Забор воды из источников, расположенных в районах вечной мерзлоты
Природные условия этих районов весьма разнообразны, но общим является суровость
климата и вечная мерзлота.Большинство населенных пунктов расположены
у рек, а наиболее крупные предприятия – у месторасположения полезных ископаемых.
Эти районы характеризуются низкими среднегодовыми температурами, малым
количеством годовых осадков (не более 600 мм, но на значительной части не превышает и 400), снежный покров держится 280 – 300 дней, длительным ледоставом, весенними разливами, летними паводками, тяжелым шуголедовым режимом,толщиной льда от 1,2 до 2 м.
Источники водоснабжения в условиях вечномерзлых грунтов должны удовлетворять
ряду специфических требований:
- захват воды с максимальной температурой;
- забор требуемых расходов воды при любых гидрологических режимах;
- водоприем без сложных и дорогостоящих мероприятий по руслорегулированию;
- близкое расположение к потребителю.
Выбор источника производится на основе оценки всех факторов, определяющих условия водоснабжения.
По условиям забора воды реки этих районов можно подразделить:
- Крупные, сохраняющие по всей длине подледный сток и большие глубины в межень (Лена, Енисей и др.). Забор воды из этих рек возможен Различными способами.
- Средние, не перемерзающие, сохраняющие некоторый подледный сток в течение всей зимы (Индигирка, Калыма и др.). Забор воды из этих рек возможен фильтрующими и инфильтрационными сооружениями.
- Малые и средние, перемерзающие, но сохраняющие талики. Забор осуществляется
фильтрующими подрусловыми или комбинированными водозаборами.
- Малые, перемерзающие. Водозабор возможен только при регулировании стока
Водоприемники рекомендуется располагать в местах, где источники не перемерзают или
сохраняют непромерзающий подрусловой талик, грунты остаются талыми, не образуются наледи, русло устойчиво. Водоприемники должны обеспечивать защиту
водоприемных устройств от шуги, донного льда, сора, от механического воздействия ледохода, исключать промерзание самотечных и сифонных линий, проходящих в береговой мерзлоте.
Забор воды из крупных рек со значительными колебаниями уровней можно существлять
водозаборными сооружениями, оборудованными погружными насосами.
При больших колебаниях уровней воды и малых количествах отбираемой воды (2 – 5
тыс. м3/сут) целесообразно устройство водозаборов без дорогостоящих береговых
сооружений. К ним относятся:
1)Водоприемник с водоструйной установкой.
2) Водозабор с гидроэлеватором, размещенным непосредственно в затапливаемом
водоприемнике.
Воду из перемерзающих и малых рек можно забирать лишь при совместном заборе
поверхностных и подрусловых вод. Для этих целей применяют фильтрующие водоприемники галереи, дрены, фильтрующие траншеи. Виды их разнообразны, но общим является то, что они позволяют осуществлять прием воды летом из открытых потоков, зимой – из под русловых. Эти сооружения обеспечивают защиту водозаборов от мусора, наносов и шуги.
Подрусловые водоприемники можно подразделить на две группы:
- водоприемники, не предусматривающие восстановление пропускной способности фильтрующих слоев в период эксплуатации; они названы инфильтрационными;
- водоприемники, принимающие воду через искусственно создаваемые фильтры, допускающие возможность промыва их при засорении; они названы фильтрующими
Достоинства фильтрующих водоприемников:
- минимальное воздействие водоприемника на гидравлический и наносной режим водотоков, защищенность его от воздействия ледоходов и лесосплава;
- возможность использовать его в различных природно-климатических и гидрологических условиях;
- надежность забора воды при малых глубинах рек без устройства подпорных и сложных регуляционных сооружений;
- получение практически чистой воды;
- простота строительства и эксплуатации;
- отсутствие необходимости в устройстве рыбозащитных устройств.
Недостатки фильтрующих водоприемников:
- большая часть площади фильтра (75-80%) из-за неравномерности отбора и отвода воды практически не участвует в водоприеме. Из-за неравномерности отбора по всей площади наблюдаются зоны как сч малыми, так и со значительными скоростями течения воды в фильтрах;
- невозможно обеспечить эффективное восстановление пропускной способности фильтрующих обсыпок водоприемников, что предопределяет кальматацию некоторой части фильтрующей площади.
Водоприемные ковши
При водоотборах, достигающих более 25% минимального расчетного расхода воды в
источнике, применение береговых или русловых водозаборов возможен только на
незашугованных, открытых участках источника с особо благоприятной формой и состоянием русла. В большинстве же случаев при таких отборах воды прибегают к устройству водозаборов специального типа, к таким водозаборам относятся водозаборы
ковшевого типа.
Водозаборные ковши представляют собой искусственно выделенные в открытых водоисточниках акватории, образованные путем соответствующего обвалования части источника дамбами, устройства в них специальных береговых врезок.
Скорость воды в ковше меньше, чем в реке, поэтому он применяется для предварительного осветления воды и для защиты водозабора от шуги. Ковшевые водозаборы применяют для крупных ответственных водозаборов, чаще всего промышленных, производительностью до 25 м3/с (для хозяйственно-питьевых водопроводов от 100 тыс. до 1 млн. м3/сут.).
Ограждающая речная дамба ковша отклоняет от водоприёмных отверстий водозаборов плывущую по поверхности шугу. Малые скорости движения воды внутри ковша обеспечивают установление в ковше ледяного покрова раньше, чем в реке. Шуга
образуется при переохлаждении воды. Наличие ледяного покрова стабилизирует температурный режим потока, и переохлаждение воды в ковше не происходит. Из - за малой скорости воды шуга всплывает и примерзает к поверхностному льду. В водозабор поступает вода, освобождённая от шуги.
Кроме основного назначения – борьба с шуголедовыми помехами – ковш выполняет следующие функции:
• малые скорости способствуют выпадению взвешенных веществ, обеспечивая предварительную очистку воды от взвешенных наносов при мутности 2000…4000 мг/л;
• создаются достаточные глубины (на 1-1,5 м ниже дна) для устройства береговых водоприемников при пологих берегах;
• повышается отбор воды при минимальных расходах реки (до 50% минимального суточного расхода реки).
Если ковш предназначен для борьбы с шугой и льдом, то верх дамбы должен быть выше уровня воды в период шугохода и ледохода. В другие периоды дамба может затапливаться. Если ковш используется для предварительного осветления воды, то дамба должна быть не затапливаемой. Ковш не должен значительно изменять режим
речного потока. Стеснение потока не должно вызывать затор льда и ухудшать существующее водопользование.
Типы ковшей:
1) Не затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутый в реку
• На шугозажорных реках с постепенно нарастающими значительными подъёмами уровней перед или в период ледостава;
• На реках с тяжёлым весенним ледоходом при относительно небольших подъёмах уровней воды в русле;
• При отсутствии сбросов промышленных стоков ниже места водозабора на участке берега не менее 10-кратной величины выноса внешней грани ковша в русло.
2)Не затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутый в реку,
с затапливаемой в половодье верховой шпорой
На реках без шугозажорных режимов или особо тяжёлых условий весеннего ледохода, если количество наносов, транспортируемых рекой в половодье, не превышает 0,75 кг/м3.
3)Не затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутый в реку, с затапливаемой в половодье верховой и низовой шпорами
• На реках без шугозажорных режимов или особо тяжёлых условий весеннего ледохода, если количество наносов, транспортируемых рекой в половодье, не превышает 0,75 кг/м3.
• При необходимости сбросов промышленных стоков ниже места водозабора на участке берега не менее 10-кратной величины выноса внешней грани ковша в русло
4)Затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутым в русло реки
На реках не допускающих стеснение русла реки в период паводков и половодий, при
недостаточных глубинах у берега и возможности формирования береговых шугозажоров, а также при отсутствии специальных требований к предварительному осветлению воды.
5)Заглубленный в берег с углом отвода 135
На реках с ограниченной интенсивностью шуголедовых явлений, русла которых изогнуты или сложены слабыми мелкозернистыми грунтами.
6)Частично выдвинутый в русло, частично заглубленный в берег с
самопромывающимся входом
При необходимости поддержания у входа в ковш или подходе к нему глубин, превышающих бытовые, особенно в случаях неглубокого залегания кровли коренных пород.
7)С низовым входом и регуляторами
На сильно шугоносных реках, транспортирующих в паводки большое количество взвешенных наносов
Ковши могут быть построены двумя способами: или выемкой грунта на берегу, или намывом (отсыпкой)
дамбы, отделяющей акваторию ковша от реки.
• Достоинство врезанных в берег ковшей состоит в том, что они не стесняют речной поток, но они дорогие и трудоемкие. Такие типы нежелательны при скальных и прочных грунтах берега. Их строительство удешевляется, если использовать такие явления рельефа, как овраги, балки, тальвеги.
• Ковши, вынесенные в русло, дешевле и проще в строительстве (дамбы обычно намываются земснарядами), но стесняют поток и требуют крепления внешней стороны дамбы от размыва. Их целесообразно применять при русле из легких пород. Если ковш служит для борьбы с шугой или отбора больших количеств воды из реки, дамба может в паводок затапливаться. При защите водозабора от взвешенных веществ дамба не должна затапливаться высокими водами.
Форма акватории ковша может быть изогнутой, ломаной, овальной или круглой. Ковши могут быть частично врезанными в берег, частично вынесенными в русло.
Наконец, могут быть самопромывающиеся ковши, если у основания дамбы устроить перемычку с затвором, открывающимся во время паводка. Паводковые воды движутся с большой скоростью и, двигаясь транзитом через ковш будут вымывать с его дна отложения, вынося их в реку.
Режимы отбора воды из реки в ковш:
Различаются два основных режима отбора воды из реки в ковш:
Ø режим деления;
Ø режим водообмена.
Режим деления
Возникает при отборе из реки относительно больших количеств воды (по сравнению с расходом воды в реке). При этом в реке, ниже места отбора воды,
глубины и скорость течения уменьшаются, т.е. в русле реки образуется кривая спада.
Вода в ковш поступает со скоростями, равными скоростям течения воды в реке или
большими. Это создает условия для вовлечения в ковш донных наносов. При входе в ковш образуется водоворотная зона, занимающая значительную часть его сечения.
В ковше может быть выделена основная транзитная струя, т.е. поток воды, идущий от входа в ковш до водоприемника. Ширина этой струи меньше ширины ковша.
Режим водообмена
Возникает при отборе из реки относительно малых количеств воды.
При этом режиме на входе в ковш образуется система водоворотов, занимающих большую часть его ширины. В верхней части струи вода будет двигаться к водозабору
в количестве, превышающем его производительность. "Лишняя" вода, не принятая водозабором, будет двигаться от него в реку (в обратном направлении) в придонной части транзитной струи. Создается своеобразная застойная зона, в которой происходит как всплытие шуги, так и выпадение взвеси. Это обеспечивает защиту ковша от попадания в него наносов.
Расчет ковшей
Расчёт ковшей заключается в определении
следующих основных размеров:
• глубины ковша;
• поперечного сечения;
• длины.
Все эти размеры должны обеспечить следующие условия:
• забор воды при минимальном уровне в реке;
• внутриводный лед и шуга должны успеть всплыть до попадания в оголовок;
• взвешенные вещества (наносы) должны осесть (если ковш предназначен для предварительной очистки воды);
• должна быть возможность захода в ковш земснаряда для очистки дна.
Глубина ковша рассчитывается из условия размещения оголовка или окон
берегового колодца).
При этом следует учитывать:
• толщина слоя наносов над дном принимается 0,5-1,0 м, а низ окна должен быть на 0,5 м выше верха наносов,
• расстояние от верха окон до низа льда – не менее 0,25м,
• толщина льда в ковше на 30% больше, чем в реке.
Размеры поперечного сечения ковша определяются, исходя из его формы и скоростей
движения воды. Сечение ковша обычно трапециидальное, при земляных откосах уклоны принимаются для внутренних стен – 2:1, а для наружных – 3:1. Расчет ведётся по средней скорости движения воды, которая обеспечивает всплытие шуги в нём.
Эта скорость Jк должна быть меньше скорости, Соответствующей нижнему пределу шугоносности потока и может быть определена по формуле:
 |
где k – опытный коэффициент, принимаемый в пределах от 1,2 до 3,0.
Скорость должна определяться с учетом толщины расчетного слоя наносов
В обычных условиях отметку дна ковша Ñ д.к. назначают из расчета обеспечения требуемых глубин в нем в периоды стояния расчетных низких горизонтов воды в реке. Чаще всего это требование относится к минимальным уровням зимней межени (Ñ м.з.у), когда в водоприемном ковше устанавливается расчетная толщина ледяного покрова.
Для этого случая отметку дна ковша можно определить по формуле:
 |
где 1,33 - коэффициент увеличения толщины льда в ковше по сравнению с толщинами льда, формирующегося в русле;
- плотность льда;
- расчетная толщина ледяного покрова в русле реки;
0,3 - заглубление верхней кромки водоприемного отверстия высотой (диаметром) D под нижнюю поверхность льда;
- высота порога приемных отверстий, назначаемая в зависимости от высоты слоя наносов в водоприемном ковше в пределах отложении 0,4...1м.
Ширину ковша по дну определяют по минимальному уровню воды в период
шугохода с учетом наличия в ковше льда (dл=0,3...0,5 м) и наносов (слой hн),
уменьшающих глубину живого сечения до значения:
 |
При заданном геологическими условиями заложении откосов m ширину водоприемного ковша по дну находят по формуле:
v к- скорость транзитной струи, м/с, равная 0,05 - 0,15 м/с;
m = tg · a (a - угол заложения откосов ковша);
h н - высота наносов, м;
h ж - высота живого сечения канала, м
Длина ковша изменяется от 60 до 100 м и поэтому полную длину водоприемного ковша, заглубленного в берег, измеряемую по его оси от начального сечения входа до водоприемника, вычисляют по Формуле
 |
где lвх – длина входной части ковша, охватываемой водоворото на входе и засоряющейся шугой еще в начале шугохода (водоворотная зона), м:
 |
lш – длина участка ковша, на котором в течение шугохода откладываются захваченные в ковш шуга и ледяная взвесь – изменяется от 5 до 35 м в зависимости от формы и размещения
ковша;
lр – длина рабочей части, в пределах которой к концу шугохода
обеспечивается полное всплытие в транзитной струе всех скоплений
кристаллов льда, имеющих гидравлическую крупностью 0,015- 0,2 м/с.
Ширину гребня дамб ковшей принимают от 4 до 5 м, ширину берм - 1,5-2,0 м, если последние не предназначены для прохода автомашин или экскаваторов.