教有關。
- 化糞池
- 地下用於儲存人畜糞便和其他汙水的坑或池。
- 計時器
- 用於測量時間的裝置。
- 蓄水池
- 用於盛放水或其他液體的容器。
- 公司
- 依法被授權作為一個整體行動的一群人，通常是為了賺錢的目的。
- 流域
- 河流或溪流的排水區域。降落在河流流域的降水最終會流入河流，除非它蒸發或滲入地下。
- 發電機
- 將旋轉能量（如水輪或蒸汽機產生的能量）轉換為電能的機器。
- 電磁波
- 透過電場和磁場的相互作用傳播的波，如光波或無線電波。
- 工廠
- 製造物品的建築。
- 電傳操縱
- 飛機控制系統，其中控制面的設定（例如，方向舵、副翼等）由電訊號控制。
- 飛扶壁
- 在哥特式建築中將屋頂和上層建築的重量荷載轉移到地面的結構。
- 積體電路
- 蝕刻在小塊矽片上的電晶體電子電路，有時被稱為微晶片。
- 互換零件
- 按照特定規格製造的零件，因此任何一個給定的零件都可以用於機器或元件。
- 內燃機
- 透過在發動機內部燃燒燃料產生動力的發動機。
- 機車
- 用於拉動火車的發動機。
- 經度
- 東經或西經的距離，是指穿過英國格林威治的假想南北線（本初子午線）。它以度為單位測量。
- 大型機
- 通常支援多個使用者同時使用的大型高速計算機。
- 泥瓦匠
- 石匠。
- 微處理器
- 一種積體電路，實現了一種計算機處理器，可以儲存和處理資料以執行各種有用的功能。
- 小型機
- 一種同時支援多個使用者的計算機，其計算能力低於大型機。 小型機在很大程度上已被功能強大的個人計算機取代。
- 莫爾斯電碼
- 一種程式碼，其中字母由長短聲的模式表示。
- 專利
- 政府授予發明人製造、使用或銷售發明的獨佔權利，期限為一定年限。
- 透視
- 一種繪製立體物體的方式，使它們的高度和深度顯而易見。
- 活塞
- 在較大的空心圓筒中上下移動的圓盤或實心圓筒。
- 可飲用的
- 可飲用水是指足夠清潔可以飲用的水。
- 印刷機
- 用於印刷報紙和書籍的機器。
- 水庫
- 水體，通常形成在水壩後面。
- 經驗法則
- 可能不適用於其所應用的每個情況的一般原則。
- 半導體
- 一種物質，其導電性比絕緣體好，但不如導體好。 矽是一種用於製造微晶片的半導體。
- 虹吸管
- 一種管道，用於透過高於或低於虹吸管起點和終點的區域輸送水。
- 貿易組織
- 為促進一群人的經濟利益而成立的組織。
- 橫貫大陸的
- 橫跨大陸。
- 電晶體
- 由矽或其他半導體制成的電子元件，可用於製造計算機、收音機和其他有用的電子裝置。
- 排版
- 在印刷前排列字母的過程。
- 真空管
- 一種電子元件，以前用於製造放大器和其他有用的電子電路。 真空管在密封的玻璃管內包含金屬部件，以防止空氣或其他氣體進入管內。
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