Многолетняя мерзлота (т.н. вечная мерзлота) покрывает почти две трети территории России. Присутствие многолетней мерзлоты в северных и восточных районах страны напрямую влияет на аспекты проектирования водозаборов для питьевого и хозяйственного водоснабжения в данных регионах. Определяющей особенностью забора воды из поверхностных водных источников для целей водоснабжения здесь является эффект перемерзания данных источников. Перемерзание водотоков может наблюдаться как раз в несколько лет, так и быть ежегодно повторяющимся циклическим процессом. Различается также и степень перемерзания водотоков — как по длине, так и по глубине.
В связи с явлением перемерзания проектирование водозаборов классического поверхностного (открытого) типа в условиях Севера оказывается неэффективным. Здесь такие водозаборы испытывают чрезмерное воздействие от сочетания негативных явлений — мерзлотных процессов, ледовых нагрузок, воздействия шуги. По этой причине наиболее эффективным решением, повышающим надёжность системы водоснабжения, является отказ от открытых водозаборов, и проектирование вместо них:
– фильтрующих водозаборов.
– аккумулирующих резервуаров.
а — фильтрующий водозабор в дрене; б — фильтрующая ряжевая дамба
Фильтрующие водозаборы представляют собой русловые (подрусловые, донные) или береговые галереи и дрены, а также фильтрующие дамбы и откосы. Характерной чертой водозаборов такого типа является их низкое высотное залегание — в непромерзающих придонных слоях грунта (таликах). Такое расположение позволяет производить забор воды как с наиболее низких горизонтов воды, так и ещё ниже — непосредственно из грунтовой толщи ниже дна реки. Другая важная особенность фильтрующих водозаборов — выполнение ими функции очистки воды. Очищение реализуется посредством прохождения потока через фильтрующую обсыпку в сочетании с малыми скоростями течения. Фильтрующая отсыпка выполняется из различного типа сыпучих материалов — песка, щебеня, гравия, камня, которые послойно укладываются вокруг приёмного коллектора. Опыт эксплуатации водозаборов с фильтрующими обсыпками показывает, что их конструкция легко обеспечивает приемлемую степень очистки исходной воды. Фильтрующая отсыпка допускает периодическую очистку. Очистка отсыпки производится: промывкой обратным током воды, продувкой воздушно-водной смесью, заменой фильтрующих грунтов. Фильтрующие водозаборы размещают на глубоких участках реки, характеризующихся наименьшей вероятностью промерзания или длительностью срока такого промерзания.
Ещё одним фактором, влияющим на выбор именно водозаборов фильтрующего типа при проектировании объектов водоснабжения Севера России, является высокая эффективность таких водозаборов в части рыбозащиты. На настоящий момент в инженерной практике встречаются различные виды рыбозащитных устройств (РЗУ) — механические (основаны на размещении заграждения для рыб и молоди), электрические, воздушно-пузырьковые и др. При этом установлено, что конструкция фильтрующих водозаборов, несмотря на отсутствие в них РЗУ как таковых, по своим рыбозащитным свойствам обеспечивает наивысшую степень предохранения поголовья рыб.
Таким образом, основные преимущества фильтрующих водозаборов можно свести к следующему:
– бóльшая гибкость в выборе планово-компоновочных решений;
– отсутствие ограничений на протяжённость водоприёмного фронта;
– минимальное антропогенное воздействие на природный гидрологический режим водотока;
– бóльшая гибкость в выборе скоростей на входе в обсыпку, дрену и др.;
– отсутствие необходимости восприятия ледовых нагрузок;
– бóльшая защищённость по отношению к шуге и мусору;
– выполнение функций РЗУ;
– выполнение функций очистного сооружения.
Аккумулирующие резервуары — другая характерная особенность водозаборных узлов Севера. Такие резервуары позволяют запасти определённый объём воды при прохождении обильного речного стока в тёплые периоды года. Аккумулирующие резервуары могут быть выполнены в виде водохранилищ (прудов), образуемых грунтовыми плотинами, а также по бесплотинной схеме — в виде прудов-копаней. Бесплотинная схема аккумулирования обычно менее капиталоёмкая. Особую важность аккумулирование стока имеет место в случаях, когда водотоки характеризуются наличием полностью бессточного периода.