Flood Barriers, Hurricane Barriers och Storm Surge

I en tid av global uppvärmning och extremt väder har riskerna för att bo nära vatten aldrig varit större. Stormskydd och orkanbarriärer har varit lösningen för vissa samhällen, men till vilken estetisk kostnad? Kan konstnärer och arkitekter göra teknik vackrare? Att undersöka frågorna och utforska lösningar hjälper oss att förstå de verkliga utmaningarna kring effekterna av globala klimatförändringar.

Mellan 2008 och 2013, U.S. Army Corp of Engineers - samma grupp som ansvarar för det otillräckliga vattensystemet i New Orleans - slutförde en orkanbarriär nästan två mil bred över en blandning av vattenvägar cirka 12 mil öster om centrala New Orleans. Kallas inre hamnnavigeringskanalen Lake Borgne Surge Barrier, och betong- och stålhurkanbarriären fungerar i tandem med skivsystemet. Barriären är den första försvarslinjen genom att mildra stormvågorna i samband med orkaner.

En orkan är en lågtryckscentrum. Över land är lågtryckscentra inte tillräckligt starka för att flytta jorden. Emellertid kan lågtryckscentra som är över vatten faktiskt trycka och flytta vattnet. Orkankraftvindar blåser vatten inte bara skapar vågor, utan skapar också en kupol eller högvattenvåg. Tillsammans med en normal högvatten kan en stormvatten skapa en extrem stormvatten utöver de vågor som blåses av svår orkanvind. Orkanbarriärer ger skydd mot förväntade stormvatten.

En stormvåg är INTE en tsunami eller tidvattensvåg, men den liknar. Stormvågen är en onormal havsnivåökning, vanligtvis orsakat av extremt väder. Det superhöga tidvattnet har också vågor, men vågorna är inte så dramatiskt höga som en tsunami. Tsunamis är bokstavligen "hamnvågor" orsakade av en underjordisk störning, som en jordbävning. Extrem översvämning är resultatet av båda händelserna.

När vi tittar på en karta över var människor bor, det är inte svårt att föreställa sig hur sårbart liv och egendom kan vara för svårt väder. Även om konstruktion tsunamisäkra byggnader längs strandlinjerna är ett alternativ, en stigande stormvatten kan vara obeveklig. U.S. National Hurricane Center har tillhandahållit en Flash-animerat exempel på en Storm Surge (Flash-plug-in krävs). I denna animering är stormöverskridande och dunkande vågor ingen matchning till den lilla barriären som skyddar strukturen.

I Rhode Island blockerades orkanen Sandys stora stormvåg 2012 av ett verk från 1966. Tekniken för orkanbarriärer är en investering för alla regioner, men se hur de fungerar.

Fox Point-orkanbarriären ligger i East Providence, Rhode Island, belägen tvärs över Providence River, som rinner in i Narragansett Bay. Den är 3 000 fot lång och 25 fot hög. Det byggdes mellan 1960 och 1966 för att skydda staden från en stormvatten på 20 fot över havet.

Systemet består av tre Tainter-grindar, fem pumpar för flodvatten och två 10- till 15 fot hög sten och jord vallarna eller diker längs flodstranden. Till en kostnad av 16 miljoner dollar (1960 dollar) betalade statliga och lokala myndigheter endast 30 procent av kostnaden medan den federala regeringen subventionerade det mesta av kostnaderna för orkansperringssystemet.

Tre Tainter-grindar, även kallade radiella grindar, kan stänga för att ge en halv mil lång, 25 fot hög barriär mellan Providence City och vattnet från Narragansett Bay. Vatten som rinner nedför Providence-floden till havet pumpas ut när det byggs upp bakom de stängda grindarna. Pumpstationen, 213 fot lång och 91 fot bred, är konstruerad av armerad betong och tegel. Fem pumpar har en kapacitet att pumpa 3 150 000 liter flodvatten per minut till Narragansett Bay.

Varje Tainter-grind är 40 fot kvadratisk och väger 53 ton. Grindarna är utformade för att krökas utåt mot bukten för att bryta påverkan av vågorna och sänks på plats av elmotorer och tyngdkraften med 1,5 fot per minut. Det tar cirka 30 minuter att sänka dem men ungefär två timmar för att höja grindarna från ett stängt läge, eftersom tyngdkraften fungerar mot att de höjs. Vid behov kan grindarna sänkas och höjas manuellt.

Utformningen av alla orkanbarriärer beror på förhållanden. Pumpstationen vid Fox Point är ett viktigt element för att skydda staden Providence. Utan att pumpa ut flodvatten när floden "dammas" av grindarna skulle en reservoar bildas och översvämma staden - precis vad Providence försöker undvika.

Tainter gate uppfanns på 1800-talet av den amerikanska ingenjören och Wisconsin infödda Jeremiah Burnham Tainter. Den böjda grinden är fäst vid en eller flera takliknande, triangulära ramverk. Den breda änden av triangelramen är fäst vid den böjda grinden, och spetsens spetspunkt roterar för att flytta grinden.

Tainter-porten är också känd som en radiell grind. Tyngdkraften och vattentrycket hjälper till att flytta grinden upp och ner, som illustrerad av Arif Setya Budi och även i animering tillhandahålls av Dunn County Historical Society i Wisconsin.

En Tainter-grind används också i dammar, så är en orkanbarriär också en damm? Ja och nej. En damm är verkligen en vattenbarriär, men dammar och reservoarer i allmänhet är inte konstruerade endast för akut användning. Det enda syftet med en orkanbarriär är att skydda mot stormtur eller stormvatten. City of Providence har definierat två centrala funktioner för Fox Point:

1. "att fördröja högvatten från potentiella stormvågor i Narragansett Bay"
2. "att upprätthålla flodflödet så att vattennivån inte blir för hög bakom barriären"

Liksom alla byggprojekt måste ett behov erkännas och finansiering måste realiseras innan arkitektur och konstruktion kan påbörjas. Innan Fox Point hotades City of Providence varje år. I september 1938, New England Hurricane orsakade 200 miljoner dollar egendomsskador och 250 dödsfall med bara 3,1 tum regn. I augusti 1954 Orkanen Carol orsakade 41 miljoner dollar egendomsskador med tidvatten vid högvatten, 13 fot över normalen. Flood Control Act från 1958 godkände byggandet av en barriär vid Fox Point. U.S. Army Corps of Engineers (USACE) tog kontrollen i februari 2010 och räddade staden Providence hundratusentals dollar varje år. Staden upprätthåller dike och levee-systemet.

En vertikal hissport liknar en Tainter-grind genom att den höjer och sänker för att kontrollera vattenflödet. Medan en Tainter-grind är krökt är det dock inte en vertikal lyftgrind.

Porten som visas här, Bayou Bienvenue-porten, är en del av ett enormt projekt på 14,45 miljarder dollar i Nytt Orleans - Inner Harbor Navigation Canal - Lake Borgne Surge Barrier, även kallad The Great Wall of Louisiana. Betongbarriärväggen som byggdes av U.S. Army Corps of Engineers är nästan två mil lång och 26 fot hög.

Översvämningar och stormvågor är inte unika för USA eller Nordamerika. Över hela världen ingenjörer har hittat sätt att kontrollera översvämningar. I en tid med extremt väder är denna typ av problemlösning ett blomstrande område för ingenjörsstudier.

Varför har ett stort urbant område som New York City inget stormskydd? År 2012, stormvågen från orkanen Sandy översvämmade gatorna, tunnelbanorna och infrastrukturen av den största staden i Amerika. Sedan dess har arbetsgrupper studerat genomförbarheten av en översvämningsbarriär i New York Harbour. Nevermind som andra industrialiserade länder runt om i världen har haft högteknologiska lösningar för översvämningskontroll i åratal.

Människor har en kärlekshatsrelation med vatten - naturens rikliga sammansättning är nödvändig för livet men massor av människor dör av vattenrelaterade händelser. Tio personer drunknar oavsiktligt varje dag. Bilolyckor på grund av översvämningar och extremt väder är oförutsägbara. Eller är de det?

Det verkar som om vem som helst kan stoppa stigande vatten. En snabb Google-sökning efter "översvämningsbarriärväggar" hittar en mängd produkter från Home Depot, Ace Hardware, Amazon och större kommersiella företag.

Det var inte så länge sedan att samhällen använde sirener för att varna för väderrelaterade faror. Vissa samhällen fortsätter idag att använda denna förenklade strategi för översvämningar. Med en blandning av lokaliserade kameror (ofta på drönare), mappningsprogramvara och katastrofvarningsprogram kan företag som Beholder Technology med huvudkontor i Austin, Texas, erbjuder "fjärrsituationsmedvetenhet" till samhällen - det vill säga de varnar dig om översvämmade vägar och farliga situationer innan nödbesättningarna till och med kan få där. Katastrofappar anses vara högteknologiska lösningar i USA, men skulle inte orkanbarriärer vara mer användbara?

• Emergency Management Agency, City of Providence, 5 november 2012
• Fox Point Hurricane Barrier Facts, City of Providence på www.providenceri.com/efile/705
• Uppdatera rapporten för Rhode Island, U.S. Army Corps of Engineers, New England District, 31 juli 2012 på www.nae.usace.army.mil/news/Reports/ri.pdf
• U.S. Army Corps of Engineers. IHNC - LAKE BORGNE SURGE BARRIER, Uppdaterad juni 2013, http://www.mvn.usace.army.mil/Portals/56/docs/PAO/FactSheets/IHNC-LakeBorgneSurgeBarrier.pdf
• Centrum för sjukdomsbekämpning och förebyggande. "Oavsiktlig drunkning: Få fakta." 28 april 2016, https://www.cdc.gov/homeandrecreationalsafety/water-safety/waterinjuries-factsheet.html