ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ ПРИЕМА ВОДЫ ИЗ РОДНИКА Российский патент 2016 года по МПК E02B9/04 E03B3/00 

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.

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. Гидротехническое сооружение для приема воды из родника содержит установленный в водоносном пласту 2 резервуар 1 с обратным фильтром 3 и водоприемным отверстием 4. Вокруг резервуара 1 расположен гидроизоляционный слой 6 необходимой высоты. Сверху резервуара 1 выполнен глиняный замок 5. Резервуар 1 содержит лабиринтные перегородки 16, 18. Концевой участок резервуара 1 имеет секцию, выполненную успокоительной камерой 7 с выходным порогом 9 с горизонтальной полкой 19. Успокоительная камера 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. Сточный трубопровод 20 снабжен регулировочной задвижкой 21. Успокоительная камера 7 выведена из резервуара 1 и ограничена лабиринтными Г-образными перегородками 16, 18, перекрытие стенок которых снижает придонные скорости перед камерой 7. Поток воды, проходя лабиринтные перегородки 16, 18, изменяет направление движения воды, это создает благоприятные условия для выравнивания удельных расходов по ширине резервуара. В результате уровень воды в камере стабилизируется, исчезает волновой процесс поверхности воды. Такой режим поступления родниковой воды из водоносного пласта позволит обеспечить постоянную работу сооружения в автоматическом режиме по забору подземной родниковой воды. Обеспечивается повышение эффективности 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. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидротехническое сооружение для приема воды из родника, содержащее 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, отличающееся тем, что 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.

2. Гидротехническое сооружение по п.1, отличающееся тем, что сточный трубопровод снабжен регулирующей задвижкой.

3. Гидротехническое сооружение по п.1, отличающееся тем, что в нижней части дна резервуара выполнено выпускное отверстие, снабженное сбросной трубкой с вентилем.