7. Источники водоснабжения. Качество природной воды

Выбор природного источника воды для снабжения рассматриваемого объекта является одной из наиболее ответственных и важных задач при создании систем водоснабжения. Во все времена требования, предъявляемые к питьевой воде, сводились к тому, чтобы она не вредила здоровью потребителей. Требования к качеству воды, идущей на технологические нужды, чрезвычайно разнообразны.

Природный источник водоснабжения должен удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечивать получение из него необходимых количеств воды с учетом роста водопотребления на перспективу развития объекта;

- обеспечивать бесперебойность снабжения водой потребителей;

- обеспечивать возможность подачи воды объекту с наименьшей затратой средств;

- давать воду такого качества, которое в наибольшей степени отвечает нуждам потребителей или позволяет достичь требуемого качества путем простой и дешевой её очистки до требуемой кондиции.

Все используемые для целей водоснабжения природные источники воды могут быть отнесены к двум основным группам:

- поверхностные источники – реки (в естественном состоянии или зарегулированные) и озера;

- подземные источники – грунтовые и артезианские воды и родники.

При оценке качества воды используются государственные стандарты «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения». От качества воды в источнике во многом зависят условия эксплуатации, как очистных сооружений, так и систем подачи и транспортирования воды. Качество воды должно соответствовать требованиям потребителя или достигаться индустриальными методами технологии подготовки. Из изложенного видно, что в районе предполагаемого строительства населенных пунктов и промышленных предприятий необходимо глубокое изучение водных ресурсов. Данные во времени, полученные в результате проведения физико-химических, санитарно-биологических и технологических анализов, а также знание требований потребителей к качеству воды позволяют правильно произвести выбор источника водоснабжения.

Качество природных вод весьма разнообразно, оно определяется совокупностью примесей минеральных и органических веществ, газов, коллоидов, взвешенных веществ и микроорганизмов. В состав воды входят: соли, преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов, органические вещества – в молекулярных соединениях и коллоидном состоянии; газы – в виде молекул и гидратированных соединений; диспергированные примеси; гидробионты (планктон, бентос и т.д.); бактерии, вирусы и другие микроорганизмы.

С точки зрения водоподготовки большое значение имеет размер частиц примеси в природной воде. Исходя из этого, известна классификация примесей в воде, основанная на их фазовом состоянии и дисперсности. Эта классификация имеет широкое практическое применение, так как дает приемлемое обоснование технологическим приемам водообработки и преследует цель упорядочить выбор состава очистных сооружений. Все примеси разделены на четыре группы.

Примеси первой группы – это нерастворенные в воде суспензии и эмульсии (а также планктон и бактерии), кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии благодаря гидродинамическому воздействию водного потока. В состоянии покоя эти взвешенные вещества выпадают в осадок.

Примеси второй группы – это гидрофобные и гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, а также нерастворенные и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям.

Примеси третьей группы – это молекулярно растворимые вещества (органические соединения, растворимые газы).

Примеси четвертой группы – это вещества, диссоциированные на ионы.

Суммарное содержание отдельных примесей в воде определяет её свойства, т. е. качество воды. Для определения качества воды производят физические, химические, микробиологические, паразитологические и технологические анализы в наиболее характерные для данного водоисточника периоды года.

Прозрачность, мутность и взвешенные вещества характеризуется наличием в воде суспензированных частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей, которые попадают в неё в результате эрозии берегов, взмучивания осадка со дна с дождевыми и талыми водами.

Мутность – характеристика, обратная прозрачности. Прозрачность воды – это предельная высота столба воды (см), через который можно читать текст, набранный стандартным шифром. Прозрачность питьевой воды должна быть не менее 30 см.

Важной характеристикой качества воды является цветность. Она обусловлена присутствием в воде поверхностных источников водоснабжения гумусовых веществ. Цветность измеряется в градусах по платиново - кобальтовой шкале путем сравнения исследуемой воды с водой, имеющей эталонную цветность.

Вода может обладать неприятным запахом и привкусом, которые оценивают по условной пятибалльной шкале.

Наличие в воде солей кальция и магния характеризует жесткость воды, измеряемую в миллиграмм-эквивалентах на 1 л воды (мг-экв/л).

Кроме перечисленных в практике используют ряд важных показаний качества воды: температура, рН, общее солесодержание, концентрации отдельных элементов и их соединений.

Общая минерализация (солесодержание) – общее количество веществ (кроме газов), содержащихся в воде в растворенном состоянии.

Бактерии и вирусы могут интенсивно развиваться в воде. Степень бактериологической загрязненности воды характеризуется числом бактерий, содержащихся в 1 мл воды.

8. Водозаборные сооружения

8.1. Водозаборные сооружения из поверхностных источников

Водозаборным сооружением (или водозабором) называют комплекс гидротехнических сооружений, служащих для забора воды из источника водоснабжения, её предварительной очистки (обычно процеживанием воды через сетки) и подачи под необходимым напором в водоводы (к потребителю или на очистные сооружения систем водоснабжения).

Водоприемником называют сооружение, которое предназначено для приема воды и непосредственно взаимодействует с речным потоком или водоемом.

Водозаборные сооружения классифицируют:

- по назначению – хозяйственно-питьевого или производственного водоснабжения;

- по роду водоисточника – речные, морские и водохранилищные;

- по месту расположения водоприемника – береговые и русловые;

- по производительности – малой, средней и большой производительности;

- по степени обеспеченности подачи воды – 1,2,3 категории;

- по компоновке основных сооружений водозабора – совмещенные (компонуются в одном сооружении) и раздельные (комплекс сооружений);

- по степени стационарности – стационарные и нестационарные (плавучие, фуникулерные, передвижные).

Водозаборы для хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения действуют в течение всего года и, как правило, не допускают перерывов в подаче воды.

Водозаборные сооружения должны обеспечивать подачу воды потребителю в необходимом объеме и требуемого качества, при всех расходах и уровнях воды в реке, не меньше минимального расчетного.

Бесперебойность подачи воды при выбранной степени обеспеченности должна быть гарантирована при самых неблагоприятных условиях. Водозаборные сооружения должны защищать систему водоснабжения от попадания в неё сора, водорослей, планктона, наносов, льда и т. д.; защищать молодь рыб от проникновения в водозаборное сооружения.

Водозаборные сооружения из поверхностных источников разделяются на два основных типа: водоприемники берегового и руслового.

Водозаборные сооружения берегового типа используют обычно при относительно крутых берегах и наличии у берега достаточных глубин, обеспечивающих требуемые условия забора воды.

Водозаборное сооружение берегового типа представляет собой колодец, обычно железобетонный, передняя стенка которого выходит непосредственно в русло реки. Водоприемными устройствами береговых водозаборов служат окна, расположенные в лобовой стенке сооружения и снабженные сороудерживающими решетками, осуществляющими предварительную грубую механическую очистку воды. На пути от входных окон к всасывающим трубам вода проходит через сетки, установленные в перегородке, разделяющей водоприемный колодец на отделения: переднее - приемное и заднее - всасывающее. На сетках задерживается значительная часть загрязнений, содержащихся в воде. Подобная механическая очистка (процеживание) воды значительно облегчает работу сооружений для осветления воды, предотвращает возможное засорение труб и насосов, а в ряде случаев в системах производственного водоснабжения дает возможность использовать воду без какой-нибудь дополнительной очистки. При благоприятных геологических, топографических и гидрологических условиях целесообразно устройство водозаборного сооружения, совмещенного с насосной станцией первого подъема. На рис.4 показаны схемы водоприемника берегового типа совмещенного с насосной станцией первого подъема (а) и расположенного отдельно (б).

а) б)

Рис.4. Схема водоприемника берегового типа:

а) совмещенного с насосной станцией; б) отдельно расположенных:

1 - приемная камера; 2 - всасывающая камера; 3- насосная станция, 3 - водоприемная сетка; 4- центробежный насос с электродвигателем.

Водозаборы руслового типа чаще всего применяют при относительно пологом береге. В этих условиях требуемые для забора воды глубины в реке находятся на относительно большом расстоянии от берега. Кроме того, при пологом береге сезонные колебания уровня воды в реке вызывают значительное перемещение уреза воды, т.е. затопление берега. Устройство длинных всасывающих линий экономически нецелесообразно и не обеспечивает надежной эксплуатации водозабора. В связи с этим в водозаборах руслового типа всасывающие линии заменены на самотечные. При необходимости отбора из рек со сложными гидрологическими характеристиками больших количеств воды устраивают водоприемные ковши.

Водоприемный ковш представляет собой искусственный залив, который образуется дамбой, вынесенной в русло реки, или специально выемкой. Ковши могут иметь верховой или низовой вход по течению реки. В отдельных случаях устраивают два входа в ковш - верховой и низовой (рис.5). Вода забирается из ковшей водозаборными сооружениями, преимущественно берегового типа. Применяют водоприемные ковши для борьбы с шугой и для частичного осветления воды.

Рис.5. Водоприемный ковш а) с низовым входом; б) с верховым входом:

1 – водозаборное сооружение; 2 – дамба

Плавучие водозаборные сооружения применяют для временного водоснабжения в условиях значительных колебаний уровня воды в источнике.

Учитывая особенности режима течения горных рек, требуется применять специальные конструкции водоприемников. При заборе воды из водохранилищ и морей необходимо учитывать воздействие ветровых волн, явления сгона и нагона воды, береговые течения, ледовые явления, и т. д.

8.2. Водозаборные сооружения из подземных источников

Изучением подземных вод занимается наука гидрология.

По условиям залегания различают два основных типа подземных вод – безнапорные и напорные. Горизонты безнапорных вод не имеют сплошного непроницаемого покрытия. В таких горизонтах устанавливается свободный уровень воды, глубина которого соответствует поверхности водоносных пород.

Воды первого от поверхности сплошного водоносного горизонта называются грунтовыми.

Грунтовые воды - это, как правило, воды безнапорные, хотя на отдельных участках могут приобретать местный напор; залегают они обычно на небольшой глубине от поверхности земли.

Напорные воды заключены между водонепроницаемыми слоями. Напорные воды зачастую называют артезианскими, независимо от того, изливаются эти воды на поверхность или нет.

Артезианские воды залегают обычно на более значительной глубине. От поверхности они изолированы водоупорными слоями и поэтому менее подвержены загрязнению, чем грунтовые.

Выбор типа и схемы размещения водозаборных сооружений из подземных источников производится, исходя из геологических, гидрогеологических и санитарных условий района, а также технико-экономических соображений.

Для забора подземных вод, залегающих на различных глубинах и в различных породах, применяют следующие типы водозаборных сооружений и устройств: трубчатые буровые колодцы, шахтные колодцы, горизонтальные водозаборы, лучевые водозаборы, сооружения для каптажа родниковых вод.

Трубчатые буровые колодцы устраивают путем бурения в земле вертикальных цилиндрических каналов – скважин. В большинстве горных пород стенки скважин приходится укреплять обсадными трубами, образующими трубчатый колодец. Трубчатые колодцы применяют обычно при сравнительно глубоком (более 30 м) залегании и значительной мощности водоносных пластов.

Устройство простейшего бурового колодца следующее. Стенки вертикального цилиндрического канала (скважины), получаемого в результате бурения, закрепляют опускаемой в него стальной обсадной трубой. Эту трубу опускают приблизительно до верхней границы залегания водоносных пород. В большинстве случаев эти породы представляют собой насыщенные водой пески, песчано-гравелистые или скальные трещиноватые породы. В обсадную трубу опускают трубу меньшего диаметра, которую доводят обычно до нижней границы залегания водоносных пород, несколько заглубляя в подстилающие водонепроницаемые породы. Затем в эту трубу опускают фильтр, предназначенный для защиты колодца от занесения в него вместе с водой частиц грунта из водоносного слоя. После установки фильтра трубу меньшего диаметра удаляют из скважины, а кольцевое пространство между стенками фильтровой трубы и обсадной трубы уплотняют путем устройства сальника. В буровом колодце различают водоприемную часть – фильтр, ствол – глухую часть скважины, по которой поднимается вода, и устье – выходную часть. Устье обычно располагается в отдельном павильоне. При залегании пород на большой глубине используют несколько обсадных труб, которые имеют различный постепенно уменьшающийся диаметр. При такой установке буровой колодец получает телескопический вид.

Шахтные колодцы чаще всего применяют для приема относительно неглубоко залегающих вод обычно на глубине не более 20 м) из безнапорных водоносных пластов.

Шахтные колодцы представляют собой вертикальную выработку, поперечное сечение которой имеет большие размеры по сравнению со скважинами. Колодцы используются для забора воды из безнапорных или малонапорных водоносных пластов в системах водоснабжения небольших промышленных предприятий и населенных пунктов. Для рытья шахтных колодцев применяют установленный на автомашине механизм, представляющий собой устройство, которое производит бурение и опускает железобетонные кольца.

На дно колодца укладывается обратный фильтр в виде слоев гравия с возрастающей кверху крупностью для предотвращения занесения в колодец частиц песка из водоносного пласта. В стенках колодца в пределах водоносного пласта для увеличения притока воды в колодец оставляют отверстия.

Шахтные колодцы бывают бетонными, железобетонными, каменными и деревянными. При небольшом диаметре колодцев их выполняют сборными из железобетонных колец. В колодцах из бутового камня или кирпича роль таких отверстий выполняют щели в кладке; в бетонных колодцах проделывают специальные отверстия в их стенках.

Горизонтальные водозаборы представляют собой водосборную траншею или водосборную галерею, оборудованную для приема воды из водоносного пласта и отвода воды в место расположения водозаборных устройств. Они позволяют эксплуатировать маломощные водоносные пласты. Горизонтальные водозаборы особенно эффективны при расположении вблизи рек, озер и водохранилищ. Они появились значительно раньше вертикальных водозаборов в странах с засушливым климатом.

Горизонтальные водозаборы устраивают при глубине залегания водоносного пласта до 8 м. При значительной длине водозаборов через каждые 50 м устраивают смотровые колодцы, предназначенные для осмотра, очистки, вентиляции, ремонта и отбора проб воды.

Лучевые водозаборы – это система горизонтальных или наклонных скважин, которые собирают воду из водоносного пласта и отводят её в центральную водосборную трубу (шахту) откуда ведется откачка. Водозабор этого типа устраивают как в маломощных пластах (до 5 м), так и в пластах мощностью до 20 м, кровля которых находится на глубине до 15-20 м от поверхности земли.

Ключи и родники являются выходами подземных вод на поверхность земли. Условия выхода источников весьма разнообразны. Для использования родниковой (ключевой) воды, отличающейся высокими показателями качества, применяют каптажные (собирающие) сооружения.

Для каптажа восходящих родников водоприемные сооружения выполняются в виде резервуара или шахты, сооружаемых над местом наиболее интенсивного выхода родниковой воды. Каптажное сооружение представляет собой кирпичный резервуар с устройством на дне гравийного фильтра. При выходе воды из песчано-гравелистых пород обязательно устройство для каптажного сооружения обратного гравийного фильтра. Собранная вода отводится к потребителю самотеком или к насосной станции по трубе.