Усны инженерчлэл

Усны инженерчлэл (мэргэжил: усны барилга байгууламжийн инженер) нь иргэний инженерчлэлийн (манайд барилгын инженер гэж нийтээр ойлгоно) нэг салбар бөгөөд шингэнтэй холбоотой бүхий л барилга байгууламж ялангуяа устай холбоотой иргэний нийтлэг аж ахуйн инженерчлэлийн салбар юм. Энэ инженерчлэлийн онцлог нь хүндийн болон зохиомол хүчнээс улбаатай шингэний хөдөлгөөний зүй тогтол, үйлдэлтэй холбогдож байдаг. Энэ төрлийн иргэний инженерчлэлээр мэргэшсэн усны инженерүүд нь (усны барилга байгууламжийн инженер) хүн ард, хот хөдөө, үйлдвэр аж ахуйг усаар хангах ус хангамжийн систем, усан цахилгаан станц, боомт, хот суурин газрын үерийн хамгаалалт, хөдөө аж ахуй тариалангийн услалтын систем, хот суурингийн шүүрүүлэх систем, боомт, далан, авто замын ус гаргуур, суваг, барилга байгууламжийн үйлдвэрлэлийг гардан хийдэг байна . Орчин үед зарим улс оронд хүрээлэн буй орчны инженерчлэлийн зарим асуудалтай холбогдон хөдөлмөрийн хүрээ өргөжин тэлж шинэ чиглэлийн нарийн мэргэжил үүсч байна.
Усны инженерчлэл нь усыг (шингэн) хэрэглэх болон хэмжих, хуваарилах, шилжүүлэх, хянах, хамгаалах, хуримтлуулах зэрэг асуудлуудыг шингэний механикийн хууль томъёоллын хүрээнд шийдвэрлэх хэрэглээний шинжтэй үйл ажиллагаа юм. Усны инженерчлэлийн төслийг эхлүүлэхийн өмнө, хэр хэмжээний ус, ямар шинж чанартай усыг авч үзэх гэж байгаагаа сайн ойлгох хэрэгтэй. Хэрэв төслийн объект гол бол усны инженерүүд голын урсацаас гадна хагшаасны зөөгдлийг авч үзэх ба голын алльювийн хурдас (голын ёроол) болон усны урсгалын хоорондын хамаарлыг авч үзэх, угаагдал болон хуримтлал үүсэх процессыг судлах хэрэгтэй болно.
Усны инженерчлэлийн үндсэн суурь шинжлэх ухаан нь шингэний механик, шингэний урсгал гидравлик, ус зүй буюу гидрологи, шингэний шинж чанар (физик ба хими), хөрс ба хатуу биеийн механик, физик загварчлал гэх мэт байх ба орчин үеийн Тооцон бодоx арга-ууд хамаарагдана.
Усны инженерчлэлийн үндэс нь тайван байдалд орших шингэний гидростатикийн даралтыг тодорхойлох явдал юм. Тайван байх шингэнд дурын шингэний цэгийг авч үзвэл түүнд даралтын хүч үйлчлэх ба үйлчлэл нь тал бүрээс ирнэ. Энэ даралт нь Н/м байх ба шингэний эгэл хэсэгийн байрлалаас хамаарч өөр өөр утгатай байна. Өгөдсөн шингэний биед даралтыг p гэвэл энэ нь гүнийхээ дагуу тогтмол нэмэгддэг. Шингэн харьцаж буй гадаргуудаа үйлчлэх даралтын шингэний гүнээс хамааруулан дараах байдлаар тодорхойлж болно.
Үүнд,
Энэ тэгшитгэлд хялбархан хувиргалт хийснээр шингэний даралтын өндөр-ийг гарган авч болно. p/ρg = y. Даралт хэмжих үндсэн дөрвөн төрлийн багаж байх ба эдгээр нь пьезометр, манометр, дифференциал манометр, Боурданы багаж багтах ба зарим тохиолдолд нугалсан (налуу) манометрийг хэрэглэдэг.
Прасухний хэлсэн үг:
Шингэний механикт шингэнийг дуслын шингэн ба хий гэж хоёр ялган үздэг. Монгол хэлнээ дуслын шингэнийг шингэн гэж хэлж заншсан юм. Тэгэхээр бодит шингэн ба идеаль (хийсвэр шингэн) шингэний хоорондын ялгаа нь идеаль шингэний урсгалд p1 = p2 ба бодит шингэний урсгалд p1 > p2 байх явдал юм. Идеаль шингэн нь үл шахагдах ба зунгааралт байхгүй шинжтэй байна. Харин бодит шингэн нь зунгааралттай байна. Идеаль шингэн нь дэлхий дээр байхгүй ба судлаачдын санаанаасаа зохиосон шингэн юм. Өөрөөр хэлбэл шингэний гол хууль томъёоллыг гаргах, зарим бодолтыг хийхэд зунгааралтыг тооцох нь төвөгтэй байдаг учраас зунгааралтгүй шингэнийг авч үзэх шаардлагатай болдог.
Зунгааралттай шингэний урсгалд шүргэх хүчдэл болон дотоод үрэлтийн хүч үргэлж үүсч байдаг. Идеаль шингэний урсгалд эдгээр үзэгдэл нь ажиглагдахгүй.
Шингэний зунгааралт, урсгалын хэсгүүдэд нөлөөлсөнөөс болж урсгалын параметрүүдийн хуваарилалт тогтмол, тогтмол бус болж ирдэг. Ерөнхийд нь тогтмол байх урсгалыг ламинар урсгал, тогтмол бус эмх замбараагүй урсгалыг турбулент урсгал гэнэ.
Идеаль шингэнд, Бернуллийн тэгшитгэл бүх урсгалын шугамд дараах байдлаар илэрхийлэгдэнэ.
p/ρg + u²/2g = p1/ρg + u1²/2g = p2/ρg + u2²/2g
Шингэн урсахдаа ямар нэгэн байдлаар хатуу гадаргатай харьцаж байдаг. Шингэн ба хатуу гадаргын хоорондын харилцан үйлчлэлийг нарийн авч үзвэл 2 биетийн хооронд тодорхойлоход хэцүү нарийн урсгал явагдаж байдаг. Үүнийг шингэний механикт хязгаарын давхарга гэж нэрлэдэг. Энэ давхаргын нөлөөлөл урсгалын шинж чанарт их нөлөөлдөг учир түүнийг нарийн судлах нь түүхэн дэх инженер судлаачдын гол асуудал болж байжээ. Анхандаа хязгаарын давхаргад зөвхөн ламинар үе оршин байдаг хэмжээн үзэж байсан бол 1980-аад оноос эхлэн турбулент болон ламинар үе аль аль нь оршин байна гэж үзжээ. Ямар шинж чанартай урсгал байх нь Рейнольдсын тооноос хамаардаг.
Усны инженерүүдийн төсөл тооцоо хөдөлмөрийн гол сэдвүүд нь усны барилга байгууламжийн тооцоо, төсөл боловсруулах, барьж байгуулах, бусад иргэний инженерчлэл болох тээврийн инженерчлэл болон геотехникийн инженерчлэлтэй хамтран ажиллах юм. Усны инженерүүд судлаачид, математикч, физикчдийн бий болгож бүтээсэн шингэний динамик ба шингэний механикийн тэгшитгэл, илэрхийллүүд зөвхөн усны инженерчлэл гэлтгүй бусад иргэний инженерчлэлийн салбар ялангуяа барилгын салбар цаашлаад механик инженерчлэл, аэродинамик болон төмөр замын инженерчлэлд ч хамаатай.
Бусад чухал шинжлэх ухааны салбар болох гидрологи болон риологитой холбогдон голын гидравлик, үерийн тархалт, долгионы загварчлал хийх, сав газрын үерийн менежмент, усны нөөцийг ашиглах хамгаалах менежмент хийх, далайн боомт төсөллөх, далайн болон голын стратегийг хөгжүүлэх төлөвлөх гэх мэт нийтлэг чанартай ажлуудад чухал ач холбогдолтой.
Усны инженерчлэлийн эртний хэрэглээ нь Дундад Ази болон Африкт таримал услах зорилгоор голоос суваг шуудуу татаж талбайд түгээж байжээ. Хүн төрөлхтөн хэдэн мянган жилийн турш хоол хүнс усны хүртээлийн ажлуудыг хийж байсан олдворууд бий. Эртний гидравликийн машин болох усан цаг нь МЭӨ 2-р мянганы үед хэрэглэгдэж байжээ. Мөн бусад усны хүндийн хүчний урсгалын нөлөөллийг таньж мэдсэний үндсэн дээр ашиглаж байсан жишээ болох эртний Персийн канат систем, үүнтэй ижил төстэй эртний хятадын Турпаны усжуулалтын систем гэх мэт олон жишээ бий.
Эртний Хятадад, усны инженерчлэл идэвхитэй хөгжиж байсан ба инженерүүд нь том хэмжээний суваг, боомт барьж усыг шилжүүлэх, тариан талбай услах, хот сууринг усаар хангах, улмаар усан онгоц, завины зам, хаалтуудыг барьж ашиглаж байсан нь уламжлал болон үлджээ. Шиншү Ао нь Хятадын анхны усны инженер хэмээн түүхэнд тэмдэглэгддэг. Хятадын өөр нэг чухал усны инженер бол Хсимэн Бао бөгөөд энэ хүний үеэс хятадад том хэмжээний услалтын системийг ашиглах туршлага үлдэж эхэлсэн Байлдаант улс (481 МЭӨ-221 МЭӨ) ба өдгөө хүртэл хятадад усны инженерийн нэр хүнд дээгүүрт тооцогддог байна. Хятадын дарга Ху Жинтао болсоноос хойш энэ салбарын бүтээн байгуулалт эрс нэмэгдсэн нь энэ хүн усны барилгын инженер байсантай холбоотой гэж үздэг ба тэрээр усны инженерийн зэргээ Чинхуа их сургуульд суралцаж авч байжээ.
Мегарагийн Еупалинос бол Эртний Грек ийн инженер байсан ба тэрээр МЭӨ 6-р зуунд Самост Еупалиносийн туннелийг барьсан нь усны болоод иргэний инженерчлэлийн маш чухал ололт байсан юм. Иргэний инженерчлэлийн талаас энэхүү туннелийн ач холбогдол нь газрыг ухах технологи, усны инженерчлэлийн талаас авч үзвэл усыг зохистой хурдтайгаар урсгах туннелийн хэвгийн тооцоо, бүхэлд нь авч үзвэл 2 талаас ухаж байгаа туннелийн уулзварыг нарийн тооцоолсонд байсан юм.
Усны инженерчлэл Ромын эзэнт гүрний үед европт өндөр түвшинд хөгжсөн байсан ба ялангуяа гүүрэн дамжуулгыг барих засварлах, хотыг усаар хангах, ариутгах татуургын сүлжээг барих гэх мэтэд гарамгай байжээ. Мөн уул уурхайд усны урсгалын хүчийг ашигласан гидромонитор-ийн эхний хувилбар ашиглагдаж хөрс чулуулгыг ухах угаах замаар алт олборлон ихэс дээдсийг хангаж байсан энэхүү технологийг мөн ? (hushing) гэж нэрлэж байжээ.
15-р зуунд Африкт сомали нар Ажурын эзэнт гүрнийг байгуулсан ба энэ нь түүхэнд усны эзэнт гүрэн гэж тэмдэглэгджээ. Усны эзэнт гүрний үед Ажурын улс [Жубба гол|Жубба]], Шебеле голын усны нөөцөд монополь тогтоож байжээ. Тухайн үед усны инженерүүд маш олон чулуун худаг, усан санг барьж ашиглаж байсны заримыг нь одоо хүртэл хэрэглэж байна. Эрх баригчид хөдөө аж ахуйд татварын системийг тогтоож, энэ нь Сомалийн хойг хэсэгт 19-р зууныг дуустал хэрэглэгдсэн байна.
Исламын алтан үе гэж нэрлэгдэх муслимийн үед буюу 8-16-р зууны үед усны инженерчлэлийн ул мөр олсоор байна. Эдгээрээс хамгийн чухал нь 'усны менежментийн комплекс технологи' гэж нэрлэгдсэн үйл ажиллагаа нь Исламын ногоон хувьсгалын төв нь байсан ба, энэ нь өргөжсөнөөр орчин үеийн технологийн суурь болж өгчээ.
Монголчуудын хувьд 13-р зууны үеэс буюу Хархорум хот бий болсон цагаас эхлэн усны инженерчлэлийн түүх эхэлсэн гэж үздэг боловч Ховдын Булган голын эрэгт МЭӨ 13-р зуунд тариалан эрхэлж байсан ул мөр байдаг юм байна. 13-р зууны монголд бүтээгч хүмүүсийг нийтэд нь дархан гэж нэрлэдэг байсан ба уг дархчуул мөнгөн модыг бүтээсэн нь усны инженерийн тухайн үеийн том ололт байсан юм. Мөнгөн модноос гарах 3-н төрлийг идээг 200-300м-ийн цаана газар доор байрлуулсан шахуурганы тусламжтайгаар бүрээн дуунаар, хоолойгоор дамжуулан шахдаг байжээ. Мөн Юань улсын үед Бээжин хотыг усаар хангах том төслийг Монголын хаад санаачлан үйлдэж байжээ. Үүнээс эрт үед МЭӨ 8-9-р зуунд Уйгурын хаант улс Хар балгас хотыг байгуулж байсан ба түүнийг Хануй голоос ус татаж хангаж байсан сувгийн ул мөр олдсон байна.
Усны инженерчлэлийн үүрэг, судлагдахуун нь эртний үеэс өнөөг хүртэл онц гойд өөрчлөгдөөгүй юм. Шингэн өөрийн хүндийн хүчний урсгалаар шилжиж, шилжих боломжгүй газар механик энерги ашиглан шахах шахуурга зэрэг зохион бүтээгдсэн ба шахуурга нь усыг шилжүүлэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэсэн хэвээр байна. Жишээлбэл Виллиам Мүлхолдийн нөлөөгөөр хязгаарлагдмал усны нөөцтэй газар босож буй Лос-Анжелес хотын ойролцоох орчинд усыг шилжүүлэн, гадаргын усыг хуримтлуулан ашигласан байна. Ингээд Лос Анжелес дэлхийн томоохон хот, бизнесийн төв болоход хүндрэл байхгүй болсон байна. Гэх мэт олон хотуудын ус хангамжийн зөв зохистой шийдлийг харж болно. Калифорни мөн л усны зөв менежментийг хөтлөж усны нөөцийг бий болгосоноороо газар тариаланг хөгжүүлсан төв бүс болж чадсан байна. Калифорнийн зарим туршлагаас судлавал Тиннесэнийн хээр газрын удирдлага(TVA) хэмээх байгууллага голуудад үеийн менежмент хийх, боомт барьж хямд эрчим хүчийг үйлдвэрлэх болсоноор үйлдвэржилт даган тухайн бүс нутагт хөгжсөн байна.
Леонардо Да Винчи (1452–1519) урлаг уран сайхнаас гадна гидравлик, шингэний механикийн туршилт судалгаа эрдмийн ажлыг өргөнөөр хийдэг байжээ. Түүний нэгэн сургааль нь «Усыг судлахдаа эхлээд ямагт туршлагад суурилах хэрэгтэй» гэж сургасан нь орчин үеийн судлаачдын бодолд үргэлж байдаг. Исаак Нюьтон (1642–1727) нь амьд ахуйдаа хөдөлгөөний хууль, зунгааралтын хууль, шингэний механикийн тооцоолол гэх мэт үнэтэй хувь нэмрүүдийг оруулсан байна. Нюьтоны хөдөлгөөний тухай хуулийг ашиглан 18-р зуунд математикчид маш олон үрэлтгүй урсгалын математик шийдлийг гаргажээ. Гэвч байгаль дээрх урсгалд зонхилох хүч нь хүндийн ба үрэлтийн хүч байдаг учир 17-18-р зууны инженерүүд туршилт судалгааны ажлуудыг гүйцэтгэн үрэлтэт урсгалын хагас туршилтын томъёо, түрэлтийн алдагдалыг тодорхойлсоноор орчин үеийн гидравликийн суурь батажсан байна.
19-р зууны сүүлч үед гидравликийн шинжлэх ухаанд хэд хэдэн хэмжээсгүй тоонууд бий болж, энэ нь улмаар хэмжээсийн анализ хийх, турбулент хөдөлгөөний үндсийг тайлах, туршилт онолыг хослуулахад дэвшилт болж өгсөн байна. 1904 онд Людвик Прантдл анхы өгүүллээ хэвлүүлж, энэхүү хэвлэлдээ хязгаарын давхаргын бага зунгааралттай урсгал нь 2 хэсэгт хуваагдах ба эхнийх нь зунгааралт-зонхилсон урсгал ба энэ нь хатуу гадаргын орчимд хязгаарын давхаргыг үүсгэдэг. Нөгөөх нь идэвхит зунгааралтгүй урсгал нь дээрх бүсийн гадна талд байдгыг онцгой туршилтан дээрээ илрүүлжээ. Энэ нь олон прадокс шинж чанарыг тайлбарлахад чухал үүрэг гүйцэтгэсэн ба илүү түвэгтэй шингэний процессуудыг судлах боломжыг олгосон гэдэг. Гэсэн ч өдийг хүртэл байгалийн турбулент урсгалын мөн чанарыг гүйцэт нээж амжаагүй ба 1970-аад он хүртэл туршилт судалгаа хосолсон олон үнэтэй судалгааны үр дүнгүүд гарчээ.
Орчин үеийн усны инженерүүд CAD-н (КАД-Компьютерт суурилсан төслөлт) хандлагад шилжиж байна. Өөрөөр хэлбэл 1970 оноос хойш компьютерийн усны инженерийн төсөл судалгаанд гүйцэтгэх үүрэг ихэсч тусдаа тооцон бодох шингэний динамик гэсэн судалгааны 3 дахь шинэ хандлага гарч иржээ. Мөн усны урсгал, үерийн үзэгдлийг урьдчилан мэдээлэх GPS зураглалтай төсөл хөтөлбөр холбогдох, лазерт суурилсан хэмжилт, геодезийн хайгуул, усны барилга байгууламжийн судалгааны автоматжилт өргөн цар хүрээг тэлж хөгжиж байна.
Усны барилгын салбар анх 1963 онд Монгол Улсын Их Сургуулийн бүрэлдэхүүнд Барилгын инженерийн факультетийн харьяанд “Гидроинженерийн салбар” нэртэйгээр байгуулагджээ. 1969 онд мэргэжлийн тэнхим байгуулагдаж гидроинженер, сантехникийн салбаруудыг хариуцах болов. 1970 оноос ЮНЕСКО болон Монголын усны аж ахуйн байгууллагын хүч хөрөнгөөр инженерийн ба ерөнхий гидравлик, насос, гидротехникийн барилгын лаборатори, мелиораци, гидрометрийн кабинетууд байгуулагдаж сургалтын материаллаг бааз бэхжиж эхлэв.
Тус тэнхимд гавьяат усжуулагч, проф, Ph.D Н.Должинжав, техникийн шинжлэх ухааны анхны доктор Ж.Чогдон, доктор Ц.Басанжав, ахмад багш Б.Жамбалдорж, Г.Нансалмаа, Г.Тэгшжаргал, Н.Чагнаа нар ажиллаж байсан бөгөөд 1994 оныг хүртэл гидромелиораци, гидроинженер гэсэн хоёр мэргэжлээр боловсон хүчин бэлтгэж ирэв. Энэ их үйлсэд авьяас билэг мэдлэг чадвараа харамгүй зориулж ирсэн ахмад үеийн олон багш нарыг дурьдвал: Д.Дамдиндорж, профессор Ph.D Н.Должинжав, хүндэт профессор Г.Нансалмаа, Sc.D хүндэт профессор Ж.Чогдон, Ph.D Ц.Сосорбарам, мөн хуучнаар ЗХУ-аас уригдан ирж ажиллаж байсан Моис П.П, доктор профессор Животовский Б.А, кандидат Носков Б.Д, кандидат Гурев.А.П, Назоренко К.Н, Ярославский З.Я нар юм.
Усны барилгын (инженерчлэл) салбар өнгөрсөн түүхэн хугацаанд хөдөө аж ахуйн усан хангамж, бэлчээр усжуулалт, усны барилга байгууламж, усны нөөц экологи болон усан цахилгаан станцын барилга мэргэжлээр нийт 800 гаруй дээд боловсролтой мэргэжилтэн бэлтгэсэн байна.
2002 оноос Шинжлэх Ухаан Технологийн Их Сургууль шинэ зохион байгуулалтад орсноор тус тэнхим нь барилгын инженер, архитектурын сургуулийн «Гидравлик, усны барилга байгууламжийн баг» болон зохион байгуулагдаж, тэргүүлэх профессор, Ph.D М.Дугармаа, дэд профессор, Ph.D Ш.Даваажамц, Ph.D Я.Туул, ахлах багш П.Болд, ахлах багш Н.Насанбаяр, багш С.Баасансүрэн, багш Ц.Алтанцэцэг, сургалтын инженер Н.Болдбаатар, багш Б.Аюурзана, хичээлийн туслах ажилтан Л.Болдмаа нарын бүрэлдэхүүнтэй, 130 гаруй оюутантайгаар ажиллаж байна.
2008 оноос английн TQ болон Armfield үйлдвэрийн тоног төхөөрөмжөөр гидравликийн ба инженерийн гидравликийн лаборатори, германы Grundfos фермийн тоног төхөөрөмжөөр насосны, мэргэжлийн байгууллагын тусламжтайгаар хөрсний ус-физикийн лабораторуудыг байгуулж сургалтанд ашиглаж байна.
Усны барилга байгууламжийн бакалаврын зэрэгтэй мэргэжилтэн нь барилгын инженерт тавигдах нийтлэг шаардлагыг хангахын зэрэгцээ усны барилга байгууламжийн бакалаврын түвшний онол, практикийн мэдлэгийг бүрэн эзэмшсэн, гадаад хэл, эдийн засаг, хууль зүй, бизнесийн зохих мэдлэгтэй, ёс суртахууны өндөр соёлтой, зохион байгуулах чадвартай, мэдлэг мэргэжлээ байнга дээшлүүлж байдаг инженерийн боловсролтой байх бөгөөд суурь ухаан, мэргэжлийн суурь, мэргэшүүлэх хичээлүүдийг сургалтын төлөвлөгөөний дагуу тодорхой дарааллаар бүрэн судалж, усны барилга байгууламжийн гидравлик, гидрологи, статик, динамик тооцоог хийх, зураг төсөл зохиох, барих, ашиглах, засварлах мэдлэг чадварыг эзэмшсэн байна.
Усны барилга байгууламжийн магистрын зэрэгтэй төгсөгч нь мэргэжлээ онол практикийн өндөр түвшинд эзэмшсэн ёс суртахууны соёлтой, зохион байгуулах чадвартай, нэгээс хоёр гадаад хэлийг чөлөөтэй эзэмшсэн, мэдлэг мэргэжлээ байнга дээшлүүлж байдаг мэргэжилтэн байх бөгөөд усны барилга байгууламжийн зураг төсөл зохиох, төсөл боловсруулах, багшлах, сургалт, судалгаа шинжилгээний ажил явуулах мэдлэг чадварыг эзэмшсэн байна.
Усны менежмент, усны нөөц экологийн инженерээр төгсөгч нь мэргэжлийн байгууллагуудад ашиглалтын болон хяналтын инженер, улсын байцаагч, усны сав газрын зөвлөл, эрдэм шинжилгээ, хяналтын байгууллагын ажилтанаар ажиллана.
Сургалтын орчин ба төгсөгчдийн чадавхийг сайжруулах, усны салбарын хөгжлийг тэргүүлэгч байх үүднээс шинжлэх ухааны судалгааны дараах төсөл, ажлуудыг тогтмол хийж байна. Үүнд: