Водозаборные сооружения. Виды и особенности водозаборов из поверхностных источников

1. ВЫБОР МЕСТА И ТИПА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОЗАБОРОВ

Водоприемные сооружения входят в число головных сооружений водопроводов и определяют надежность работы всей системы. Водоприемники вторгаются в природную водную среду и их работа не должна наносить вред природе.

В настоящем издании принята следующая терминология: водоприемник – сооружение, непосредственно принимающее (забирающее) воду из водоисточника; водозабор – комплекс сооружений, включающий водоприемник, колодец, насосную станцию первого подъема. При определенной компоновке водоприемного узла понятия водоприемника и водозабора могут совмещаться.

1.1. Классификация поверхностных  водоприемников

По  виду источника различают    речные,    озерные, водохранилищные, морские водозаборы.

По производительности водозаборы бывают:

• малые (до 1 м3/с);
• средние (1-6 м3/с);
• крупные (> 6 м3/с).

По капитальности различают постоянные (с расчетным сроком эксплуатации 25 лет) и временные или сезонные (передвижные) водозаборы.

По месту расположения водоприемника они могут быть береговыми, русловыми, комбинированными и приплотинными.

По компоновке водоприемного узла различают совмещенные и раздельные водозаборы.

По назначению водозаборы в соответствии с системой водоснабжения могут быть хозяйственно-питьевыми, техническими, оросительными.

Различают также три категории надежности подачи воды соответственно  трем  категориям   систем   водоснабжения.

1.2.  Выбор типа водозабора

На выбор типа влияют следующие факторы:

• категория надежности подачи воды;
• забираемые расходы воды;
• показатели качества;
• гидрологические характеристики (глубины воды, уровни и их колебания, ледовые условия, скорости воды, рельеф);
• геологические характеристики;
• назначение водотока или водоема (лесосплав, рыборазведение, водный транспорт, ГЭС);
• тип насосов.

Выбор типа водозабора производится по табл. 13 СНиП 2.04.02-84 в соответствии с природными условиями приема воды, определяемыми по табл. 12 СНиП.

1.3.  Выбор места водозабора

При выборе места расположения водозаборного узла решающими являются следующие факторы:

• Возможность наиболее простого и экономичного способа забора воды.
• Бесперебойность в получении требуемого количества воды (согласно категории надежности подачи).
• Обеспеченность получения наиболее чистой воды, возможность организации зон санитарной охраны.

Водозабор должен быть также по возможности ближе к потребителю.

Рекомендуются следующие места расположения водозаборов:

• выше населенного пункта (с учетом перспективы развития);
• выше выпусков сточных вод (с учетом возможного подпора и нагона воды против течения);
• выше портов, складов, лесных бирж и т.п.;
• выше оврагов, ручьев, островов, балок;
• выше и ниже притоков с большим количеством наносов;
• на вогнутом берегу (выпуклый и прямолинейный не рекомендуются из-за возможности заиления);
• выше      перекатов      (ниже      велика      вероятность образования шуги);
• в местах прочных грунтов;
• на главном русле, а не на протоках.

Запрещается устройство водозаборов:

• в зоне разрушения берегов;
• в зоне отложения наносов;
• в зоне движения судов и плотов;
• в местах заторов льда и шугозажоров;
• в зоне оползней;
• в верховьях водохранилищ;
• в местах нереста рыбы.

На      морях,     крупных      озерах     и      водохранилищах рекомендуется избегать:

• мест резких изломов берега;
• зон прибоя;
• мест скопления плавника и водорослей.

…Семнадцатый век. Суздаль. Шум и гам на берегу речки Каменки:  стенкой  на  стенку  идут  монахи  и  горожане. Пря возникла, выражаясь современным языком, на почве разного подхода к вопросам водопользования. Ремесленники Суздаля повадились замачивать в Каменке сырье кожи для выделки. А обитатели соседних монастырей издавна снабжались в ее водах плотвой и окунями. Каким-то там образом христолюбивые рыбари вычислили: их частые неуспехи в ловле обусловлены злокозненным промыслом горожан. Увещевания, попытки взять кожемяк “на бога”, надо полагать, не срабатывали. Дошло до рукопашной.

Дела давно минувших дней… Не грех слегка и поиронизировать над ними, не забывая, однако, что уже в трехвековой дали мелькали зарницы проблемы, повисшей сегодня заметной тучей — проблемы охраны вод от загрязнения и грамотного выбора места водозабора.

При выборе места водозабора следует учитывать, что русло реки со временем деформируется:

1. вдоль реки двигаются гряды наносов, из-за чего глубина воды в одном и том же месте реки может изменяться на величину до 10 и более метров (рис.1.1, б);
2. могут двигаться “побочни” — косы у берегов, обсыхающие в межень и кажущиеся берегом, а в паводок сносятся ниже по течению (рис. 1.1, а);
3. излучины реки двигаются в течение лет (см.рис. 9.1, в) за счет размыва (жирные линии) и наносов (штриховка). Штрих-пунктирной линией показано главное течение реки, штриховой — перемещенная со временем линия уреза воды в реке.

2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ РЕЧНЫХ ВОДОПРИЕМНИКОВ

2.1. Береговые водозаборы

Устраиваются при наличии больших глубин у берега и высоких требованиях к надежности забора и подачи  воды.  Они представляют собой массивные колодцы, располагаемые на берегу, принимают воду непосредственно из источника водоприемными окнами. Возможно устройство прорезей в дне для обеспечения больших глубин (см. 16.4). Их достоинство — доступность водоприемных отверстий, недостаток — более мутная вода у берега. По компоновке могут быть совмещенными (водоприемник и насосная станция в одном сооружении) и раздельными.

Совмещенная компоновка рекомендуется:

• при прочных грунтах дна;
• при большой амплитуде колебания уровней воды в реке (разности минимальной и максимальной отметок воды) — более 6 м;
• при большой производительности  водоприемника.

Совмещенные водозаборы удобны с точки зрения эксплуатации (все оборудование находится в одном месте). Они более экономичны и больше распространены на практике. Совмещенная компоновка не рекомендуется при  неустойчивых грунтах, так как вибрация насосных агрегатов может вызвать крен берегового колодца.

Колодец водозабора устраивается из монолитного железобетона и может выполняться следующими способами:

• в осушенном котловане, огражденном перемычками от реки и шпунтами от берега;
• при скальных породах, плотных глинах, сланцах — в котловане, но без шпунтов;
• опускным      способом      (в      песках,      супесях)      с предварительной насыпью, защищенной от размыва;
• методом “стена в грунте”;
• кессонными подводными работами (для очень крупных водозаборов).

При опускном способе форма колодца в плане круглая — при этом будет минимальная площадь поверхностей трения стенок о грунт. При других способах строительства колодцы устраиваются квадратными, прямоугольными или сложной формы в плане со скруглениями для обтекания водой, льдинами. Для надежности колодец разбивается глухой перегородкой не менее, чем на две секции, при выходе из строя одной из них вторая должна обеспечить прием не менее 70% полной производительности водозабора.

На рис. 2.1 изображена одна из возможных схем берегового совмещенного водозабора — самая надежная (насосы находятся под заливом), но и самая дорогая (большой подземный объем, а соответственно и большая стоимость сооружения). На схеме приняты  следующие  обозначения: ВГВ — верхний горизонт воды (в паводок); НГВ — низкий горизонт воды (в межень); I-водоприемное отделение; II-всасывающее отделение; III-насосная  станция  I  подъема;  а, б-секции водоприемника, 1-входные окна; 2-решетки; 3-затворы, 4-сетки; 5-насосные агрегаты; 6-напорные линии; 7-павильон; 8-грузоподъемное         оборудование; 9-железобетонный колодец.

Для удешевления строительства водозабора можно:

1. применить вертикальные насосы (или даже артезианские) с меньшими габаритами в плане (при этом не всегда можно подобрать требуемые по расчету насосы);
2. уменьшить заглубление насосной станции, что возможно только на скальных основаниях.

Раздельная компоновка позволяет защитить насосную станцию от затопления, уменьшает габариты берегового колодца, но при этом: насосы оказываются не под заливом; эксплуатирующий персонал разобщен; удлиняются всасывающие линии и растут потери напора в них.

Раздельная компоновка водозаборов рекомендуется:

• при неустойчивых грунтах;
• при    малой   амплитуде    колебания    уровней   воды (< 6 м);
• при малой производительности.

При этом насосная станция располагается по возможности ближе к береговому колодцу, но за пределами призмы обрушения. Всасывающие линии, пролегающие в зоне возможных деформаций грунтов, для облегчения ремонта рекомендуется располагать в галереях.

2.2. Русловые водозаборы

Применяются при пологих берегах и отсутствии больших глубин у берега. Состоят из трех основных элементов: водоприемников (оголовков), располагаемых в русле и удаленных от берега; береговых колодцев и связывающих их самотечных линий. Обеспечивают при отсутствии специальных мероприятий только II-ю и III-ю степень надежности забора воды. Для надежности колодец секционируется, устраивается не менее двух оголовков и самотечных линий.

Степень надежности забора воды русловыми водоприемниками можно повысить на единицу:

1. при размещении оголовков в самопромывающемся затопляемом ковше — для крупных ответственных водозаборов;
2. при подводе к водоприемным отверстиям теплой воды в количестве не менее 20 % от производительности (экономически оправдано только для водозаборов ГРЭС, ТЭЦ, АЭС, металлургических заводов);
3. при автоматической обратной промывке самотечных линий (наиболее реальное мероприятие для рядовых водозаборов).

Русловые водоприемники могут выполняться совмещенными и раздельными, с двумя ярусами самотечных труб (при большом колебании уровней).

Глубокое заложение самотечных труб у берега требует тяжелых и дорогостоящих работ в грунтовых водах или скале. В таком случае возможно применение сифонных линий, прокладываемых на небольшой глубине (дешевых). Максимальная высота от НГВ до точки перелома сифонной линии — 8,0 м. Для запуска таких линий в работу требуется создание вакуума в верхней точке трубы. Надежность работы таких линий снижается, так как при образовании трещин, свищей, неплотностей стыков вакуум срывается и прекращается прием воды. Поэтому степень надежности приема воды русловыми водозаборами с сифонными линиями ниже на единицу, чем с самотечными.

Схема руслового водоприемника с самотечными (сифонными) линиями и оголовком приведена на рис. 2.2., где приняты следующие обозначения: I-оголовок; II-самотечные линии; III-береговой сеточный колодец; IV-насосная станция; 1-входные окна с решетками; 2-запорное устройство; 3-колонка управления; 4-сетка; 5-всасывающая труба; 6-насосный агрегат; 7-напорный трубопровод; 8-сифонная линия; 9-вакуумная линия; 10-галерея; 11-промывной трубопровод.

Водоприемники могут быть также комбинированными: при определенном профиле берега в паводок они могут принимать воду окнами в колодце, а в межень переходить на русловый прием воды — см. рис. 2.3.

2.3. Оголовки русловых водоприемников

Предназначены     для     приема     воды     и     защиты     от повреждений концов самотечных линий.

Различают три типа принципиально различных оголовков:

1. постоянно затопленные;
2. затопляемые высокими водами;
3. незатопляемые (крибы).

Первые труднодоступны (особенно в паводок и зимой), зато дешевые, не мешают транспорту и лесосплаву, не воспринимают нагрузок от ледохода  и  ледового  покрова.  Они имеют самое широкое распространение.

Оголовки второго типа на практике мало применяются.

Третьи применяют для повышения надежности, в основном на водохранилищах и озерах.

Основные конструкции оголовков приведены на рис. 2.4 — 2.9.

Простейшими и самыми дешевыми являются раструбные свайные незащищенные оголовки. Их раструб может располагаться не только вертикально, как показано на схеме, но и наклонно или горизонтально. Иногда для их защиты от плывущих предметов выше по течению забивают защитные сваи. Рекомендуются такие оголовки при малой производительности и легких природных условиях, при отсутствии лесосплава и судоходства. Конструкция необтекаема, возмущает речной поток, боится ударов.

Ряжевые оголовки изготавливаются в виде сруба из бревен на берегу со смонтированными раструбами и концами самотечных линий. Такая плавучая конструкция буксиром транспортируется к месту установки и затапливается с пригрузом камнями. Оголовок обтекаемой формы, массивный, сравнительно недорогой, но трудоемкий в изготовлении. Рекомендуется при небольшой производительности водозабора.

Ряжевый оголовок может быть устроен без раструбов, а с фильтрующей засыпкой из гравия или щебня в полости сруба (рис. 2.6). Такой оголовок частично осветляет воду и обеспечивает рыбозащиту. Прием воды осуществляется передним фронтом сооружения, который может иметь большую площадь и обеспечивать среднюю производительность водозабора.

Бетонный оголовок (см.рис. 2.7) выполняется также на берегу в виде корыта из листовой стали с распорками и раструбами. В таком виде он транспортируется к месту установки, затапливается и под водой заполняется бетоном. Такой оголовок устойчив против ударов, обтекаемый потоком, но сложен в изготовлении. Его особенностью является двухстороннее расположение входных окон (2…4 окна в одной секции), что позволяет принимать большие расходы воды.

Железобетонный оголовок (рис. 2.8) устраивается в виде железобетонной скорлупы на берегу, оснащается раструбами, транспортируется в русло, затапливается в проектном месте и утяжеляется каменной наброской. Получившаяся конструкция стойка к ударам, обтекаема потоками воды, индустриальна в изготовлении, но громоздка. Находит широкое применение на практике.

В определенных условиях наиболее подходящими являются донные оголовки с расположением входных окон в горизонтальной плоскости. Одна из возможных  конструкций  такого  оголовка  приведена  на   рис. 2.9 — бетонный фильтрующий. Оголовки могут представлять собой дырчатые трубы в щебеночной обсыпке. Разработано множество конструкций различных оголовков.

2.4. Самотечные линии русловых водозаборов

Устраиваются из следующих труб:

• Стальных – они удобны для строительства, но подвержены коррозии, требуют антикоррозионной изоляции. Трубы свариваются в плеть, закупориваются пробками, транспортируются на место укладки, затапливаются и опускаются в траншею, устроенную земснарядом. Недлинные трубы можно прокладывать продавливанием, горизонтальным бурением.
• Чугунных,  железобетонных,  асбестоцементных, эти трубы не корродируют, но их трудно укладывать (трудоемкая стыковка).

Варианты устройства таких самотечных линий:

• укладка в подводных траншеях, стыки выполняются водолазами;
• со шпунтовым ограждением траншеи и осушением места прокладки.

К сифонным линиям предъявляют повышенные требования по герметичности стыков.

Прокладываются самотечные линии на суше и возле уреза воды, ниже глубины промерзания; в русле — над дном свободно или в обсыпке щебнем для защиты от истирания и повреждения, ниже дна (на 0,5 м).

Диаметры труб определяются скоростями движения воды. С одной стороны скорости должны быть небольшими, чтобы не было больших потерь напора, с другой стороны скорости должны быть достаточно большими, чтобы не было отложений наносов.

По СНиП скорости воды в самотечных линиях должны быть в пределах 0,7…2,0 м/с, в зависимости от категории водозабора и диаметра трубы. Эта скорость должна быть незаиляющей и в общем случае зависит  от производительности водозабора, диаметра трубы и крупности наносов.

2.5.      Промывка самотечных линий

В процессе эксплуатации русловых  водозаборов, особенно в период паводка, возможно засорение самотечных линий отложениями (ил, песок), вследствие чего уменьшается поперечное сечение водоводов, увеличиваются потери напора и снижается подача воды.

Прочистка самотечных линий может осуществляться:

1. механическим способом (совками, скребками и т.п. по типу прочистки канализационных коллекторов), метод связан  с длительным выключением водоводов из работы, трудоемкий, но при больших диаметрах предпочтителен;
2. гидравлическим методом — созданием повышенных скоростей движения воды в трубе, промывкой, способ наиболее распространен.

Скорость промывной воды можно определить по  формуле:

V = A (δ d)^0,25, м/с,

где А = 7,5…10 — безразмерный коэффициент, δ — крупность отложений, м,
d — диаметр трубы, м.

Известно, что для разрушения и выноса отложений нужны скорости, на 25…50 % превышающие нормальные.

Различают два основных способа создания промывного потока: прямой и обратный.

При прямой промывке одна из самотечных линий отключается, насосы работают в нормальном режиме и подают расчетный расход. Из-за этого уровень в колодце падает, увеличивается перепад  отметок  в  источнике  и  в  колодце,  то есть создается увеличенный напор на работающей трубе, вследствие чего скорости движения воды в ней возрастают.

Достоинства этого способа:

1. простота эксплуатации;
2. отсутствие специальных устройств для промывки;
3. подача потребителю при промывке проектного расхода.

Недостатки:

1. не промываются решетки (от мусора и шуги);
2. загрязнения из трубы выносятся в береговой колодец;
3. промывка невозможна при низких уровнях воды в реке, то есть не обеспечивается надежность.

При обратной промывке устраивается специальный промывной трубопровод, связывающий напорные водоводы с самотечными линиями. При промывке одна из самотечных линий отключается и по ней в обратном направлении подается вода из напорных водоводов. Во второй самотечной линии происходит прямая промывка.

Достоинства обратной промывки:

1. одновременная промывка решеток;
2. возможность отбрасывать шугу от входных окон (автоматическая обратная промывка обеспечивает русловому водозабору 1 степень надежности забора воды);
3. промывка может быть осуществлена в любое время (обеспечивается надежность);
4. загрязнения уносятся промывным потоком в реку. Недостатки:
5. сложность эксплуатации;
6. большие капиталовложения на устройство промывного трубопровода;
7. снижение подачи воды потребителю;
8. потери воды.

В связи с этим обратная промывка рекомендуется при диаметре линий до 500 мм включительно. При больших диаметрах следует ориентироваться на прямую промывку.

Разновидность обратной промывки — импульсная, применяемая при малых входных скоростях, когда затрудняется удаление мусора и шуги с решеток из-за малых скоростей промыва. Система импульсной промывки показана на рис.2.10.

С помощью вакуум-насосов заполняют водой вакуум- стояк, а затем срывают вакуум с помощью клапана, открыв его вручную на краткое время (усилие на рычаге от 10 до 30 кг). При этом колонна воды в стояке движется вниз и в сторону реки в самотечной линии. По инерции уровень воды в стояке опускается ниже равновесного и над водой самопроизвольно создается вакуум, под действием которого вода поднимается по стояку вверх, а в самотечной линии движется к колодцу. Таким образом, в трубах создается затухающее колебательное движение воды, эффективно очищающее самотечные линии от отложений, а решетки — от скоплений сора и шуги.

При обратной промывке труб больших диаметров применяется гидропневматический способ, при котором в водоводы подается сжатый воздух от компрессора. Создаются волны и пробки, пульсации давления и расхода, вибрации, эффективно очищающие самотечные линии.

2.6. Борьба с биологическими  обрастаниями

Кроме отложений проблему для самотечных линий могут создавать биологические обрастания — мхи, моллюски (особенно дрейссены), микроорганизмы. Они также могут приводить к уменьшению сечения и увеличению гидравлического сопротивления труб. Для подавления развития биообрастаний применяют следующие  мероприятия:

• Покраска внутренних поверхностей труб специальными красками (неприменимо для питьевых водопроводов).
• Промывка водой с температурой 45-55⁰С.
• Обработка воды хлором.
• Анодное растворение медных электродов.

На стадии исследований находятся методы воздействия ультразвуком, другими излучениями.

---

По материалам: Водоснабжение: учебное пособие / Н. И. Куликов [и др.]. – Новосибирск: ООО «ЦСРНИ», 2016. – 704 с.