Водозаборные сооружения подземных источников водоснабжения

Источники водоснабжения могут быть поверхностными (реки, озера, водохранилища и др.) и подземными (родниковые, грунтовые и межпластовые воды). Они должны обеспечивать наибольший суточный расход воды потребителями независимо от времени года и условий потребления.

При выборе источника централизованного водоснабжения предпочтение отдают подземным водам по сравнению с поверхностными. Это объясняется повсеместным распространением подземных вод и возможностью использования их без очистки. Поверхностные воды применяют реже, так как они наиболее подвержены загрязнению и перед подачей потребителю нуждаются в специальной очистке.

Подземные воды в зависимости от условий их залегания делятся на грунтовые и межпластовые.

Грунтовые подземные воды залегают на первом от поверхности земли водонепроницаемом слое, практически не защищены от загрязнения и имеют резкие колебания дебита. Малые запасы грунтовых вод и их санитарная надежность делают их непригодными для использования в качестве источников централизованного водоснабжения.

Межпластовые подземные воды (напорные и безнапорные) отличаются высоким качеством. Они расположены в водоносных слоях, имеющих одно или несколько водоупорных перекрытий. Обычно эти воды залегают на значительных глубинах и, фильтруясь через почву, освобождаются от бактериальных загрязнений, а также от взвешенных веществ. Межпластовые воды, как правило, подают на ферму без очистки, поэтому облегчается эксплуатация такой системы водоснабжения и существенно снижается ее стоимость.

Если межпластовых вод недостаточно или они по качественному составу не могут использоваться для хозяйственно-питьевого водоснабжения, устраивают водопроводы из открытых водоемов(рек, озер, водохранилищ). В южных районах страны источниками централизованного водоснабжения могут служить оросительно-обводнительные каналы. Место водозабора необходимо располагать выше населенного пункта по течению реки или канала. Водопой скота устраивают на водоемах, не используемых для водоснабжения населения. Если таких водоемов нет, делают лотки, отводящие воду из водоема к местам водопоя. При выборе источника водоснабжения необходимо учитывать технико-экономические показатели: стоимость сооружений и оборудования для подъема, обработки и транспортировки воды, затраты на эксплуатацию и ремонт и др. Например, стоимость 1 м воды из поверхностных источников с устройством очистки примерно в 3…5 раз выше, чем стоимость воды из межпластовых источников, которую можно использовать без очистки.

Иногда в качестве источника водоснабжения используют атмосферные осадки (дождь или снег).

Источник водоснабжения выбирают в соответствии с требованиями ГОСТа и согласовывают с органами Государственного санитарного надзора. Выбрав источник водоснабжения, определяют его подачу.

Подачей (дебитом) источника называют объем жидкости, поступающей из него в единицу времени.

Водозаборные сооружения служат для забора воды из источника. Для забора воды из поверхностных (открытых) источников устраивают береговые колодцы или простейшие водозаборы, а для забора воды из подземных (закрытых) источников — шахтные, буровые (трубчатые) и мелкотрубчатые колодцы. Подземные воды, выходящие на поверхность, собирают в каптажные колодцы.

Шахтные колодцы служат для забора подземных грунтовых вод, залегающих на глубине до 30…40 м при толще водоносного слоя 5…8 м. Шахтный колодец состоит из оголовка, шахты и водоприемной части.

Оголовок (верхняя, надземная часть колодца) защищает колодец от попадания загрязненных поверхностных вод. Вокруг оголовка устраивают глиняный замок шириной 1 м и глубиной не менее 1,5 м, а в радиусе 2…2,5 м делают булыжную отмостку по песчаному основанию с уклоном от оголовка 0,05…0,10.

Водоприемная (нижняя) часть заглубляется в водоносный слой не менее чем на 2 …2,5 м. В зависимости от глубины погружения водоприемной части шахтные колодцы разделяют на полные (совершенные) и неполные (несовершенные).

Водоприемная часть полного шахтного колодца опущена на всю глубину водоносного слоя и опирается на водонепроницаемый пласт. Водоприемная часть неполного шахтного колодца только частично погружена в водоносный слой и не достигает водонепроницаемого пласта.

Если один шахтный колодец не обеспечивает потребность в воде, то устраивают групповой шахтный колодец. При этом воду забирают из центрального колодца, соединенного с остальными самотечными или другими трубами. Расстояние между колодцами колеблется в пределах 10…60 м в зависимости от толщины водоносного слоя и его фильтрующей способности.

Буровые (трубчатые) колодцы устраивают для забора воды из обильных водоносных пластов, залегающих на большой глубине (50…150 м). Скважина состоит из устья, эксплутационной колонны, фильтра и отстойника.

Стенки скважины предохраняют от обрушения, укрепляя их обсадными трубами, соединяемыми муфтами. Такие трубы изолируют водоносные горизонты, непригодные для водоснабжения.

Тип фильтра выбирают в зависимости от гранулометрического состава водоносных пород. Фильтры должны обладать хорошей пропускной способностью.

Подача шахтных и буровых (трубчатых) колодцев не должна превышать дебита источника. Для определения подачи колодцев проводят пробную откачку, во время которой контролируют изменение уровня воды в колодце при помощи приборов.

Зона санитарной охраны вокруг места водозабора включает в себя территорию, на которой расположены водозаборные сооружения, и водопроводную станцию. В неё входит также участок водоёма на расстоянии 200 м выше и ниже места водозабора. Этот участок задерживает поступление загрязнений с берега непосредственно к водозабору.

На территории зоны санитарной охраны разрешается строительство тех сооружений, которые непосредственно связаны с нуждами водопровода.

Подземные источники водоснабжения окружают зонами санитарной охраны. В такую зону входит территория, на которой расположен водозабор, и все головные водопроводные сооружения (скважины и каптажи, насосные станции, установки для обработки воды, резервуары). Например, зона санитарной охраны артезианских скважин составляет около 0,25 га, причем радиус территории должен быть не менее 30 м вокруг скважины. При использовании грунтовых вод размеры зоны санитарной охраны увеличиваются до 1 га при радиусе 50 м.

На территории зоны санитарной охраны размещается строительство только тех сооружений, которые непосредственно связаны с нуждами водопровода. Вся территория зоны планируется так, чтобы поверхностный сток отводился за границы этой территории и поступал в водоём за пределами её нижней границы.

На участке водоёма, входящем в зону санитарной охраны, запрещается спуск сточных вод (даже в очищенном виде), а также бытовое использование водоёма.

Санитарный режим на территории зоны санитарной охраны подземных источников должен быть таким же, как и на территории зоны санитарной охраны открытых источников водоснабжения.

Водозаборные сооружения из подземных источников

Выбор типа сооружения для приема подземных вод зависит от глубины их залегания и мощности водоносного горизонта. Сооружения для приема подземных вод могут быть подразделены на четыре вида: водозаборные скважины; шахтные колодцы; горизонтальные водозаборы; капотажные камеры.

Водозаборные скважины (трубчатые колодцы) служат для приема безнапорных и напорных подземных вод, залегающих на глубине более 10 м. Это наиболее распространенный вид водозаборных сооружений для систем водоснабжения городов, сельских населенных пунктов и промышленных предприятий. Их устраивают путем бурения в земле скважин, стенки которых крепят обсадными стальными трубами. По мере заглубления скважины диаметр обсадных труб уменьшают. В результате скважина приобретает телескопическую форму. Зазоры между отдельными обсадными трубами заделывают (тампонируют) цементным раствором. В скальных грунтах стенки скважин обсадными трубами не крепят. Над верхом скважины устраивают кирпичную, бетонную или железобетонную камеру. В нижней части скважины устанавливают фильтр.

Водозаборные скважины размещают перпендикулярно направлению потока подземных вод. Их количество зависит от требуемого расхода и мощности водоносного горизонта. В зависимости от глубины залегания динамического уровня воды, она либо самоизливается из скважин в сборные резервуары, либо (при глубоком залегании) ее выкачивают насосами.

Шахтные колодцы служат для приема подземных вод, залегающих на глубине не более 30 м.

Они представляют собой вертикальный проем в грунте, доходящий до водоносного слоя. Такие колодцы делают из бетона, железобетона, кирпича, бутового камня и дерева. Их, как правило, устраивают опускным способом. Наиболее часто для них используют бетонные кольца круглой формы и деревянные срубы квадратной формы в плане. В дне шахтных колодцев для приема воды устраивают обратные фильтры, т.е. насыпают песок, гравий, щебень, увеличивая крупность зерен снизу вверх. Чтобы усилить поступление воды, в стенках колодцев делают отверстия, для чего используют бетонированные трубы, фильтры или зазоры кладки. С этой же целью донный фильтр увеличивают по площади или за счет его радиального расположения (лучевой водозабор).

Шахтные колодцы располагают перпендикулярно направлению потока грунтовых вод. При значительной потребности в воде устанавливают несколько колодцев, связанных сифонами со сборной емкостью, из которой воду насосами перекачивают в очистные сооружения или к потребителю.

Горизонтальные водозаборы устраивают для приема грунтовых вод, залегающих на небольшой глубине (до 8 м) при малой мощности водоносного горизонта. Их выполняют в уровне залегания водоносного слоя из железобетонных, бетонных или керамических труб с круглыми или щелевыми отверстиям. Для горизонтальных водозаборов целесообразно использовать трубы овоидального сечения, у которых больше площадь водоприемной поверхности. Для предотвращения засорения их обсыпают фильтрующей песчано-гравийной смесью. Чтобы исключить поступление в водозаборы загрязненных поверхностных вод, в уровне земли над ними устраивают глиняную подушку.

Простейшие горизонтальные водозаборы выполняют из коротких труб с зазорами в местах соединений, из кирпичной или бутовой кладки без раствора. Для их осмотра и очистки через каждые 50. 150 м по их длине устраивают смотровые колодцы.

Капотажные камеры используют для получения ключевой воды. Для сбора вод восходящих ключей устраивают капотажные камеры в виде шахтных колодцев, располагая их над местами выходов воды, а для приема вод нисходящих ключей выполняют капотажные камеры о ЗцИ|рром воды через боковые стенки в виде горизонтальных водосборов.

Водозаборные сооружения из подземных источников

Для приема воды из поверхностных источников и глубинных слоев устраиваются водозаборные сооружения. Их располагают на берегах водохранилищ, рек, озер. Для промышленных целей используются сооружения на берегах морей с последующей подачей в напорный трубопровод. Если в приморских районах отсутствует пресная вода, то применяют систему опреснения и очистки морской воды в соответствии с экономическими и техническими обоснованиями.

Для извлечения воды из подземных течений устраивают сооружения глубинного типа с применением насосной системы. Береговые сооружения при колебании уровня воды в водоеме строят на искусственно созданных основаниях, сваях, фундаменте для защиты станции от ледохода и плавающих предметов. По способу расположения водозаборные сооружения бывают береговыми, специальными и самотечными (русловыми).

Разновидности станций

Русловые станции самотечного типа сооружают на берегу неглубокого водоема с небольшим пологим спуском и слабым грунтом. Их конструкция предусматривает приемный колодец, трубопровод со свободным течением, оголовок, защищенный решеткой. Полученная вода посредством системы насосов подается в напорный трубопровод для дальнейшего использования. Оголовки устраивают полностью погруженными, затопляемыми только при разливе, или поверхностными. Насосная станция работает вместе с водоприемником или устанавливается как самостоятельное устройство.

На крутых берегах водоемов предусматриваются водозаборные сооружения берегового типа, которые в конструкции не содержат оголовков и трубопроводов. Забор воды обеспечивается через отверстия, так как ее уровень позволяет это сделать при любых условиях. Береговой колодец устраивают на полметра выше самого высокого поднятия уровня воды, обязательно ставится насосная станция. Если этот показатель в реке значительно колеблется, тогда колодец имеет несколько раздельных секций в соответствии с числом линий всасывания. Верхние окна служат для сбора поверхностного слоя во время паводка, что дает возможность принимать чистую жидкость.

Специальный тип водозаборных станций применяется в случае потребности в большом объеме жидкости или если климат предполагает постоянную борьбу с ледовыми корками. В таких водозаборах устраивают искусственный ковш по типу канала. Его размеры определяются в зависимости от скорости всплывания глубинных оледенелых глыб. Ковши с низовым приемом ставят по течению устья для приема придонных течений и борьбы с глубинными льдинами. Ковши с верхним входом предназначаются для установки в устье против течения и служат для приема поверхностной осветленной жидкости. Такие типы водозаборных сооружений позволяют вкапывать ковши в береговую породу на глубину до 3,5 м или выносить их в речное русло, отделив дамбой.

При помощи сооружений для фильтрации и очистки получают хорошо осветленную жидкость в паводок или ледоход. Перед подачей в напорный трубопровод влага фильтруется через толстый слой гравийных и песчаных слоев, естественно расположенных на дне или берегах, только потом принимается шахтными, трубчатыми или горизонтальными приспособлениями.

Если требуется обеспечить временную поставку воды, строят плавучие или передвижные водозаборные сооружения. Для расположения передвижных станций на берегу водоема предусматривают рельсовые пути с наклоном, по которым они перемещаются в зависимости от уровня подъема воды. Плавучие сооружения устраивают на зафиксированных якорем баржах или понтонах. К недостаткам временных водозаборов относится то, что все трубопроводы изготавливают из гибких материалов, а это ведет к их преждевременной порче и неудобству использования в ледоходный период.

Для извлечения влаги из гравийных и песчаных грунтов верхнего безнапорного горизонтального слоя устраивают шахтные колодцы. Материалом для них служит бетон на металлическом каркасе. Вода поступает в приемники через отверстия в стенах и полу. Дно колодца оснащается обратным фильтрующим слоем, состоящим из песка толщиной до 0,6 м и нескольких слоев гравия общей толщиной до 0,15 м. Над поверхностью грунта колодец выступает на 0,8 м. Стены защищаются замком из глины толщиной до 0,5 м, который уходит под землю на 0,3-1,2 м. Обязательно устраивается примыкающая бетонная отмостка с уклоном от стен шириной 1-1,5 м.

Работа водозаборных сооружений в северных районах осложняется суровым зимним климатом, когда замерзают открытые водоемы. Сооружения используются только в период таяния льда. Северные местности характеризуются почти полным отсутствием подземных источников, редкие воды содержат большое количество минералов и для питья малопригодны. Поступление в зимний период влаги скудное, поэтому ее берут из слоев, расположенных под замерзшим грунтом. Для увеличения уровня воды в водоемах устраивают искусственные плотины и расширяют площадь водохранилищ, таким образом, способствуя регулируемой подпитке рек и озер из подземных незамерзающих источников.

Виды источников

Забор воды для использования в городах и селах осуществляется из поверхностных и подземных слоев. Водоносные слои в толще грунта бывают напорными и безнапорными. Горизонтальные слои у поверхности или в толще рек, озер называются грунтовыми. Грунтовые воды характеризуются повышенным загрязнением и перед поступлением в напорный водопровод обязательно подвергаются очистке.

Напорные воды полностью заполняют горизонтальные пласты, располагаются ниже соседних водоемов или служат для их подпитки. Артезианские источники имеют ценные чистые воды, для их извлечения устраивают такие типы водозаборных сооружений, которые в конструкции не содержат очистных приспособлений. В колодце для приема воды из напорного горизонтального слоя существует условная линия подъема жидкости, совпадающая с уровнем поверхности ближайшего водоема. Если такая линия проходит выше поверхности грунта, то влага изливается из колодца, который носит название артезианского.

Напорные и безнапорные воды, просачивающиеся на поверхность грунта, образовывают нисходящие и восходящие ключи, поставляющие воду высокого качества, которая используется для питьевых целей без применения дорогостоящих систем очистки. Качественные показатели источника, такие как мощность, глубина залегания, насыщенность минералами, используют для выбора типа строения водозаборной станции. При этом учитывают технико-экономические соображения и потребность в определенном типе жидкости (для промышленных, питьевых, хозяйственных нужд).

Условия выбора места расположения

Строительство водозаборных сооружений основывается на прогнозах свойств жидкости из выбранного источника, необходимости переоборудования береговой зоны, переформирования русла реки или другого водоема и гидротехнических условий работы. При изменении уровня воды более 6 м и крутом склоне берега, достаточном для нормального поступления воды, строят совмещенные береговые сооружения.

Если планируется средняя производительность, ввиду малой высоты подъема воды совмещают водозаборы с насосными комплексами. Водоприемники раздельного типа строят при требуемой малой производительности и большой глубине водоема. Если колебание поверхности воды — менее 6 м, глубина небольшая, тогда используют русловый тип водозабора с насосной станцией в конструкции берегового приемника.

Гидравлический расчет

Для определения оптимальных параметров трубопровода применяется гидравлический расчет. Принимают во внимание пропускную способность труб и других элементов за весь расчетный срок действия. Расход воды определяют как потребность в ней во время максимального разбора подключенными потребителями. Исходя из этих данных высчитывают диаметры труб, необходимых для экономически выгодного пропуска заданной массы с наименьшими потерями.

Делают аксонометрическую схему с указанием направления от ввода до присоединенного водоразборного узла, выбирая расположение с наименьшим числом поворотов. Рассчитываются длины участков от одной узловой точки до другой, принимая во внимание количество точек разбора жидкости. Диаметр труб меняется на другом участке, в пределах одного участка трубы предусматривают одного размера. Строительство водозаборных сооружений выполняют после полного гидравлического расчета.

Очистительные сооружения

Определяют качество воды, исходя из таких показателей:

• физических свойств, таких как мутность, наличие привкуса, цвет, запах, температура;
• химических качеств, характеризующих способность к окислению, жесткость, активную реакцию, содержание минеральных веществ;
• бактериологических свойств, которые показывают степень зараженности бактериями, попадающими в воду из близлежащих канализационных стоков, выпадающих осадков, испражнений животных.

Питьевая вода находится под пристальным вниманием. Требования к качеству жидкости для бытового использования стандартизированы и содержатся в ГОСТ Р51232 – 1998. В документе учтены требования к химическим, физическим и бактериальным показателям. Если чистота получаемой воды не соответствуют приведенным нормативным данным, то строят водозаборные очистные сооружения. Наиболее распространенными методами очистки признаны обеззараживание и осветление. Для осветления применяют фильтрацию и отстаивание несколькими этапами, в результате чего примеси оседают на дно. Бактерицидное облучение, нормированное хлорирование, озонирование используют для избавления от патогенных микроорганизмов.

Получение воды из подземных источников

На выбор водозаборной станции для приема жидкости из подземных слоев влияют глубина расположения и мощность слоя. Сооружения делятся на четыре вида:

• скважины водозабора;
• шахтные колодцы;
• водозаборы горизонтального действия;
• капотажные устройства.

Водозаборные сооружения подземных вод в виде скважин или трубчатых колодцев применяют для извлечения жидкости из пласта на глубине свыше 10 м. Строительство заключается в бурении скважины и укреплении стенок обсадными трубами. Постепенно с набором глубины уменьшается диаметр труб. В нижнюю часть отверстия устанавливается фильтр, а на поверхности, над скважиной, строят смотровую камеру. Если напор водоносного слоя достаточно сильный, вода поднимается на поверхность под давлением, в противном случае влага подается наверх с помощью насосов.

Сооружения по типу шахтных колодцев служат для приема воды из глубины свыше 30 м. Стенки колодца — бетонные, кирпичные или деревянные, часто используют готовые унифицированные элементы, последовательно устанавливающиеся один на другой. В нижней части стен и дне колодца предусматривают отверстия для естественного поступления жидкости. На дне делают фильтрующий слой из песка и щебня. При увеличенной потребности в воде организуют несколько шахтных колодцев, соединенных между собой сифонами с водосборником, откуда насосами влага подается в водопровод.

Подземные водозаборные сооружения горизонтального действия служат для сбора влаги на небольшой глубине. Их выполняют на глубине до 8 м из стандартных железобетонных или керамических элементов с отверстиями или щелями в боковых поверхностях. Простейшие горизонтальные типы делают из прореженной кирпичной или бутовой кладки, для профилактического обслуживания предназначены смотровые камеры через каждые 100 м.

Капотажные камеры служат для забора воды из ключей. Они представляют собой простейшие шахтные колодцы, устраиваемые над местом появления воды на поверхности. Для получения жидкости из нисходящих ключевых источников делают капотажные камеры для сбора влаги через вертикальные стенки по типу горизонтального водозабора.

Сбор воды из источников на поверхности

При таком способе водозабора осуществляются меры по бесперебойному получению влаги в течение года. Для этого сооружение располагают ближе к потребителю на устойчивом, наименее загрязненном месте берега, строят выше промышленных заводов и участков канализации. Водозаборные сооружения из поверхностных источников устраивают с учетом возможного поворота русла реки со временем. Элементы системы располагают так, чтобы после образования ледяного покрова зимой до верха сооружения оставалось не менее 0,3 м, а низ водоприемника не доходил до дна реки на 1 м.

Водозаборные сооружения часто строят по совмещенному принципу двух и более видов, это определяется характеристиками водоема и требуемым объемом потребления. Перед началом эксплуатации система проходит техническое испытание. Поверхностные водозаборные сооружения переезд запуском промывают водой со скоростью 1 м/с. Бытовые водопроводы хлорируют для дезинфекции.

Устройство наружных водопроводных сетей

Наружная система включает в себя главные магистрали и второстепенные ответвленные линии. В качестве материала труб применяют экологически чистые компоненты, выбранные по условиям ГОСТа. Между заборной станцией и напорным водопроводом жидкость проходит по очистным сооружениям, отстаивается в резервуарах и с помощью регулирующих устройств направляется к потребителю. Диаметр труб главной магистрали принимается по данным гидравлического расчета, а ответвленные диаметры применяются с учетом пожарного пропускаемого расхода жидкости.

Устройства для подъема воды

Насосные комплексы ставят в цепи движения воды для преобразования энергии двигателя в гидравлическую энергию передающейся жидкости. С помощью этих устройств влагу поднимают на нужную высоту, подают на большие расстояния и заставляют перетекать в замкнутой системе водопровода, что и подразумевает эксплуатация водозаборных сооружений. Выбор насосов для комплексного обслуживания водозаборных сооружений осуществляется в зависимости от типа двигателя, мощности, напора, коэффициента полезного действия и других показателей. Наиболее распространенными в применении являются центробежные насосы, которые имеют достаточно преимуществ перед другими типами.

Резервуары и водонапорные башни

Для достижения давления в сети водопровода и для поднятия жидкости на высотные этажи служат водонапорные башни, которые работают по физическому принципу сообщающихся сосудов. Резервуар бака в башне рассчитывается на объем воды, который регулирует подачу жидкости потребителям в течение определенного времени, если выйдут из строя водозаборные сооружения из подземных источников.

В баке водонапорной башни хранится запас воды, необходимый для экстренного пожаротушения в течение 10 минут после возгорания. Водонапорная башня в конструкции содержит бак, поддерживающую основу, выполненную на высоту самого высокого здания в населенном пункте. В северных районах устраивается утепляющий кожух, а в южных делается только покрытие над баком.

Резервуары для хранения воды ставят в различных местах водопроводной системы, служат они для хранения запасов жидкости. Объем баков зависит от их назначения и потребности в насыщении водой напорной системы потребителей. Материалом для сооружений служит обожженный кирпич, различные виды естественного камня и железобетон. По форме различают круглые и прямоугольные резервуары. Перекрытие выполняется монолитным или сборным способом.

Ремонт подземных и подводных трубопроводов

Устройство водозаборных сооружений с протяженным трубопроводом после некоторого периода эксплуатации требует периодического ремонта и обслуживания. Иногда пропускная способность водопровода уменьшается из-за отложения в трубах засорений и наслоений. Его прочистка проводится периодически, в легких случаях достаточно промывки обратным или прямым током воды. При более сложных случаях используют скребки или ерши.

Извлекать поврежденный трубопровод на поверхность – работа хлопотная и дорогостоящая. Поэтому для очистки сконструирован специальный прибор, перемещающийся внутри трубы. Устройство передвигается, а вращающиеся жесткие щетки удаляют наслоения на стенках. Для очистки трубопровода, из которого удалена жидкость, делают грузила, не дающие конструкции из труб всплывать на поверхность.

Для удаления сложных разрывов или пробоин в трубах их поднимают на поверхность, а после замены испорченного участка повторно опускают на дно. Не слишком сложные повреждения ремонтируют при помощи подводной сварки.

В заключении следует отметить, что устройство водозаборных сооружений требует специальных знаний, позволяющих определить тип сооружений, выбрать место и расстановить конструктивные узлы. Но так как современные потребители не видят своего существования без живительной влаги, то со временем появляются новые конструктивные решения и идеи для извлечения воды из недр планеты.