6. Водозаборы с фильтрующими водоприемными устройствами

Разновидностью водозаборов с улучшенными техно­логическими показателями считают водозаборы с фильт­рующими водоприемниками: русловые оголовки и бере­говые водоприемники с каменной обсыпкой, с фильтрую­щими кассетами, с фильтрацией через естественные ал­лювиальные отложения и др. Благодаря малым входным скоростям фильтрующие водоприемники, как отмечалось выше, менее, чем открытые, подвержены воздействию шуголедовых факторов; это преимущество в ряде случа­ев (особенно в условиях Севера) определяет главное их назначение — защита водозаборов от шуги. При этом улучшение качества воды рассматривается как сопутст­вующий эффект. Однако в южных районах на реках с резкими колебаниями мутности воды в источниках значи­мость водоочистного эффекта фильтрующих водоприем­ников возрастает и нередко становится определяющей. Еще на ранней стадии развития централизованного водо­снабжения это послужило предпосылкой к созданию ин-фильтрационных водозаборов, совмещающих функции водозаборных и водоочистных сооружений, где улучше­ние качества воды становится главным преимуществом. Существует несколько типов фильтрующих водоприем­ников, отличающихся фракционным составом фильтру­ющего материала, компоновкой фильтрующих элементов, их расположением и т. д.

Обычные фильтрующие водоприемники, применяемые с давних пор, представляют собой простейшие типы ого­ловков (раструбные, свайные или ряжевые), водоприем­ные отверстия которых обсыпают рваным камнем или галечником, выполняющими роль фильтра (рис. 78, а).

Для увеличения водозахватной способности оголовок мо­жет быть выполнен в виде заглубленной в дно реки дре­ны. Такой водоприемник хорошо задерживает хворост, щепу, траву, листья и другие плавающие вещества, а также крупные взвешенные частицы и исключает попа­дание рыбы. Поэтому отпадает надобность в установке сеток, что дает возможность уменьшить размеры берего­вого колодца и, следовательно, снизить капитальные за­траты на его строительство. Фильтрующий оголовок ме­нее подвержен подмыву, разрушающему воздействию льда, судов и т. д. Недостатком его является снижение со временем пропускной способности вследствие кольматации фильтра. Регенерацию фильтра производят обрат­ным током воды, что не всегда дает нужный эффект.

Рис. 78. Водозаборы с фильтрующими водоприемниками

а, б, в — на реках с мелкозернистыми отложениями в русле; г-на маловод­ных источниках с крупнозернистыми аллювиальными отложениями; 1 — фильт­рующий оголовок; 2 — береговой колодец, совмещенный с насосной станцией; 3 — фильтрующая береговая галерея; 4 — фильтрующая загрузка в водоприем­ной камере; 5 — донный фильтрующий водоприемник

На малых водопроводах при заборе воды из озер, осо­бенно в сельской местности, ранее нередко применяли фильтрующие каменно-щебеночные галереи (рис. 78,6). Дальнейшим усовершенствованием этого типа водозабо­ров является совмещение берегового водоприемного ко­лодца с водоочистным фильтром (рис. 78, в). Поступив­шая в береговой колодец вода фильтруется чере? слой песка, загруженного, как в обычных скорых фильтрах, на поддерживающие гравийные слои, а затем поступает не­посредственно к потребителям. Песок промывается об­ратным током воды со сбросом ее в источник самотеком или откачкой насосом. Ввиду связанного с этим отклю­чения водозабора береговой колодец необходимо разде­лять на две секции, каждая из которых должна иметь свой подводящий трубопровод. Площадь каждой ячейки фильтра рекомендуется принимать не более 4 м². Оче­видно, данный тип водозабора может быть рекомендо­ван только для временного водоснабжения при потребно сти в воде 1...2 тыс м³/сут.

Обширные натурные и лабораторные исследования А. С. Образовского и Ю. И. Вдовина [8, 24] позволили значительно усовершенствовать фильтрующие водопри­емники и установить оптимальные параметры их работы. Фильтры стали выполнять в виде заключенных в решет­чатую или сетчатую обойму блоков (кассет), которые мо­жно монтировать и демонтировать без остановки водо­забора. Благодаря этому появилась возможность отка­заться от плохо промываемой фильтрующей обсыпки оголовков и сделать фильтр конструктивной частью ого­ловка. Тем самым обеспечена возможность надежной регенерации фильтрующей загрузки и, следовательно, повышения водоочистного эффекта.

Применение связующих материалов, например эпок­сидных смол, позволяет отказаться от обойм и делать фильтры в виде жестких водопроницаемых плит, допол­нительно облегчив их изготовление и монтаж. Примене­ние искусственных фильтрующих материалов позволяет еще более усовершенствовать фильтрующие водоприем­ники и повысить их водоочистную способность. Представ­ляет практический интерес трубчатый оголовок с фильт­рующим элементом из вспененного полистирола и с восхо­дящим приемом воды [4]. Он выполнен в виде раструба, сочлененного с цилиндром, который в свою очередь соч­ленен с диффузором. Цилиндрическая часть оголовка за­полнена плавающим зернистым полистиролом, удержи­ваемым сверху сеткой. Промывка фильтра осуществляет­ся обратным током воды. Однако, в отличие от ранее рас­смотренных оголовков, здесь фильтрующая загрузка при промывке расширяется, что позволяет отмывать не толь­ко мусор, но и кольматирующие частицы. Благодаря этому оголовок может рассчитываться на задержание значительного количества взвеси и рассматриваться в большей степени как водоочистное, а не шугозащитное устройство. При наличии, достаточной глубины можно увеличивать толщину фильтрующего слоя с одновремен­ным уменьшением диаметра фракций загрузки, что по­вышает задерживающую способность фильтра. И все же применение фильтрующих водоприемников как водо­очистных устройств ограничивается водопроводами ма­лой производительности из-за сложностей в технологий очистки и возможных перерывов подачи воды. В связи с этим на водопроводах средней и большой производи­тельности применяется метод совмещенного (открытого и фильтрующего) отбора воды, когда в зависимости от содержания взвеси в речном потоке, шуголедовой обста­новки и др. периодически осуществляется прием воды от­крытыми или фильтрующими водозаборными устройст­вами. Возможны две технологические схемы совмещенно­го отбора воды: с параллельной работой открытого и фильтрующего водоприемников и с последовательной (чередующейся) их работой. Может быть несколько ва­риантов сочетания фильтрующего и открытого водоотбора.

Рис. 79. Водозабор с фильтрующим водоприемником на маловодной реке

1 — берегоукрепление. из каменной наброски (фильтрующее); 2 — фильтрую­щая призма; 3 — водосборная выемка; 4 — крепление русла; 5 — насосная станция

В отличие от совмещенных водозаборов на шугоносных реках, в случае когда совмещение осуществляется с целью улучшения качества воды, фильтрующий водопри­емник становится основным, а открытый — вспомога­тельным. Он включается в работу лишь зимой, в период ледостава, когда уровень в реке падает, снижая произво­дительность фильтрующего водоприемника. Поскольку качество воды в реке в этот период высокое, включение открытого водоприемника не осложняет технологию по­следующей водоочистки. На рис. 79 дан пример такого водозабора, построенного на одном из объектов нефтега­зовой промышленности по проекту Гипроспецгаза [28]. Здесь условиям забора воды не только конструктивно, но и технологически подчинено берегоукрепление, которое выполнено в виде каменной наброски по естественным аллювиальным отложениям на участке берега протяжен­ностью около 200 м, а в дно реки заглублена каменно-набросная упорная призма. Вместо обычно применяемого в этих условиях ковша сделана береговая выемка, отго­роженная от русла фильтрующей дамбой. Благодаря такой конструкции водоприемника достигается отбор воды из реки на всей затопленной площади берегоукрепления, при этом максимальная скорость фильтрации (при ГМВ) ле превышает 1 см/с. При снижении фильтрационного расхода может производиться дополнительный отбор во­ды фильтрующим оголовком, заложенным в упорную лризму, или открытым водоприемником донного типа. При угрожающем снижении уровня воды у водозабора могут быть сделаны полузапруды у противоположного берега.

В схеме с последовательной работой водоприемников вода из открытого водоприемника совсем не поступает в систему водоснабжения, а идет полностью или частично на фильтрацию с соответствующей очисткой.

Все описанные выше решения применимы не только для строительства новых водозаборов, но (и даже в «большей степени) для реконструкции действующих. В этой связи важное значение приобретают эксплуата­ционные испытания водозаборов, оценка натурных усло­вий их работы, обобщение опыта и модернизация.