ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ ПРИЕМА ВОДЫ ИЗ РОДНИКА
HYDRAULIC STRUCTURE FOR WATER INTAKE FROM THE SPRING

Изобретение относится к водоснабжению из подземных источников и касается сооружений для забора воды и транспортировки подземных вод в зонах их разгрузки.
Выбор и оценка водоисточников осуществляется на основании изысканий, проводимых специализированными организациями, в районе строительства. Для этого необходимы физико-географические, гидрологические, топографические и санитарные условия района в целом и водоисточников в частности. Эти материалы служат для технико-экономического сравнения вариантов системы и схемы водоснабжения.
Лучевые водозаборы являются разновидностью шахтных резервуаров для приема воды. Лучевой водозабор представляет собой водоприемное сооружение из сборного резервуара и водоприемных лучей фильтров.
Высокая санитарная надежность родниковой воды, а также простота получения способствует широкому ее использованию для целей питьевого водоснабжения. Водозаборные сооружения для получения родниковых вод называются каптажными, а процесс сбора родниковой воды - каптажем родников.
Схему для восходящих родников устраивают без дна (как это будет показано ниже для устройства аналога - прототипа), поскольку прием родниковых вод осуществляется непосредственно снизу. Сверху такое каптажное сооружение закрыто, но сообщается с атмосферой, например, через вентиляционную трубу. В резервуаре (бассейне) вода всегда находится на определенном уровне. К резервуару присоединяется защищенной сеткой самотечный трубопровод, по которому вода поступает в резервуар или непосредственно к потребителю. Каптажное сооружение должно быть защищено от попадания в него поверхностных вод и загрязнений. В целом такие сооружения должны гармонировать с природной средой, т.е. в них должны отсутствовать инородный материал, посторонние органолептические качества воды.
Схему каптажного сооружения для приема воды нисходящего родника (как это будет показано ниже в предлагаемом техническом решении), резервуар и емкость выполняют из качественной, например, бетонной или каменной кладки, состоит из двух секций. Передняя секция служит для приема и сбора воды. Чистая родниковая вода отводится по трубе в запасную емкость, избыток воды - в смотровую секцию емкости, а далее, с помощью регулирующих сооружений, - в сточный трубопровод (трубу). Для периодической промывки резервуара на дне его должно устраиваться отверстие, сообщающейся с промывной трубой.
Водоприемный резервуар со стороны притекающих родниковых вод имеет достаточное приемное отверстие (щель), которое снаружи прикрыто булыжником, щебнем различного диаметра, мелким гравием и песком для защиты от попадания наносов. Каптажное сооружение всегда имеет вентиляционную трубу и люк для спуска обслуживающего персонала для осмотра емкости (камеры).
Известна водосборная галерея, выполненная из естественного камня без цементирующего раствора в виде конструкции арочного типа со сводом полусферической формы, она устанавливается на подстилающем водоупоре (Патент RU №2261307, Ε03В 3/06, 3/40 от 27.09.2005).
Однако хотя известный аналог относительно простой и выполнен из естественного камня с горизонтальной трубой и обложен фильтрующей обсыпкой, сооружение не приемлемо для каптажа родниковых вод в целом из-за ряда вышеперечисленных известных требований, хотя отдельные элементы и имеют схожие признаки. Кроме того, оно не обеспечивает высокое качество воды из-за попадания в фильтрующую трубу взвешенных растворенных веществ, которые при малых скоростях течения воды вызывают кальматацию дна ее, обрастание, повышенную шероховатость трубы, а значит резко снижается пропускная способность самой горизонтальной трубы, так как она также выполнена и безуклонной.
Таким образом, недостаток в том, что включение в работу данной конструкции зависит от времени выпадения взвешенных частиц и скорости накопления родниковой воды и не связано с режимом работы гидротехнического сооружения в целом и требуемой периодической очисткой трубы и водоприемной камеры. Кроме того, оно не учитывает природные и техногенные загрязняющие вещества (механические, химические, биологические), т.е. невысокая надежность.
Известен ближайший аналог (прототип) - гидротехническое сооружение для забора подземной родниковой воды, содержащее установленный в водоносном пласту резервуар с донным фильтром, имеющим засыпку, и определителем уровня воды, насос с всасывающим шлангом для откачивания подземной воды, емкость для сбора и расхода родниковой воды, сообщенную с всасывающим шлангом насоса, систему трубопроводов, при этом оно дополнительно снабжено вторым рабочим резервуаром, сообщенным с первым резервуаром посредством разноуровневых труб, и резервным резервуаром, сообщенным со вторым рабочим резервуаром и установленным ниже уровня размещения последнего, причем всасывающий шланг насоса размещен во втором резервуаре, оснащенном средствами, обеспечивающими свободное перетекание подземной воды в природный водоем, при этом самая нижняя разноуровневая труба расположена ниже минимального уровня воды в межень в первом резервуаре, оба рабочих и резервный резервуары расположены в последовательном порядке и снабжены гидроизоляционным слоем необходимой высоты, расположенным вокруг каждого резервуара (Патент RU №2407862, Ε02В 3/00 от 27.12.2010).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого технического решения.
Недостатком известного сооружения является то, что оно не приемлемо для схемы каптажного сооружения в виде приема нисходящего родника, высота которого оказывает заметное волнение на водную поверхность в резервуаре, являющегося источником повышенной пульсации скоростей опасных для устойчивости самого сооружения, а значит снижется эффективность и надежность в работе. В процессе эксплуатации не представляется возможным точного и гибкого регулирования гашения воды при изменяющихся расходах родниковых вод по высоте относительно второго рабочего резервуара и дополнительного резервуара. Кроме того, даже при хорошей фильтрующей очистке родниковых вод, в них всегда присутствуют растворимые природные и техногенные загрязняющие вещества (механические, химические, биологические) и накопления на дне резервуара при отстаивании воды в нем. Другим недостатком является сложность конструкции и невысокая надежность с применением энергоемкого оборудования. Эксплуатация сооружения затрудняет наличие многочисленных элементов: насосов, сливных емкостей, оборудование кранов и т.д. Кроме того, отсутствует возможность промывки резервуара от осевшего осадка при длительной эксплуатации сооружения, в котором вода долгое время находится в спокойном состоянии, и зачастую требуются организации дополнительных работ по очистке дна резервуаров гидротехнического сооружения, привлечение людей и механизмов, т.е. это влечет дополнительную трудоемкость. Такая конструкция сооружения ограничивает его применение для каптажного сооружения и приема вод из родника, представляющего собой лучевой водозабор.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является повышение эффективности работы и равномерности распределения удельных расходов по ширине резервуара и снижение придонных скоростей для получения более чистой воды на входе в успокоительную камеру, простота и надежность конструкции.
Данный технический результат достигается тем, что гидротехническое сооружение для приема воды из родника содержит резервуар, фильтр, имеющий засыпку, емкость для сбора и расхода воды, сточный трубопровод, снабжено гидроизоляционным слоем необходимой высоты, расположенным вокруг резервуара, а также фильтр выполнен в виде гравия разного размера с промежуточными слоями, емкость выполнена в виде успокоительной камеры с шахтным водовыпуском, оголовок которого выполнен в виде Л-образного козырька, расположенного в сторону дна успокоительной камеры, при этом резервуар выполнен с подпорным сооружением в виде порога с полкой с отводящей трубой, причем отводящая труба соединена с патрубком посредством эластичной гофрированной муфты, одним концом поворотно установленным на отводящей трубе и снабженным регулировочным приспособлением, шарнирно соединенным со свободным концом патрубка.
Кроме того, свободный конец патрубка в нижней части имеет опору, высота которой в нижнем положении находится на уровне в одной горизонтальной плоскости с дном отводящей трубы и сточного трубопровода.
Кроме того, в нижней части дна резервуара выполнены выпускные отверстия, снабженные промывными трубками с кранами для сброса взвешенных веществ.
Кроме того, входной оголовок сточного трубопровода выполнен в виде, по крайней мере, козырька над трубопроводом.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленное сооружение гармонирует с природной средой при устранении указанных недостатков за счет конструкции, которая позволяет выполнить схему каптажного сооружения для приема нисходящего родника. Емкость, выполненная в виде успокоительной камеры,  которая выполнена с шахтным водовыпуском, оголовок которого имеет Л-образный козырек в сторону дна успокоительной камеры, и с подпорным сооружением в виде порога с полкой с отводящей трубой, позволяют в целом устранить волновые явления на входе во вторую емкость, выполненную с расположением патрубка, соединенным с эластичной гофрированной муфтой, и поворотно установленного на отводящей трубе, шарнирно соединенным со свободным концом патрубка. Процесс отвода родниковой воды потребителю значительно будет с чистой водой и регулируется дистанционно штоком, предназначенным для фиксации свободного конца патрубка на требуемой высоте, что в свою очередь определяет уровень в шахтном водовыпуске и родниковой воды в успокоительной камере. В успокоительной камере и во второй емкости выполнены выпускные отверстия в дне, к которым присоединены промывные трубки с кранами. Гидротехническое сооружение может работать в двух режимах: в режиме полного не подтопленного шахтного водовыпуска, и в режиме подтопленного с нижнего бьефа шахтного водовыпуска, поддерживающий постоянный уровень воды в успокоительной камере над его входным оголовком с Л-образным козырьком. Поступление воды в сточный трубопровод происходит полным сечением через выпускной оголовок, так как он сверху прикрыт козырьком в виде срезанного под углом трубопровода. Такое выполнение оголовка трубопровода не требует противовихревого устройства, так как значительно уменьшает искривление струй втекающих в трубопровод, а, следовательно, сжатие потока на входе и при определенном напоре над трубопроводом «самозаряжается», начинает работать полным сечением. Козырек прост и выполнен по форме трубопровода небольших размеров, поэтому устройство его легче и дешевле, чем установка специальных устройств, а также направление трубопровода входной частью с козырьком, совпадающим с нижнем положением, регулируемого патрубка с эластичной гофрированной муфтой позволяет свободно перепускать воду в сточный трубопровод, далее в природный водоем. Эксплуатация сооружения проста и надежна в работе.
Таким образом, оборудование гидротехнического сооружения для приема воды из родника, где обеспечивается возможность устройства шахтного водовыпуска с Л-образным козырьком, повышает эксплуатационные качества всего сооружения, позволяет существенно снизить материалоемкость и уменьшить размеры всего сооружения за счет возможности регулирования емкости устройства, снабженной регулировочным приспособлением. Кроме того, отсутствуют затраты электроэнергии на перекачку родниковой воды при эксплуатации сооружения, при заборе шахтным водовыпуском на установившихся отметках в успокоительной камере и далее в емкости, уменьшаются волновые явления, отсутствуют поступления количества мелких наносов в успокоительной камере и, в целом в емкости, смыв, которых можно производить через выпускные отверстия в дне резервуара в целом, которые соединены с промывными трубками с кранами, что повышает надежность работы.
На чертеже представлена принципиальная схема гидротехнического сооружения для приема воды из родника.
Водозаборные сооружения для получения родниковых вод называются каптажными, а процесс сбора родниковой воды - каптажом родников.
Сооружение для приема воды из родника содержит водоприемный резервуар, выполненный в виде успокоительной камеры 1. Передняя стенка служит для приема и сбора воды. Успокоительная камеры 1 со стороны протекающих родниковых вод содержит водоносный пласт 2 с обратным фильтром 3 с водоприемным отверстием 4 (щель).
Водоприемное отверстие 4 снаружи прикрыто булыжными камнями, а затем мелким гравием и песком для защиты от попадания наносов. Сверху успокоительная камеру 1 выполняют глиняным замком 5. Слой 6 крупного булыжного камня выполняют необходимой высоты вокруг резервуара, который может представлять и природный материал, который служит качественной каменной кладкой, и высота слоя зависит от местоположения конкретного природного источника (грунт, глубина залегания источника и т.д.) и определяется необходимостью защиты от разрушения сооружения.
Успокоительная камера 1 содержит шахтный водовыпуск 7, оголовок которого выполнен с Л-образным козырьком 8 и расположен стационарно в сторону дна успокоительной камеры 1 и передняя часть его выполнена под острым углом к наружной стенке шахтного водовыпуска 7. Кроме того, передняя часть Л-образного козырька 8 может быть установлена шарнирно на оси 9 с возможностью вертикального перемещения посредством привода (не показан). В концевой нижней части шахтный водовыпуск 7 имеет порог 10 с полкой 11 и отводящую трубу 12. Оголовок отводящей трубы 12 прикреплен посредством гибкой гофрированной муфты 13 к патрубку 14 и дистанционному штоку 15. Патрубок 14 установлен в емкости 16 и одним концом поворотно установлен на отводящей трубе 12. Свободный конец патрубка 14 имеет в нижней части опору 17, высота которой выбирается из того расчета, что в самом нижнем (горизонтальном) положении патрубка 14 его свободный конец находится на уровне сточного трубопровода 18 с козырьком 19. В верхней части патрубка 14 находится шарнир 20, посредством которого патрубок 14 соединен с дистанционным штоком 15, предназначенным для фиксации свободного конца патрубка 14 на требуемой высоте по отношению к входному оголовку шахтного водовыпуска 7 с Л-образным козырьком 8, что определяет уровень родниковой воды в успокоительной камере 1. На штоке 15 расположены фиксаторы 21, предназначенные для фиксации взаимного расположения корпуса камеры 1 и штока 15. Дно успокоительной камеры 1 может быть выполнено с уклоном в сторону образованного в дне сбора взвешенных веществ к выпускному отверстию, к которому присоединена промывная трубка 22 с краном 23, а дно емкости 16 с выпускным отверстием, к которому присоединена также промывная трубка 24 с краном 25, и они присоединены к сбросному колодцу 26. Колодец 26 сверху перекрыт плитой со съемным герметичным люком (не показано).
Гидротехническое сооружение для приема воды из родника работает следующим образом.
Родниковая вода поступает из водоносного пласта 2 в водоприемное отверстие 4, далее сливается в резервуар, выполненный в виде успокоительной камеры 1, и накапливается в ней. Поток, выходящий из отверстия 4 и падая в успокоительную камеру 1, растекаясь в плане, подводится к Л-образному козырьку 8 и частично гасит поток перед входом поворота и слива через оголовок шахтного водовыпуска 7, имеющий в концевой части избыточную кинетическую энергию, при достижении потока порога 10 с полкой 11 перекрытия происходит остановка потока с потерей еще значительной части энергии потока. При этой остановке потока часть кинетической энергии в отводящей трубе 12 также гасится и переходит в потенциальную энергию в виде повышения уровня воды, возникает ее движение через гофрированную муфту 13 в патрубок 14.
В режиме прямого поступления воды в сточный трубопровод 18 с козырьком 19 устанавливают патрубок 14 в горизонтальное положение, в результате чего устанавливается свободное безнапорное течение, свободный конец патрубка 14 оперт в нижней части на опору 17, т.е. уровень воды в емкости 16 - минимальный, так как он определен нижним краем сточного трубопровода 18.
В режиме регулирования подпора уровня воды в шахтном водовыпуске 7 освобождают шток 15 от корпуса камеры 1, устанавливают посредством штока 15 свободный конец патрубка 14 на необходимую высоту и нижний край свободного конца определяет уровень подпора в шахтном водовыпуске 7, соответственно, это сказывается на уменьшение его пропускной способности с поднятием уровня в успокоительной камере 1. После этого фиксируют шток 15 в отношении корпуса камеры 1 до определенного ее наполнения. Под действием подъема уровня в шахтном водовыпуске 7 усиливается дополнительно гашение выходящего потока из отверстия 4, где поток сталкивается с большим уровнем воды по высоте камеры 1, взаимно гася поперечные составляющие скорости, учитывая и расположение Л-образного козырька 8, где поток внутри него образует вращение потока, поскольку он образует острый угол с наружной стенкой шахтного водовыпуска 7. Кроме того, подъем уровня воды в камере 1 оказывает статическое давление (навстречу) на давление воды в патрубке 14, возникает движение воды в нем и слив происходит в емкость 16, которая наполняется, так как скорость истечения воды уменьшается, соответственно уменьшается отток воды из нее в сточный трубопровод 18, также растекаясь в плане в емкости 16 за счет увеличения своего поперечного сечения, теряя при этом скорость, а с ней и часть кинетической энергии.
Забираемая к потребителю вода из емкости 16 поступает в природный водоем. Наличие козырька 19 по форме оголовка трубопровода 18 и его расположение к верхней образующей сточного трубопровода 18 значительно может увеличивать коэффициент расхода оголовка сточного трубопровода. Сточный трубопровод 18 работает полным сечением. Устройство козырька легче и дешевле, по сравнению, если бы вместо него вводили какое-либо противовихревое устройство.
По мере накопления в успокоительной камере 1 и емкости 16 осевших взвешенных веществ отвод их происходит по двум промывным трубкам 22 и 24, соответственно, с открытием кранов 23 и 25 в сбросной колодец 26 с последующей его очисткой.
Таким образом, условия, повышающие очистку родниковой воды, заключаются во взаимной работе камеры, емкости, шахтного водовыпуска с козырьком, порога с полкой, а также изменением положения патрубка посредством штока, шарнирно соединенного со свободным патрубком, т.е. за счет разности общего напора, создаваемого между шахтным водовыпуском и вертикальным положением патрубка.
Предлагаемая система конструирования гидротехнического сооружения для приема воды из родника позволит значительно уменьшить объем поступления загрязняющих веществ в природный водоем, позволит упростить оборудование, предназначенное для целей водоотвода родниковой воды, и значительно повысит эффективность работы за счет организации процесса очистки воды и ее гашения в резервуаре. Предлагаемое сооружение работает в автономном режиме и предотвращает заиление резервуара загрязняющими веществами, а также другими нерастворимыми химическими соединениями находящихся в родниковой воде.