Водоснабжение часть 2, водозаборные сооружения
(для групп ФБФО)
1.Источники водоснабжения. Общая характеристика. Требования к источникам водоснабжения.
Пресные воды рек и озер составляют около 230 тыс. км3. Значительная часть пресной воды находится в ледниках (24 млн. км3)
Подземные воды (в толще до 5 км) составляют 60 млн. км3, из них 4 млн. км3 находятся в зоне активного водообмена. вековыми запасами и возобновляемыми ресурсами.
Речные воды, имея сравнительно небольшой объем, возобновляются примерно каждые 16 суток (более 20 раз в году). Подземные воды возобновляются в течение примерно 1400 лет, а горные ледники - в течение 1800 лет.
В России около 3 миллионов рек.
К вековым, естественным запасам пресных вод суши относят воды, единовременно находящиеся в озерах, реках, ледниках, а также в водоносных слоях горных пород (подземные воды). К возобновляемым водным ресурсам относят те воды, которые ежегодно возобновляются в процессе круговорота воды на Земле, водообмена между сушей и океаном.
Речные воды, имея сравнительно небольшой объем, возобновляются примерно каждые
16 суток (более 20 раз в году). Подземные воды возобновляются в течение примерно 1400 лет, а горные ледники - в течение 1800 лет.
Ежегодно возобновляемые запасы воды в России составляют 4760 км3/год, из них речной сток – 4384, подземные воды – 340, наледи – 30, термальные воды – 6 км3/год. Вековые запасы воды в России - 40900 км3, из них в озерах – 26500, ледниках – 11400, болотах – 3000 км3.
Средняя минерализация речной воды – 90 мг/л, в среднем в 200 раз меньше, чем морской воды.
Суммарный забор свежей воды из водоисточников в России составляет 3% водных ресурсов.
Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод составляют 318 км3/год, из них
153 км3 (50%) может быть учтено в водохозяйственном балансе дополнительно к ресурсам поверхностных вод. Для водоснабжения в России разведано 3259 месторождений подземных вод, и их эксплуатационные запасы составляют 27 км3/год. Степень их освоения - 34%, а в эксплуатации находятся 1530 месторождений. Средняя обеспеченность подземными водами по России составляет 60,5 м3/сут с 1 км2.
С учетом роста водопотребления, значительной неравномерности распределения водных ресурсов и различных возможностей их использования по территории страны становится очевидной актуальность рационального использования и защиты от загрязнения и истощения источников водоснабжения.
2. Реки как источники водоснабжения. Расходы и уровни, наносы рек, устойчивость русла, зимний режим рек.
Выбор источника является одним из важных вопросов при обосновании системы водоснабжения.
Любой источник должен обеспечивать:
- бесперебойное получение необходимых количеств воды с учетом перспективного развития объекта;
- качество воды, в наибольшей степени отвечающее нуждам потребителей или позволяющее достичь требуемого качества путем простой и дешевой очистки;
- подачу воды объекту с наименьшими затратами средств;
- достаточную мощность, чтобы отбор воды из источника не нарушал сложившуюся экологическую обстановку.
Обеспеченность минимальных среднемесячных расходов воды поверхностных источников должна приниматься в зависимости от категории надежности системы водоснабжения: 95% - для 1-й, 90% - для 2-й и 85% - для 3-й категории.
При оценке достаточности водных ресурсов поверхностных источников необходимо обеспечивать ниже водозабора гарантированный расход воды, необходимый для удовлетворения потребностей в воде расположенных ниже по течению населенных пунктов, промышленных предприятий, сельского хозяйства, рыбного хозяйства, судоходства и других видов водопользования, а также для обеспечения санитарных требований по охране источников водоснабжения.
Наиболее часто в качестве источников водоснабжения используются реки.
В зависимости от условий питания поверхностными и подземными водами различают реки: с весенним половодьем, характерным для рек с преобладающим снеговым питанием (равнинные реки России) (рис. 1, а); с половодьем в теплое время года – для рек, питающихся за счет и дождей таяния снега и ледников в высокогорных районах (на Алтае, Кузнецком Алатау, Саянах, Северном Кавказе) (рис. 1, б); с паводочным режимом в периоды дождей и ливней в течение большей части летнего периода (реки Дальнего Востока и Восточной Сибири) (рис. 1, в).
Рис. 1. Гидрографы рек:
а - с весенним половодьем; б - с половодьем в теплую часть года (с ледниковым и дождевым питанием); в - преимущественно с дождевым питанием
Речной сток и расходы в зависимости от условий питания изменяются во времени (за год, сезон, месяц и в сутки) и по длине реки.
Амплитуда колебаний расходов А = Qмак / Qмин для рек в естественном состоянии может достигать больших значений. Например, для реки Урал эта величина составляет 260 – 300, в то время, как для Невы, Свири, Вуоксы – всего 2 – 6. При А < 0,25 не требуется устройство специальных сооружений, при 0,25 < A
< 0,75 надежный водозабор возможен при отсутствии шугообразования. При наличии тяжелых природных условий необходимо применять дополнительно специальные сооружения (плотины, каналы, ковши).
Обычно в створе водозабора многолетними наблюдениями, устанавливают следующие уровни:
ВУВ – высший уровень воды 1 % обеспеченности (обычно в паводок);
ЛНУВ – летний низший уровень воды 95 – 97 % обеспеченности (межень);
ЗНУЛ – зимний низший уровень ледостава;
ВУЛ – высший уровень ледохода;
НУЛ – низший уровень ледохода.
Знание этих уровней необходимо для обоснованного расположения водоприемных и других сооружений водозаборов.
Всем рекам присуща эрозионная деятельность. Речные воды несут с собой твердые частицы грунта, называемые наносами. Наносы, находящиеся в речной воде во взвешенном состоянии, называют взвешенными, а влекомые по дну – донными.
Главная масса взвешенных наносов поступает в реку в результате смыва с поверхности бассейна, остальная часть их образуется в процессе русловой эрозии. Количество донных наносов зависит преимущественно от деятельности речного потока и поступления в реку наносов из примыкающих к реке оврагов. В верховьях рек преобладает размыв русла и берегов, в среднем течении – перенос наносов, а в низовьях – их отложение в русле и пойме. Распределение в русле донных наносов по их крупности зависит от уклона поверхности воды: при меньших уклонах дно сложено из мелких частиц грунта; при значительных уклонах – из более крупных частиц.
Степень насыщенности речного потока взвешенными наносами определяется мутностью воды, выражаемой обычно в граммах наносов на 1 м3 воды (г/м3). Мутность возрастает от водной поверхности ко дну. Максимальная мутность воды в реках наблюдается в периоды весеннего половодья и дождевых паводков, когда происходит наиболее интенсивный смыв поверхностного слоя почв в бассейне реки.
Устойчивость русла зависит от скорости движения воды в реке, уклона русла и крупности частиц, слагающих русло.
Зимний режим рек
Зимний режим рек существенно отличается от их режима в течение остального периода года. Различают предледоставный период, ледостав и ледоход, который захватывает весенний период.
Предледоставный период начинается при установлении отрицательных среднесуточных температур воздуха. Охлаждение потока приводит к переохлаждению тонкого поверхностного слоя воды. В этом слое при содействии затравки из атмосферного воздуха (снежинки, пыль) возникают первые кристаллы льда. На реках с малыми скоростями течения (< 0,4 – 0,5 м/с) эти кристаллы образуют плавающие ледяные пленки (сало) и забереги. Постепенно разрастаясь, сало создает своеобразный ледоход. Задерживаясь у препятствий или на участках замедленного течения, пленка сала смерзается в общий ковер, давая начало ледяному покрову.
шуговые явления оцениваются:
1 баллом при количестве шуги до 25% по живому сечению, шугоходе до 3 дней, без образования шутовых ковров, когда вся шуга транспортируется в верхнем слое воды;
2 баллами - при количестве шуги до 50% по живому сечению, шугоходе до 7 дней с образованием шуговых ковров и транспортированием шуги в верхней половине живого сечения;
3 баллами - при количестве шуги до 90% по живому сечению, шугоходе более 7 дней с образованием шуговых ковров, а также заполнением живого сечения потока внутриводным льдом.
Предледоставный период наиболее опасен для водозаборов.
Наблюдения показывают, что льдообразование имеет место при скоростях v < 0,4...0,5 м/с; неустойчивое состояние бывает при 0,5 < v < 0,7 м/с; при v > >0,7... 0,8 м/с образование льда практически невозможно (участки реки с открытой водной поверхностью называются полыньями или майнами).
Период ледостава с устойчивым ледяным покровом обычно не вызывает осложнений в работе водозаборов.
В период ледохода могут возникать серьезные осложнения в работе водозаборов.
3.Условия забора воды из поверхностных источников. Основные факторы,
Определяющие условия забора воды.
Условия забора воды из поверхностных источников определяются в зависимости от устойчивости берегов и ложа источника, русловых и шуголедовых режимов, засоренности по показателям, приведенным в табл. 12 СНиП 2.04.02-84.
В зависимости от сочетания этих показателей условия забора воды из поверхностных источников подразделяются на легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые.
К водоисточникам с легкими условиями забора воды относятся водоемы и водотоки с мутностью не более 500 мг/л, имеющие устойчивое ложе, умеренный (толщиной до 0,8 м) и устойчивый ледостав. Внутриводное льдообразование (шуга) и обрастатели в них отсутствуют. Содержание загрязнений и сора незначительно.
К водоисточникам со средними условиями забора воды относятся водоемы и водотоки с мутностью не более 1500 мг/л, имеющие устойчивые русло и берег, с сезонными деформациями до 0,3 м. Перемещение наносов вдоль берегов не влияет на устойчивость подводного склона русла. Внутриводный лед образуется лишь перед ледоставом. Толщина льда – до 1,2 м, образуются полыньи. В водоисточнике имеются сор, водоросли, обрастатели и загрязнения. Имеет место судоходство, лесосплав молевой и плотами.
В водоисточниках с тяжелыми условиями забора воды мутность может достигать 5000 мг/л, русло подвижное с переформированием берегов и дна на глубину до 2 м. Ледяной покров формируется неоднократно. Шугозаполнение русла при ледоставе доходит до 60-70 % площади сечения водотока. В отдельные годы имеют место зажоры перед ледоставом и ледяные заторы при ледоходе. Образуются навалы льда на берега и торосы с заполнением шугой прибрежной зоны. Работу водозабора осложняют наличие сора, обрастания и загрязнений.
В водоисточниках с очень тяжелыми условиями забора воды мутность может быть выше 5000 мг/л, русло неустойчивое, систематически и случайно изменяет форму, переработка берегов интенсивная и значительная. Ледяной покров формируется только при зажорах, вызывая подъем воды в источнике. Под ледяным покровом происходит транзит шуги в течение большей части зимы. Возможны образования наледей и перемерзание русла. Ледоход сопровождается заторами и большими навалами льда на берега. Имеют место значительные загрязнения, сор и обрастатели.
Общая характеристика условий забора воды определяется по наиболее тяжелому виду затруднений.
4. Выбор места створа водозабора.
Створ водозабора выбирается в том месте, где могут быть обеспечены наилучшие условия забора воды из источника, и должен удовлетворять следующим основным условиям:
• иметь достаточные расход воды и глубину;
• обеспечивать возможность забора наиболее чистой воды;
• гарантировать бесперебойность работы водозабора;
• находиться на участке реки с устойчивыми к разрушению берегами и возможно ближе к водопотребителю;
• иметь благоприятные геологические и топографические условия для строительства и эксплуатации водозабора;
не потребовалось переустройство водозабора;
• для хозяйственно-питьевых водопроводов находиться по течению реки выше населенных пунктов, выпусков сточных вод, стоя• соответствовать перспективному плану комплексного использования водоема, чтобы в последующем нок судов, лесных бирж, в месте, обеспечивающем организацию зон санитарной охраны.
Водоприемники не допускается располагать:
• в пределах зон движения судов;
• жильного движения донных наносов;
• в верховьях водохранилищ и устьях подпертых рек;
• на участках возникновения шугозажоров, заторов льда и перемерзания потока;
• в зоне отложения наносов;
• в местах нагона плавника и водорослей.
Обычно водозаборы располагают на вогнутых берегах в нижних участках плесов.
Как правило, обследуют несколько створов водозаборов и выбирают лучший из них.
При относительном отборе воды из реки, под которым понимают отношение расчетного расхода водозабора Qв к минимальному расходу реки Qмин, не более 0,25 можно забирать воду из реки самыми простыми сооружениями без дополнительных мероприятий. При большем соотношении требуется более глубокий анализ возможности отбора воды, часто с использованием регулирующих мероприятий (плотин и др.)
Место расположения водозабора должно быть согласовано с заинтересованными организациями.
5. Классификация водозаборов из поверхностных источников. Основные типы
водозаборов.
Водозаборы различают: по типу водоема – речные, водохранилищные, озерные и морские;
по назначению – хозяйственно-питьевые и технологические (производственные);
по производительности – малой (до 1 м3/с), средней (от 1 до 6 м3/с) и большой (более 6 м3/с);
по степени стационарности – стационарные и не стационарные (фуникулерные и плавучие);
по сроку эксплуатации – постоянные и временные;
по месту расположения водоприемника – русловые, береговые, ковшовые и приплотинные;
по взаимному расположению береговых колодцев и насосных станций 1-го подъема – раздельные и совмещенные;
6. Основные схемы береговых водозаборов и условия их применения.
Береговые водозаборы применяются при наличии достаточных глубин у берега, крутом береге и достаточно высоком качестве воды у берега.
Береговой водозабор (рис.1.) представляет собой железобетонный колодец круглой или прямоугольной формы в плане. Колодец разделен поперечной вертикальной стенкой с отверстиями, перекрываемыми сетками 4, на два отделения – приемное 1 и всасывающее 2. Кроме этого, как правило, колодец делится продольной вертикальной стенкой на две параллельно работающие секции, что позволяет производить ремонт и чистку без прекращения подачи воды.
В передней стенке колодца, которая находится в русле реки, устроены входные окна 3. Окна перекрываются решетками или рыбозащитными устройствами. Водоприемные отверстия береговых водозаборов всегда доступны для обслуживания, что делает их надежнее русловых водозаборов.
(рис.1.3.) применяется при сложении берега из прочных пород (скала, известняки), небольшой амплитуде колебаний уровней воды (до 6 м), достаточной высоте всасывания насосов (более 4 м).
Береговой водозабор совмещенного типа (рис.1.2.) применяется при сложении берега из непрочных пород, достаточно большой амплитуде колебаний уровней воды и необходимости установки насосов «под залив».
Береговой водозабор раздельного типа (рис 1.1.) применяется при сложении берега из непрочных пород, небольшой амплитуде колебаний уровней воды (до 6 м), достаточной высоте всасывания насосов (более 4 м) и малой производительности (не более 1 м3/с).
Береговой водозабор совмещенного типа (рис.1.4.) применяется при сложении берега из непрочных пород, большой амплитуде колебаний уровней воды (более 6 м) и возможности использования артезианских насосов. Такая схема значительно компактней и дешевле, чем схема (рис.1.3.).
7. Основные схемы русловых водозаборов и условия их применения.
Водозаборныe сооружения руслового типа применяются при пологом строении берега с широкой затопляемой поймой, отсутствии достаточных глубин у берега и загрязненности воды у берега.
Русловые водозаборные сооружения (рис.2) состоят из одного или нескольких русловых затопленных водоприемников (оголовков) 1, самотечных 2 (рис.2.1.) или сифонных 2 (рис.2.2) водоводов, берегового колодца 4 и насосной станции 5. В береговом колодце, так же как и в береговом водоприемнике, устраиваются два отделения: приемное 5 и всасывающее 6. Между приемным и всасывающим отделениями в перегородке устанавливаются плоские съемные или вращающиеся сетки 7. Кроме этого, как правило, колодец делится продольной вертикальной стенкой на две параллельно работающие секции, что позволяет производить ремонт и чистку без прекращения подачи воды.
Забор воды из реки осуществляется через водоприемные отверстия (входные окна) затопленного водоприемника 1. В окнах установлены решетки для задержания крупных примесей. Из затопленного водоприемника вода поступает по самотечным водоводам 2 в приемное отделение 5, затем через сетки во всасывающее отделение 6, из которого забирается насосами насосной станции 1-го подъема 4 и подается по назначению.
Сифонные водоводы (рис.2.2.) применяют в водозаборах II и III категории надежности подачи воды при тяжелых геологических условиях (сложение берега из скальных или сильно водоносных грунтов) или при очень большой глубине берегового колодца.
Применение сифонных линий вместо самотечных, позволяет уменьшить глубину заложения труб.
При включении сифона в работу из него вакуум-насосом 8 удаляют воздух, в результате чего вода из водоема под действием атмосферного давления поднимается в сифон и заполняет его (зарядка сифона).
8. Основные схемы комбинированных водозаборов.
При большой амплитуде колебаний уровней воды, пологом береге поймы, загрязненности воды в русле реки в половодье используются комбинированные водозаборы (рис.3.). Такая схема водозабора позволяет в паводок через водоприемные окна 8 в береговом колодце забирать более чистую воду из верхнего уровня воды.
В зависимости от места размещения насосной станции 1-го подъема и структуры грунтов прибрежной и береговой зоны различают другие схемы комбинированных водозаборов: с отдельно стоящей насосной станцией, с насосной станцией, расположенной на дне третьей части берегового колодца, с двухкамерным береговым колодцем и артезианскими насосами.
9. Категория надежности подачи воды и степень надежности забора воды.
По степени надежности подачи воды водозаборы подразделяются:
1-я категория надежности – допускается снижение подачи воды не более 30% расчетного расхода в течение 3 сут, полное прекращение подачи воды или снижение более 30% не более 10 мин;
2-я категория надежности – допускается снижение подачи воды не более 30%
расчетного расхода в течение 10 сут, полное прекращение подачи воды или снижение более 30% не более 6 ч;
3-я категория надежности – допускается снижение подачи воды не более
30% расчетного расхода в течение 15 сут, полное прекращение подачи воды или снижение более 30% не более 24 ч.
Выбор схемы и компоновки водозаборных сооружений в зависимости от требуемой надежности и сложности природных условий забора воды
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
