Устройство для регулирования запасов пресных вод
DEVICE FOR REGULATION OF FRESH WATER RESERVES

Изобретение относится к водоснабжению и может использоваться при регулировании подземного и надземного стоков, приуроченных к долинам горных рек с периодически пересыхающими водотоками для повышения надежности водоотбора или его увеличения.
Известно устройство для регулирования запасов подземных вод, включающее водонепроницаемый барраж в поперечном створе долины реки, полностью по мощности и ширине перекрывающий водоносный горизонт и образующий подземное водохранилище, и расположенный выше водозабора (Гидрогеология. Инженерная геология // Итоги науки и техники. - М.: ВИНИТИ, 1974, т. 3, с. 15-16, рис. 5б).
Недостатками известного устройства являются невозможность обеспечения надежного водоотбора в требуемом объеме на протяжении всего периода эксплуатации, в том числе и в маловодные периоды года в долинах горных рек с периодически пересыхающим водотоком, материалоемкость предлагаемого устройства и, как следствие, повышенные затраты при строительстве и эксплуатации.
Известно гидротехническое сооружение для регулирования запасов воды для целей водоснабжения и орошения - надземная плотина - водоподпорное сооружение, перегораживающее водоток и его долину для подъема уровня воды (Свод правил СП 40.13330.2012, Плотины бетонные и железобетонные: нормативно-технический материал. - М.: ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 2013, с. 4-5, рис. 1а-г).
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения накопления и поддержания объема воды водохранилища в требуемом объеме на протяжении всего периода эксплуатации, в том числе и в маловодные периоды года в долинах рек с периодически пересыхающим водотоком. Неэффективность устройства, вызванная тем, что в нем сбору подвержен лишь поверхностный сток в долине реки, тогда как подземный сток продолжает беспрепятственно сбрасываться и аккумуляции не подвержен.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для регулирования запасов подземных вод (Патент на изобретение RU №2569004, МПК Е03В 3/32, 3/06, опубл. 20.11.2015, бюл. №32), включающее водонепроницаемый барраж в поперечном створе долины реки, полностью по мощности и ширине перекрывающий водоносный горизонт и образующий основное подземное водохранилище, и расположенный выше водозабор, а также содержит дополнительный водонепроницаемый барраж, расположенный в поперечном створе долины реки выше зоны влияния основного подземного водохранилища, в верхнем его бьефе и образующий дополнительное подземное водохранилище, водоприемное устройство, расположенное в верхнем бьефе дополнительного водонепроницаемого барража, и соединяющий дополнительное и основное водохранилища трубопроводом с затвором для регулирования расхода воды из водоприемного устройства в основное подземное водохранилище.
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения надежного водоотбора в требуемом объеме на протяжении всего периода эксплуатации, в том числе и в маловодные периоды года в долинах горных рек с периодически пересыхающим водотоком, ввиду неэффективного использования и без того ограниченного объема горного ущелья, при этом подобное устройство при разнесении створов плотин требует больших затрат трудовых и материальных ресурсов и, как следствие, большой стоимости. Неэффективность устройства вызвана еще и тем, что в нем сбору подвержен лишь подземный сток в долине реки, тогда как поверхностный сток продолжает беспрепятственно сбрасываться и аккумуляции не подвержен.
Техническим результатом является обеспечение возможности надежного водоотбора в требуемом объеме на протяжении всего периода эксплуатации, в том числе в маловодные периоды года в долинах горных рек с периодически пересыхающим водотоком, в виду эффективного использования подземного и надземного объема долины горной реки, с наименьшими экономическими затратами, за счет совмещения функций действия, например, несущие надземную плотину сваи одновременно участвуют в экранировании подземного потока, минимизация экологического воздействия на окружающую среду.
Технический результат достигается тем, что устройство для регулирования запасов пресных вод, включающее водонепроницаемый барраж в поперечном створе долины реки, полностью по мощности и ширине перекрывающий водоносный горизонт и образующий подземное водохранилище, и надземное водохранилище, образованное плотиной, перекрывающей по ширине поперечный створ долины реки, согласно изобретению надземное водохранилище расположено над подземным водохранилищем, а водонепроницаемый барраж расположен в одном створе с надземной плотиной, между сваями, образуя совместный подземный экран, водоприемный колодец расположен на берегу надземного водохранилища, выше отметок затопления при максимальном уровне, а объемы обоих водохранилищ связаны между собой запорно-регулирующими трубопроводами, а с потребителем - хотя бы одно из водохранилищ.
Отличительными от прототипа признаками являются:
- плотина надземного водохранилища и водонепроницаемый барраж подземного водохранилища расположены в одном створе;
- водонепроницаемый барраж расположен между сваями, образуя совместный подземный экран;
- водоприемный колодец расположен на берегу надземного водохранилища, выше отметок затопления, при максимальном уровне в водохранилище;
- сообщающие подземное и надземное водохранилища колодец и трубопроводы, для регулирования объемов воды в них, имеют возможность ее перепуска в обоих направлениях;
- хотя бы один объем водохранилища связан с потребителем запорно-регулирующими трубопроводами;
- минимизация экологического воздействия на окружающую среду.
Указанная совокупность отличительных от прототипа признаков позволяет обеспечить возможность надежного водоотбора в требуемом объеме на протяжении всего периода эксплуатации, в том числе в маловодные периоды года в долинах горных рек с периодически пересыхающим водотоком, ввиду эффективного использования подземного и надземного объема долины горной реки, подземного и надземного стока горной реки с наименьшими затратами и экологическим воздействием на окружающую среду.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на рисунке изображено устройство для регулирования запасов пресных вод, включающее надземную плотину 1, расположенную на сваях 2, являющихся фундаментом. Водонепроницаемый барраж 3 устраивается только между сваями 2 и выполняется, например, методом «стена в грунте», в поперечном створе долины реки, в водоносном горизонте 4, полностью по мощности и ширине его перекрывающем, что обеспечивает предотвращение подземного стока за пределы барража 3, подпор подземных вод и благоприятные условия для их накопления в водоносном горизонте 4, выше створа расположения барража 3, с образованием подземного водохранилища 5. В свою очередь надземная плотина 1 образует надземное водохранилище 6, максимальный уровень воды в котором 7. В свою очередь на берегу надземного водохранилища 6, выше отметок затопления при максимальном уровне 7, устраивается шахтный колодец 8, заглубленный до нижних отметок подземного водохранилища 5. Технологические трубопроводы 9 обеспечивают подачу воды с подземного водохранилища 5 на нужды производства или населения. Максимальная отметка вод подземного водохранилища не должна превышать уровня 10, так как в противном случае может быть повреждена гидроизоляция дна надземного водохранилища 6. В свою очередь при сработке подземного водохранилища 5, минимальные отметки кривой депрессии могут доходить до линии 11. Сработка надземного водохранилища 6 и подземного водохранилища 5 осуществляются через шахтный колодец 8 и технологические трубопроводы 9, посредством разделения притока в него, осуществляемого затвором 12. Вода может подаваться либо на технические нужды, либо на подпитку подземного водохранилища, при подаче из него воды, посредством шахтного колодца 8, армированного трубопроводами 9, обеспечивающими связь с обоими водохранилищами, посредством трубопроводов с затвором 12. В зависимости от более активной сработки подземного или надземного водохранилища вода по технологическим трубопроводам 9 может обеспечивать перепуск объемов из одного водохранилища в другое, причем из надземного водохранилища 6 в подземное водохранилище 5 самотеком. При этом минимальный уровень надземного водохранилища 6 может соответствовать положению 13, то есть «мертвому» объему водохранилища.
Регулирование запасов пресных вод данным устройством реализуется следующим образом. В многоводный период года перед маловодным периодом приток надземных вод в надземное водохранилище 6 и подземных вод в подземное водохранилище 5 происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и паводковых вод, затопляющих часть долины, непосредственно на площадях подземного водохранилища 5 и надземного водохранилища 6. Таким образом, при условии преобладания притока поверхностного стока и подземных вод над другими составляющими баланса, в частности над водоотбором из шахтного колодца 8, по технологическим трубопроводам 9 из подземного водохранилища 5, либо посредством этих же технологических трубопроводов 9 с надземного водохранилища 6, при обеспечении соответствующих допусков к объемам разных водохранилищ затвором 12, происходит накопление воды, либо в подземном водохранилище 5, либо в надземном водохранилище 6. С целью экономии материальных и трудовых ресурсов водонепроницаемый барраж 3 подземного водохранилища 5 устраивается в одном створе со сваями 2 надземной плотины 1.
В многоводный период года в результате накопления пресных вод в подземном водохранилище 5 и надземном водохранилище 6 уровень их повышается и соответствует максимальным уровням воды. В надземном водохранилище 6 максимальный уровень соответствует положению 7. В подземном водохранилище 5 максимальный уровень находится на отметке 10, при минимальном уровне воды в надземном водохранилище 6, соответствующий его «мертвому» объему 13. При увеличении уровня воды в надземном водохранилище 6, сверх «мертвого» объема 13, максимальный уровень 10 подземного водохранилища 5 также может повышаться. При этом в процессе эксплуатации водохранилищ 5 и 6 не допустимо, чтобы уровень воды подземного водохранилища 5 был выше уровня воды в надземном водохранилище 6, что предотвратит выдавливание дна надземного водохранилища 6. Уровень надземного водохранилища 6 по максимуму может соответствовать положению 7, что определяется расчетным путем. При этом любые объемы воды, поступающие при достижении отметок 7 в надземное водохранилище 6 сбрасываются через катастрофический водослив плотины 1.
В начальный период маловодности, при пересыхании поверхностного водотока реки, в надземном водохранилище 6 уровень воды соответствует положению 7, а в подземном водохранилище 5 поверхность подземных вод может достигать отметок приемного устройства поверхностного стока надземного водохранилища 6.
Когда приток воды в подземное водохранилище 5 за счет инфильтрации атмосферных осадков уменьшается, возникает ситуация, что водоотбор для целей питьевого водоснабжения из шахтного колодца 8, по технологическим трубопроводам 9, превосходит внешний приток воды. В этом случае уровень подземных вод постепенно падает и может дойти до минимальных отметок представленных кривой депрессии в положении 11. Однако в это же самое время, в начальный период маловодности, объем воды в надземном водохранилище 6 остается неизменным и соответствует своим максимальным значениям. Чтобы не допустить падения уровня кривой депрессии до минимальных значений положения 11, в подземном водохранилище 5 осуществляют слежение за уровнем воды, путем дополнительного попуска объемов из надземного водохранилища 6 посредством шахтного колодца 8, причем самотеком. Подача воды из подземного источника через шахтный колодец 8 и технологические трубопроводы 9 ориентирована на цели питьевого водоснабжения, путем соответствующего управления потоками через затвор 12.
При ориентировании системы водопотребления на орошение, когда нужна более теплая воды, ее рациональнее подавать из надземного водохранилища 6, посредством технологических трубопроводов 9, тогда затвор 12 отсекает связь с подземным водохранилищем 5. Когда приток в надземное водохранилище 6 за счет стока поверхностных вод уменьшается, возникает ситуация, что уровень надземных вод постепенно падает и может дойти до минимальных отметок, представленных уровнем 13 «мертвого» объема водохранилища 6. Однако в то же самое время, в начальный период маловодности, объем воды в подземном водохранилище 5, расположенном под надземным водохранилищем 7, остается неизменным и соответствует своим максимальным значениям. Чтобы не допустить падения уровня воды в надземном водохранилище 6 до отметок 13 «мертвого» объема, в надземное водохранилище 6 осуществляют подачу воды из подземного водохранилища 5, через шахтный колодец 8 и технологические трубопроводы 9, путем соответствующего управления потоками через затвор 12.