ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ СИФОННОГО ВОДООТВОДА ПОДЗЕМНОЙ РОДНИКОВОЙ ВОДЫ
HYDRAULIC ENGINEERING STRUCTURE FOR SIPHONIC DRAINAGE OF UNDERGROUND SPRING WATER

Изобретение относится к водоснабжению из подземных источников и касается, в частности, сооружений для забора подземных родниковых вод, используемых в питьевых целях, и регенерации фильтрующего элемента в системе забора воды.
В тех случаях, когда необходимо значительно увеличить приток родниковой воды из подземных источников в резервуар, в котором отсутствует дно и заменено на донный фильтр, используют систему сифонного водоотвода. В процессе работы резервуара на его дне скапливается слой различных сульфидных природных соединений, различающихся по своей структуре осадка, выделяющегося из воды. Наличие такого осадка может стать причиной кольматации верхнего слоя фильтрующего элемента и, как следствие, уменьшения поступления родниковой воды в резервуар, поэтому для обеспечения бесперебойной работы резервуара в системе такого водоотвода необходимо предусматривать наличие устройства для автоматического или непрерывного удаления таких отложений (разрыхление) дна резервуара без перерыва отвода воды из резервуаров.
Известно устройство для забора воды, включающее водоподъемную и обсадную трубы, насос и емкость для сбора воды, камеру, размещенную в обсадной трубе выше максимального уровня воды в скважине, емкость расхода воды, размещенную под емкостью сбора воды, причем корпус насоса размещен в камере, а нагнетательный патрубок насоса соединен с водоподъемной трубой выше камеры (авторское свидетельство SU №653361, кл. E03B 5/04, от 25.03.1979).
Известное устройство характеризуется достаточной сложностью конструкции, возможны попадания взвешенных частиц в насос, что неизбежно приводит его к выходу из строя, а соответственно, не обеспечивается и высокое качество воды из-за попадания взвешенных частиц в последнюю. Кроме того, устройство не обеспечивает постоянный забор воды, нарушает экологическую гармонию с природной средой при добыче воды.
Известно устройство для забора подземных вод, содержащее резервуар с фильтром, перекрытием и датчиком уровня воды, насос для откачки воды, наливной бак для сбора родниковой воды, систему трубопроводов, смонтированный на перекрытии золотниковый механизм, установленный с возможностью сообщения полости резервуара с атмосферой и соединенный с программным блоком, связанным с датчиком уровня и насосом (авторское свидетельство SU №1214860, кл. E02B 3/08, от 28.02.1986).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции и самой эксплуатации. Возможность попадания вместе с водой взвешенных грунтовых частиц в засасывающий насос неизбежно вызывает поломки насоса, что не обеспечивает достаточную надежность устройства. Кроме того, грунтовые частицы попадают в родниковую воду, собираемую в наливном баке, не обеспечивая необходимое количество чистой родниковой воды. Устройство нарушает экологическую гармонию с природным источником подземной воды.
Наиболее близким к изобретению является 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, оно дополнительно снабжено вторым 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 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, кл E03B 3/00, от 27.12.1010).
Недостатком известного сооружения является то, что поступление воды из первого во второй резервуары, независимо от гидрологического режима подземного источника, проходит постоянно в замедленном положении, что приводит к повышению плотного слоя отложений различного рода растворимых примесей в родниковой воде, например сульфидных природных соединений, обладающих в спокойной воде возможностью выпадения их на поверхность фильтрующего элемента осадка, что приводит к кольматации пористого фильтра и снижает его пропускную способность. Указанные обстоятельства не позволяют увеличить дебит воды в первом резервуаре для приема воды, присущих химических элементов, содержащихся в родниковой воде, так и осаждающихся в верхней части фильтра. Таким образом, не обеспечивается разрушение плотного слоя отложений, а также последующий отвод из второго резервуара (т.е. относительно невысокие скорости не обеспечивают качественную очистку дна и не предотвращают его заохривания). Следующим существенным недостатком является то, что по мере эксплуатации сооружения возникает необходимость плановых и неплановых чисток резервуаров, для этого необходимо проводить трудоемкие ручные работы, такие, например, как снятие крышек (люков), и проводить в ручную чистку фильтра и дна резервуаров, что отмечают и сами авторы изобретения, взятого нами за аналог (прототип). Кроме того, расчет высотного расположения разноуровневых труб достаточно сложен, а резервный резервуар усложняет конструкцию в целом рабочего резервуара. При этом необходимо соблюдение правил безопасности экологической гармонии с природным источником подземной воды. Кроме того, в первом случае необходимо сохранить весь спектр состава родниковой воды, во втором необходимо увеличить дебит поступления воды в первый резервуар и сохранить условия подачи потребителю.
Технический результат направлен на расширение области применения при повышении надежности работы донного фильтра, независимо от гидрологического режима подземных вод.
Технический результат достигается тем, что гидротехническое сооружение для сифонного водоотвода подземных родниковых вод, содержащее установленный в водоносном пласту резервуар с донным фильтром, имеющим засыпку, определителем уровня воды, насос с всасывающим шлангом для откачивания подземной воды, емкость для сбора расхода родниковой воды, сообщенную с всасывающим шлангом насоса, систему трубопроводов, при этом дополнительно снабжено вторым рабочим резервуаром, сообщенным с первым резервуаром, причем всасывающий шланг насоса размещен во втором резервуаре, оснащенным средствами в виде сточной трубы, обеспечивающими свободное перетекание подземной воды в природный водоем, оба рабочих резервуара расположены в последовательном порядке и снабжены гидроизоляционным слоем необходимой высоты, расположенным вокруг каждого резервуара, оно дополнительно снабжено рабочим сифоном, сообщающим первый и второй резервуары, при этом колено сифона выполнено не выше верхней стенки первого резервуара, соответствующей критическому накоплению родниковой воды, в котором расположен донный фильтр, а входной оголовок сточной трубы выполнен в виде, по крайней мере, козырька над трубой.
Кроме того, сифон снабжен обратным клапаном со стороны колена сифона в его наивысшей точке и соединен с воздушной трубкой, проходящей через отверстие в крышке первого резервуара.
Применение рабочего сифона и каптажного сооружения с конструкцией донного фильтра позволит избежать дефицита поступления подземной родниковой воды в резервуар, так как повысится пористость донного фильтра за счет обеспечения разрушения уплотненного слоя отложений на внешней поверхности донного фильтра. Конструкция сооружения позволяет повысить надежность и эффективность удаления осевших отложений различного рода растворимых примесей в подземной родниковой воде.
Скорость втекания и вытекания воды через сифон зависит от размеров его ветвей (параметров труб). Гидравлическая структура втекающей в сифон воды организуется высотным расположением колена сифона и его зарядкой полным поперечным сечением с максимальной подачей воды через сифон во второй резервуар. Одновременно увеличивается приток воды снизу к донному фильтру из подземного напорного потока родниковой воды. После практически полной подачи (отвода) воды из первого резервуара во второй резервуар затем весь цикл вновь повторяется. Процесс подачи воды потребителю будет продолжаться интервалами между подачей в сточный трубопровод и соответственно наполнением первого резервуара до критической отметки (расчетной) расположения по высоте колена сифона (геометрические параметры сифона могут быть конструктивно с малыми размерами и зависят только от дебита накопления в первом резервуаре при поступлении подземной напорной родниковой воды), т.е. соответственно, и частота его сработок будет зависеть от времени заполнения резервуара.
Пройдя во второй резервуар, вода с восстановившейся структурой вертикального распределения поступает в сточную трубу, при этом над входным оголовком трубы установлен козырек в виде срезанной под углом трубы. Такое выполнение оголовка трубы не требует противовихревого устройства, так как он значительно уменьшает искривление струй втекающих в трубу, а следовательно, сжатие потока на входе и при определенном напоре труба «самозаряжается», начинает работать полным сечением. Козырек прост и выполнен по форме трубы небольших размеров, поэтому устройство его легче и дешевле, чем установка специальных устройств. Родниковая вода поступает потребителю.
Возникшее в первом резервуаре с началом подачи воды во второй резервуар разежение перекрывает обратный клапан, и при полном сбросе воды из первого резервуара увеличивается приток воды через донный фильтр из подземного напорного потока родниковой воды, ускоряя процесс заполнения первого резервуара.
Эксплуатация устройства проста и надежна и вписывается в размеры гидротехнического сооружения сифонного водоотвода подземных родниковых вод.
Автором не выявлены технические решения с признаками, сходными с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, следовательно, заявленное решение отвечает критерию «существенные отличия».
На чертеже представлена принципиальная схема гидротехнического сооружения для сифонного водоотвода подземной родниковой воды.
к
тр.
тр.
Гидротехническое сооружение сифонного водоотвода подземной родниковой воды включает в себя водоносный пласт 1, резервуар 2 с донным фильтром 3, имеющим засыпку 4, и определителем 5 уровня воды 6 в резервуаре 2, насос 7 с всасывающим шлангом 8 для откачивания воды, емкость 9 для сбора и расхода родниковой воды, сообщенную с всасывающим шлангом 8 насоса 7. В сооружение входит второй рабочий 10 резервуар. В первом резервуаре 2 размещен сифон 11, сообщенный со вторым рабочим резервуаром 10, и обратный клапан 12 с воздушной трубкой 13, проходящей через отверстие в крышке 14 резервуара 2. Второй резервуар 10 сообщен посредством сточной трубы 15, оголовок 16 которой снабжен козырьком 17. Козырек 17 устраивается в виде полукруга сечения круглой трубы 15. Для обеспечения круглой сточной трубы 15 для работы полным сечением достаточно иметь козырек длиной l=0,25 d (где d - диаметр трубы), расположенный в плоскости к входному оголовку 16 сверху. Резервуары 2 и 10 установлены в вырытом котловане и снабжены крышками 18, 19, 20. В крышке 18 первого резервуара 2 выполнено отверстие для прохождения определителя 5 уровня воды 6. В крышке 19 второго рабочего резервуара 10 выполнено отверстие для размещения всасывающего шланга 8 насоса 7. Насос 7 установлен на поверхности земли.
В крышке 14 первого резервуара 2 выполнено отверстие с трубкой 13 для прохождения воздуха срыва вакуума и прекращения движения воды через сифон 11 с обратным клапаном 12, что вызывает импульсное повышение давления, клапан закрывается. Это обеспечит его работу полным сечением.
Засыпка 4 представляет собой гравий разного размера. Нижний слой состоит из гравия крупного размера, промежуточный слой из гравия среднего размера, верхний слой - из гравия мелкого размера. Резервуары снабжены снаружи гидроизоляционным слоем 21 необходимой высоты. Донный фильтр 3 резервуара 2 выполнен сверху в виде пластины 22.
Гидротехническое сооружение для сифонного водоотвода подземной родниковой воды работает следующим образом.
В районе источника подземной родниковой воды с вырытым котлованом последовательно устанавливают рабочие 2 и 10 резервуары. Фильтр 3 устанавливается в водоносном пласту 1. Фильтрующая родниковая вода поступает в первый рабочий 2 резервуар и заполняет его до критического уровня воды 6 и сифон 11, колено которого расположено на отметке, соответствующей заданному положению критического уровня воды 6 в резервуаре 2, вытесняя в сифоне воздух через клапан 12. При достижении в первом резервуаре 2 уровнем воды соответствующего критического положения размещения выше колена и заполнении сифона 11 сифон резко срабатывает и подает (сбрасывает) воду в рабочий 10 резервуар, последний быстро наполняется. Сработка сифона 11 повышает скорость в восходящей и в нисходящей ветвях труб, что способствует интенсивному выносу отложений с пластины 22 фильтра 3, предотвращает заохривания донного фильтра 3 и самой пластины 22.
Расположение колена сифона 11 на отметке, соответствующей критическому положению уровня воды 6 в рабочем 2 резервуаре, обеспечивает тем самым работу сифона 11 полным сечением на подачу в рабочий 10 резервуар, уровень в котором резко возрастает во времени его заполнения. В результате этого, при наличии сифона 11 подача воды во второй резервуар 10 происходит только при заполнении первого резервуара 2 в зависимости от скорости его заполнения и напора подземной родниковой воды при поступлении через фильтр 3 с пластиной 22, которые сверху очищены от осадка, т.е. передвижение подземной родниковой воды происходит постоянно без препятствий. Это приводит и к повышению скорости циклов работы сифона 11, резко повышается подача воды из первого рабочего 2 резервуара во второй рабочий 10 резервуар с одновременной очисткой от осевших природных химических компонентов растворимых примесей, увеличивая водоприток через донный фильтр 3 с пластиной 22. При этом ускоряется и процесс заполнения второго рабочего 10 резервуара.
Вследствие этого работа сифона 11 оказывает воздействие с внутренней стороны фильтрующего элемента и разрушает уплотненный слой отложений в виде химических компонентов, имеющихся в родниковой воде и осевших на пластине 22 и фильтре 3. Затем весь цикл работы повторяется.
Следует отметить, что в прототипе по мере эксплуатации сооружения возникает частая необходимость неплановой чистки резервуаров 2 и 10, для чего необходимо снимать тяжелые съемные крышки (люки) 18, 19, 20 и производить чистку каждого резервуара 2 и 10 и дополнительного резервуара. Соответственного, с целью обеспечения необходимого качества чистоты забираемой воды (см. прототип, с. 6, абзац 10 сверху).
к
тр.
Забираемая к потребителю вода может поступать в природный водоем. Наличие козырька 17 по форме оголовка 16 и его расположение к верхней образующей трубы 15 значительно увеличивает коэффициент расхода, следовательно, пропускная способность напорной трубы со смываемыми отложениями увеличивается. Круглая труба 15 работает полным сечением (длина козырька не менее l=0,25 d). Устройство козырька легче и дешевле, чем если бы вместо него вводили какое-либо противовихревое устройство. За сточной трубой 15 находится природный водоем для водоснабжения потребителя очищенной воды.
Скорость течения в ветвях труб сифона 11 позволяет потоку проходить больший расход для подачи воды во второй резервуар 10 и далее потребителю. Скорость течения воды в зоне первого резервуара 2 увеличивается и происходит его быстрое заполнение чрез очищенный фильтр 3 с пластиной 22.
Таким образом, создаются условия для очистки поверхности фильтра, заключающиеся в обеспечении всех видов чистки закрытых резервуаров 2 и 10 в автоматическом режиме при взаимном расположении сифона 11, а также резервуаров 2 и 10 разных геометрических размеров в вертикальной и горизонтальной плоскостях с эффектом гашения только в конце второго резервуара 10 перед трубой 15 и вновь увеличения скорости течения в самой сточной трубе 15, т.е. за счет разности общего напора (Н), соответственно, разности линейных высотных размеров резервуаров 2 и 10.
Таким образом, применение изобретения позволит снизить ручные трудоемкие работы и затраты на чистку фильтра за счет разрушения уплотненного слоя осевших отложений на поверхность фильтра и каждого резервуара в отдельности, т.е. происходит самоочистка током воды, что обеспечит высокое качество большего объема заполнения родниковой воды и повысит дебит поступления воды потребителю.
Простота конструкции предлагаемого сооружения сифонного водоотвода и низкая стоимость составляющих его частей позволяет использовать гидротехническое сооружение для забора подземной родниковой воды, имеющее достаточную величину перепада уровней в последовательно расположенных резервуарах, и повысить надежность и стабильность работы донного фильтра.