Водозаборные сооружения

Водозаборные сооружения предназначены для забора воды из источников водоснабжения и бывают двух видов:

− водозаборные сооружения поверхностных источников;

− водозаборные сооружения подземных источников.

Выбор типа водоприемных сооружений зависит от местных природных условий: гидрогеологических характеристик водоемов; характера самого источника водоснабжения.

Водоприемные сооружения рекомендуется устанавливать:

− на кратчайшем расстоянии до потребителя и гарантии бесперебойного получения воды наилучшего качества и требуемого количества;

− на устойчивом участке берега и дна водоема; вне очагов образования ледяных заторов и донных наносов; вне зоны работы ГЭС и гидроузлов; вне зоны интенсивного движения судов;

− выше по течению от населенных мест, промпредприятий и мест возможного сброса сточных вод в водоем; с учетом организации зон санитарной охраны.

Следует также учесть, что при соблюдении всех перечисленных условий место расположения водоприемника должно обеспечивать возможность применения наиболее дешевого и простого способа забора воды из источника.

Наиболее благоприятны для расположения водоприемников вогнутые берега реки, где отложения наносов не происходит, однако при этом требуется проведение дополнительных работ по укреплению берега. Весьма существен при выборе места расположения водозаборного сооружения учет возможности оползневых и сейсмических явлений.

Водозаборные сооружения подземных источников. Выбор типа сооружений и схемы их размещения зависит от глубины залегания водоносного пласта, его мощности и водообильности, условий залегания, геологических и гидрологических условий.

Для забора подземных вод устраивают лучевые водозаборы, шахтные колодцы, артезианские скважины и др.

Лучевой водозабор. Применяют для забора грунтовых вод, залегающих на глубине не более 15 − 20м. Лучевой водозабор представляет собой разновидность шахтного колодца, оборудованного водоприемными фильтрами с дренами. Дрены располагаются в водоносном слое радиально по отношению к колодцу. Их выполняют из перфорированных стальных труб. Лучевые водозаборы позволяют максимально использовать водоносные слои. На рис. 1.7.1 представлена схема устройства лучевого водозабора.

Рис. 1.7.1. Схема устройства лучевого водозабора:

1 – колодец (водоприемная камера); 2 – насос; 3 – дренажные трубы (горизонтальные скважины)

Горизонтальные водозаборы устраивают в пределах водоносного пласта на глубине 6−8 м при незначительной его мощности. Водозабор располагают перпендикулярно направлению движения грунтового потока с уклоном в сторону сборного колодца, откуда вода забирается насосами. В качестве горизонтальных скважин используют стальные фильтровые трубы диаметром 150…200 мм с щелевой перфорацией. Оптимальное число дренажных труб принимается от 2 до 6 во избежание их взаимного влияния. Длина дренажных труб не должна превышать 80 м. При большей длине труб возрастают гидравлические потери и снижается их пропускная способность. На рис. 1.7.2 представлена схема устройства горизонтального водозабора.

Рис. 1.7.2. Горизонтальный водозабор:

1 − горизонтальные водосборы; 2 − сборный колодец; 3 − водоносный пласт;

4 − водоупор

Шахтный колодец. Предназначен для забора воды из водоносных пластов, залегающих на глубине до 30 м от поверхности земли. В крупных централизованных системах водоснабжения шахтные колодцы применяются относительно редко. Их используют при индивидуальном водоснабжении, в сельской местности, во временных водопроводах.

Шахтный колодец состоит из ствола, выполненного из кирпича, бетона или железобетонных колец, в большинстве случаев имеет круглую в плане форму. Для защиты колодца от попадания поверхностных вод и загрязнения вокруг него делают каменную или асфальтовую отмостку. Кроме того, вокруг колодца устраивают глиняный замок, который защищает колодец от просачивания загрязненных поверхностных вод.

Вода в шахтный колодец поступает через боковые отверстия, устраиваемые в стенках, и дно, засыпанное крупнозернистым материалом (обратный гравийный фильтр). При поступлении воды через дно колодца в нем устраивают обратный фильтр, выполненный из крупного песка, гравия и щебня различных фракций.

Отбор воды из шахтного колодца производится насосом или при помощи сифона. Стенки колодца поднимают на 0,8 м над поверхностью земли. Сверху колодец закрывается крышкой.

Схема устройства шахтного колодца представлена на рис. 1.7.3.

Рис. 1.7.3. Схема устройства шахтного колодца:

1 – ствол шахты; 2 – глиняный замок; 3 − отмостка; 4 – обратный фильтр

Артезианская скважина предназначена для забора подземных вод с глубины более 30 м. Это наиболее распространенный тип водозаборных сооружений подземных вод. Скважины располагают перпендикулярно направлению потока подземных вод.

Скважина состоит из устья, ствола, водоприемной части (фильтра) и отстойника.

Стенки скважины после бурения закрепляют стальной обсадной трубой 1, которую опускают приблизительно до верхней границы залегания водоносных пород. В обсадную трубу 1 опускают трубу 2 меньшего диаметра, которую доводят до нижней границы залегания водоносных пород, немного заглубляя в водоупор. Затем в трубу 2 опускают фильтр 3, предназначенный для защиты колодца от занесения в него вместе с водой частиц грунта. Фильтр 3 опускают с помощью штанг и замков 4 в верхней его части. Затем трубу 2 удаляют из скважины, а кольцевое пространство между стенками фильтровой и обсадной труб уплотняют путем установки сальника 5. Над скважиной устраивают специальный павильон. Фильтр является ответственной частью скважины и от его надежности зависит качество работы всей скважины.

На рис. 1.7.4 показана схема устройства скважины.

Рис. 1.7.4. Схема устройства скважины:

1 – стальная обсадная труба; 2 – труба меньшего диаметра, в которую устанавливается фильтр; 3 – фильтр; 4 – замок для установки фильтра; 5 − сальниковое уплотнение; 6 − рабочая приемная часть фильтра; 7 − нижняя глухая отстойная часть;8 − надфильтровая глухая часть

Типы и конструкции применяемых фильтров в основном зависят от гранулометрического состава водоносных пород. В практике применяются фильтры: трубчатые, проволочные, сетчатые, каркасно-стержневые, гравийные.

Каптажные сооружения используются для забора родниковой воды и представляют собой камеры типа шахтных колодцев. Каптажные сооружения устраивают в месте выхода воды. Забор нисходящих потоков родников воды осуществляется через боковые стенки колодцев, в которых устраивают приемные отверстия. Эти отверстия с наружной стороны оборудованы фильтром из камней, гравия и песка, что препятствует попаданию в камеру наносов. Из колодцев вода по трубам отводится в запасной резервуар.

Водозаборные сооружения поверхностных источников классифицируются:

- в зависимости от места расположения на русловые, размещаемые в русле реки, и береговые, размещаемые непосредственно на берегу реки;

- в зависимости от вида источника водоснабжения водозаборные сооружения бывают речные; озерные; морские;

- по конструктивным признакам: совмещенные с насосной станцией первого подъема; раздельные с насосной станцией первого подъема.;

- по материалу изготовления колодца: кирпичные; бетонные и железобетонные;

- по производительности: малые, производительностью Q < 1 м³/с; средние, производительностью Q до 6 м³/с и большие, производительностью Q > 6 м³/с.

Водозабор берегового типа. Водозаборные сооружения берегового типаустраивают при наличии следующих условий в месте забора воды: крутой берег; значительная (более 10 м) глубина водоема; устойчивые плотные грунты в основании берега; амплитуды колебания уровней воды в водоеме более 6 м; благоприятные ледовые условия; незначительные образования донных наносов.

Принципиальная схема работы берегового водозабора раздельного типа приведена на рис. 1.7.5.Он представляет собой колодец 1, выполненный, как правило, из железобетона и располагаемый на склоне берега. Вода поступает в береговой водозабор через входные окна 2, оборудованные с наружной стороны съемными решетками для грубой механической очистки речной воды. Колодец разделен перегородкой 3 на две камеры — приемную 4 и всасывающую 5. В проеме перегородки между камерами устанавливают сетку 6. Из всасывающей камеры вода забирается всасывающими патрубками 7 центробежных насосов 8, расположенными в насосной станции первого подъема 5. Всасывающие трубы центробежных насосов для защиты от повреждений и для облегчения их осмотра и ремонта иногда располагают в специальной галерее. Над водоприемным колодцем устраивают служебный павильон 9, из которого осуществляется управление арматурой и механизмами очистки сеток, а также другие операции, связанные с эксплуатацией водозабора. Решетки приемных окон выполняются из стальных стержней с зазором между ними 40 — 100 мм. Приемные окна располагаются в два яруса при значительном колебании уровней воды в реке. Расстояние от низа возможного ледяного покрова до верха верхнего водоприемного окна водозабора должно составлять не менее 0,2 − 0,3 м. Расстояние между дном реки и низом нижнего водоприемного окна составляет не менее 0,5 м для исключения попадания в водозабор донных наносов. Средняя скорость движения воды через решетки водоприемных окон − 0,2 − 0,6 м/с. Сетка, вмонтированная в перегородку между приемной и всасывающей камерами, предохраняет ее от попадания крупных взвесей. На крупных водозаборных сооружениях устанавливают вращающиеся сетки с непрерывной промывкой водой.

Рис.1.7.5. Водоприемник берегового типа

1 − водоприемный колодец; 2 − входные окна; 3 − приемная камера; 4 − всасывающая камера; 5 − машинный зал; 6 − съемная сетка; 7 − всасывающий патрубок центробежного насоса; 8 − центробежный насос; 9 − служебный павильон; 10 − напорные водоводы

В предледоставный период переохлажденная вода кристаллизуется на взвешенных частицах грунта, образуя глубинный лед, переносимый течением водоема на значительные расстояния. Такие насыщенные льдом потоки часто создают аварийные ситуации на водозаборных сооружениях, полностью закупоривая отверстия приемных окон.

Для водозаборов средней производительности при малой высоте всасывания насосов и наличии неплотных грунтов в основании берега устраивают береговые колодцы совмещенного типа. При этом днище водоприемного колодца и насосной станции первого подъема выполняют общим. Водоприемники берегового типа имеют в плане круглую, эллипсовидную или прямоугольную формы.

Водозабор руслового типа. Водозаборные сооружения руслового типа устраивают в месте забора воды при следующих условиях: пологий берег; малая (до 10 м) глубина водоема; амплитуда колебания уровней воды в водоеме менее 6 м; благоприятные ледовые условия; незначительные образования донных наносов.

На рис. 1.7.6 представлена схема устройства руслового водоприемника.

Оголовок является ответственной частью водозаборного сооружения и служит для приема воды из источника водоснабжения. Для уменьшения количества вовлекаемых в оголовок крупных наносов и молоди рыб входные отверстия перекрывают решетками.

Самотечные линии служат для подачи воды от оголовка до колодца, находятся под водой и недоступны для осмотра. Их устраивают в две нитки для обеспечения надежной эксплуатации водозабора. В некоторых случаях для уменьшения глубины укладки самотечных линий их заменяют на сифонные. Скорость движения воды в самотечных линиях составляет 0,7 − 0,9 м/с во избежание их засорения. Для промывки самотечных труб водозаборные сооружения должны иметь соответствующее оборудование.

Рис. 1.7.6. Схема устройства руслового водоприемника:

1 – оголовок с решетками; 2 – самотечные линии; 3 – водоприемный колодец; 4 – насосная станция первого подъема; 5 − приемная камера; 6 − всасывающая камера; 7 − съемная сетка; 8 − служебный павильон; 9 − всасывающий патрубок центробежного насоса; 10 − центробежный насос; 11 − напорные водоводы

Оголовки русловых водозаборов бывают: постоянно затопленные, затопляемые высокими водами и не затопляемые. Постоянно затопленные оголовки нашли более широкое применение, так как значительно дешевле не затопляемых. Они не подвергаются воздействию ледовых нагрузок, но их обслуживание связано с определенными трудностями и неудобствами. Оголовки бывают: деревянными (свайными и ряжевыми); бетонными и железобетонными.

Зоны санитарной охраны источников водоснабжения. Создание санитарных зон необходимо для предотвращения загрязнения источников хозяйственно-питьевого водоснабжения. Они охватывают эксплуатируемый водоем и часть бассейна его питания. На этой территории, как правило, организуют три пояса санитарных зон, в каждом из которых устанавливают особый режим, санитарный надзор и контроль за качеством воды в источнике.

Границы первого пояса зоны санитарной охраны (строгого режима) ограничивают источник в месте забора воды и площадку, занимаемую водозаборами, насосными станциями, очистными сооружениями и резервуарами чистой воды. Этот пояс охватывает акваторию рек и подводящих каналов не менее чем на 200 м от водозабора вверх по течению и 100 м вниз по течению. По прилегающему к водозабору берегу граница проходит на расстоянии не менее чем на 100 м от линии уреза воды при максимальном уровне. При ширине реки и канала до 100 м в зону первого пояса входит часть противоположного берега (по отношению к водозабору) шириной 50 м, при большей ширине − акватория шириной не менее 100 м.

Зона санитарной охраны первого пояса для водохранилищ и озер охватывается границей, проходящей на расстоянии 100 м от водозабора по всей акватории источника к берегу. Для подземных источников граница проходит в радиусе 30 м от водозабора, если источник надежно защищен; при отсутствии гарантий надежной защиты граница пояса проходит в радиусе 50 м.

В санитарной зоне первого пояса запрещено пребывание людей, не связанных с эксплуатацией сооружений.

Второй пояс охватывает территорию по обеим сторонам реки на расстоянии 500 − 1000 м вверх по течению реки. Зона санитарной охраны этого пояса назначается исходя из пробега воды от его границы до водозабора в течение 3 − х суток при расходе воды 95 %-ной обеспеченности.

Третий пояс охватывает территорию, окружающую источник, которая оказывает влияние на формирование качества воды в нем. Границы территории третьего пояса определяются исходя из возможности загрязнения источника химическими веществами.