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

Изобретение относится к водоснабжению из подземных источников и касается сооружений для забора подземных родниковых вод, а также выходящих на поверхность подземных вод в зонах их разгрузок, используемых в плановых целях.
В общем случае следует отметить, что преимущественно используются поверхностные источники воды более 70% и только около 30% падает на подземные воды.
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, способствуют 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 самотечная труба, по которой вода поступает в резервуар или непосредственно к потребителю. Каптажное сооружение должно быть защищено от попадания в него поверхностных вод и загрязнений.
Схему каптажного сооружения для приема нисходящего родника (как это будет показано ниже в предложенном изобретении), 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 перепускается в смотровую секцию емкости, а затем, с помощью регулирующих сооружений, в сточную (отводящую) трубу. Для периодической промывки резервуара на дне его должно устраиваться отверстие, сообщающееся 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).
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. Ε02В 3/08 от 28.02.1986).
Недостатком этого устройства является то, что оно не может использоваться на водных объектах при изменении их состояния, в частности при большой скорости истечения из щели и в период максимального притока воды в резервуар, что требует дополнительных затрат на оборудование водоприемного резервуара и существенно увеличивает размеры водоприемного резервуара. Другим недостатком является то, что оно сложно конструктивно и, как следствие, сложное в эксплуатации. Из-за возможности попадания вместе с водой взвешенных частиц в засасываемый насос неизбежно возникают поломки насоса, что не обеспечивает достаточную надежность устройства. Кроме того, грунтовые частицы попадают в родниковую воду, собираемую в наливном баке, не обеспечивая необходимое качество чистоты родниковой воды. Устройство нарушает экологическую гармонию с природным источником подземной воды.
Известно водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников, оборудованное в виде берегового водозабора, содержащее водоприемную камеру с водоприемными окнами, всасывающую камеру с насосами первого подъема, при этом водоприемное сооружение выполнено в виде поплавка с воздушной камерой в нижней части водоприемного сооружения и крепится к вертикальным направляющим опорам с помощью кольцевых муфт (патент RU №2364680, кл. Ε02В 9/04, Ε03В 3/04 от 27.12.2008).
Однако, хотя известный аналог относительно простой и водоприемная камера и всасывающая камера выполнены в виде поплавка и обеспечивают возможность использовать разные ярусы наполнения перед камерой, сооружение неприемлемо для каптажа родниковых вод в целом, хотя отдельные элементы, такие как поплавок и перепускные окна, присутствуют. Оно не обеспечивает и высокое качество воды из-за попадания взвешенных частиц в камеру, нарушает экологическую гармонию с природной средой при добыче воды.
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, кл. Ε02В 3/00 от 27.12.2010).
Однако такое гидротехническое сооружение предложено для схемы восходящих родников, устраиваемых каптажное сооружение цилиндрической формы без дна, поскольку прием родниковых вод осуществляется непосредственно снизу, где вода достаточно погашена напором воды, поступающим в первый резервуар. Устройство не приемлемо для схемы каптажного сооружения для приема нисходящего родника, высота которого сказывает заметное волнение на водную поверхность в резервуаре. Кроме того, оно не может контролировать как верхний, так и нижний уровень между резервуарами, а значит, снижает эффективность и надежность в работе, при этом в процессе эксплуатации не представляется возможность точного гибкого регулирования гашения воды при изменяющихся расходах из родниковых вод по высоте относительно второй рабочей емкости и дополнительного резервуара. В таких устройствах появляются волновые явления, т.е. автоматическое регулирование величины напора не выполняется. Такое сооружение не может обеспечить автоматическое закрытие сточного трубопровода и возможность накопления родниковой воды в резервуарах. Кроме того, оно требует дополнительных высотных емкостей, использующих насосы, а следовательно, и подвод электроэнергии к устройству. Следующим недостатком является большая металлоемкость и сложность в целом сооружения, что ограничивает его применение для каптажного сооружения для приема вод из родника, представляющего собой лучевой водозабор.
Технический результат направлен на повышение дебита и регулирования потребления родниковой воды подрусловых и подземных вод в работе путем поддержания заданного перепада между уровнями воды резервуара и камеры.
Технический результат достигается тем, что гидравлическое сооружение для приема воды из родника, содержащее резервуар, фильтр, имеющий засыпку, емкость для сбора и расхода воды и 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 ломанной  внешней стенкой, в которой размещен поплавковый привод с клапаном, при этом резервуар выполнен с подпорными сооружениями в виде Г-образных лабиринтных перегородок, при этом дно успокоительной камеры выполнено выходным порогом, снабженным в верхней части горизонтальной полкой.
Кроме того, сточный трубопровод снабжен регулирующей задвижкой.
Кроме того, в нижней части дна резервуара выполнено выпускное отверстие, снабженное сбросной трубкой с вентилем.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленное сооружение экологически чисто и при устранении указанных недостатков за счет конструкции, которая позволяет выполнить схему каптажного сооружения для приема нисходящего родника. Резервуар, который выполнен с подпорными сооружениями в виде Г-образных лабиринтных перегородок, позволяет устранить волновые явления на входе в емкость, выполненную успокоительной камерой. Выделение успокоительной камеры с поплавковым приводом от резервуара лабиринтными перегородками, установка горизонтальной полки водопропускного отверстия обеспечивают его разделение на секции. Процесс отвода родниковой воды потребителю будет продолжаться интервалами между подачей в сточный трубопровод, что позволит в случае необходимости поддерживать в автоматическом режиме уровень воды в успокоительной камере и в резервуаре, уровень воды в резервуаре затоплен. В успокоительной камере устанавливается уровень, регулируемый поплавком, связанный посредством рычага с клапаном, а вариант выполнения регулирующей задвижки на сточном трубопроводе является в виде вставки для задания уровня воды в камере.
Успокоительная камера с дополнительным поплавковым приводом позволяет обеспечить поддержание уровней в резервуаре в зависимости от расходов воды, поступающей из родника, и автоматическое открытие при проведении сработки камеры. Когда уровень в резервуаре снижается, вместе с ним опускается поплавок в успокоительной камере. При опускании поплавка опускается и открывающийся рычаг, который связан с клапаном, последний закрывает выпускное отверстие трубы, в которую втекает родниковая вода. Если к этому моменту приток родниковой воды в резервуаре гашения будет равен расходу воды из камеры, то горизонт воды в резервуаре будет оставаться на одном и том же уровне, а лабиринтные Г-образные перегородки отделяют и увеличивают расстояние между поплавком, а также между собой вход родниковой воды из водоприемного отверстия от остальных частей сооружения, в том числе и от успокоительной камеры с поплавковым приводом. Все это увеличивает точность регулирования и надежность работы каптажного сооружения. В конечном итоге улучшаются динамические характеристики гидротехнического сооружения. Необходимая разность высот уровня родниковой воды в резервуаре и в успокоительной камере может поддерживаться и по варианту за счет регулирующей задвижки на сточном трубопроводе на уровне, позволяющем управлять клапаном с поплавком и поднять уровень в резервуаре, образующийся при падении родниковой воды и истечения через выпускной оголовок трубы, а также образованием уровней родниковой воды в частях сооружения между лабиринтными Г-образными перегородками.
Таким образом, оборудование гидротехнического сооружения для приема воды из родников, оборудованное в качестве каптажного сооружения для приема вод из родников, где резервуар и успокоительная камера с поплавковым приводом обеспечивают возможность использования яруса водопропускного отверстия, что повышает эксплуатационные качества сооружения, позволяет существенно снизить металлоемкость и уменьшить размеры всего сооружения, за счет поддержания в автоматическом режиме работы каптажного сооружения для приема родниковых вод в резервуаре отсутствуют затраты электроэнергии на перекачку родниковой воды при эксплуатации сооружения, при заборе воды на установившихся отметках в резервуаре и успокоительной камере (емкости) уменьшаются волновые явления, отсутствует поступление количество мелких наносов в успокоительной камере, смыв которых можно производить через трубку на дне резервуара, что повышает надежность работы. Устройство в целом по сравнению с известными решениями не только позволяет увеличить дебит и полноту сбора родниковых вод, но и сохраняет и регулирует во времени распределение и потребление их.
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 - каптажем родников.
Сооружение для приема воды из родника содержит водоприемный резервуар 1. Передняя секция служит для приема и сбора воды. Водоприемный резервуар 1 со стороны протекающих родниковых вод содержит водоносный пласт 2 с обратным фильтром 3 с водоприемным отверстием 4 (щель).
Водоприемное отверстие 4 снаружи прикрыто крупными булыжными камнями, а затем мелким гравием и песком для защиты от попадания наносов. Сверху резервуара 1 выполняют глиняный замок 5. Слой 6 крупного булыжного камня выполняют необходимой высоты вокруг резервуара 1, 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 надежной защиты от разрушения сооружения.
Успокоительная камера (емкость) 7 содержит ломанную внешнюю стенку 8 с вертикальной стенкой 9 резервуара 1. Нижняя центральная часть ломанной стенки 8 в камере 7 выполнена отверстием 10 и включает седло с клапаном 11 на шарнире 12. К клапану 11 прикреплен открывающий рычаг 13, к которому в свою очередь крепится поплавок 14, подвешенный на удерживающей гибкой тяге 15. Поплавок 14 от бокового смещения в области выходной воды из отверстия 10 снабжен консольной перегородкой 16, нижний конец которой снабжен полкой 17. Сама успокоительная камера 6 выведена из резервуара 1 и ограничена лабиринтными Г-образными перегородками 16 и 18, перекрытие стенок которых снижает придонные скорости перед камерой 7. Камера имеет выходной порог в виде стенки 9 с горизонтальной полкой 19. Сточная труба 20 снабжена регулирующей задвижкой 21.
Резервуар 1 имеет в стенке 9 у дна отверстие 22, сообщающееся с промывной трубкой 23 с вентилем 24, и сверху имеет вентиляционную трубу 25, и камера 7 имеет люк 26 для спуска обслуживающего персонала для настройки поплавкового привода и осмотра камеры.
Работает гидротехническое сооружение для приема воды из родника следующим образом.
Родниковая вода поступает из водоносного пласта 2 в водоприемное отверстие 4, далее сливается в резервуар 1 и накапливается в нем. Окончательно поверхность родниковой воды успокаивается в камере 7 перед отверстием 10, перекрываемым клапаном 11, и которая поступает в камеру 7. Таким образом, поступившая родниковая вода заполняет резервуар 1, проходит через лабиринтные Г-образные перегородки 16 и 18, растекается по всей ширине резервуара 1, заполняет его по высоте. При этом между Г-образными перегородками и дном резервуара 1 происходят изменения направлений движения воды, это создает благоприятные условия для выравнивания удельных расходов между Г-образными перегородками по всей ширине резервуара. Пройдя Г-образные перегородки 16 и 18, поток воды попадает в камеру 7, образованную выходным порогом в виде вертикальной стенки 9 с горизонтальной полкой 19, в результате уровень воды в камере 7 стабилизируется, следовательно, отводящая родниковая вода стабилизируется в сточной трубе 20 с высокой степенью точности и быстродействия работы, так в камере 7 исчезает волновой процесс поверхности воды. Наступает динамическое равновесие. В случае поднятия воды в камеру 7 до уровня, когда подъемная сила поплавка 14 становится равной или больше давления столба на клапан 11, выталкивающая сила воды, действующая на поплавок 14, поднимает клапан 11 на большее открытие, следовательно, уровень воды в камере 7 выравнивается, а часть воды отводится по сточной трубе 20 с задвижкой 21 для подачи родниковой воды потребителю. При таком сдерживании разгрузки родниковой воды в резервуаре 1 будет иметь место сохранения запаса ее в камере 7 и позволяет увеличить их дебит из водоносного пласта 2 без угрозы затопления резервуара 1. Такой режим поступления родниковой воды из водоносного пласта позволит обеспечить постоянную работу сооружения в автоматическом режиме по забору подземной родниковой воды.
По мере эксплуатации сооружения и необходимости плановых и неплановых чисток резервуара 1 открывают вентиль 24 промывной трубы 23 и производят смыв накопившихся наносов со дна резервуара, при этом сама камера 7 всегда остается чистой, обеспечивая высокое качество чистоты родниковой воды и экологической гармонии с природной средой. Кроме того, забор подземной родниковой воды способствует решению задачи уменьшения потерь пресной воды и, наконец, позволит организовать экологически устойчивую систему с регулированием воды.
При поступлении родниковой воды в резервуар с образованием лабиринтными Г-образными перегородками снижаются придонные скорости и создается поверхностный характер движения воды, улучая гидравлические условия работы успокоительной емкости с поплавком, связанным с клапаном для автоматического регулирования уровня.
Вследствие взаимной гидравлической связи поплавкового привода, емкости, клапанного затвора, Г-образных перегородок, горизонтальной полки на входном пороге повышается эффективность и надежность работы сооружения, улучшается равномерность распределения удельных расходов по ширине резервуара в переходных режимах поступления родниковой воды из водоносного пласта для различного расхода, простота сооружения для приема воды из родника.