Рис. 63. Водоприемный оголовок с наплавной запанью

Например, на водозаборе из водохранилища Датчет (система водоснабжения Лондона) водоприемник имеет расположенные на разной глубине окна, отбор воды че­рез которые регулируется с помощью ЭВМ в зависимости от показателей качества воды на разных глубинах. Благодаря этому достигнут забор воды с наилучши­ми показателями по мут­ности, цветности, планк­тону и растворенному ки­слороду.

Целесообразность из­менения глубины отбора в процессе эксплуатации водозаборов диктуется стремлением получить во­ду не только более высо­кого качества, но и с бо­лее низкой температурой летом. На многих водое­мах происходит темпера­турная стратификация с более низкой температу­рой воды в придонном слое. Отбор воды из при­донного слоя можно обес­печить установкой на оголовке (рис. 63) временной за-бральной стенки (наплавной запани). Большие исследо­вания по отбору воды из стратифицированных водоемов выполнены А. Г. Аверкиевым, И. А. Забабуриным, И. А. Витрешко и др. [10, 16]. Связь основных парамет­ров области питания водозабора в данном случае опре­деляется следующей зависимостью:

(1)

где Fr' — плотностное число Фруда; h_g — глубина нижнего слоя об­ласти питания; Н — полная глубина водоема у водоприемника; v — средняя скорость потока в плоскости забральной стенки; q — удель­ный расход водоотбора в той же плоскости, q = Q_B/l; g — ускорение силы тяжести; Q_B — производительность водозабора; l — длина за­бральной стенки; е — относительная плотность воды: е= (р₂ — p₁)/p₂ — = Ар₁/р₂ (р₁ р₂ — средневзвешенные значения плотности воды, соот­ветственно в верхней и нижней зонах питания).

Расслоение потока в водоприемнике может происхо­дить при Fr"к_p (где Fr"_кр — критическое значение числа Фруда; по различным исследованиям Ргкр — = 0,28...0,325).

Задаваясь целью забрать воду из придонного слоя с более низкой температурой t_в при средневзвешенной температуре выше границы раздела слоев t₁ и ниже этой границы t2, определив относительную плотность воды е, можно установить соотношение расходов Qi и Q₂, по­ступающих соответственно из верхней и нижней зон пи­тания:

На основе экспериментов И. А. Забабурин [16] опре­делил значения конструктивных и технологических па­раметров забральной стенки в диапазоне изменения К 0,58...10 (табл. 12).

Определив по этой таблице значения Fr", h_Д, h_BX, по формуле (1) можно найти удельный расход q, а затем и длину забральной стенки l = Q_B/q.

Разумеется, применению забральной стенки должно предшествовать изучение температурного режима воды в источнике по сезонам года. Забральные Стенки позво­ляют существенно снизить вовлечение планктона в во­доприемники.

Практикой эксплуатации и в результате исследова­ния определились три направления улучшения качества воды на водозаборах: применение специальных водо­приемников, выделяющих часть взвешенных веществ не­посредственно при отборе воды, фильтрование воды на водоприемниках; осаждение взвеси в пойменных отстой­никах-водохранилищах.

Изменение конструкции водоприемников, как прави­ло, меняет и технологию отбора воды, следовательно, влияние конструктивных и технологических факторов на качество отбираемой воды надо рассматривать во взаи­мосвязи.

В последнее время разработан ряд новых типов вот доприемных устройств, имеющих существенные преиму­щества в отношении качества забираемой воды. Преж­де всего это относится к водозаборам систем ирригации на горных и предгорных реках с обильными донными на­носами, исследованным Н. Ф. Данелией. Они сравни­тельно редко применяются в коммунальном водоснабже­нии, в связи с чем детально нами не рассматриваются. Оголовки с аванкамерами вихревого типа, предложен­ные А. С. Образовским, обеспечивают равномерные ско­рости входа воды на большом водоприемном фронте и уменьшают благодаря этому вовлечение наносов. Они являются более надежными в отношении не только от­бираемого расхода, но и качества воды.

Сифонные водоприемники А. Г. Аверкиева с гори­зонтальными окнами, обеспечивающие восходящий при­ем воды (рис. 64), также дают положительный техноло­гический эффект с улучшением ее качества не только по взвешенным, но и по плавающим веществам. Достигает­ся это благодаря большему, чем на других водозаборах, заглублению водоприемных окон, что особенно важно при малой глубине воды в источнике, и выделению из воды взвешенных веществ на восходящем участке сифо­на. Очевидно, скорость потока на этом участке должна быть меньше гидравлической крупности отделяемых на­носов. Устройство сифонного водоприемника возможно как на береговых, так и на русловых водозаборах. На рис. 65 представлено сравнение количества наносов, во­влекаемых в водоприемные окна с обычным (прямоточ­ным) и с сифонным приемом воды. Как видно, примене­ние сифонного водоприемника дает возможность много­кратного уменьшения количества вовлекаемых наносов. Приплотинные водозаборы, как известно, обеспечива­ют не только более высокую надежность отбора воды, но и улучшение ее качества за счет предварительного от­стаивания в водохранилище. На небольших водопрово-. дах, особенно в районах Сибири и Крайнего Севера, где строительство и эксплуатация водоочистных станций за­труднены, а вода в источнике имеет малую мутность, этим методом издавна пользуются широко и эффективно. Положительное влияние зарегулирования стока на качество воды у водозаборов можно показать на приме­ре р. Алей. До зарегулирования мутность воды в реке достигала 3...5 тыс. мг/л, что не только осложняло ра­боту водозабора, но и нарушало технологию очистки во­ды. С вводом в действие буферного водохранилища на р. Склюиха мутность снизилась, но все же она достига­ла в периоды паводков 1,2...1,6 тыс. мг/л. И только с вводом в верховье р. Алей Гилевского водохранилища многолетнего регулирования положение существенно улучшилось: максимальное значение взвеси находится на уровне 300 мг/л, вдвое (с 4 до 2 мес) сократилась продолжительность периода повышенной мутности (рис. 66). К тому же минимальный сток в реке увеличился с 0,5 до 5...6 м³/с, что обеспечивает устойчивую работу во­дозаборов.

Зарегулирование стока не только снижает мутность, но улучшает и другие показатели качества воды.

Так, после пуска в 1960 г. Можайского водохранилища на р. Москве плотный остаток речной воды, по данным Н. Л. Козло­вой, И. П. Осадчих и др., уменьшился на 10 мг/л, а карбонатная жесткость — на 0,4 мг-экв/л. Для отстоя волжской воды на канале им. Москвы было построено Учинское водохранилище. Вода из двух водохранилищ (Пестовского и Пяловского) поступает в Учинское через донные водоспуски, что предотвращает или существенно огра­ничивает попадание в него плавающих веществ, нефтепродуктов, планктона и др. Строгий санитарный режим на Учинском водохра­нилище, отвод поверхностного стока береговых склонов в другие бассейны, 100-метровая лесозащитная полоса по берегам обеспечи­вают существенное улучшение качества волжской воды, прежде все­го по цветности (рис. 67).

Иногда метод отстаивания воды в прудах и водохра­нилищах является единственным, но вполне достаточным средством улучшения ее качества. Примером могут слу­жить многочисленные водозаборы на Сахалине и Кам­чатке. Специально предназначенные для водоснабжения здесь небольшие водохранилища на горных реках в за­лесенной местности позволяют получать (после обезза­раживания) на протяжении большей части года воду питьевого качества без дополнительной очистки.

На многих водопроводах действует сейчас по не­скольку (3...4) водохранилищ (например, водопроводы Свердловска, Златоуста, Владивостока и др.), и при­менение менее сложной, но более обоснованной и, следо­вательно, надежной технологии очистки воды может дать большой экономический эффект. Например, строительст­во водохранилища вместимостью 5,2 млн. м³ на р. Аи (на Урале) позволило временно ограничиться максималь­но упрощенной системой обработки воды: решетки и сетки на приплотинном водозаборе, барабанные микрофильтры и обеззараживание с использованием электро­лизных установок на водоочистной станции. Более то­го, обеспечиваемое на водозаборе высокое качество во­ды в ряде случаев позволило отказаться от уже запроектированной сложной технологии ее очистки на водоочистных станциях. Так, приплотинный водозабор на водохранилище Красноярской ГЭС дает воду такого качества, при котором даже в периоды паводков доста­точно использовать одноступенное прямоточное фильтро­вание, что доказано многолетним опытом эксплуатации. Построенную здесь водоочистную станцию с двухступен-ной технологией (осветлители со взвешенным осадком и скорые фильтры) пришлось реконструировать, сущест­венно упростив технологию.

Примером положительного решения вопроса улучше­ния качества воды может служить также водозабор из Партизанского водохранилища в долине р. Альма в Крыму [12], представляющий собой башню высотой 48,7 м с туннелем внутренним диаметром 3,5 м и общей длиной 350 м, в котором размещены два водовода диа­метром по 800 мм. Глубина водохранилища у водозабо­ра 37 м; водоприемные отверстия расположены в четы­ре яруса с расстоянием между ярусами 10 м, что позво­ляет отбирать воду с разных глубин. Подача ее на водоочистную станцию осуществляется под гидростати­ческим напором.
Таблица 13. Качество воДы на водозаборе из Партизанского водохранилища

Годы	Даты на­блюдений	Показатели качества воды
		до изменения глубины забора					после изменения глубины забора
		отметка глубины забора, м	темпе-ратура,°С	мутность, мг/л	цвет­ность, град	кол и -титр		отметка глубины забора, м	темпе­ратура, °С	мутность, мг/л	цвет­ность, град	коли -т игр
1978	17.01		3	20	30	5,5
	30.01	44,8	3	6	15	28		— .	—	—	—	— .
	30.03		6	4,5	10	16
	11.11		10	1,2	10	37
1979	23.02	54,9	4	10,5	15	1,7		44,8	4	7	15	2,7
	26.02	44,8	4	8,5	15	2,7		64,9	4	7	15	22
	22.03	64,9	5	2,5	10	111		54,9	6	2,5	10	111
	27.08	54,9	14	4,8	10	3,7		44,8	10	3,8	10	3,7
1980	7.04	44,8	6	14,8	20	4,1		64,9	8	14	20	4,4
	17.06	64,9	16	1,8	10	10		44,8	9	1,6	10	11
	5.09	44,8	11	4,4	15	27		54,9	14	5	15	138
	11.12	54,9	8	36	35	27		64,9	7	4	35	138
1981	12.01	64,9	5	11,5	20	3,8		44,8	5	10,5	20	5,5
	14.01	44,8	5	11	20	5,5		64,9	5	И	20	2,7
	9.06	64,9	14	1,8	10	11		44,8	8	1,5	10	37

Показатели качества воды приведены в табл. 13, из которой видно, что с изменением глубины отбора дости­гается заметное повышение коли-титра и уменьшение мутности воды. Благодаря этому на протяжении 6 мес в году (с мая по октябрь) коагулирование воды на во­доочистной станции не производится совсем, а в нояб­ре — декабре достаточно бывает периодического (2... 6 ч в сутки) коагулирования малыми дозами. Очевидно, что эксплуатационные затраты в таких условиях снижа­ются до минимума. В значительной степени этому спо­собствует хорошее состояние зоны санитарной охраны (ЗСО) источника. Граница первого пояса ЗСО проходит по всему периметру водохранилища на расстоянии 100 м от уреза воды при НПГ, а второго пояса — охватывает весь бассейн водосбора выше створа плотины.

Водозабор из водохранилища Чиркейской ГЭС (Сулак) в Да­гестане, предназначенный для водоснабжения Буйнакска и пос. Дуб­ки, дает воду, отвечающую требованиям ГОСТ 2874 — 82, благодаря чему отпала необходимость строительства водоочистной станции для Буйнакска, а построенная для пос. Дубки водоочистная стан­ция не используется. Столь удачный эффект достигнут не только за счет благоприятных природных условий (неразмываемые камени­стые берега водохранилища, залесенный бассейн водосбора и др.), но и благодаря удачным инженерным решениям по водозабору.

Сочетание интересов энергетики и водоснабжения при гидротехническом строительстве в Дагестане не яв­ляется единственным. Более двух десятилетий действу­ет встроенный в плотину Иркутской ГЭС водозабор сис­темы водоснабжения Иркутска, обеспечивающий качест­во воды в соответствии с требованиями ГОСТ 2874 — 82 без дополнительной ее очистки. Построенный в после­дующей очереди развития водопровода водозабор русло­вого типа на водохранилище Иркутской ГЭС также обес­печивает потребное для питьевых целей качество воды (табл. 14) после ее обеззараживания.

С ростом масштабов водопотребления, увеличением затрат на строительство и эксплуатацию водозаборов и водоочистных станций целесообразно шире практико­вать проектирование водозаборов в комплексе гидротех­нических сооружений ГЭС с учетом далекой перспекти­вы водопотребления,

В малых водохранилищах и прудах летом, особен­но в периоды паводков, вода может содержать повышен­ное количество взвешенных и плавающих веществ (во­доросли, траву, листья, кору деревьев и т.д.), и, следо­вательно, возникает необходимость дополнительной ее очистки. Поэтому в комплекс водозаборов включают иногда специальные сооружения, позволяющие совме­щать технологию отбора и очистки воды (рис. 68). Во­доочистное сооружение в данном случае представляет собой шлюз-отстойник из двух-трех секций с попутным (поверхностным) отбором осветленной воды, каждая сек­ция имеет свою водосборную камеру. Вода из водосбор­ных камер отводится самотечными трубопроводами или отбирается насосами (в последнем случае насосная стан­ция встраивается в тело плотины).