Характеристики природных источников водоснабжения и требования, предъявляемые к ним

Введение

Водоснабжение

Установлено, что человечество в день потребляет 7 млрд. т воды. При этом ее основными потребителями являются промышленный и сельскохозяйственный комплексы. Например; для выплавки одной тонны чугуна необходимо 200 т воды; для очистки одной тонны нефти – 18т воды. Поэтому рациональное использование воды, в первую очередь, означает упорядочение объемов потребляемой воды непосредственно на предприятиях. Большое внимание должно уделяться созданию систем повторного и оборотного водоснабжения на промышленных предприятиях и разработке бессточных схем канализации. Важным является разработка новых технологий с целью сокращения водоемких процессов производства и исключения из технологических процессов канцерогенных веществ. Не менее важной с экономической точки зрения является интенсификация уже известных методов очистки сточных вод, более широкое использование способов доочистки биологически очищенных стоков, а также создание новых эффективных очистных комплексов.

Водохозяйственные балансы и прогнозы, составленные во всех промышленно развитых странах, показали, что спрос на воду намного превышает предложение. Запасы пресной воды на Земле уменьшаются катастрофически и по прогнозам ЮНЕСКО к 2100 г. человечество будет испытывать настоящий водяной голод. Поэтому многие страны мира включились в проведение исследований, направленных на уточнение данных о своих водных ресурсах, на решение проблемы искусственного производства пресной воды и на создание экономически выгодных способов и методов опреснения вод Мирового океана.

Выбор источника водоснабжения является одной из наиболее ответственных задач при проектировании любой системы водоснабжения. Источник водоснабжения определяет:

1. характер системы водоснабжения;

2. технологическую схему водоснабжения и состав сооружений, входящих в нее;

3. экологическую стабильность объекта водоснабжения;

4. строительную и эксплуатационную стоимость системы водоснабжения.

Рациональный выбор источника водоснабжения для каждого данного объекта требует тщательного анализа водных ресурсов района, в котором он расположен. При выборе реки в качестве источника водоснабжения необходимо учитывать сезонные колебания ее расхода. Периодически пересыхающие или промерзающие реки не могут быть использованы в качестве источника водоснабжения. Однако по своему дебиту средние, крупные реки и водохранилища могут удовлетворить потребность в воде большинства городов. Интенсивное же использование подземных вод в качестве источников водоснабжения приводит к осушению поверхности земной коры и возникновению тектонических подвижек грунтов.

Практически все используемые для целей водоснабжения природные источники могут быть отнесены к двум группам:

1. поверхностные (реки, озера, водохранилища, моря);

2. подземные (грунтовые воды, артезианские воды, родники)

Поверхностные источники характеризуются значительными колебаниями качества воды и количества загрязнений в разные периоды года.

Вода рек и водохранилищ обладает значительной мутностью, высоким содержанием органических веществ (особенно в период паводков), значительной цветностью. Речную воду отличает небольшая жесткость (содержание солей Са и Мg). Например, жесткость воды в Неве составляет 0,7·мг экв/л, а в Москве-реке – 2–5 мг·экв/л (для сравнения, жесткость питьевой воды должна быть не более 10 мг·экв/л.). Кроме того, в речной воде содержится значительное количество бактерий, включая патогенные (болезнетворные), количество которых измеряют коли-титром (тот наименьший объем воды, в котором еще содержится кишечная палочка) или коли-индексом (числом кишечных палочек, содержащихся в 1 л воды).

Вода озер отличается малым содержанием взвешенных веществ, малой мутностью, значительной минерализацией, цветностью.

Подземные воды, как правило, прозрачны и бесцветны. Артезианские воды, перекрытые сверху водонепроницаемыми породами, защищены от поступления проникающих с земли стоков. Они обладают высокими санитарными качествами (т. е. не требуют глубокой очистки). Однако подземные воды имеют повышенную жесткость, часто содержат много железа и фтора, что требует использования специальных установок по их удалению.

Сопоставляя основные показатели качества воды природных источников с требованиями, предъявляемыми к качеству воды главных групп потребителей, можно сделать вывод, что для целей водоснабжения населенных мест наиболее подходящими являются подземные воды. Однако, принимая во внимание, что для крупных населенных мест дебит подземных вод часто оказывается недостаточным, водоснабжение большинства крупных городов полностью или в значительной степени базируется на использовании поверхностных вод.

Источник водоснабжения должен отвечать следующим основным требованиям:

1. обеспечивать бесперебойное поступление требуемого количества и качества воды с учетом роста потребности в водоснабжении;

2. обладать достаточной мощностью (отбор воды не нарушает экологическое состояние жизнедеятельности водоема);

3. находиться на кратчайшем расстоянии от объекта водоснабжения.

Водозаборные сооружения

Выбор типа водоприемных сооружений зависит от местных природных условий: гидрогеологических характеристик водоемов; характера самого источника водоснабжения. В ряде случаев при проектировании крупных и ответственных водоприемных сооружений приходится прибегать к методам моделирования и изучать режим работы будущего сооружения на моделях в лабораторных условиях. Разнообразие местных природных условий в сочетании с различными количествами забираемой воды обусловливает и разнообразие типов и конструкций водоприемных сооружений

Очень важной является задача выбора места установки водоприемного сооружения. Их рекомендуется устанавливать:

1. на кратчайшем расстоянии до потребителя и гарантия бесперебойного получения воды наилучшего качества и требуемого количества;

2. устойчивом участке берега и дна водоема;

3. вне очагов образования ледяных заторов и донных наносов;

4. вне зоны работы ГЭС и гидроузлов;

5. вне зоны интенсивного движения судов;

6. выше по течению от населенных мест, промпредприятий и мест возможного сброса сточных вод в водоем (на расстоянии L>300м);

7. с учетом организации зон санитарной охраны.

Водозаборные сооружения берегового типа устраивают при наличии следующих условий в месте забора воды:

1. крутой берег;

2. значительная (более 10 м) глубина водоема;

3. устойчивые плотные грунты в основании берега;

4. амплитуды колебания уровней воды в водоеме более 6 м;

5. благоприятные ледовые условия;

6. незначительные образования донных наносов.

Принципиальная схема работы берегового водозабора раздельного типа приведена на рис. 1.1, а. Он представляет собой колодец 1, выполненный, как правило, из железобетона и располагаемый на склоне берега. Вода поступает в береговой водозабор через входные окна 2, оборудованные с наружной стороны съёмными решетками для грубой механической очистки речной воды. Колодец разделен перегородкой 3 на две камеры – приемную 4 и всасывающую 5. В проеме перегородки между камерами устанавливают сетку 6. Из всасывающей камеры вода забирается всасывающими патрубками 7 центробежных насосов 8, расположенными в насосной станции первого подъема 9.

Всасывающие трубы центробежных насосов для зашиты от повреждений и для облегчения их осмотра и ремонта иногда располагают в специальной галерее 10. Над водоприемным колодцем устраивают служебный павильон 11, из которого осуществляется управление арматурой и механизмами очистки сеток, а также другие операции, связанные с эксплуатацией водозабора. Решетки приемных окон выполняются из стальных стержней с зазором между ними 40 – 100 мм. Приемные окна располагаются в два яруса при значительном колебании уровней воды в реке.

Расстояние от низа возможного ледяного покрова до верха верхнего приемного окна водозабора должно составлять не менее 0,2 – 0,3 м. Порог между дном реки и низом нижнего приемного окна, необходимый для исключения попадания в водозабор донных наносов, составляет не менее 0,5 м. Средняя скорость движения воды через решетки приемных окон – 0,2 – 0,6 м/с. Сетка, вмонтированная в перегородку между приемной и всасывающей камерами, предохраняет всасывающую камеру от попадания в нее крупных взвесей. На крупных водозаборных сооружениях устанавливают вращающиеся сетки с непрерывной промывкой.

Рис. 1.1. Принципиальная схема водозабора берегового типа:

а – раздельного; б – совмещенного; 1 – береговой колодец; 2 –приемные окна; 3– перегородка; 4 – приемная камера; 5 – всасывающая камера; 6 – съемная сетка; 7 –всасывающей патрубок центробежного насоса; 8 – центробежный насос; 9 – насосная ставши первого подъема; 10 – галерея для размещения всасывающих труб; 11 – служебный павильон; 12 – напорные водоводы

Для водозаборов средней производительности при малой высоте всасывания насосов и наличии неплотных грунтов в основании берега устраивают береговые колодцы совмещенного типа (рис. 1.1, б). При этом днище водоприемного колодца и насосной станции первого подъема выполняют общим. Благодаря своей относительной экономичности эти водоприемники имеют значительно большее распространение, чем раздельные.

Водоприемники берегового типа могут иметь в плане круглую, эллипсоидальную или прямоугольную формы. Это зависит от: условий обтекания водозабора водами реки; условий производства строительных работ; используемого оборудования насосной станции.

Водозаборные сооружения руслового типа устраивают при следующих условиях в месте забора воды:

1. пологий берег;

2. малая (до 10 м) глубина водоема;

3. неустойчивые грунты в основании берега;

4. амплитуда колебания уровней воды в водоеме менее 6 м;

5. благоприятные ледовые условия;

6. незначительные образования донных наносов.

Согласно принципиальной схеме работы водозабора руслового типа (рис. 1.2), несовмещенного с насосной станцией первого подъема, вода через оголовок 1 по самотечным линиям 2 поступает в береговой колодец 3. Так же как и в водозаборе берегового типа, береговой колодец состоит из приемной 4 и всасывающей 5 камер, разделенных перегородкой 6 с сеткой 7. Из всасывающей камеры вода забирается всасывающими патрубками 8 центробежных насосов 9, расположенных на насосной станции первого подъема 10. Применение самотечных линий от оголовка до берегового колодца оправдано с экономической точки зрения. В некоторых случаях для уменьшения глубины укладки самотечных линий их заменяют на сифонные.

Рис. 1.2. Принципиальная схема работы водозабора руслового типа:

1 – оголовок; 2 – самотечные линии; 3 – береговой колодец; 4 – приемная камера; 5 – всасывающая камера; 6 – перегородка; 7 – съемная сетка; 8 – всасывающий патрубок центробежного насоса; 9 – центробежный насос; 10 – насосная станция первого подъема; 11 – павильон; 12 – напорные водоводы.

При значительных колебаниях уровней воды в водоеме иногда устраивают два яруса самотечных труб для возможности приема воды с наименьшим количеством взвеси. Скорость движения воды в самотечных линиях составляет 0,7 – 0,9 м/с во избежание их засорения. Их выполняют из стальных, железобетонных и асбестоцементных труб не менее чем в две нитки. Для промывки самотечных труб водозаборные сооружения должны иметь соответствующее оборудование. При прокладке самотечной линии по дну или подо дном водоема она в месте приема воды должна заканчиваться вертикальным или наклонным отростком с раструбом-оголовком.

Подземные воды обладают высокими санитарными качествами и поэтому очень ценны для целей водоснабжения. Поскольку они залегают на различных глубинах и в разных породах, существуют несколько типов сооружений для их приема, широко применяемых в практике водоснабжения городов. Выбор того или иного сооружения зависит в основном от глубины залегания подземных вод (К) и мощности водоносного горизонта (Н), которая определяется слоем водовмещающей породы от зеркала грунтовых вод до водоупора (устанавливается гидрогеологическими изысканиями). Значения этих величин приведены для каждого типа сооружения.

Сооружения для приема родниковых вод получили название каптажных сооружений. Восходящие родники образуются при проникновении в поверхностные слои грунта напорных вод в результате нарушения прочности перекрывающих их водонепроницаемых пород. Нисходящие – при выклинивании на поверхность земли безнапорных водоносных пластов. Родниковая вода является полезной и в ряде случаев может быть использована в лечебных целях.

Горизонтальные водосборы представляют собой дренажи разных типов или водосборные галереи, укладываемые в пределах водоносного пласта (непосредственно на подстилающем водоупоре). Вода, поступившая из грунта в дренажные трубы, подается по ним в сборный резервуар, а оттуда откачивается насосами.

Шахтные колодцы применяют для приема небольших количеств воды. Вода в них поступает через их дно и частично стенки. В крупных централизованных системах водоснабжения шахтные колодцы применяются относительно редко. Их используют при индивидуальном пользовании, в сельской местности, во временных водопроводах.

Для целей централизованного водоснабжения наиболее часто применяются несколько трубчатых колодцев или, как их часто называют, водозаборных скважин, объединяемых в общую систему водосборных сооружений. Характерной особенностью трубчатых колодцев (скважин) является их малый диаметр и относительно большая длина водозаборной части.

На рис. 1.3., а показана схема устройства скважины. Стенки скважины после бурения закрепляют стальной обсадной трубой 1. Эту трубу опускают приблизительно до верхней границы залегания водоносных пород. В обсадную трубу 1 опускают трубу 2 меньшего диаметра, которую доводят до нижней границы залегания водоносных пород, немного заглубляя в водоупор. Затем в трубу 2 опускают фильтр 3, предназначенный для защиты колодца от занесения в него вместе с водой частиц грунта. Фильтр 3 опускают с помощью штанг и замков 4 в его верхней части. Затем трубу 2 удаляют из скважины, а кольцевое пространство между стенками фильтровой и обсадной труб уплотняют путем установки сальника 5. В ряде случаев в грунте с внешней стороны обсадной трубы устраивается «цементный замок». Над скважиной устраивают специальный павильон.

Рис. 1.3. Устройство подземного водозабора:

а – устройство водозаборных, отважна; б – устройство фильтров водозаборных скважин; в – конструкция сетчатого фильтра водозаборной скважины;

1 – стальная обсадная труба; 2 – труба меньшего диаметра, в которую устанавливается фильтр; 3 – фильтр; 4 – замок для установка фильтра; 5 – сальниковое уплотнение; 6 – рабочая приемная часть фильтра; 7 – нижняя глухая отстойная часть; 8 – надфильтровая глухая ость; 9 – трубчатый каркас с круглой перфорацией; 10 – подкладочные стержни; 11 – проволока; 12–сетка

Фильтр 3 является очень ответственной частью скважины. От его надежности зависит качество работы всей скважины. Фильтр (рис. 1. 8, б) состоит из рабочей (приемной) части б, через которую в колодец поступает вода, надфильтровой глухой части 8 с замком 4 и нижней глухой части 7, которая служит сборником для проникающих в колодец мелких частиц грунта. На рис. 1.3, в представлена конструкция приемной части (сетчатый фильтр). На трубчатый каркас с круглой перфорацией 9 и подкладочные стержни 10 спирально (с расстоянием между витками 5 – 10 мм) наматывается проволока 11, а затем накладывается сетка 12. Сетки изготавливаются из латунной проволоки и имеют различное плетение.