Водозаборные сооружения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Береговые водозаборы. Проверка устойчивости на опрокидывание

Береговой тип водозаборов малой производительности при неблагоприятных геологических условиях у берега сооружают с раздельной компоновкой (Рис. 2.1) При этом водоприемник соединяют самотечными линиями с водоприемным и всасывающем отделениями, а насосная станция может располагаться отдельно или вместе с ними.

Водозаборы средней и большой производительности при благоприятных геологических условиях и колебаниях уровней воды до 5 метров устраивают совмещенного типа.

Совмещенный водозабор берегового типа представляет собой железобетонный колодец, передняя стенка которого выдвинута в русло. Вода поступает через окна в ней, которые оборудуют сороудерживающими решетками для задержания плавающего мусора и крупной рыбы. Водоприемное отделение и всасывающее разделены стенкой, в окнах которой устанавливают сетки для задержания рыбной молоди и мелкого сора.

Над водоприемником устраивают павильон для очистки решеток и сеток, управления ими. С целью повышения надежности колодец разделяют на секции. Форма колодца в плане может быть круглой овальной или прямоугольной. Насосы могут быть горизонтальными, вертикальными или погружными. При этом отметка оси горизонтального насоса определяется найнизшим уровнем воды в источнике и допустимой высотой всасывания насоса. В водозаборах первой категории надежности обычно горизонтальные насосы устанавливают под залив, что облегчает запуск в Работу насосных агрегатов.

Рыбозащитные сооружения устраивают в виде элементов водоприемника или специального устройства на водоподводящем канале. Это рыбозаградительные сетки, кассеты и пр. На затопленных водоприемниках, где меженная скорость в три раза превосходит скорость втекания воды в водоприемные отверстия, рыбозащитные мероприятия не предусматриваются. На период ската рыбной молоди решетки заменяют на сетки с малыми ячейками, которые периодически промывают обратным током воды.

Проверка на опрокидывание производится по формуле

где (x) и (y) плечи моментов сил, действующих на оголовок;

опрокидывающие силы F и P определяются как сила давления грунта - F и архимедова сила взвешивающего давления воды P.

Устойчивость работы водозаборов может быть нарушена в результате подмыва, переработки берегов. Поэтому они должны располагаться на удалении от уреза воды, а водоприемные оголовки следует выносить на глубины вне зоны прибойных явлений. Кроме креплений самих берегов для повышения их устойчивости сооружают защитные дамбы на основе изучения береговых течений, направлений ветров и т.д.

2. Горизонтальные водозаборы

Горизонтальные водозаборы, точнее водосборы, используют для отбора воды из безнапорных пластов глубиной до 8 метров и их небольшой мощности. Располагают их перпендикулярно потоку подземных вод. Подразделяются они на три группы:- траншейные с каменно-щебеночным дренажем;- трубчатые;- водосборные галереи (штольни).Могут быть и комбинированные - галереи со скважинами - усилителями.

Горизонтальные водосборы - это обычно система горизонтальных водоприемных устройств в виде заполненных фильтрующим материалом траншей, трубчатых дрен или водосборных галерей, объединенных водосборным колодцем. Вода из пласта через водоприемные отверстия поступает в колодец самотеком, а оттуда насосами перекачивается потребителю.

Каменно-щебеночные водозаборы рекомендуется применять при глубине уровней воды до 3…4 метров для временного и нецентрализованного водоснабжения. Для этого в траншее устраивают каменно-щебеночную призму с двуслойным обратным фильтром. Траншея должна иметь уклон 0,01…0,05 в сторону водосборного колодца.

Трубчатые горизонтальные водосборы устраивают из керамических, пластмассовых или железобетонных труб диаметром более 150 мм с круглыми или щелевыми отверстиями. Скорость воды в них должна быть незаиляющей. Поэтому рекомендуют укладывать их с уклоном 0,001…0,007.

Водосборные галереи применяют для централизованных систем водоснабжения. При глубине заложения до 8 метров их устраивают открытым способом, а при большей - подземным (тоннельным). Такие галереи называются штольнями. В стенках галерей устраивают водоприемные окна, а на дне - лоток для отвода воды в сборный колодец. Выполняют галереи из сборного железобетона на бетонном основании для предотвращения осадки.

Для наблюдения за работой горизонтальных водосборов, их вентиляции, профилактической прочистки и ремонта устраивают смотровые колодцы, которые располагают:- на трубчатых водозаборах диаметром 150…500 мм через 50 метров;

- то же, диаметром более 500 мм - через 75 метров;

- на галерейных водозаборах - через 100…150 метров.

Кроме того. колодцы устанавливают в местах изменения направления водоприемной части в плане или в качестве перепада. Колодцы выполняют диаметром не менее одного метра с выходом над поверхностью земли не менее 0,2 метра. делают отмостку шириной не менее одного метра и глиняный замок. В колодцах устанавливают вентиляционные трубы высотой более двух метров над землей. Насосные станции обычно совмещают с водосборным колодцем.

Расчет водосборных колодцев производится для условий установившейся фильтрации. При этом следует определять:

- приток воды к водозабору;

- длину горизонтального водозабора, обеспечивающую требуемый расход;

- диаметр труб, галерей и т.п.

При одностороннем притоке воды к совершенной водосборной дрене или галерее из безнапорного пласта расположенной перпендикулярно потоку и перехватывающей его, расход определяют по формуле

где k - коэффициент фильтрации пласта;l - длина галереи или дрены; H - мощность пласта;h - слой воды в галерее; R - радиус кривой депрессии.

При двустороннем притоке расход удваивают.

Для несовершенных водосборов при симметричном притоке используют формулу

где Т - расстояние от уровня во ды в галерее до водоупора;

S - понижение статического уровня воды относительно уровня воды в галерее;

b - ширина галереи (диаметр трубы).

Если водозаборная дрена расположена вдоль берега реки на расстоянии L от уреза, то ее дебит определяют по формуле

где L^/ - расчетное расстояние от оси дрены до уреза воды, т.е. приведенная длина дополнительного пути фильтрации потока со стороны поверхностного источника, обусловленная дополнительным фильтрационным сопротивлением его берегов и дна;

L^/ = L + 0,44h_ср, h_ср - средняя мощность фильтрационного потока в районе расположения дрены.

Для учета влияния фильтра рекомендуют увеличивать на 5…10% значения R и l.

Расчетная отметка уровня воды в сборном резервуаре определяется из выражения

Z_k = Z_ст - S - h,

где Z_ст - отметка статического уровня воды в расчетной (на расстоянии R) самой высокой точке пласта;

S - принятое понижение уровня воды;

h - потери напора на пути от расчетной точки пласта до сборного колодца по примыкающей к расчетной точке дрене или коллектору;

i_{k -} гидравлический уклон в дрене и коллекторе на участке длиной l_k;n - число таких участков;

d - диаметр дрены,

3. Гидрогеологические расчеты при проектировании водозаборов подземных вод. Определение запасов

Задачей гидрогеологических расчетов при заборе подземных вод аналогично гидрологических расчетов при заборе поверхностных вод является в первую очередь оценка возможностей источника, т.е. сколько без существенного ущерба для окружающей среды или других пользователей можно забрать воды для системы водоснабжения.

Подземные воды забирают из водоносных пластов или комплексов. При этом под водоносным пластом понимается ограниченная область геологических образований, представленная обводненными пористыми ил трещиноватыми породами. Водоносный комплекс - это система гидравлически связанных водоносных пластов данной области гидрогеологических образований.

Водоносные пласты характеризуются формой и размером в плане, мощностью пласта, физическими параметрами водовмещающих пород, запасами находящейся в них воды и т.п.

Одной из важнейших количественных характеристик пласта является запас (ресурс) воды в нем. Различают естественные статические и динамические запасы воды подземных источников водоснабжения. Статические запасы - это объем воды, накопившейся в порах пласта, динамические запасы - это расход грунтового потока в естественном состоянии пласта. Для полной оценки ресурсов пласта введено понятие эксплуатационных запасов воды. Это средний за расчетный период расход воды Q_э, получаемой из пласта с помощью водозаборных сооружений:

где Q_{ст -} расход воды, получаемой из пласта, при сработке его статических запасов V_ст за расчетное время Т;Q_дин - динамические запасы воды в пласте;Q_доп - дополнительный расход воды, обусловленный изменением граничных условий пласта при его эксплуатации.

Динамические запасы воды в пласте в зависимости от типа и особенностей питания пласта можно определять по выражениям (3.1, 3.2, и 3.3)

Q_дин = kmbJ, (3.1)

где k - коэффициент фильтрации пласта; m - мощность пласта;b - ширина пласта;J - гидравлический уклон подземного потока.

Q_дин = q_сЩ (3.2)

где q_с - модуль грунтового стока данного района;

Щ - водосборная площадь пласта выше водозаборного сооружения.

Q_дин = (q_гр + q_атм) Щ (3.3)

где q_гр - модуль грунтового стока данного района;

q_атм - модуль атмосферного питания рассматриваемого пласта.

При длительной эксплуатации пласта с относительно постоянным водоотбором эксплуатационные запасы (ресурсы) воды необходимо принимать не выше естественных динамических.

Дальнейшие гидрогеологические расчеты сводятся к:

- определению дебита скважин и понижения уровней подземных вод (УПВ) в процессе эксплуатации водозабора;

- оценке влияния планируемого водозабора на существующие или намечаемые к строительству;

- определению размеров второго и третьего поясов ЗСО водозабора.

При этом принимается дебит, соответствующий проектируемому водопотреблению или устанавливается максимальный дебит, который может быть получен на рассматриваемом участке водоносного пласта или на всей площади его распространения.

В обоих случаях должны устанавливаться: - размеры водозаборного сооружения;

- количество, расположение и дебиты скважин при заданном времени эксплуатации и максимально допустимых понижениях уровня воды.

Во всех вариантах расположения водозаборного сооружения (ВЗС) расчетные понижения следует сопоставлять с допустимыми.

При расчетном понижении большем допустимого проектируемый дебит не может быть обеспечен. Следует увеличить количество скважин и распределить их на большей площади.

При расчетном понижении меньшем допустимого может быть увеличен дебит или сокращено количество эксплуатируемых скважин.

4. Каптаж родников

Родники (ключи) являются естественными выходами подземных вод на поверхность земли и широко используются для питьевого водоснабжения. Их подразделяют на восходящие и нисходящие. Восходящие родники образуются при проникновении в поверхностные слои грунта напорных вод из нижележащих пластов в результате размыва покрывающих их водонепроницаемых пород. Нисходящие родники образуются в результате выклинивания на поверхность безнапорных водоносых пластов, покоящихся на водоупоре.

Каптаж родников - это его вскрытие и инженерное оборудование, обеспечивающее поступление воды в водосборное сооружение и предохраняющее воду от поверхностного загрязнения.

Восходящие родники каптируют путем устройства резервуара или шахты над местом наиболее интенсивного выхода воды.

Если коренные породы, через которые поступает родниковая вода, покрыты слоем рыхлого грунта, то его удаляют, поверхность коренных трещиноватых расчищают, и, ЕСли наблюдается вынос частиц грунта, то устраивают обратный фильтр.

При каптаже нисходящих родников водоприемные камеры устраивают с отверстиями в стене, в местах наиболее интенсивного выклинивания родниковой воды. Иногда устраивают сооружения в виде перемычек, подпорных стенок и т.п. перпендикулярно основному направлению движения воды для ее более полного перехвата. Вдоль этих стенок укладывают горизонтально водосборные трубы подобно дренажным, собирающие воду и отводящие ее в сборный резервуар. Каптажную камеру разделяют переливной стенкой на два отделения: отстойное водозаборное. Каптажные камеры должны оборудованы переливами, спускными трубами диаметром не менее 100 мм и вентиляционными трубами. Они должны быть защищены от поверхностных загрязнений, промерзания и затопления поверхностными водами.

6. Режим деятельности в зоне сан. Охраны

В первом поясе ЗСО поверхностного источника запрещается:- все виды строительства, не имеющего отношения к системе водоснабжения;

- размещение жилых и хозяйственно-бытовых зданий, проживание людей;

- спуск любых сточных вод, в т.ч. и водного транспорта;

- купание, стирка белья, водопой и выпас скота и другие виды водопользования, отрицательно влияющие на качество воды;

- применение ядохимикатов и удобрений;

- посадка высокоствольных деревьев.

Допускается проведение санитарных и уходных рубок леса.

В пределах второго пояса ЗСО поверхностного источника надлежит:- обозначать границы пояса на пересечениях дорог и пешеходных троп столбами со специальными знаками;

- выявлять объекты, загрязняющие источники питьевого водоснабжения и разрабатывать водоохранные мероприятия.

Во втором поясе ЗСО поверхностного источника запрещаются:

- рубки леса главного пользования и реконструкции;

- размещение складов горюче-смазочных материалов (ГСМ), ядохимикатов и минеральных удобрений, накопителей промышленных стоков, шламохранилищ и других химических загрязнителей источников;

- размещение стойбищ и выпас скота;- применение ядохимикатов.

Допускается во втором поясе ЗСО поверхностного источника:- добыча песка, гравия, проведение дноуглубительных работ по согласованию;- использование разрешенных химических методов борьбы с эвтрофикацией водоемов;

- применение удобрений на расстоянии не менее 500 метров от водозабора в количествах, не ухудшающих качество воды;

- купание, туризм, водный спорт и рыбная ловля в установленных местах.

В пределах третьего пояса ЗСО запрещается отведение в сторону водзабора сточных вод. Не отвечающих требованиям СанП и Н.Допускается в третьем поясе то же, что и во втором.

В ЦНИИКиВРе разработано «Положение о водоохранных зонах иприбрежных полосах больших и средних рек», согласно которому ширина водоохранных зон больших и средних рек колеблется от 0,2 до 16 км, а прибрежных полос устанавливается 200 метров

7. Классификация запасов подземных вод

Эксплуатационные запасы подземных вод подразделяются на категории А₁, А₂, В, С₁, С₂, которые утверждаются Государственной комиссией по запасам полезных ископаемых (РКЗ) при Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь.А₁ - эксплуатационные запасы, устанавливаемые по данным эксплуатации водозаборных сооружений с указанием качества воды. Используются при планировании эксплуатации и расширении водозаборов.А₂ - запасы, определяемые на основании детальных разведочных работ, опытных откачек и специальных исследований с наблюдениями не менее одного года. Используются для обоснования технических проектов и капитальных вложений в строительство.В - запасы, подготовленные для промышленного освоения, устанавливаемые на основании предварительных гидрогеологических разведок и общих гидрогеологических исследований с производством некоторых опытных откачек и кратковременных наблюдений за режимом подземных вод. Используются для обоснования проектного задания на строительство водозабора с конкретным выбором участков расположения водозабора. Они могут быть исходными для дальнейшего исследования.С₁ - запасы, устанавливаемые на основании гидрогеологических исследований естественных выходов подземных вод, существующих водозаборов и одиночных разведок в отдельных точках пласта. Используются для перспективного планирования использования подземных вод и выбора участков для дальнейшей гидрогеологической разведки.С₂ - прогнозные запасы, определяемые на основании общих геологических и гидрогеологических данных. Используются для планирования гидрогеологических исследований и обоснования бурения разведочных скважин.

Месторождения или участки крупных месторождений по сложности гидрогеологических условий подразделяют на три группы:1. Месторождения (участки) с простыми гидрогеологическими и гидрохимическими условиями со спокойным залеганием водоносных горизонтов, однородных по фильтрационным свойствам, что определяет возможность экономически эффективной разведки на месторождения по категории А.

2. Месторождения (участки) со сложными гидрогеологическими вследствие невыдержанности мощности и строения водоносных горизонтов и неоднородности фильтрационных свойств водовмещающих пород. Запасы месторождений второй группы должны разведываться по категории В и частично А.

3. Месторождения с очень сложными гидрогеологическими условиями из-за сильной изменчивости мощности и строения водоносных горизонтов и фильтрационных свойств водовмещающих породили ограниченного распространения водоносных горизонтов, а также со сложными гидрохимическими условиями. Запасы месторождений третьей группы должны разведываться по категории В и, частично, С₁.

Выявленные в процессе поисков запасы категории С₂ следует учитывать при составлении схем комплексного использования и охраны вод, водохозяйственных балансов и планировании разведочных работ на воду.

Для водозаборов производительностью до 5000 м³ в сутки выбор и обоснование водоисточника допускается производить по материалам поисков и разведки любого назначения в данном районе и данным об общем геологическом и гидрогеологическом строении, имеющихся в геологической службе.

При оценке подземных водоисточников необходимо учитывать:

- соответствие запасов потребности и возможность увеличения запасов искусственным восполнением;

- наличие разрешения органов государственного управления по при родным ресурсам и охране окружающей среды на использование подземных вод для производственного водоснабжения и орошения сельскохозяйственных культур.

8. Временные водозаборы

устраивают с насосами, перемещаемыми вместе с колебаниями уровней воды. Их устраивают пантонного или фуникулерного типа. В первом случае насосы размещают на пантонах, а напорная линия имеет либо гибкую вставку, либо шарнир. Фуникулерный тип предусматривает перемещение насосов перпендикулярно урезу воды с помощью тросов, а напорную линию размещают параллельно перемещению насосов. На напорной лини имеются патрубки, которым подключают насосы на каждой стоянке. Для временных водозаборов могут использоваться и передвижные насосные станции (СНП) с приводом насосов от дизельных двигателей.

11. Особенности забора воды из каналов и горных рек

Особенностью забора воды из каналов, рек с малой глубиной русла является принятие мер по увеличению глубин в створе водозабора. Это достигается либо созданием подпора, либо углублением русла. Иногда делают то и другое.

Строительство плотин позволяет увеличить водоотбор и обеспечить сезонное регулирование. Водоприемник может быть объединен с плотиной либо устроен отдельно любого типа.

При устройстве водозаборов на водохранилищах следует учитывать режим уровней в нем, ветровые волны, размыв берегов, развитие водной растительности т.п.

В озерах уровни воды колеблются меньше и там устраивают водозаборы руслового типа или островного незатопляемые. Для долинных водохранилищ равнинных территорий размах колебаний уровней в течение года 2…7 метров, а в предгорных и плоскогорных районах достигает 10…20 метров, в горных может достигать 100 метров.

Горные реки характеризуются малыми глубинами, большими скоростями, мутностью. Расход в них подвержен большим колебаниям. При выходе на равнину наблюдается меандрирование русла. Поэтому на них устраивают подпор и устройства для задержания крупных наносов. Обычно это донные решетчатые водоприемники производительностью до 8 м³/с. Русло рек перегораживают плотиной с водосливом, а между береговым устоем и бычком врезают горизонтальную затопленную галерею, перекрытую решеткой. Вода, проходя по галерее, падает через решетку вниз и отводится в водоприемную камеру, а из нее в песколовки и отстойники.

Водоприемная камера должна периодически промываться и иметь аварийные окна на случай засорения или обмерзания решеток.

В глубоководных горных водохранилищах возможен селективный отбор воды из верхнего бьефа не нарушая стратификацию воды в нем. Водохранилища служат и своеобразными отстойниками.

12. Шахтные колодцы

применяют для забора воды из первых от поверхности водоносных ластов, залегающих на небольших глубинах. При мощности водоносного пласта до трех метров колодцы устраивают совершенного типа со вскрытием пласта на всю его толщину. При большей мощности пласта колодцы устраивают как совершенные, так и несовершенные. В нашей республике используется около 400 тысяч шахтных колодцев. От их конструкции, правильности использования во многом зависит количество и качество получаемой воды. Шахтный колодец состоит из следующих основных конструктивных элементов: оголовка, ствола, водоприемной части и водосборной части. На дно несовершенного колодца укладывают обратный фильтр из нескольких слоев песка. Нижний слой толщиной 150 мм из песка с частицами диаметром 0.5 …1.0 мм, следующий слой из гравия с частицами диаметром 5…10 мм толщиной 150 мм и верхний - из щебня диаметром 20..40 мм толщиной 150 мм. Фильтр предназначен для предотвращения выноса частиц породы водоносного пласта. В совершенном колодце водоприемные отверстия устраивают в боковых стенках, в которые помещают фильтры.

В настоящее время шахтные колодцы устраивают из железобетонных колец диаметром более одного метра. При устройстве шахтных колодцев из дерева надводную часть выполняют из ели или сосны, а водоприемную - из лиственницы, ольхи, вяза, дуба. Над поверхностью земли делают оголовок высотой 0,7…0,8 м. Вокруг колодца должен выполняться глиняный замок глубиной 2 и шириной 1 метр. На поверхности следует устраивать отмостку из бетона или асфальта по слою песка шириной 1,5…2,0 метра с уклоном 0,10 от колодца. Оголовок должен перекрываться крышкой и над ним должен быть навес или будка. Для забора воды устраивают ворот, на котором подвешивают на тросе или цепи постоянно, принимающих воду через дно, определяют по формуле В.Д. Бабушкина

где Т - расстояние от дна колодца до водоупора;S - понижение уровня воды в колодце от статического уровня;Н₀ - расстояние от статического уровня до водоупора;r - радиус колодца;R - радиус влияния колодца.

Формула справедлива при Т большем, чем диаметр колодца. Если Н₀ больше 10 метров, а то второе слагаемое в формуле Бабушкина стремится к нулю и она принимает формулы Форхгеймера для определения дебита шахтных колодцев:

Q=2DkS

Если же вода поступает в несовершенный колодец через боковые стенки и дно, то ее дебит определяют по формуле:

В шахтных колодцах роль водосборника играет отстойник в его нижней части, который называют зумпф. Его объем устанавливают из условия необходимого запаса воды в колодце.

На основе нескольких одновременно работающих колодцев может быть организована централизованная система водоснабжения. Способ сбора и отведения воды из них зависит от глубины расположения воды в них. Сборные водоводы могут быть сифонными, напорными и безнапорными. При неглубоком уровне воды колодцы могут быть соединены сифонными трубопроводами. Максимальная высота всасывания не должна превосходить 7 метров. Сифонные линии отводят воду в сборный колодец, откуда она откачивается насосами.

При расположении динамического уровня ниже 10 метров от поверхности колодцы оснащаются отдельными насосами и сифонная лини становится напорной. Безнапорные сборные водоводы применяются при самоизливе воды из колодцев или скважин.

Располагают шахтные колодцы в линию перпендикулярно направлению потока грунтовых вод.

13. Расчёт самотечных водоводов

Диаметр трубопроводов самотечных линий русловых водозаборов определяется из условий обеспечения в них незаиляющих скоростей движения воды. Для длинных линий она около (0,7…1,0) м/с, коротких - 1,0…1,5 м/с.

При диаметре трубопроводов менее 500мм скорость в них должны быть 0,7…1,0м/с в водозаборах первой категории и 1,0…1,5 м/с - для второй и третьей категории.

При диаметре 500 - 800мм - 1,0…1,4 м/с для первой категории и 1,5…1,9 м/с для второй и третьей.

При диаметре более 800мм скорость для трубопроводов первой категории должна быть не менее 1,5 м/с и 2,0м/с для второй и третьей категории надежности.

Скорость воды при промывке определяют по формуле

где с - параметр, с?7,5…10,0;D - диаметр водоводов, м;

д - характерная крупность частиц отложений, мм.

При проектировании водозаборов к основному оборудованию относят: решетки, сетки, насосы, затворы и промывные устройства. Вспомогательное оборудование: гидроэлеваторы для откачки наносов из водоприемных камер, компрессоры, вакуумные и дренажные насосы, грузоподъемное оборудование, устройства обогрева решеток.

14. Забор воды из водоемов, загрязненных радионуклидами

В результате аварии на Чернобыльской АЭС в зоне радиоактивного загрязнения местности оказались десятки малых водохранилищ и сотни прудов. Сейчас основное количество радиоактивных загрязнителей сосредоточено в донных отложениях на уровне 37 Бк/кг и уменьшается к поверхности воды. На распространение радиоактивных загрязнителей по глубине водоема оказывает влияние присутствие воде взвешенных твердых частиц, на которых сорбируются радионуклиды. В особенности это относится к цезию - 137, который легко и прочно сорбируется взвесями и осадками водоема. По существу содержание цезия-137 по глубине водоема зависит от условий перемещения взвесей и взмучивания донных отложений. Прямыми замерами радиоактивности воды и мутности по вертикали установлены экстремальные значения появления вторичного загрязнения при взмучивании донных отложений. Источниками взмучивания обычно являются: ветро-волновые воздействия при скоростях ветра 3 - 4 м/с в период половодья и ливневых дождей. При появлении таких ситуаций водозабор должен прекращаться. Исходя из этого, забор воды требуемого качества по радиоактивному загрязнению может быть установлен по специальному режиму: прекращение забора воды при взмучивании воды и возобновление его после прекращения этого процесса и оседания взвешенных частиц.

Одним из факторов повышения радиоактивности воды может быть также и сосредоточенное стоковое течение, например, от половодий, паводков, интенсивных ливневых дождей. Установлено, что опасность увеличения радиоактивности воды в зоне захвата водозабора может происходить при расходе в главной реке 3 - 4 и более м³/с. В связи с этим возникает необходимость слежения за расходами в реке при входе в водохранилище. В ЦНИИКиВРе исследованиями установлено, что наиболее надежным мероприятием для предотвращения радиоактивного загрязнения воды является реконструкция водозаборов с устройством перед водоприемной камерой струенаправляющей системы, автоматически отводящей наиболее загрязненный придонный слой воды за пределы водозабора. Профиль струенаправляющих лотков и их расположение должны обеспечивать искусственное возбуждение в придонном слое циркуляционных течений, которые суммируясь с продольным течением создают перед лотками вихревой характер потока, который отклоняет придонный слой воды за пределы водозабора.

Таким образом около 25% общего расхода воды за счет придонного слоя отводится из зоны водозабора, в результате чего более чем на порядок снижается радиоактивность воды. В таком случае отпадает необходимость в специальном режиме работы водозабора.

15. Ковшевые водозаборы

устраивают при заборе большого количества воды на шугоносных реках или на реках с высокой мутностью. Помимо борьбы с шугой водоприемные ковши используют для улучшения подвода воды из русла. С этой целью дно ковша углубляют на 1 - 1,5 метра ниже дна реки, что позволяет в некоторых случаях отказаться от водоподъемной плотины.

Любая конструкция ковша создает благоприятные условия для покрытия льдом его поверхности пере ледоставом. При этом всплывает шуга и примерзает ко льду. Одновременно ковш служит отстойником для крупных наносов.

Расчет водозаборных ковшей заключается в определении глубины, ширины и длины. Основой расчета является режим деления потока, когда в русле выделяется транзитная часть.

Критерием режима работы ковшей является показатель М=V_k/V_p, где V_k - средняя скорость воды в ковше; Vp - средняя скорость воды в реке.

Режим деления потока для ковшей, врезаемых в берег с углом отвода в=135⁰ имеет место при М не менее 0,132. При в=150…30⁰ М=0,125…0,242.

Необходимую глубину ковша определяют по формуле

Н_к= Н_ок+1,33х0,9h_л+0,2+ h_пор,

где Н_ок - высота входных окон водозабора в конце ковша,1,33 - коэффициент, учитывающий намерзание шуги; h_л - толщина льда в реке;0,2 - заглубление верхней кромки окон под лед;h_пор - высота порога водоприемных отверстий, принимается равной 0,4…1,0м в зависимости от пред слоя отложений наносов.

Расчетная отметка дна ковша Z_дк=Z_и - Нк,

где Z_и - отметка минимального расчетного уровня воды в источнике (обычно зимой).

Средняя ширина ковша

где Q_k - расчетный расход в ковше;V_k - ср расч ск воды в ковше.

Рекомендуемая скорость воды в ковше определяется по формуле

где е - основание натуральных логарифмов.

Рекомендуемая скорость воды в ковше

Vp, м/с	Значения параметра S	Vk, м/с
0,6	1,2	0,146
0,8	1,6	0,115
1,0	2,0	0,090
1,25	2,5	0,082
1,5	3,0	0,050

Если обеспечивается подвод теплой воды для защиты решеток от обмерзания, то скорость воды в ковше может быть увеличена на 25…50%.Ширина ковша по дну

где h_ж - глубина живого сечения ковша с учетом его стеснения льдом, шугой и наносами; m - заложение откосов ковша, в зависимости от вида грунта, m=1,0…3;h_н - толщина наносов в ковше.

Учитывая прочистку ковша земснарядами принимают минимальную ширину дна 5…6 метров.

Длина ковша от начального сечения до водоприемника L_k:

L_k =L_вх +L_р + L_ш

где L_{вх -} длина входного участка с водоворотной зоной с интенсивным засорением шугой в начале шугохода;L_р - длина рабочей части ковша, в пределах которой к концу шугохода обеспечивается всплывание шуги в транзитной струе; L_ш - длина участка ковша, в котором намерзают захваченные в ковш шуга и ледяная взвесь; L_вх =(1,0…1,5) B;

где б - коэффициент неравномерности скоростей в сечении ковша, б=(1,2…1,25); w_{ш -} гидравлическая крупность шуги: w_ш =0,015…0,020 м/с.

Длина участка намерзания L_ш для ковшей с низовым входом, выдвинутым в русло и не имеющих низовых дамб - 5…10 метров, а для врезанных в берег - 15…20 метров. Для ковшей с верховым входом полностью или частично выдвинутых в русло - 20…35 метров. Для ковшей с большими водоотборами L_ш увеличивают в1,25 -1,5 раза.

Отметки гребня незатапливаемых дамб принимают на 0,5…1,0м выше максимальных уровней воды в реке, а отметки верховых затапливаемых дамб - равными отметкам уровней шугохода 25% обеспеченности. Гребень низовых дамб должен быть выше гребня верховых дамб.

Ширина гребня дамб ковшей принимается 4…5 м.

Затапливаемые дамбы ковша, устраиваемого на реках с низким весенним ледоходом, могут иметь отметки гребня такие же как и отметки расчетных максимальных уровней воды в реке при ледоходе.

Исследованиями установлен, что наиболее предпочтительны ковши с низовым входом с углом отвода 135⁰. Малые скорости воды в ковше 5 -15 см/с создают более благоприятные чем в реке условия раннего образовании ледяного покрова, исключающего переохлаждение воды в ковше и предотвращающего образование донного льда. При небольших скоростях шуга всплывает и примерзает к поверхностному льду. Толщина льда в ковше обычно на треть больше, чем в реке.

16. Граница зоны санитарной охраны подземных вод

Граница первого пояса зоны санитарной охраны (ЗСО) устанавливается от одиночной скважины или от крайних скважин группового водозабора на расстоянии:

- не менее 30 метров - при использовании защищенных подземных вод;

- не менее 50 метров - при использовании недостаточно защищенных подземных вод;

- не менее 15 и 25 метров - при использовании защищенных подземных вод, исключающем возможность загрязнения почвы и подземных вод, наличии гидрогеологического обоснования по согласованию с санитарным надзором.

К защищенным подземным водам относят воды напорных и безнапорных водоносных горизонтов имеющих в пределах всех поясов ЗСО сплошную водоупорную кровлю, исключающую местное питание из вышерасположенных недостаточно защищенных водоносных горизонтов.

К недостаточно защищенным подземным водам относят:

- воды первого от поверхности безнапорного водоносного горизонта, получающего питание на площади его распространения;

- воды напорных и безнапорных водоносных горизонтов, которые в естественных условиях или в результате забора воды питаются на площади ЗСО из вышерасположенных недостаточно защищенных горизонтов через гидрогеологические окна или проницаемые породы кровли, а также из водотоков или водоемов.

В границы первого пояса ЗСО инфильтрационных водозаборов следует включать прибрежную территорию между водозабором и водоемом, если расстояние между ними меньше 150 метров.

Для водозаборов с искусственным восполнением запасов подземных вод границы первого пояса ЗСО должны устанавливаться на расстоянии не менее 50 метров от водозабора и не менее 100 метров от инфильтрационных сооружений.

Границы второго пояса ЗСО подземного источника питьевого водоснабжения должны определяться расчетами из условия, что микробное загрязнение воды, поступающее в водоносный горизонт за пределами второго пояса, могло достичь водозабора только спустя определенное время. Это время продвижения микробного загрязнения с потоком подземных вод к водозабору принимается от 100 до 400 суток в зависимости от климатического района расположения водозабора.

Границы третьего пояса ЗСО определяют расчетами, учитывающими время продвижения химического загрязнения до водозабора, которое принимается равным расчетному сроку эксплуатации водозабора, но не менее 25 лет. Обычно границы этого пояса совпадают с границами предельной воронки депрессии.

Для инфильтрационных водозаборов границы второго и третьего поясов ЗСО должны устанавливаться так же, как и поверхностного источника питьевого водоснабжения, питающего его.

Территория первого пояса ЗСО подземного источника должна быть спланирована для отвода поверхностного стока за его пределы, озеленена, ограждена и обеспечена охраной. Дорожки к сооружениям должны иметь твердое покрытие. Здания должны быть оборудованы канализацией с отведением сточных вод в ближайшую систему бытовой канализации либо на местные очистные сооружения, расположенные вне первого пояса ЗСО с учетом санитарного режима во втором поясе ЗСО.

Водопроводные сооружения в первом поясе ЗСО должны быть оборудованы так, чтобы предотвратить загрязнение питьевой воды через оголовки и устья скважин, люки и переливные трубы резервуаров, заливку насосов.

На водозаборах должен вестись систематический контроль за соблюдением его проектного режима эксплуатации.

В первом поясе ЗСО подземного источника питьевого водоснабжения запрещается:

- все виды строительства, не имеющего отношения к эксплуатации, реконструкции и расширения водопроводных сооружений;

- размещение жилых хозяйственно-бытовых зданий, проживание людей;

- спуск любых сточных вод на поверхность земли, стирка белья, водопой и выпас скота;

- применение ядохимикатов и удобрений;

- посадка высокоствольных деревьев.

В пределах второго пояса ЗСО надлежит:

- выявлять скважины и колодцы, которые могут привести к загрязнению водоносных горизонтов, производить их тампонаж или восстановление; - производить бурение новых скважин или новое строительство только при обязательном согласовании с органами санитарного надзора и управления по природным ресурсам и охраны окружающей среды;

- выполнять мероприятия по санитарному благоустройству территории населенных пунктов и других объектов (оборудование канализацией, устройство водонепроницаемых выгребов, отвод поверхностного стока о пр.);

- выполнять мероприятия по санитарной охране поверхностных вод, особенно имеющих связь с используемым водоносным горизонтом, в соответствии с СанПиН.

Во втором поясе ЗСО запрещаются:

- размещение складов ГСМ,

17. Вспомогательное оборудование

гидроэлеваторы для откачки наносов из водоприемных камер, компрессоры, вакуумные и дренажные насосы, грузоподъемное оборудование, устройства обогрева решеток. Гидроэлеваторы для откачки ила подбирают по необходимому расходу и напору. Расход определяют по объему отложений взвесей, их плотности, расчетному времени откачки и концентрации взвесей в откачиваемой пульпе, С_взв.

где - Q_э - подача гидроэлеватора;W_взв - объем отложений взвесей; с - плотность отложений; С_взв - концентрация взвесей в откачиваемой пульпе.

Напор рабочего потока гидроэлеватора должен быть не меньше определенного по формуле

где - Н_э - напор гидроэлеватора, определяемый расчетом; з - КПД гидроэлеватора; 0,15…0,25; S - отношение площади поперечного сечения камеры смешения элеватора щ_э к площади поперечного сечения струи рабочего потока

щ_р: щ_к: щ_р = 2,5…5;

m - отношение расхода откачиваемой элеватором пульпы (Q_{э )} к расходу воды рабочего потока (Q_р)

В случае импульсной промывки самотечных линий и воздушной обдувки решеток расход воздуха принимают 0,1…0,2 м³/с на 1м² окна.

Необходимую грузоподъемность крановых устройств определяют по формуле

где Р - масса решетки или сетки в воде, кг; f - коэффициент трения рамы в пазах (сталь по стали 0,3, сталь по бетону 0,5);

h - максимально допустимый перепад уровней (для решеток 0,5, сеток - 0,3), м; Ш - коэффициент обтекания стержней или проволок (ш = 0,3…0,6 в зависимости от размеров); V - скорость потока на подходе к решетке или сетке, м/с; Щ - площадь решетки или сетки, м²; K - коэффициент запаса, k=1,5.

Дренажные насосы обычно устанавливают два (1 резервный).

Дверные проемы и люки должны иметь размеры, обеспечивающие прохождение оборудования.

Подача в течение суток изменяется не более чем в два раза, а напоры изменяются интенсивнее.

Отметка дна всасывающего отделения водозабора Z_дна= Z_c-D₂-0,5, где D₂ - диаметр нижнего барабана вращающейся сетки; 0,5 - высота порожка за сеткой.

20. Естественное и искусственное восполнение запасов подземных вод

Искусственное восполнение запасов подземных вод широко используется:

- для создания сезонных запасов подземных вод;

- для увеличения производительности и надежности эксплуатации действующих водозаборов подземных вод;

- для защиты пресноводных горизонтов от проникновения высокоминерализованных подземных вод;

- улучшения качества инфильтруемых и отбираемых подземных вод.

При этом под обогащением подземных вод понимают инженерно-технические мероприятия, обеспечивающие дополнительное их питание и формирование новых запасов за счет поверхностных и дочищенных сточных вод.

В известных учебниках два метода обогащения: инфильтрационный под действием сил гравитации и напорный путем фильтрации поверхностных вод под давлением.

Наиболее применим первый метод. Он наиболее эффективен для обогащения первого от поверхности водоносного горизонта при отсутствии или слабой мощности покровных отложений.

В искусственных инфильтрационных бассейнах должен поддерживаться слой воды 0,7….2,5 метров при количестве бассейнов не менее двух.

При наличии слабопроницаемых покровных отложений днища бассейнов должны врезаться в хорошо проницаемые породы не менее чем на 0,5 метра. Песчаная и гравийная загрузка дна предусматривается при их устройстве в гравийно-галечниковых отложениях.

В качестве инфильтрационных сооружений могут использоваться каналы другие водотоки, понижения рельефа с устройством перегораживающих дамб, выработанные карьеры и др.

При отсутствии близко залегающего водоносного пласта или для увеличения производительности при заборе инфильтрационных вод под дном бассейна устраивают дренажные системы, образуя водозабор подруслового типа. Производительность его рассчитывают по формуле

,

где l - длина дрены.

При глубоком залегании водоупора от дна водоема, когда T стремится к бесконечности эта формула упрощается

При проектировании инфильтрационных сооружений следует предусматривать мероприятия по восстановлению их производительности из-за кольматации дна - съем закольматированного слоя бульдозерами или гидросмывом.

В случае отсутствия мощных водоносных пластов основным источником водоснабжения могут служить инфильтрационные, а подземные водозаборы природных вод могут использоваться в качестве компенсационных. Основной водозабор работает в течение многоводного периода года, а компенсационный - только в маловодные периоды. Схема расположения основного и компенсационного водозаборов, режим их эксплуатации, степень влияния на речной сток в первую очередь определяются условиями взаимосвязи поверхностных и подземных вод, особенно при их совместном использовании.

Основной водозабор оборудуется обычно на водоносный горизонт, имеющий тесную гидравлическую связь с рекой, а компенсационный устраивается на горизонтах, слабо связанных с рекой, питающей основной водозабор.

Основные водозаборы устаивают в речных долинах и они, главным образом, перехватывают разгрузку в них подземных вод. Например, в районе г, Мозыря водозабор питается за счет перехватываемых вод на 76% и 24% - за счет фильтрации от реки.

Исследование месторождения подземных вод г. Гродно, имеющего многослойное строение, показало, что в начальный период до года формирование запасов происходит за счет сработки упругих запасов каптируемого водоносного пласта. Затем основная роль переходит к привлекаемым ресурсам: частичной сработке емкостных запасов грунтового горизонта и перехвату разгрузки в поверхностные водотоки. Доля перехвата через 7 - 10 лет достигает 60…70%.

В период весеннего половодья происходит естественное восполнение запасов подземных вод, которое существенно влияет на динамику уровней воды в зоне питания водозабора. За счет реки в этот период формируется до 98% всех вод отбираемых водозабором. В этот период надо чистить инфильтрационные бассейны.

23. Влияние человека на источники водоснабжения

Хозяйственная деятельность человека оказывает существенное влияние на состояние водоисточников, их дебит и качество воды.

Проблема антропогенных изменений в гидросфере является частью более общей научной и практической проблемы - воздействия человека на окружающую среду. Современная гидрология, используя методы водного баланса и другие методы математического моделирования, может оценить это воздействие и дать прогноз их результатов.

Антропогенные факторы влияют на природные воды, вызывая изменение характеристик их гидрологического режима и их качество. Это связано с изменением русловой сети и перераспределением стока по территории во времени. Наиболее крупные факторы - водохранилища, мощные водозаборы, межбассейновая переброска стока. Кроме них, существенное влияние на формирование объема и качества стока оказывают агротехнические и лесомелиоративные работы, урбанизация, осушительная и оросительная мелиорации, строительство дорог и сопутствующих им сооружений.

Влияние промышленности на водные объекты сказывается путем значительных водоотборов из рек, загрязнения их производственными и дождевыми сточными водами, загрязнения атмосферных осадков, использования лесных угодий под промышленные площадки, забора подземных вод и пр.

Сток с промплощадок специфичен в зависимости от отрасли промышленности, но почти всегда концентрация взвешенных веществ нефтепродуктов, показатель БПК приближается к верхнему пределу показателей стока с селитебной территории.

Для условий Белоруссии, где густота речной сети составляет 0,4 - 0,5 км/км² практически все водозаборы подземных вод оказывают влияние на открытые водотоки. Уже сейчас некоторые малые реки перестали действовать как постоянные водотоки (Усяж, Слепня, Уша, Волма др.).

Объекты мелиорации на современном этапе представляют собой сложный водохозяйственный комплекс. При мелиорации торфяных и супесчано - песчаных грунтов отмечается увеличение до 15% годового и меженного стока. С преобладанием суглинков проявляется снижение стока в основном в весенний период.

Сильнее всего отрицательно влияет на водные объекты сельскохозяйственное производство. Смыв почвы (2 - 3 мм в год) со склонов уменьшает мощность гумусового горизонта, содержащего основные элементы питания растений (N, Р, К), ухудшает агротехнические свойства почвы и приводит к загрязнению водотоков.

Наибольшее количество биогенных веществ (до 80%) выносится весной и во время ливневых дождей. Легко вымываются из почвы азотные и калийные удобрения.

Интенсификация сельскохозяйственного производства невозможна без защиты растений от вредителей, болезней и сорняков. Многие из применяемых для этих целей пестицидов высокотоксичны. По некоторым данным часть их может путем смыва и инфильтрации попасть в реки и подземные горизонты.

Очень острой остается проблема защиты рек от попадания в них отходов животноводства. Несовершенство систем навозоудаления, плохая работа очистных сооружений приводит к залповым, особенно весной, сбросам животноводческих стоков в водоемы, в результате которых наблюдается массовый мор рыбы.

Размещение комплексов в поймах рек, чрезвычайно большое скопление скота в них, отсутствие квалифицированного персонала на очистных сооружениях ставит эту проблему на первое место в сельскохозяйственном производстве.

Нельзя оставлять без внимания и сточные воды мастерских, машинных дворов, моек автотракторной техники. В результате ливневые и талые воды увеличивают загрязнение рек нефтепродуктами.

Под влиянием загрязняющих веществ в водных объектах происходят многоэтапные изменения. В начале они вызываются прямым действием загрязняющих веществ. Изменяются физико-химические и биологические свойства воды, газовый режим и т.д. Дальнейшие изменения связаны с взаимодействием загрязняющих веществ друг с другом, с водой, растворенным кислородом. Возникают процессы гниения и брожения с образованием токсичных веществ, снижается содержание кислорода. Это приводит к распаду биоценозов, замене чувствительных к загрязнения организмов малочувствительными. Снижается биопродуктивность водоемов, уменьшаются рыбные запасы, снижается качество воды. Особую проблему представляют воды в районах, загрязненных радионуклидами вследствие аварии на Чернобыльской АЭС. В настоящее время уровни содержания радионуклидов Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰ в питьевых водах систем централизованного водоснабжения республики не превышают 0,007 - 0,030 и 0,001 - 0,017 Бк/литр соответственно, т.е. вода пригодна к употреблению по радиологическим показателям.

Вместе с тем, результаты мониторинга показывают наличие радионуклидов Cs и Sr в верхнем водоносном горизонте, особенно на территориях с высокой степенью загрязнения поверхности. Усиливаются процессы миграции радионуклидов. Отмечаются два пути миграции:

- движение радионуклидов в зоне нарушений в земной коре по трещинам в кристаллических породах и известняках;

- по разуплотнениям, трещинам и пустотам вдоль стволов скважин, оборудованных высокодебитными насосами, с образованием глубоких воронок депрессии.

Созданные человеком водохранилища обусловливают значитльные статические нагрузки водной массы на земную поверхность. Так, в районе Вилейского водохранилища зафиксирован опущенный блок земной коры, на котором развиты заболоченные ландшафты. Инструментально установлено, что эта территория опускается на 7мм в год.

25. Водозаборы на берегах озер и морей

При устройстве водозаборов на водохранилищах следует учитывать режим уровней в нем, ветровые волны, размыв берегов, развитие водной растительности т.п.

В озерах уровни воды колеблются меньше и там устраивают водозаборы руслового типа или островного незатопляемые. Для долинных водохранилищ равнинных территорий размах колебаний уровней в течение года 2…7 метров, а в предгорных и плоскогорных районах достигает 10…20 метров, в горных может достигать 100 метров.

Для производственного водоснабжения часто используется морская вода. Отбор воды из моря имеет ряд особенностей. Это: колебания уровня воды, вызванное волнениями, сгонно-нагонными явлениями, отливами, морскими течениями, прибойными процессами, переработкой берегов, наличие моллюсков и ракушек, особенности ледовых явлений и коррозионные свойства морской воды.

Размещении водозаборов возможно по трем вариантам:

- в акваториях портов;

- в естественных бухтах;

- на открытом побережье.

Наиболее удобен забор воды в акваториях портов с укрепленной береговой линией, защищенных от обмеления и волн. В этом случае применяют водозаборы берегового типа, совмещенные или раздельные, инфильтрационные или фильтрующие.

На побережье водоприемники могут быть опрокинутыми волнами или льдинами. В таком случае применяют водоприемники фильтрационного типа, берегового типа с ограждением защитными дамбами или руслового типа затопленные. Для больших расходов устраивают ковши и подводящие открытые каналы с глубиной большей чем высота волны.

Для борьбы с биообрастанием рекомендуется постоянное хлорирование воды дозами 1,5…5 мг/л, периодическая промывка труб горячей водой или обработка медным купоросом 6-7мг/л в течение одного часа через каждые двое суток.

Временные водозаборы устраивают с насосами, перемещаемыми вместе с колебаниями уровней воды. Их устраивают пантонного или фуникулерного типа. В первом случае насосы размещают на пантонах, а напорная линия имеет либо гибкую вставку, либо шарнир. Фуникулерный тип предусматривает перемещение насосов перпендикулярно урезу воды с помощью тросов, а напорную линию размещают параллельно перемещению насосов. На напорной лини имеются патрубки, которым подключают насосы на каждой стоянке. Для временных водозаборов могут использоваться и передвижные насосные станции (СНП) с приводом насосов от дизельных двигателей.

...