УДК 628.113.1:69 (211)
ВОДОСНАБЖЕНИЕ ИЗ ПЕРЕМЕРЗАЮЩИХ РЕК В СЕВЕРНЫХ РАЙОНАХ РОССИИ
Вишневская Надежда Семёновна аспирант
Вдовин Юрий Иосифович д.т.н., профессор
Тольяттинский государственный университет, Тольятти, Россия
UDC 628.113.1:69 (211)
SOFTWARE OF INFORMATION SYSTEMS FOR A SMALL-SCALE BUSINESS
Vishnevskaya Nadezhda Semenovna post-graduate student
Vdovin Yuri Iosifovich Dr. Sci.Tech., professor
Togliatti State University, Togliatti, Russia
В статье рассмотрены особенности водоснабжения из перемерзающих рек в районах распространения вечномерзлых грунтов (криолитозоне) Севера России. Приведены условия образования и методика определения параметров талых водовмещающих пород — таликов — под руслами рек. Предложены конструкции водозаборных сооружений и мероприятия по регулированию подрусловых вод с защитой их от перемерзания
Ключевые слова: ВОДОСНАБЖЕНИЕ, РЕКИ, СЕВЕРНЫЕ РАЙОНЫ, КОНСТРУКЦИИ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ, РУСЛА, РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОДРУСЛОВЫХ ВОД
Освоение Севера России с вовлечением в хозяйственный оборот его ресурсного потенциала — важнейшая часть экономической стратегии страны. Основные запасы нефти, газа, полиметаллов, алмазов и золота, каменных углей, гидроэнергетических ресурсов, запасов пресной воды, морских биоресурсов, древесины и др. сосредоточены на Севере и Северо-Востоке РФ. Эти районы составляют до 65 % территории страны и отнесены к северной строительно-климатической зоне. Здесь проживает (2006г.) до 19…22 млн. россиян. Хозяйственно-экономические и природноклиматические условия Севера различны. Общими для них являются: суровый климат, повсеместное сплошное, прерывистое или островное залегание многолетнемерзлых грунтов (криолитозона), длительные зимы (8.9 месяцев), снегозаносы, сильные ветры (пурги), малый меженный сток рек при их перемерзании и др. В криолитозоне России (в пределах 35-170° восточной долготы от Гринвича и 50-80° северной широты) реализованы крупномасштабные проекты по освоению уникальных природных бо-
гатств, по обживанию и урбанизации обширных территорий, строительству промышленных и энергообъектов, железнодорожных и автомагистралей, трубопроводов и т.д. .
Успешно функционирует многоотраслевой агропромышленный комплекс (АПК) со многими сотнями сельских поселков и специфическими производствами (оленеводство, рыболовство, табунное коневодство, леспромхозы и др.) для обеспечения населения продуктами питания местного производства. В зоне Байкало-Амурской магистрали (БАМ) и в других старопромышленных районах Севера создаются молочные комплексы, птицефабрики, тепличные комбинаты, рыборазводные комплексы, подсобные хозяйства и агроподразделения промышленных предприятий и объединений. Укрепление АПК, улучшение благоустройства северных поселений, развитие промышленных производств и др. требует надежного, бесперебойного круглогодичного снабжения населенных мест и объектов промышленности водой надлежащего качества и в достаточных объемах. Водоснабжение в криолитозоне — один из главнейших факторов развития экономики, повышения уровня и качества жизни северян, себестоимости продукции любых производств.
При организации водоснабжения любых объектов в любом районе криолитозоны надо учитывать постоянно существующую реальную, пока неустранимую угрозу перемерзания всех элементов систем водоснабжения, в том числе, и самих водоисточников. Этим определяются сложности развития технологий забора, очистки, хранения, распределения воды и мероприятий по защите акваторий водозабора и самих источников от пере-мерзания . М.И.Сумгин отмечал: «…трудно представить, что в районах мерзлоты вода является дефицитом. Если летом реки и озера достаточны для широких хозяйственных начинаний, зимой большинство источников промерзают до дна и даже небольшая потребность в воде современных хо-
зяйствующих субъектов удовлетворяется с трудом; приходится пользоваться водой от таяния льда и снега.» .
Особенности климата, гидрологического и термического режима водоисточников в криолитозоне требуют особых подходов к выбору, прежде всего, водозаборных сооружений и мероприятий по мелиорации условий забора воды из источников для предотвращения их перемерзания. Правильная оценка мерзлотно-гидрогеологических условий и выбор типов водоприемников, соответствующих этим условиям, позволяют обеспечить надежный водоотбор во всех случаях, если суммарный годовой сток перемерзающих рек (поверхностный и подрусловый) превышает годовое водо-потребление относительно небольших объектов (до 3000-5000 м /сут.). Гидротепловое взаимодействие водоисточников с вечномерзлыми грунтами берегов и ложа формирует специфические мерзлотно-гидрологические явления и процессы: термокарст, термоэрозия, солифлюкция (мерзлотные оползни), наледи и др., диктующие обоснование любых хозяйственных начинаний, тем более, организацию водоснабжения и водохозяйственного строительства (рис. 1).
Отепляющее влияние водоисточников на мерзлоту образует талые подрусловые и долинные водовмещающие зоны (талики) различной формы, мощности, водобильности, условий тепло- и водообмена с источниками. Динамика формирования размеров и водозапасов таликов очень сложна и изучена недостаточно; сложна их оценка. Возможные обобщения осложняются многообразием геоморфологии, мерзлотно-гидрологических процессов, условий формирования водовмещающих талых отложений под
реками и озерами. Малые и средние реки, ежегодно или с различной периодичностью перемерзающие на отдельных участках или на всем протяжении, — самый распространенный и наиболее вероятный источник водоснабжения (в 85 % случаев) на Севере России . За десятилетия освоения Севера выработаны приемы и технические решения изъятия воды для водоснабжения из рек, не имеющих зимой достаточного объема поверхностного стока, либо не имеющих его совсем.
В разных районах Севера динамика взаимосвязи поверхностных вод с подрусловыми (и подземными, вообще) также специфична. Ледостав на малых и средних реках, особенно при их перемерзании, подледным потокам придает некоторый (до 1,5…2,0 м. в. ст.) напор, создавая особые условия зимнего режима водотоков, проявляющихся в: а) прорыве ледового покрова (чаще — на перекатах) с изливом воды на поверхность с образованием наледей ; б) обводнении подруслового аллювия отложений с расширением границ таликов и увеличением их водозапасов; в) разгрузке подледных потоков в глубинные водовмещающие зоны. Закономерности формирования таликов под водоисточниками в зоне мерзлоты пока не установлены в той мере, чтобы быть достаточно надежной инженерной основой и достоверной базой для обоснования технологий водоприема и режима эксплуатации водных ресурсов таликов . Минимальный (апрель-май) под-русловый расход следует принимать за расчетный; на этот же период должен определяться фактический дебит водозаборов и меры по его сохранению и увеличению.
Для практики важно, что параметры и режим (форма сопряжения с мерзлотой, водозапасы, условия взаимосвязи с поверхностными водами, условия разгрузки и др.) таликов существенно различны в разных природно-климатических зонах и бассейнах рек, даже в сравнительной близости друг от друга. Большой фактический материал по таликам в различных мерзлотно-гидрогеологических условиях и под разными водоисточниками
позволил авторам предложить для расчета параметров таликов формулы, исходя из расчетной схемы (рис. 2):
рВі п
(1)
где х — расстояние от оси водотока до нулевой изотермы по круговой по-
В
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
верхности радиусом — м; В — ширина водотока, м; гп — среднегодовая
температура грунтов на дне, °С; гн — среднегодовая температура грунта у поверхности земли под снежным или растительным покровом, °С; 1 м, 1 т -коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого грунта, Вт/(м-°С).
Результаты расчета по этой формуле близки фактическим для источников шириной 50.80 м в межень. Для определения границ протаивания грунтов под крупными реками и водоемами авторами предлагается формула :
і (X У) = -р
В
в
■ X
+ X
У
У
+ іг + &у >
(2)
где і(х; у) — температура любой точки с координатами х и у, м; причем у -координата глубины; іг — температура мерзлоты у подошвы слоя с го-
довыми амплитудами, °С; Оу — геотермический градиент в конкретном районе.
Максимальную протяженность границ протаивания в бортах поймы авторы рекомендуют определять по формуле:
рВг п
х =
тах
21,
, (м).
(3)
1 м 1 т
Температура грунта в талике в любой точке с координатами х, у определяется по формуле:
1 ( — П^й_1
(4)
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
г (х; у) =1 (п — гг)(агсгЕ
р I
0,5В — х 0,5В + х
+ аг^ —
уу
В предположении симметричности талика в оба борта долины форма его очертания, очевидно, определится выражением:
х = (У). (5)
При 0 < у < — И
х = х»
у
+
В у 2 (гп
(б)
где п = 0,5…0,б — показатель степени.
гп
При
И
т
тах
< у < 0
х = х»
1 + —
у
Ит
(7)
ит ах = у; г(х у)=гг; х=0. (8)
п
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
т
Приведенная методика расчета по формулам (1)…(8) дает высокую степень сходимости с фактическими гидротермическими исследованиями авторов и ГПИ «Якутзолотопроект» под р. Лена в г. Якутск, под р. Яна (п. Северный), р. Нера (п. Артык) и др. . Отметим, что кажущаяся простота, надежность и радикальность решения задач водоснабжения из перемерзающих рек на Севере за счет создания приплотинных водохранилищ не всегда удачна. Традиционные плотины для многолетнего регулирования стока на Севере из-за дороговизны строительства, сложности обеспечения их устойчивости, разрушения водосбросов и ряда других факторов инженерного, экономического, экологического, хозяйственного плана сдерживает возможность организации водоснабжения многочисленных объектов. Хотя водохранилища для многолетнего регулирования стока неизбежны для водоснабжения из рек, перемерзающих ежегодно к концу зимы вместе с подстилающим аллювием .
Проектирование должно осуществляться с учетом опыта специалистов и знания специфических условий работы сооружений .
На Севере есть удачные решения забора воды из малых рек в зоне мерзлоты; успешно эксплуатируются водозаборы, построенные 80.100 и более лет назад. При этом надежность водоснабжения обеспечивается достаточно простыми и доступными по технико-экономическим соображениям приемами регулирования стока и теплового режима таликов. . Наиболее уникальный опыт проектирования водозаборов из перемерзающих рек имеют Дальстройпроект (г. Магадан), Якутзолотопроект (г. Якутск), ЯкутНИПроалмаз (г. Мирный) и др., практически реализовавшие основы мерзлотно-гидрогеологического обоснования забора воды из перемерзающих рек . В этих решениях предусматривается отбор совместного меженного стока подрусловых и поверхностных вод с обеспечением сезон-
ной аккумуляции стока на основе использования особенностей сурового климата. Общим для всех решений является возможность приема воды летом из поверхностных источников, зимой — из подрусловых и поверхностных (с обеспечением защиты их от полного перемерзания).
Наиболее целесообразны и распространены конструкции водоприемников из перемерзающих рек, в том числе и на наледеопасных участках, в виде подрусловых фильтрующих (инфильтрационно-фильтрующих) водозаборов, минимально влияющих на гидрологический и гидрогеологический режим водотоков, обеспечивающие в значительной степени очистку воды и удовлетворяющие требованиям рыбозащиты. Наши многолетний опыт (1960…2000г.г.) и исследования убеждают в реальности и целесообразности водоснабжения из малых рек, в том числе, за счет применения разработанных нами конструкций водозаборных сооружений и соответствующих комплексных мероприятий по регулированию поверхностного и подруслового стока в зимний (бессточный) период. Надежность водоотбора обеспечивается обводнением акваторий водозаборов, созданием сезонных, действующих лишь зимой, ледовых (ледогрунтовых) плотин. При этом обводняются подрусловые отложения, предотвращается образование наледей, улучшается тепловой режим водозаборов. Приемы и технические решения забора воды из перемерзающих рек разнообразны . В каждом конкретном случае должны решаться вопросы регулированиия стока поверхностных и подрусловых вод, защиты водоисточников, водосборных и водоотводных устройств от перемерзания (рис. 3).
Рис. 3. Инфильтрационно-фильтрующие водоприемники из перемерзающих рек с регулированием подрусловых вод
Сложности осуществления инженерных мероприятий по регулированию стока на бессточный период, отсутствие специализированных строительных организаций, уязвимость вечной мерзлоты и др. ориентируют на поиски решений, позволяющих использовать водоисточники в естественном режиме с исключением, по возможности, воздействий на мерзлоту русла и берегов. Выбирая конструкции и режим эксплуатации водоза-
боров, важно обеспечить всемерное улучшение качества отбираемой воды, что позволяет отказаться от завоза реагентов и исключить очистные сооружения из систем водоснабжения. Повышение надежности систем водоснабжения в зоне мерзлоты сводится к поддержанию незамерзаемости водоисточника и всех элементов водозаборного узла. Созданные технологические средства получения больших масс (до 15-20 тыс. м /сутки) искусственного льда с различными свойствами позволяют обеспечить утепление практически любых площадей акваторий водозаборов, создать запасы льда, используемого при надобности для водоснабжения, возводить ледовые (льдогрунтовые) плотины для сезонного аккумулирования стока .
Возможности водоснабжения из перемерзающих рек значительно расширяются в связи с возросшими техническими достижениями регулирования режима водоисточников (гидромеханизация, мощные льдонамораживающие агрегаты, замораживающие установки различных типов, резинотканевые наполняемые плотины и др.). При необходимости запас воды может увеличиваться намораживанием льда в октябре-ноябре по всей площади акватории водозаборов слоем до 3.7 м. . Поскольку на малых перемерзающих реках лед, как правило, стаивает на месте и ледохода, как такового, не происходит, возможно широкое использование облегченных подпорных сооружений для аккумуляции меженного стока (ледовые плотины с полимерными экранами, фильтрующие летом плотины, превращаемые осенью промораживанием в нефильтрующие и др.).
Г рамотное решение забора воды из перемерзающих рек — реальная и выгодная альтернатива сложившимся дорогостоящим и трудоемким приемам водообеспечения методами традиционной гидротехники. В ряде случаев необходимо выполнять опытно-экспериментальные натурные работы для всесторонней оценки факторов, определяющих условия водоснабжения различных объектов из перемерзающих рек.
Литература
1. Вдовин Ю.И. Водоснабжение на Севере. — Л.: Стройиздат, 1987. 180 с.
2. Сумгин М.И. Вечная мерзлота почвы в пределах СССР. — Владивосток, 1927. С. 63.
3. Аржакова С.К. Минимальный сток рек криолитозоны России. — Санкт-Петербург: -Изд. РГГМУ, 2001. 208 с.
4. Алексеев В.Р. Наледи. — Новосибирск: Наука, 1987. 242 с.
5. Калабин А.И. Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-Востока СССР. Магадан, 1960. 471 с.
6. Файко Л.И. Использование льда и ледовых явлений в народном хозяйстве. — Красноярск: Изд. Красноярского ГУ, 1986. 158 с.
7. Журба М.Г., Вдовин Ю.И., Говорова Ж.М. и др. Водозаборно-очистные сооружения и устройства — М.: Астрель, 2004. 572 с.
Именно он, бодрый и непоседливый, оживит спокойную гладь пруда и ландшафт в целом, став в нем связующим звеном и объединив разнообразные элементы сада в единую композицию. Пруд и водопад выглядят более естественно в сочетании с ручьем.
Прекрасный райский сад немыслим без птиц. Вам хочется привлечь их в сад? Ваш пруд с впадающим в него звонким ручейком станет любимым местом пернатых созданий.
Украсьте ручей камешками и высадите вдоль русла влаголюбивые растения. В творческих поисках поиграйте размером и формой камней.
Задорный ручеек — не только декоративная деталь. Бегущая по гальке вода фильтруется и насыщается кислородом, что способствует жизнедеятельности полезных бактерий. В такой воде прекрасно чувствуют себя рыбы, дополнительный кислород получают также растения.
Ручей приносит прохладу в жаркий летний день, улучшает микроклимат в саду. Исходной точкой для ручья должен быть подходящий камень-валун с неровной поверхностью.
Ручьи могут быть вписаны как в альпинарии, так и в любые другие участки сада, они могут быть приспособлены практически к любому стилю оформления, могут имитировать любую климатическую зону, сочетаются с любыми типами водоемов.
Самый простой способ — это создание ручья с помощью стандартных элементов, которые могут быть любым образом соединены друг с другом. Благодаря декоративному песочному покрытию они естественно вписываются в природный ландшафт. Расположенные выше переливы предотвращают сброс воды при отключении насоса, а ограждённые невысокими порожками зоны озеленения поддерживают болотные растения во влажном состоянии.
Второй вариант — создание ручья с помощью пленки из ПВХ или бутилкаучука. Этот вариант более дешёвый, но требует большее количество трудозатрат и навыков. У данного варианта есть и ещё один плюс — из плёнки вы можете создать ручей абсолютно любой конфигурации. Учитывайте, однако, что для ручья шириной 40см используемая плёнка должна иметь ширину не менее 100см, чтобы обеспечить достаточно высокие боковые стенки и возможность крепления. Как и при строительстве пруда, для защиты плёнки от повреждений, под неё подстилают геотекстиль. После укладки ручья камнем и высаживания растений ручей будет выглядеть ещё меньше. Если на плёнку будут положены крупные камни, то под камни следует положить нетканый материал. В этом случае очень важно не допустить контакта верхнего слоя геотекстиля с окружающим грунтом, иначе из-за капиллярного эффекта потери воды станут недопустимо большими.
Третий вариант — ручей из натурального камня и бетона такой вариант самый дорогой и трудоёмкий, поэтому его исполнение лучше доверить профессионалам.
Декоративный ручей
1. ПВХ-пленка, 2. нетканый материал, 3. костыли, фиксирующие края ПВХ-пленки, 4. крупный гравий
Для осуществления круговорота воды понадобится электронасос, который по хорошо замаскированному шлангу будет подавать воду из пруда обратно в источник. Для ручья большей протяженности с различными перепадами и ступенями понадобится много места. В самых глубоких местах будет оставаться вода, и птицы начнут слетаться туда, чтобы попить и искупаться. Местами такие углубления стоит засадить растениями, но так, чтобы не замутить воду. Для лучшей устойчивости землю вокруг растений покрывают толстым слоем гравия. Когда растения посажены, воду пускают вначале очень осторожно.
Большое значение имеет тщательная гидроизоляция русла. Не менее важен правильный выбор насоса и параметров, материалов трубопровода.
Водоснабжение ручья осуществляется с помощью насоса, через шланг, который надо тщательно замаскировать среди камней. Тогда создаётся впечатление естественности источника.
Точный расчёт ручья или водопада требует точных исходных данных. Для приблизительных вычислений можно воспользоваться следующей формулой:
Q (литр/час) = 144 o В (средняя ширина потока в см.) o Н (желаемая толщина водного потока в см)
Слабому потоку примерно соответствует толщина в 0,25 см.
Среднему потоку примерно соответствует толщина в 0,5 см.
Полноводному потоку примерно соответствует толщина в 1 см.
Очень полноводному потоку примерно соответствует толщина в 1,5 см.
Для более точного расчёта нужно также учесть потерю напора в шланге, системе фильтрации и других устройствах. При расчёте потерь в шланге можно использовать гидравлические таблицы для напорных труб или обратиться к нашим специалистам.
Планируя ручей, следует иметь в виду, что он комфортно чувствует себя и в тени. Водопады и перекаты желательно располагать таким образом, чтобы на них не попадали прямые солнечные лучи — это позволит уменьшить испарение воды в системе. Крутизна склона не должна превышать 35-40°. Чтобы ручей на крутом холме выглядел более живописно, можно сделать несколько ступеней: они замедлят движение воды, создав впечатляющий каскад.
Каменистый ручей
В японских садах существует так называемый стиль «сухого пейзажа»: «водные потоки» из уложенного особым образом гравия, расчесанные волны из песка, каменные водопады.
Возле сухого ручья можно посадить самые разные растения. Сам ручей практически не потребует ухода и точно привлечет всеобщее внимание Особого внимания требует выбор камня. Если стиль вашего ландшафта требует, чтобы общее сочетание было серо-голубым, выбирайте сланец, гнейс или базальт.
Гранит имеет красновато-коричневые, зеленоватые и серые оттенки. Известняк и благородный белый мрамор дадут возможность расставить в вашем ручье светлые акценты. Необходимость в доминировании синего цвета позволяет покрасить несколько камней синей водостойкой краской. Красивого эффекта можно добиться и с помощью округлых блестящих камешков и стеклянных шаров. Разложенные среди покрашенных синих камней, они заставят ручеек мерцать таинственным светом. Потрясающе выглядят стеклянные гранулы, рассыпанные ровным слоем по площадке и создающие иллюзию синеватой глади пруда. Для того чтобы поверхность была ровной, нужно сначала удалить дерн и выровнять поверхность граблями. Подходящие растения для сухого ручья — живучка ползучая, овсяница, колокольчик. Через ручей, в том числе и сухой, можно перекинуть мостик.
Материалы для ручья
Бетон обычно применяют для создания ручьев с прихотливо изогнутым руслом, порогами, перекатами и водопадами. Их ложе армируют металлической сеткой, позволяющей моделировать любые повороты; бетонную смесь укладывают на песчано-гравийную подушку толщиной 20-30 см. При бетонировании больших поверхностей через каждые три метра оставляют температурно-осадочные швы, заполняя их гидроизоляционным материалом, например битумной мастикой.
Ручей из стеклопластика представляет собой готовую к монтажу систему. Так, фирма OASE производит системы, состоящие из восьми конструктивных элементов: источника, водопада, прямого участка, изгиба вправо, изгиба влево, фильтра, устья, впадения в водоем. Элементы изготовлены вручную из пластика, покрытого натуральным песчаником.
Если для устройства декоративного ручья применяется полимерная пленка, то будущее русло нужно предварительно очистить от камней, корней и мусора, а затем соорудить песчаную подушку толщиной 5-10 см. Лучше использовать особо прочные полимерные или каучуковые материалы, например, пленки HOBBIPUL (Германия), MONARFLEX (Дания) или OASEfol (OASE, Германия), а для дополнительной защиты — специальный нетканый геотекстиль.
Проектирование садового пруда
Вернуться назад
Водозаборное сооружение — это осуществляющее забор воды из источника гидротехническое сооружение для целей водоснабжения. Водозабор обеспечивает подачу заданного количества воды согласно графику водопотребления.
Водозаборное сооружение состоит из нескольких инженерных объектов:
— водозаборное устройство, погружной или поверхностный насос (1 подъем)
— водоподготовка для доведения качества воды до нормы САНПиН (грязевики, фильтры)
— резервуар для чистой воды (при определенной схеме)
— насосная станция второго объема (повысительная насосная станция — ПНС)
— автоматика и контрольно-измерительные приборы
Водозаборное устройство (рыбозащитный оголовок)
поверхностных вод.
Конструктивно сооружение изготовлено с трубопроводом обратной промывки сетчатого фильтра, что позволяет увеличить межинтервальное время технического обслуживания.
Нами осуществляется монтаж всех видов водозаборных оголовков с различной производительностью и видами насосов (погружные, поверхностные):
РОПП-6 (6 м3/ч) — 8 800 руб.*
РОПП-10 (10 м3/ч) — 13 800 руб.*
РОПП-15 (15 м3/ч) — 20 340 руб.*
*стоимость указана без учета стоимости насосного оборудования
Локальное очистное сооружение канализации (ЛОС)
Водоочистка и водоподготовка