Опытом разработки проекта реконструкции водозаборных и водоочистных сооружений для малых рек с читателями VodaNews делится ГИП, Щукин Алексей Владимирович, генеральный директор проектно-инжиниринговой компании «Регион». Организация имеет многолетнюю практику проектирования объектов водоснабжения и водоотведения в различных субъектах РФ, входит в Национальный реестр проектировщиков в сфере водоснабжения и водоотведения.
Информация о проекте
Водоснабжение города Мантурово Костромской области осуществляется из поверхностного источника − реки Унжа. Существующие водозаборные сооружения, построенные в 1970-х годах, морально и физически устарели и не обеспечивали надежную подачу воды потребителям. В связи с этим была поставлена задача реконструкции системы водоснабжения города, ключевым элементом которой является строительство нового речного водозабора.
Действующая система водоподготовки области не справлялась с возрастающими требованиями к качеству питьевой воды. В периоды паводков и цветения реки Унжа в очищенной воде периодически ощущались неприятные запахи, что вызывало обоснованные нарекания потребителей. Кроме того, всегда существовала потенциальная опасность проникновения в водозабор токсичных веществ в случае аварийных ситуаций на реке, которая является судоходной.
Проектирование водозаборных сооружений осложнялось рядом факторов:
- маловодность реки, значительные колебания уровней воды в течение года
- сложные геологические и гидрологические условия: песчаное дно, высокая мутность воды в паводки, интенсивное образование шуги в зимний период
- необходимость обеспечения бесперебойного водоснабжения города с учетом перспективы развития
- требования по охране окружающей среды, в том числе по защите рыбных ресурсов реки
Для решения поставленной задачи специалистами компании «Регион» был выполнен комплекс инженерных изысканий и проектных работ, итогом которых стала разработка современного высокотехнологичного речного водозабора.
Процесс проектирования водозаборных сооружений включал следующие основные этапы:
- Сбор исходных данных и предпроектные проработки. На этом этапе проанализированы геологические, гидрологические и гидробиологические условия участка реки в зоне проектируемого водозабора, изучены требования надзорных органов, выполнена оценка водопотребления города на перспективу.
- Инженерные изыскания. Проведен комплекс инженерно-геологических, инженерно-геодезических и инженерно-гидрометеорологических изысканий для получения достоверной информации о топографии участка, геологическом строении русла, гидрологическом режиме реки.
- Разработка и исследование вариантов компоновки водозабора на физической модели участка реки в гидравлической лаборатории. Анализ скоростной структуры потока, особенностей движения донных наносов во взаимодействии с водоприемниками.
- Технико-экономическое обоснование выбора типа водозаборного сооружения, расчет основных параметров. Сравнение вариантов по надежности, экологичности, стоимости строительства и эксплуатации.
- Разработка проектной и рабочей документации, включая чертежи, спецификации оборудования, сметы, мероприятия по охране окружающей среды.
- Прохождение государственной экспертизы проекта. Рассмотрение проектной документации в региональных органах Росрыболовства, Росприроднадзора, Ростехнадзора, санитарно-эпидемиологической службы, получение положительного заключения Главгосэкспертизы.
Проектирование нового водозабора для г. Мантурово было комплексной задачей, потребовавшей тесного взаимодействия специалистов разного профиля − изыскателей, гидротехников, технологов, конструкторов, экологов. Благодаря их совместным усилиям удалось запроектировать надежный, эффективный и экологически безопасный источник водоснабжения города.
Проект, разработанный специалистами компании «Регион», предусматривает строительство нового комплекса водозаборных и водоочистных сооружений производительностью 4200 м³/сут, включающего современные технологии водоподготовки − предварительную фильтрацию, реагентную обработку, тонкослойное отстаивание, фильтрацию на скорых фильтрах, сорбционную доочистку на активированных углях, обеззараживание гипохлоритом натрия и ультрафиолетом. Такая многоступенчатая схема гарантирует высокое качество питьевой воды даже в периоды ухудшения состояния источника водоснабжения.
Компактные блочно-модульные здания из легких конструкций, применение современного энергоэффективного оборудования, независимое теплоснабжение от собственной автоматизированной пеллетной котельной, что позволит существенно снизить эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными сооружениями водозабора и водоподготовки. Новые водоочистные разместятся на площадке существующего водозабора, что упростит их подключение к инженерным коммуникациям.
Проектом также предусмотрено создание современной системы зон санитарной охраны водозабора с регистрацией поясов ЗСО в едином государственном реестре. Это позволит ограничить хозяйственную деятельность вблизи водоисточника и минимизировать риски его загрязнения.
Общая стоимость реализации первого этапа проекта составит более 300 млн рублей. Финансирование работ предполагается за счет федеральных и областных программ. Получены все необходимые согласования.
Реализация проекта позволит вывести систему водоснабжения города на принципиально новый уровень, обеспечив недостижимую прежде очистку питьевой воды и повышение качества жизни горожан.
Особенности руслового процесса и их влияние на выбор типа водозабора и конструкции водозаборных устройств
Русловые процессы являются одним из ключевых факторов, определяющих условия функционирования речных водозаборов. Для обоснования выбора конструкции и месторасположения проектируемого водозабора на р. Унжа были проведены комплексные исследования руслового режима реки, включавшие как натурные наблюдения, так и лабораторное моделирование.
Физическая модель участка реки была выполнена в масштабе 1:50 по вертикали и 1:260 по горизонтали. Моделировался участок протяженностью 720 м, шириной 160 м, с глубинами до 1,4 м. Модель была изготовлена на жестком каркасе с песчаным дном, позволяющим воспроизводить динамические деформации русла. Были обеспечены критерии гидродинамического подобия (равенство чисел Фруда и Рейнольдса натурным значениям).
На модели были выполнены измерения распределения осредненных скоростей течения в характерных створах. Анализ скоростного поля показал, что максимальные скорости потока на изучаемом участке реки концентрируются не по фарватеру, а смещаются к правому берегу. Это объясняется косоструйностью течения, вызванной поворотом русла выше по течению. Кроме того, было установлено, что левый берег находится в «гидравлической тени» от расположенной ниже по течению косы. Эти особенности скоростного поля были учтены при назначении местоположения водоприемных оголовков.
Для изучения транспорта донных наносов на модели воспроизводились подвижные гряды, аналогичные наблюдаемым в натуре. Было установлено, что вдоль правого вогнутого берега перемещаются гряды высотой до 0,35 м и длиной до 10 м. Скорость их движения может достигать 1,8 м/сут. Обтекание этими грядами оголовков водозабора моделировалось для схем с различной компоновкой и заглублением. Оптимальной была признана конструкция двух затопленных раструбных оголовков, размещенных под защитой струенаправляющей дамбы. Для предотвращения поступления в оголовки донных наносов предусмотрена возможность их периодической промывки обратным током.
Выполненный на физической модели комплекс исследований руслового процесса р. Унжа позволил определить оптимальную схему компоновки водоприемных сооружений, обеспечивающую их устойчивую работу в сложных гидроморфологических условиях. Модельные исследования стали важнейшим этапом проектирования нового водозабора. Они показали преимущество использования подхода к проектированию ответственных гидротехнических объектов, основанного на сочетании компьютерного моделирования и физического эксперимента.
Обоснование выбора типа водозаборного сооружения
Выбор конструктивного типа водозаборного сооружения для г. Мантурово производился на основе всестороннего анализа природных условий забора воды, технологических требований, экологических ограничений и технико-экономических показателей.
Участок реки Унжа в районе г. Мантурово характеризуется сложными условиями водозабора:
- значительная амплитуда колебаний уровней воды (до 7 м)
- малые глубины в межень (до 0,5 м)
- высокие скорости течения в паводки (до 2,8 м/с)
- большое количество взвешенных наносов в период половодья
- интенсивное образование шуги и донного льда зимой
- периодическое образование заторов льда весной
По совокупности этих факторов, в соответствии с классификацией СП 31.13330.2021, водозабор отнесен к категории со сложными условиями.
Главной проблемой водозаборов на малых реках является обеспечение бесперебойного забора воды при низких уровнях и малых глубинах в меженные периоды. Традиционное решение с использованием русловых затопленных водоприемников в этом случае неприменимо из-за опасности их промерзания. Береговые водозаборы с русловыми ковшами, часто применяемые в таких условиях, в данном случае были признаны нецелесообразными из-за необходимости частой очистки ковша от наносов.
Поскольку р. Унжа является водоемом рыбохозяйственного значения, к конструкции водозабора предъявляются особые требования по защите молоди рыб. Из известных конструкций рыбозащитных устройств (РЗУ) наиболее распространенным являются фильтрующие устройства различных типов.
Применение только фильтрующих кассет в зимний период осложняется риском вмерзания их в лёд, поэтому было принято решение комбинировать два вида водозаборных устройств: фильтрующие кассеты (водозаборные оголовки) и фильтрующая засыпка (подрусловый водозабор).
Фильтрующие кассеты представляют собой объемные каркасно-сетчатые конструкции, заполненные шариками из полиэтилена диаметром 20 мм с решетками для защиты от крупного мусора и расположены в русле р. Унжа. Входные окна кассет расположены на 1 м ниже минимального уровня воды в реке. От оголовков вода по самотечным перфорированным водоводам поступает в береговой водоприемный колодец и далее насосами первого подъема перекачивается на водоочистные сооружения. Производительность каждого оголовка 175 м3/ч, суммарная производительность водозабора 350 м3/ч. Предусмотрены системы промывки фильтрующих кассет и самотечных линий, обогрев решеток, а также установка воздушно-пузырьковой системы для борьбы с шугой.
В качестве дополнительного решения, обеспечивающего надежность забора воды при низких уровнях в реке, использованы перфорированные трубопроводы и фильтрующая засыпка из природного щебня и гравия, обладающая большой пропускной способностью и устойчивостью к засорению.
Расчетные скорости втекания в фильтрующие кассеты и подрусловый водозабор не превышают 0,05 м/с, что вкупе со скоростью течения (транзитного потока) самой реки обеспечивает эффективную рыбозащиту согласно СП 101.13330.2023.
Таким образом, предложенная конструкция водозабора была тщательно обоснована как оптимальное решение для данных конкретных условий.
Мероприятия по защите водозабора от шуги
Шуга представляет серьезную угрозу для нормальной работы водозаборных сооружений, вызывая забивание фильтрующих кассет и всасывающих линий подруслового водозабора. Для борьбы с этим явлением в конструкции водозаборных устройств предусмотрен комплекс шугозащитных мероприятий:
- использование специальных фильтрующих кассет в оголовках, что препятствует проникновению шуги внутрь и обеспечивает большую площадь водоприемных окон, снижая входные скорости.
- промывка оголовков и самотечных линий. Для промывки оголовков и перфорированных самотечных труб от напорных трубопроводов насосной станции первого подъема выполняются ответвления диаметром 100 мм. Промывка осуществляется основными насосами станции, которые подают воду на ответвления и далее − на самотечные трубопроводы и оголовки. Промывка производится периодически в автоматическом режиме, не реже 1 раза в неделю (уточняется по результатам опытной эксплуатации). Осуществляется посекционно, подача воды потребителю не прекращается.
- воздушно-пузырьковая завеса перед оголовками. Вдоль фронта водозабора на дне реки укладываются две перфорированные трубы диаметром 150 мм, через которые компрессорами нагнетается воздух. Поднимающиеся пузырьки воздуха создают восходящий поток воды, который отклоняет шугу от водоприемных окон и переносит ее на поверхность. Расчетный расход воздуха 50-60 л/с на 1 м завесы.
Комплексное использование перечисленных методов шугозащиты, хорошо зарекомендовавших себя на практике, гарантирует бесперебойную работу водозабора в период ледовых явлений на р. Унжа.
Выводы
В основу проектирования были положены глубокие исследования гидрологического режима р. Унжа, ее русловых процессов, ледотермических и гидробиологических особенностей. Физическое моделирование участка реки позволило изучить структуру потока в створе водозабора, оценить транспортирующую способность реки, прогнозировать взаимодействие водоприемных оголовков с донными наносами и шугой. На основании этих исследований была разработана оптимальная компоновка водозабора, выбраны наиболее эффективные и надежные конструкции водоприемников, рыбозащитных устройств и шугозащиты.
Применены современные достижения гидротехнической науки и практики: модульная компоновка сооружений, использование фильтрующих оголовков и подрусловых водозаборных трубопроводов с настраиваемой промывкой, автоматический контроль гидравлических параметров. Эти и другие технические решения обеспечивают новому водозабору надежность и долговечность.
Важнейшим достоинством проекта является его экологическая направленность. Применение рыбозащитных устройств с минимальными потерями напора, обеспечивающих эффективность рыбозащиты более 70 % позволит не только предотвратить гибель молоди в водозаборе, но и сохранить экосистему реки Унжа в целом. Забор воды не окажет негативного влияния на гидрологический режим реки, так как доля безвозвратного изъятия стока составляет 3−5% минимального среднемесячного расхода 95% обеспеченности.
Проект получил положительные заключения Главгосэкспертизы по технической части и достоверности определения стоимости строительства. Это подтверждает его соответствие нормативным требованиям по надежности, безопасности и технико-экономической эффективности.
Реконструкция водозаборных сооружений г. Мантурово − пример комплексного подхода к решению задач водоснабжения в сложных природных условиях. Его реализация его не только обеспечит качественной питьевой водой жителей целого города, но и станет весомым вкладом в устойчивое развитие региона, в сохранение водных ресурсов. Функционирование водозабора будет органично вписано в естественный гидрологический и гидробиологический режим реки, не нанося ущерба ее экосистеме.
Опыт реализации данного проекта можно применить и в других регионах России со сходными проблемами при водоснабжении из малых рек.
РЕФЕРЕНТ ЛИСТ ООО «РЕГИОН» 2024
Контактная информация:
Коренева Ирина Владимировна, директор по развитию ООО «Регион»
Санкт-Петербург, ул. Александра Невского д.9 оф. 345
тел.: + 7 (812) 627 93 38
моб. +79215679006
e-mail: razvitie@dc-region.ru