ДРЕНАЖНЫЙ КОЛОДЕЦ-ПОГЛОТИТЕЛЬ ДЛЯ ПРИЕМА И ОТВОДА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
DRAINAGE ABSORBER-WELL FOR RECEIVING AND DISCHARGING SURFACE WATER

Изобретение относится к устройствам для приема и очистки поверхностных вод от взвесей и отвода осветленных вод и может быть использовано в сельском хозяйстве Нечерноземной зоны при осушении тяжелых минеральных почв для отвода поверхностных вод и осушения бессточных понижений, а также при противоэрозионной организации поверхностного стока на катене. При этом поверхность замкнутого бессточного понижения имеет уклон к устройству не меньше 0,005, а водосборная площадь составляет не меньше 3,0 га, но не больше значения эрозионно опасной площади.
Известно, как отмечено в аналоге (Патент RU №2579259 от 10.04.2016), мелиорируемые сельскохозяйственные угодья Нечерноземной зоны характеризуются большой изрезанностью рельефа, что приводит к неравномерному распределению влаги. Эффективность осушения земель в этом случае зависит не только от параметров регулирующей сети, но, главным образом, от организации поверхностного стока. Своевременный отвод поверхностных вод - первоочередное действие, как при осушении минеральных почв, так и при противоэрозионной организации поверхностного стока. Кроме того, следует отметить, такой отрицательный эффект может, происходит и при поливе дождеванием, когда в пониженных местах на водосборной площади происходит заболачивание почвы, как показала практика мелиорируемых сельскохозяйственных угодий, а, значит происходит подъем уровня грунтовых вод, что ведет к увеличению затрат на эксплуатацию, а также снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Известен отстойник, включающий сужающую для сбора наносов приемную отстойную камеру, имеющую наклонное дно, перегородку с окном в нижней части, делящей камеру на две секции, и сбросной коллектор (Авторское свидетельство SU №1350242, Е02В 8/02 от 07.11.1987).
Недостатки известного устройства: периодическая подача воды потребителю по отводящему патрубку, которая периодически прерывается на время промыва отстойника посредством задействования восходящей и нисходящей ветви сифона. В результате в трубопроводах с чистой водой создаются воздушные пробки, снижающие эффективность в работе известного устройства и тем самым затрудняющие водоснабжение, завал выходной восходящей ветви сифона скопленными наносами в конусной части отстойника у окна и естественная кольматация их, что может препятствовать включению в работу сифона (во-первых), и приводит к недостаточности всасывающего усилия сифона для поднятия наносной массы на всю высоту восходящей ветви сифона, т.е. на высоту от входного отверстия сифона вплоть до капора.
Известно устройство для отвода поверхностных вод, включающее заглубленный в почву и имеющий крышку, колодец, сообщающийся с дреной и снабженный расположенными по понижениям поверхности почвы водопроводящими перфорированными трубопроводами, каждый из которых состоит из стационарной части, герметично закрепленной нижним концом в крышке колодца, и съемных секций, присоединенных к стационарной части с возможностью изменения и количества, и длины съемных секций в зависимости от уровня поверхностных вод в понижении (Авторское свидетельство SU №1382909, Е02В 11/00 от 23.03.1988).
Недостатком известного устройства являются высокие затраты на его эксплуатацию из-за значительных затрат ручного труда на обслуживание данного устройства. Кроме того, стенки перфорированного трубопровода перекрываются с защитным кожухом и длина водоотводящего перфорированного трубопровода определяется положением уровнем поверхностных вод в западине, а по мере падения уровня эти съемные секции в ручную отсоединяют, что также ведет к значительным затратам на их обслуживание, при этом существует возможность в процессе эксплуатации, что стенки перфорированного трубопровода с отверстиями перекрываемыми с помощью защитного кожуха будут занесены наносами и мусором, т.е. это может привести к аварийной ситуации.
Известен водоприемник поверхностных вод, включающий заглубленный в пахотный слой корпус с крышкой и водоприемными отверстиями в ней, при этом боковые стенки корпуса выполнены пологими с изменяющимся коэффициентом откоса, а в нижней части корпуса размещен патрубок для отвода воды в дренажную сеть (Авторское свидетельство SU №869790, Е02В 11/00 от 07.10.1981).
Недостатком данного водоприемника является низкая эффективность его работы ввиду поступления в водоотвод загрязненной воды и возникновения опасности его заиливания, и как следствие недолговечность службы водоприемника.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является дренажный колодец-поглотитель для приема и отвода поверхностных вод (Патент RU №2579259, Е02В 11/00 от 10.04.2016).
Недостатком известного дренажного колодца-поглотителя является сложность его эксплуатации. В условиях резкого изменения в процессе поступления поверхностной воды в понижение перед колодцем и заполняя его, с откосов естественного рельефа местности происходит сползание размытого грунта и кольцевое отверстие с погруженным в воду защитным устройством в виде П-образной крышки в верхней части буде занесено смесью грунта и наносов, а это может привести в процессе эксплуатации к аварийной ситуации, так как нижняя П-образной крышки кромка в основном защищает боковые поверхности водоприемных отверстий в случаях, только от плавающего мусора, когда уровень воды буде превышать проем между нижними кромками П-образной крышки и дном понижения у стенок колодца и, как правило, на это дно постепенно происходит кольматация нанесенной смесью грунта и наносов и, его участок перед выпуском воды в камеру, невозможно будет очистить в паводковый период, т.е. исключить очистку естественного дна понижения рельефа невозможно. Таким образом, известный дренажный колодец-поглотитель не позволяет полностью защитить колодец от поступления от взвешенных наносов и, в нем отсутствует промывка отстойной части колодца, где происходит отстаивание воды с выпадением взвешенных и минеральных частиц в осадок. Кроме того, устройство сложно в эксплуатации обслуживания, так как дополнительно требует в замкнутом понижении вблизи стенок колодца на глубину промерзания строительство песчано-гравийной присыпкой, где имеется возможность размыв грунта у стенок колодца, что приведет к аварийной ситуации при большом наполнении понижения (западины).
Задачей создания и техническим результатом является повышение эффективности работы дренажного колодца-поглотителя за счет облегчения смыва взвешенных частиц и минеральных взвесей в сбросной коллектор, а также исключения влияния заиления понижения перед колодцем, находящегося в постоянном контакте с пропуском расходов через колодец-поглотитель.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном дренажном колодце-поглотителя для приема и отвода поверхностных вод, размещенный в замкнутом понижении водосборной площади и включающий корпус с крышкой, водоотвод с защитным устройством перед ним от плавающих взвесей и отстойник в нижней части корпуса с дном ниже водоотвода и сброс воды в колодец посредством отверстия, в котором установлена съемная круглая дырчатая пластина, гасящая энергию воды, падающей в колодец, согласно изобретения, колодец снабжен расположенным над приемной камерой с водоприемным отверстием защитным устройством в виде защитной водопроницаемой металлической решетки куполообразной формы для приема воды, прикрепленной с возможностью подъема к крышке колодца шарниром в виде горизонтальной оси, причем свободный конец металлической решетки куполообразной формы имеет загнутый конец пластины с ручкой и опирается на крышку, а консольные вертикальные перегородки с Г-образными козырьками, полка которых направлена в сторону отстойной закрытой аванкамеры со съемной крышкой, размещены над боковой стенкой камеры, стенка которой выполнена ступенчато пологой откосом с горизонтальным ступенчатым дном, кроме того, отстойная аванкамера соединена с коллектором промывной воды и осадка.
Такое выполнение дренажного колодца-поглотителя позволит в замкнутых понижениях рельефа местности, когда над крышкой колодца обеспечивается очистка воды и защита от засорения сверху с использованием защитного устройства в виде устройства решетки, имеющей куполообразную форму, которая одним концом шарниром закреплена к крышке камеры в месте отвода воды в замкнутом понижении рельефа. А это значит, отсутствует заиление и занесение входа в приемную камеру с расположенной внутри ее съемной круглой дырчатой пластины, гасящей поток, а периодическое удаление отложившихся мелких взвешенных частиц почвы и минеральных взвесей на дне успокоительной отстойной аванкамеры, за счет напорного режима в ней, где имеет место расположение консольных вертикальных перегородок с Г-образными козырьками, полки которых направлены в сторону отстойной закрытой аванкамеры с размещенной боковой ступенчатой пологой стенкой с горизонтальным ступенчатым дном. Одновременно чистая вода через боковое отверстие в верхней части поступает в трубопровод, который соединен своим одним концом снаружи колодца с коллектором аванкамеры промывной воды и осадка. При этом смыв мелких частиц наносов и минеральных взвесей в отстойной аванкамере происходит при минимальном промывном расходе наносов на дне отстойной аванкамеры. В этих случаях, для устранения отложения наносов по длине коллектора в него дополнительно поступает чистая вода, а значит, при открытой задвижке на коллекторе оба потока соединяются в один общий поток. Образующиеся при выпадении осадок мелких наносов перемещается дальше по длине коллектора, не засоряя его, где они дальше удаляются, например, в открытый коллектор. Решетка, выполненная куполообразной форм, обеспечивает сползание плавающего мусора вниз при понижении уровня в замкнутом понижении водосборной площади при отводе воды через решетку и камеру, т.е. обеспечивает надежное проникновение воды в приемную камеру и отстойную аванкамеру. Далее, при открытой задвижки на коллекторе происходит окончательное удаление выпавшего осадка на дно успокоительной отстойной аванкамеры. Объемы приемной камеры и отстойной аванкамеры и площадь живого сечения их различны. В целом это повысить эффективность устройства путем улучшения очистки поступившей (накопленного объема в замкнутом понижении водосборной площади) воды, обеспечит промыв сооружения, сохраняя его чистым от занесения осевших взвесей мелкого фракционного состава наносов. Процесс сезонных накоплений от снега и дождей прекращается в результате отвода поверхностных вод освобождается и поверхность понижения водосборной площади. В это время осматривают сооружение в целом и проводят, если необходимо, чистку от накопившегося плавающего мусора перед решеткой куполообразной формы службой эксплуатации. Если необходимо, то поднимают решетку куполообразной формы, а также очищают и съемную круглую дырчатую пластину в камере колодца, далее решетку куполообразной формы под собственным весом возвращают в исходное положение для дальнейшей эксплуатации сооружения в обычном порядке.
Подобное исполнение конструкции дренажного колодца-поглотителя для приема и отвода поверхностных вод, по мнению автора, ранее не было известно и отвечает критерию «существенные отличия».
На чертеже схематично изображен дренажный колодец-поглотитель для приема и отвода поверхностных вод.
Дренажный колодец-поглотитель для приема и отвода поверхностных вод размещен в замкнутом понижении водосборной площади, имеющем уклон к загубленному в почву колодцу не менее 0,005. В противном случае уклон создают искусственным путем (придание понижению воронкообразной формы, устройство ложбин в виде сходящихся лучей, планировка поверхности), чтобы обеспечит беспрепятственный приток воды к дренажному колодцу-поглотителю. Водосборная площадь составляет не меньше 3,0 га, но не больше значения эрозионной опасной площади.
Колодец включает основную приемную камеру 1 цилиндрической формы, связанную с отстойной успокоительной аванкамерой 2 большего объема с приямком 3, к которому присоединен коллектор 4, имеющий задвижку 5. Боковая стенка камеры 1 выполнена ступенчато пологим откосом 6 с горизонтальным ступенчатым дном 7, над которым к крышке 8 камеры 1 консольно закреплены вертикальные перегородки 9 и 10, в нижней части перегородок 9 и 10 закреплены Г-образные козырьки 11 и 12, полка которых направлена в сторону отстойной аванкамеры 2. Боковая стенка приемной камеры 1 в верхней части выше полок 11 и 12 имеет расположенное выпускное отверстие 13 для перелива чистой воды в трубопровод 14, который снаружи колодца соединен с коллектором 4 грязной воды отвода из отстойной аванкамеры 2. Вертикальные перегородки 9 и 10 приемной камеры 1 закреплены так, между горизонтальными полками 11 и 12 и дном 7 откоса 6 образовано щелевое отверстие для прохода воды из приемной камеры 1 в отстойную аванкамеру 2. На крышке 8 над приемной камерой 1 устанавливают защитное покрытие в виде жесткой металлической решетки 15 куполообразной формы, закрепленной к крышке 8 шарниром 16 в виде горизонтальной оси, а свободный конец имеет загнутый конец пластины 17 с ручкой 18 и опирается на крышку 8, при этом ручка служит для удержания решетки в вертикальном положении и удобства ее обслуживания. Куполообразная решетка 15 может быть изготовлена из арматуры этой решетки черного цвета, или другого прочного современного материала, например, из легкого полиэтиленового материала. Съемная герметичная крышка 19 перекрывает аванкамеру 2 и может быть изготовлена также легкого полиэтиленового материала (пластмассы) черного цвета, хорошо поглощающего солнечные лучи, с заданной прочностью современного материала и размещена на уровне крепления основания крышки 8 и 19 с уклоном для улучшения направления приема и отвода воды в сторону решетку 15 куполообразной формы.
В средней части внутри приемной камеры 1 установлена съемная круглая дырчатая пластина 20, гасящая энергию воды, падающей в камеру 1 через решетку 15 куполообразной формы, и установленной так, чтобы ее можно было легко поднимать вверх и очищать от налипшего осадка частиц почвы. Съемная круглая дырчатая пластина 20 выполнена из пластмассы высокой прочности и опирается на кольцевой выступ 21, которым снабжена внутри приемная камера 1. Крышки 8 и 19 изготовлены из пластмассы черного цвета, и крышка 19 снабжена указателем 22 местоположения колодца. Решетка 15 куполообразной формы благодаря своей формы расположена несколько выше крышки 8, выполняет, кроме своей непосредственной функции - защиты приемной камеры 1 от попадания в нее различных крупных предметов, мусора, дополнительную функцию пропуска большего расхода воды, чем в известном устройстве, в приемную камеру, исключает ее засорение и завала почвогрунтом принесенного с притекающих к ней поверхностных вод. Лазовые скобы в колодце не показаны.
Рабочий объем отстойной аванкамеры 2 устанавливают на прием поступления воды из замкнутого понижения водосборной площади через решетку 15 куполообразной формы в приемную камеру 1. Объем всех камер и площадь живого сечения из различны. Поступление и выпадения мелких взвешенных фракций наносов и минерально взвеси на дно отстойной аванкамеры 2 в процессе их активного смыва при использовании накопившейся воды в отстойной аванкамере и возможной полной очистки ее, возможно, когда сам тракт по длине коллектора дополнительно получает чистую воду (при подаче ее и напоре), поступающую из трубопровода 14 чистой воды. Возможна подача чистой воды непосредственно потребителю в автоматическом режим, например, на орошение, в целом конструкция сооружения проста, в результате чего снижаются затраты на ее обслуживание.
Следовательно, при наличии защитной решетки куполообразной формы, стадия очистки воды проходит в два этапа на соответствующей отметке расположения выпускного отверстия 13 в трубопровод 14 чистой воды, и зависящего уровня воды в отстойной аванкамере 2. Между перегородками 9 и 10 образована зона спокойного состояния воды. Таким образом, даже на период прекращения поступления скопившейся в понижении (западне) воды в отстойную аванкамеру, автоматически (по сравнению с прототипом в ручную) происходит промывка осевшего осадка наносов, далее в коллектор 4, и даже после этого подсыхание почвы вокруг колодца, когда опускается на дно западины понижения) плавающий мусор, по мере сработки уровня воды, надежность эксплуатации защитной решетки в виде куполообразной формы предложенного изобретения всегда будет работоспособна, как и созданная вся конструкция колодца-поглотителя.
Дренажный колодец-поглотитель для приема и отвода поверхностных вод работает следующим образом.
В зимний период замкнутое понижение заносится снегом, колодец находят благодаря указателю 22 его местоположения. Крышки 8 и 19 приемной камеры 1 и аванкамеры 19, изготовленные из пластмассы черного цвета, как и изготовление самой защитной решетки из металлических черных стержней куполообразной формы, хорошо поглощаю солнечные лучи. В результате, в первую очередь форма самой защитной решетки позволяет растаивать снегу сверху в результате яркого освещения лучами солнца, а уже затем наступает период таяние снега и льда вокруг колодца (в сравнении с прототипом), т.е. конструкция решетки 15 куполообразной формы и притекающих к ней поверхностных вод готова к приему заранее поверхностных вод.
После выпадения обильных дождевых осадков или таяния снега поверхностная вода с плавающим мусором и влекомыми предметами, частицами почвогрунта поступает в понижение перед выступающей над крышкой 8 камеры 1 защитной решетки 15 куполообразной формы, а значит, колодец-поглотитель при заполнении, не зависимо от уровня перед ним над крышками 8 и 19, решетка 15 изменяет направление движения воды по высоте и, проникая через отверстия решетки 15, поступает непосредственно через проем в крышке 8 в камеру 1, далее вода поступает на съемную круглую дырчатую пластину 20 и гасится падающий поток воды. Решетка 15, выполненная куполообразной формы, обеспечивает сползание плавающего мусора вниз при сработке уровня воды перед ней, т.е. обеспечивает надежное проникновение воды в приемную камеру 1, далее вода, поступая через отверстия дырчатой пластины 20, попадает в начале своего падения на боковую стенку камеры 1, выполненную пологим откосом 6 с горизонтальным ступенчатым дном 7 над расположенными Г-образными козырьками 11 и 12, прикрепленных к перегородкам 9 и 10, попадает в приямок 3 отстойной аванкамеры 2, в которой накапливается осадок взвешенных наносов и минеральной смеси. Задвижка 5 на коллекторе 4 в этот момент закрыта.
Вода поднимается по всему круговому сечению внутри колодца и достигает выпускного отверстия 13 в боковой стенке камеры 1, и чистая вода перетекает в трубопровод 14, который соединен с коллектором 4 с наружной стороны колодца (чистую воду можно будет подавать также и потребителю по назначению).
В случае накопления определенного объема осевших взвесей мелких наносов и минеральной смеси в отстойной аванкамере 2 и происходит повышение в ней уровня воды, открывают задвижку 5 на коллекторе 4, приямок 3 начинается освобождаться от осевшего осадка наносов в автоматическом режиме, выпуск происходит с малым промывным расходом, а благодаря наличию поступлению чистой воды в коллектор 4 после открытия задвижки 5, дополнительно происходит разбавление наносов чистой водой и гидравлическая структура движения наносов улучшается по длине тракта коллектора 4, т.е. промывная гидравлическая скорость в коллекторе увеличивается на сброс, например, в сторону открытого сборного коллектора (не показан). Работа происходит в автоматическом режиме благодаря предложенной связи приемной камеры 1 и отстойной аванкамеры 2. Это способствует защите колодца-поглотителя от заиления и подпора выпавшего осадка, а также при отсутствии попадания в него мусора, а сам напор в отстойной аванкамере 2 обеспечивает ее промыв, сохраняя его чистым вместе с работой коллектора 3. Процесс сезонных дождей прекращается, как и таяние снега. В это время находят сооружение благодаря указателя 22, осматривают сооружение и проводят, если необходимо очистку решетки 15 куполообразной формы и съемной круглой дырчатой пластины 20. Защитное устройство в виде решетки 15 куполообразной формы и крышки 8 и 19 изготовлены из облегченного черного материала, имеют небольшую массу и не требуют значительных усилий по эксплуатации дренажного колодца-поглотителя. Так как крышки колодца-поглотителя находятся на одном уровне дна западины (понижения) и устроены с наклоном в сторону основания защитной решетки куполообразной формы, то не требуется дополнительно строить и делать подмыв стенок колодца наличием присыпки с трубой, как это выполнено дополнительно по прототипу для понижения гравитационной воды через почвогрунт (усложняет устройство), т.е. предложенное изобретение упрощает сооружение в целом, объединяет в одном технологическом цикле двухэтапной очистки воды при отводе из западни поверхностной воды.
Таким образом, на холмисто-западинном рельефе местности, в частности на тяжелых почвах предложено новое техническое решение, которое решает сразу несколько задач, а именно, устройство дренажного колодца-поглотителя соединенного сбросным коллектором по длине и его постоянной промывки, что отличает от прототипа. Поскольку земли являются с тяжелым механическим составом, а это тесно связано с причинами, вызывающими переувлажнение почвы, таяния, водный режим, физико-химические свойства и морфологический состав слабоводопроницаемых почв, режим влажности на них, который формируется в основном под влиянием метеоусловий. Следует учитывать, слабоводопроницаемые почвы обладают высокой аккумулирующей способностью, при этом это относится и к эрозионно опасным почвам.
По глубине литологического разреза структура слабопроницаемых почв содержит сеть из сплошных и тупиковых капилляров, поровых ходов и пронизана корнями растений. После выпадения интенсивных осадков все поры верхнего слоя почвы заполнены водой. Имея низкий коэффициент фильтрации, миграция гравитационной воды в нижние слои затруднена, а осадки застаиваются на поверхности в виде луж. В период без осадков происходит просыхание верхнего слоя почвы. Поры грунта заполняются воздухом. Это связано будет с работой цикличности действия дренажа, а значит, коллектор необходимо промывать от осадков почвы, что и выполняет предложенное устройство в целом, т.к. коллектора еще связаны и с проводящей дренажной сетью. Поскольку многие земли являются пахотными, то количество сооружений на них должно быть минимально необходимым, чтобы не затруднять проход сельскохозяйственной техники.
В связи с этим, для достижения оптимизации требуемого водного режима корнеобитаемого слоя на слабопроницаемых почвах следует применять закрытый дренаж с дополнительными мероприятиями: устройство дренажных колодцев-поглотителей различных конструкций с применением современных материалов, в том числе учитывать структуру почвогрунта и применения дренажа, что служат для создания гидравлической связи переувлажненного пахотного слоя с устройством предложенного нового сооружения для дополнительного отвода излишков влаги в период после осадков.
Следует учитывать, что на таких сельскохозяйственных землях для исключения кольматации мельчайшими частицами грунта из пахотного горизонта верхней части фильтрующей засыпки с дренами, проводят один раз в 3-5 лет кротование либо щелевание почвы поперек дренажных линий с переменной глубиной, а этот прием служит также для повышения аэрации почвы в засушливый период и для дополнительного отвода излишков воды в период после осадков. Здесь следует учитывать, что прохождение тяжелой техники вызывает уплотнение грунта и негативно сказывается на его фильтрационных свойствах. На избыточно уплотненной почве дренажные системы работают менее эффективно, поскольку уменьшается объем пористости в грунте, и тогда в работу вступает предложенный новый дренажный колодец-поглотитель, а значит и его эффективность повышается установкой предложенного сооружения, соединенного сбросным коллектором с проводящей сетью для достижения оптимизации требуемого водного режима корнеобитаемого слоя на слабопроницаемых почвах.
Оригинальность предложенного сооружения дренажного колодца-поглотителя заключается в создании условий для простой и надежной работы колодца-поглотителя со сбросным коллектором за счет упрощения его составных элементов по сравнению с прототипом, позволяет обеспечить не только своевременный отвод поверхностной воды из понижений через колодец с отводящей трубой чистой воды, но и промывать сам сбросной коллектор от осадка, поступающего из аванкамеры, все это повышает эксплуатационную надежность. Очищенную воду можно использовать и другим потребителем.