Устройство водозаборов для водоснабжения городка
За последние десятилетия в системах коммунального водоснабжения практически всех городов Рф построены либо реконструированы водозаборные сооружения разных типов. В большинстве водозаборы из поверхностных источников строились с русловыми затопленными водоприемными оголовками, более большие из их (производительностью до 500 тыс. м3/сут и поболее) — в Саратове, Ульяновске, Перми, Тюмени, Хабаровске и других городках.
Обширное внедрение получили ковшовые водозаборы, построенные в этот период в системах коммунального водоснабжения Ростова-на-Дону, Омска, Новосибирска, Барнаула, Кемерово и других городов, также приплотинные и водохранилищные водозаборы в Пензе, Челябинске, Рубцовске, Прокопьевске, Владивостоке и т. д. На этих водозаборах использованы более совершенные конструкции водоприемников, оборудование и разработка, по этому достигнута высочайшая надежность их работы.
Роль водозаборов в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения и принципы их размещения
Водозабор является первым звеном сложной системы водоснабжения, обеспечивающим питание всех водопотребителей. Занимая головное положение в системе, водозабор имеет определяющую роль в ее функционировании. Современный водозабор для водоснабжения большого городка представляет собой непростой комплекс инженерных сооружений, снаряженных энергетическим и механическим оборудованием, системой автоматического и телемеханического управления. Таковой водозабор должен работать бесперебойно при всех критериях забора воды, значительно изменяющихся по сезонам года.
Судоходство, лесосплавы, шугоход и ледоход, резкие колебания уровней воды, также неожиданные происшествия нарушают работу водозаборов. Даже маленькие нарушения режима работы водозабора манят за собой большие отягощения в водоснабжении, аварии же могут принести вещественный вред, неоднократно превосходящий цена самих водозаборных сооружений. Потому строительство и эксплуатация водозаборов непременно должны сочетаться со всеми другими видами водопользования.
Учение о водозаборах из поверхностных источников, разработка их конструкций и технологии были заложены по существу исключительно в послереволюционный период. Тут практически стопроцентно отсутствует заимствование забугорного опыта, ибо условия забора воды на реках Рф существенно труднее, чем на реках Западной Европы. Уже в годы первой пятилетки были проведены опыты и натурные исследования по открытым водозаборам в Кузбассе и Донбассе, на Волге и т. д., что в значимой степени обусловливалось высочайшими темпами роста водопотребления. В особенности бурный рост коммунального водопотребления имел место во 2-ой половине прошедшего столетия благодаря массовому жилищному строительству в нашей стране и коренному улучшению благоустройства городов.
Все это тянет расширение масштабов строительства водопроводов в целом и как составного их звена — водозаборных сооружений. Разумеется, и в предстоящем исходя из ожидаемого роста водопотребления, будет происходить насыщенное развитие водозаборов. С ростом водопотребления изменялись не только лишь масштабы отбора воды из поверхностных источников, не только лишь росло число водозаборов, но (что в особенности значительно) изменялся их тип, совершенствовалась разработка с учетом специфичности рек отдельных регионов и требований рыбоохраны, увеличивалась водозахватная способность водоприемных устройств.
С укрупнением (повышением мощности) водозаборов растут требования к надежности (бесперебойности) их работы, ибо неоднократно возрастает вероятный вещественный вред при аварийных ситуациях, а это просит в свою очередь более глубочайшего исследования гидрологических и других критерий забора воды, усовершенствования конструкций и технологии водозаборов. Огромные опыты и теоретические разработки в этой области, проверка их в натурных критериях дают большой материал для обобщения исследовательских работ, более широкого внедрения в создание их результатов.
С созданием водохранилищ на Волге, Каме, Днепре, Оби, Енисее, Ангаре, со строительством больших каналов значительно поменялись условия (технические и правовые) забора воды, появились всеохватывающие решения водохозяйственной трудности с учетом разных водопользователей: хозяйственно-питьевое и промышленное водоснабжение, гидро- и теплоэнергетика, орошение, рыбоводство и т. д.
Принципиальное значение всесторонней оценки источников хозяйственно-питьевого водоснабжения вытекает из того, что выбор источника, места расположения водозабора на нем и отдаленность водозабора от населенного пт в большой степени отражаются на устройстве системы водоснабжения в целом, на всех других видах водопользования и на водоохранных мерах.
По существу выбор того либо другого источника для хозяйственно-питьевого водоснабжения устанавливает систему водопользования и главные принципы отношения водопользователей с аква объектами на дальную перспективу, и тем паче на данный момент, когда из-за бурного роста городов, освоения новых территорий, активного экологического воздействия на источники водозаборы приходится удалять на многие 10-ки км от населенных пт, к примеру в Риге, Иванове, Ижевске, Владивостоке, Саранске и в почти всех городках за рубежом.
Так, для водоснабжения Праги построен уникальный водозабор в комплексе с плотиной высотой 58 м, длиной 620 м и вместимостью водохранилища 264 млн. м3. Подача воды с водозабора осуществляется по системе водоводов и подземному туннелю на расстояние более 70 км. Для водоснабжения Хельсинки построен водозабор с подачей воды по подземному туннелю на 120 км.
Строительство водозаборов и всего комплекса головных сооружений водопровода с производственными, административными и жилыми зданиями кроме чисто строй работ включает часто переселение на новые места (из зоны затопления) населенных пт, оздоровление местности, облесение, снятие растительного слоя, расчистку русел малых водотоков и т.д. В больших городках строительство водозаборов часто дает начало развитию нового производственно-административного комплекса и жилого поселка со всей его инфраструктурой (к примеру, поселки на водозаборах в Кемерове, Прокопьевске, Новосибирске и т.д.). Строительство таких водозаборов осуществляется не только лишь для 1-го городка, да и для нескольких населенных пт, включая сельскохозяйственные комплексы и сельские населенные пункты. К примеру, водозабор из Невы в Ленинградской обл. обеспечивает водой городка Пушкин, Павловск, Гатчину, Ломоносов, Красноватое Село и несколько сельских населенных пт; запроектирован водозабор из Дона для Ростова-на-Дону, Новочеркасска, Батайска и т. д.
В связи с территориальным перераспределением стока рек и строительством больших водохозяйственных систем (к примеру, системы на базе каналов Иртыш — Караганда, Северский Донец — Донбасс и т. д.) выстроено огромное число новых водозаборов общего предназначения: коммунальное, промышленное и сельскохозяйственное водоснабжение, также орошение земель. Головной водозабор на канале Иртыш — Караганда имеет расчетную производительность 75 м3/с с подачей воды на расстояние выше 500 км, при этом отбор настолько огромного расхода воды из Иртыша осуществляется без зарегулирования стока (бесплотинным водозабором).
На самом канале выстроено несколько водозаборов берегового типа (совмещенных с насосными станциями), более большие из которых обеспечивают подачу воды в Экибастузский, Карагандинский и Темиртауский промышленные районы. Строительство этого водохозяйственного комплекса смешивалось с внедрением и модернизацией водозаборов на местных маловодных источниках (подземных и поверхностных). За счет сброса воды из канала в р. Нуру и поступления ее в Самаркандское водохранилище достигнуто повышение производительности ранее построенных водозаборов. Ниже этого водохранилища в 180 км предусмотрен приплотинный водозабор для подачи воды в район Джезказгана.
Общее строительство водозаборов большой производительности стало вероятным благодаря не только лишь новым технологическим средствам, да и выпуску массивного насосно-энергетического оборудования, запорной и регулирующей арматуры, средств управления и автоматики. Общее внедрение рек, в особенности малых, для централизованного водоснабжения, отрицательное антропогенное воздействие на их водность и качество воды привели к необходимости всеохватывающего решения задач водопользования, включая не только лишь устройство водозаборов, да и регулирование стока, сохранение и улучшение свойства воды в источниках. На этой базе уже сделаны большие водопроводные системы в Свердловске, Владивостоке, создается в Челябинске.
Согласно Основам аква законодательства [26, ст. 32], при проектировании, строительстве и эксплуатации водохранилищных водозаборов режим пополнения и сработки водохранилищ должен устанавливаться с учетом интересов всех водопользователей и землепользователей, находящихся в зоне воздействия водохранилища. Данное положение распространяется также и на водозаборы из озер.
Типы водозаборов и условия их внедрения 
Устройство водозаборов определяется совокупой причин: надобным расходом воды и его соотношением с дебитом источника, типом источника (река, озеро, водохранилище, канал и др.), его гидрологическим и шуголедовым режимом, переформированием ложа и транспортированием наносов, критериями строительства в акватории и прибрежной части и т. д. В коммунальном хозяйственно-питьевом водоснабжении более всераспространены речные водозаборы с русловыми и пореже с береговыми водоприемниками разных типов. Практика эксплуатации указывает, что более нередко отягощения в работе водозаборов происходят из-за проблем на водоприемных устройствах.
Понятно более 30 типов затопленных водоприемных оголовков, используемых, зависимо от требуемой надежности водоснабжения, в разных природно-климатических критериях. На маленьких реках, не применяемых для лесосплава и судоходства, с относительно легкими природными критериями при малой производительности (0,02 — 0,2 м3/с) водозабора используют простые раструбные оголовки на сваях, а при производительности до 0,5 м3/с — трубчатые либо тарельчатые незащищенные оголовки. На реках с маленькими глубинами и средними природными критериями используют ряжевые оголовки с боковым приемом воды производительностью до 1 м3/с, а при томных шуголедовых критериях — фильтрующие ряжевые оголовки.
На лесосплавных реках с легкими и средними природными критериями используют железобетонные раструбные оголовки с боковым приемом воды при производительности водозаборов до 1 м3/с и железобетонные двухсекционные с вихревыми камерами при большей производительности (до 3 м3/с). Оголовок с трубчатой вихревой камерой используют на реках с томными природными критериями для малой и средней производительности водозаборов.
Мощные бетонные и железобетонные оголовки, цельные либо сборные рекомендуются для судоходных и лесосплавных рек при огромных скоростях течения и хоть какой производительности. Фильтрующие (обыкновенные и комбинированные) оголовки используют при малых глубинах потока, большенном количестве донных и взвешенных насосов в очень томных шуголедовых критериях как при малой, так и при большой производительности водозаборов. В отдельных случаях — при особо томных шуголедовых критериях и малых глубинах потока — нереально обеспечить устойчивую работу водозаборов с русловыми водоприемниками даже при малой их производительности (>0,5 м3/с), и в данном случае появляется необходимость устройства ковшей. Почаще же всего ковши используют при производительности >2…3 м3/с.
На шугозажорных реках со значительными подъемами уровней в предледоставный период и при ледоставе, на реках с томным вешним ледоходом используют незатопляемые ковши, отчасти либо стопроцентно выдвинутые в русло. Если к тому же речным потоком транспортируются насосы (до 0,75 кг/м3) и вероятен подсос грязных вод, на таких ковшах делают затапливаемые при паводках шпоры. На реках, не допускающих стеснения русла в периоды паводков, также при недостающих глубинах в межень и вероятных береговых шугозажорах используют затапливаемые ковши отчасти либо стопроцентно выдвинутые в русло. А если, не считая того, нужно поддержание у входа в ковш либо на подходе к нему глубин, превосходящих бытовые, рекомендуется: использовать ковши с самопромывающимся входом. Заглубленные в сберегал ковши с углом отвода 135° используют на реках с ограниченной интенсивностью шуголедовых явлений, русла которых сложены слабенькими либо тонкодисперсными грунтами. Ковши с верховым входом на данный момент не рекомендуются.
Более отработанной технологией строительства оголовков является погружение железного кожуха с следующим наполнением его стен бетоном. Трудности производства подводных работ не всегда позволяют установить оголовок в серьезном согласовании с проектом. Все же совсем недопустима установка его выше расчетных отметок, с наклоном в ту либо иную сторону, с разворотом к направлению потока и т. д. При грядовом перемещении наносов высота гряд может достигать 1…1,5 м, как следует, порог водоприемных окон по способности должен быть высочайшим и исключать захват наносов, в любом случае он должен быть более 0,5 м.
Уровень воды над водоприемником даже в самых неблагоприятных критериях должен исключать образование водоворотной воронки, через которую подсасывались бы воздух и плавник. В этой связи следует строго ограничивать высоту водоприемных окон и самого водоприемника. Но даже при самых ограниченных способностях неприемлимо заглубление верха окон наименее 0,3 м от поверхности воды и верха оголовка наименее 0,2 м от нижней плоскости льда. Понижение уровня в источнике с уменьшением этих характеристик ниже допустимых значений на действующих водозаборах должно расцениваться как аварийная ситуация, требующая принятия неотложных мер.
Оголовки, масса которых может достигать 200 т, а габариты впечатляющих размеров (высота до 5 м, площадь основания до 75 м2), устанавливают на естественное скальное основание либо, если русло сложено слабенькими грунтами, на каменную подсыпку. При строительстве водоприемных оголовков и ковшей часто появляется необходимость углубления дна реки и выполнения связанных с этим трудозатратных работ, в особенности когда русло сложено скальными породами. Целенаправлено в таких случаях использовать плавучие буровые установки (ПБУ) и скважинный способ взрывных работ. ПБУ представляет собой железное сборно-разборное сооружение, состоящее из платформы, 2-ух понтонов и опорных колонн. На платформе смонтированы буровые станки, лебедки и вспомогательное оборудование. Используют ПБУ при глубине воды в источнике-1,8…8 м. Применение буровзрывного способа с внедрением ПБУ позволяет, в сопоставлении с ранее применявшимся способом затратных зарядов, значительно уменьшить сроки строительства водозаборов и уменьшить вредное воздействие взрывов на фауну водоема.
Самотечные и сифонные трубопроводы водозаборов прокладывают, обычно, из железных труб поперечником 250…1420 мм с шириной стены 12…14 мм. Длина таких трубопроводов составляет в большинстве случаев 50…150 м, но время от времени добивается 800 м и поболее. Укладывают их на глубину до 10 и даже до 25 м в береговой части и более 0,5 м в русле. На многих действующих на данный момент водозаборах самотечные полосы уложены секционным методом с муфтовым соединением труб. В последние два десятилетия укладку их создают в большинстве случаев методом свободного погружения (аналогично дюкерам), что значительно уменьшило сроки строительства и объем ручного труда водолазов. Трубопроводы эти в неотклонимом порядке должны быть присыпаны защитным слоем из камня шириной более 0,5 м вровень с поверхностью дна реки.