Водоснабжение часть 2, водозаборные сооружения
(для групп ФБФО)
Источники водоснабжения. Общая характеристика. Требования к источникам водоснабжения.
Пресные воды рек и озер составляют около 230 тыс. км3. Значительная часть пресной воды находится в ледниках (24 млн. км3)
Подземные воды (в толще до 5 км) составляют 60 млн. км3, из них 4 млн. км3 находятся в зоне активного водообмена. вековыми запасами и возобновляемыми ресурсами.
Речные воды, имея сравнительно небольшой объем, возобновляются примерно каждые 16 суток (более 20 раз в году). Подземные воды возобновляются в течение примерно 1400 лет, а горные ледники - в течение 1800 лет.
В России около 3 миллионов рек.
К вековым, естественным запасам пресных вод суши относят воды, единовременно
находящиеся в озерах, реках, ледниках, а также в водоносных слоях горных пород (подземные
воды). К возобновляемым водным ресурсам относят те воды, которые ежегодно возобновляются
в процессе круговорота воды на Земле, водообмена между сушей и океаном.
Речные воды, имея сравнительно небольшой объем, возобновляются примерно каждые
16 суток (более 20 раз в году). Подземные воды возобновляются в течение примерно 1400 лет, а
горные ледники - в течение 1800 лет.
Ежегодно возобновляемые запасы воды в России составляют 4760 км3/год, из них речной
сток – 4384, подземные воды – 340, наледи – 30, термальные воды – 6 км3/год. Вековые запасы
воды в России - 40900 км3, из них в озерах – 26500, ледниках – 11400, болотах – 3000 км3.
Средняя минерализация речной воды – 90 мг/л, в среднем в 200 раз меньше, чем морской воды.
Суммарный забор свежей воды из водоисточников в России составляет 3% водных ресурсов.
Потенциальные эксплуатационные ресурсы подземных вод составляют 318 км3/год, из них
153 км3 (50%) может быть учтено в водохозяйственном балансе дополнительно к ресурсам
поверхностных вод. Для водоснабжения в России разведано 3259 месторождений подземных
вод, и их эксплуатационные запасы составляют 27 км3/год. Степень их освоения - 34%, а в
эксплуатации находятся 1530 месторождений. Средняя обеспеченность подземными водами
по России составляет 60,5 м3/сут с 1 км2.
С учетом роста водопотребления, значительной неравномерности распределения водных ресурсов и различных возможностей их использования по территории страны становится очевидной актуальность рационального использования и защиты от загрязнения и истощения источников водоснабжения.
Реки как источники водоснабжения. Расходы и уровни, наносы рек, устойчивость русла, зимний режим рек.
Выбор источника является одним из важных вопросов при обосновании системы водоснабжения.
Любой источник должен обеспечивать:
- бесперебойное получение необходимых количеств воды с учетом перспективного развития объекта;
- качество воды, в наибольшей степени отвечающее нуждам потребителей или позволяющее достичь требуемого качества путем простой и дешевой очистки;
- подачу воды объекту с наименьшими затратами средств;
- достаточную мощность, чтобы отбор воды из источника не нарушал сложившуюся экологическую обстановку.
Обеспеченность минимальных среднемесячных расходов воды поверхностных источников должна приниматься в зависимости от категории надежности системы водоснабжения: 95% - для 1-й, 90% - для 2-й и 85% - для 3-й категории.
При оценке достаточности водных ресурсов поверхностных источников необходимо обеспечивать ниже водозабора гарантированный расход воды, необходимый для удовлетворения потребностей в воде расположенных ниже по течению населенных пунктов, промышленных предприятий, сельского хозяйства, рыбного хозяйства, судоходства и других видов водопользования, а также для обеспечения санитарных требований по охране источников водоснабжения.
Наиболее часто в качестве источников водоснабжения используются реки.
В зависимости от условий питания поверхностными и подземными водами различают реки:
с весенним половодьем, характерным для рек с преобладающим снеговым питанием (равнинные реки России) (рис. 1, а);
с половодьем в теплое время года – для рек, питающихся за счет и дождей таяния снега и ледников в высокогорных районах (на Алтае, Кузнецком Алатау, Саянах, Северном Кавказе) (рис. 1, б);
с паводочным режимом в периоды дождей и ливней в течение большей части летнего периода (реки Дальнего Востока и Восточной Сибири) (рис. 1, в).
Рис. 1. Гидрографы рек:
а - с весенним половодьем; б - с половодьем в теплую часть года (с ледниковым и дождевым питанием); в - преимущественно с дождевым питанием
Речной сток и расходы в зависимости от условий питания изменяются во времени (за год, сезон, месяц и в сутки) и по длине реки.
Амплитуда колебаний расходов А = Qмак / Qмин для рек в естественном состоянии может достигать больших значений. Например, для реки Урал эта величина составляет 260 – 300, в то время, как для Невы, Свири, Вуоксы – всего 2 – 6. При А < 0,25 не требуется устройство специальных сооружений, при 0,25 < A
< 0,75 надежный водозабор возможен при отсутствии шугообразования. При наличии тяжелых природных условий необходимо применять дополнительно
специальные сооружения (плотины, каналы, ковши).
Обычно в створе водозабора многолетними наблюдениями, устанавливают следующие уровни:
ВУВ – высший уровень воды 1 % обеспеченности (обычно в паводок);
ЛНУВ – летний низший уровень воды 95 – 97 % обеспеченности (межень);
ЗНУЛ – зимний низший уровень ледостава;
ВУЛ – высший уровень ледохода;
НУЛ – низший уровень ледохода.
Знание этих уровней необходимо для обоснованного расположения водоприемных и других сооружений водозаборов.
Всем рекам присуща эрозионная деятельность. Речные воды несут с собой твердые частицы грунта, называемые наносами. Наносы, находящиеся в речной воде во взвешенном состоянии, называют взвешенными, а влекомые по дну – донными.
Главная масса взвешенных наносов поступает в реку в результате смыва с поверхности бассейна, остальная часть их образуется в процессе русловой эрозии. Количество донных наносов зависит преимущественно от деятельности речного потока и поступления в реку наносов из примыкающих к реке оврагов. В верховьях рек преобладает размыв русла и берегов, в среднем течении – перенос наносов, а в низовьях – их отложение в русле и пойме. Распределение в русле донных наносов по их крупности зависит от уклона поверхности воды: при меньших уклонах дно сложено из мелких частиц грунта; при значительных уклонах – из более крупных частиц.
Степень насыщенности речного потока взвешенными наносами определяется мутностью воды, выражаемой обычно в граммах наносов на 1 м3 воды (г/м3). Мутность возрастает от водной поверхности ко дну. Максимальная мутность воды в реках наблюдается в периоды весеннего половодья и дождевых паводков, когда происходит наиболее интенсивный смыв поверхностного слоя почв в бассейне реки.
Устойчивость русла зависит от скорости движения воды в реке, уклона русла и крупности частиц, слагающих русло.
Зимний режим рек
Зимний режим рек существенно отличается от их режима в течение остального периода года. Различают предледоставный период, ледостав и ледоход, который захватывает весенний период.
Предледоставный период начинается при установлении отрицательных среднесуточных температур воздуха. Охлаждение потока приводит к переохлаждению тонкого поверхностного слоя воды. В этом слое при содействии затравки из атмосферного воздуха (снежинки, пыль) возникают первые кристаллы льда. На реках с малыми скоростями течения (< 0,4 – 0,5 м/с) эти кристаллы образуют плавающие ледяные пленки (сало) и забереги. Постепенно разрастаясь, сало создает своеобразный ледоход. Задерживаясь у препятствий или на участках замедленного течения, пленка сала смерзается в общий ковер, давая начало ледяному покрову.
шуговые явления оцениваются:
1 баллом при количестве шуги до 25% по живому сечению, шугоходе до 3 дней, без образования шутовых ковров, когда вся шуга транспортируется в верхнем слое воды;
2 баллами - при количестве шуги до 50% по живому сечению, шугоходе до 7 дней с образованием шуговых ковров и транспортированием шуги в верхней половине живого сечения;
3 баллами - при количестве шуги до 90% по живому сечению, шугоходе более 7 дней с образованием шуговых ковров, а также заполнением живого сечения потока внутриводным льдом.
Предледоставный период наиболее опасен для водозаборов.
Наблюдения показывают, что льдообразование имеет место при скоростях v < 0,4...0,5 м/с; неустойчивое состояние бывает при 0,5 < v < 0,7 м/с; при v > >0,7... 0,8 м/с образование льда практически невозможно (участки реки с открытой водной поверхностью называются полыньями или майнами).
Период ледостава с устойчивым ледяным покровом обычно не вызывает осложнений в работе водозаборов.
