Введение к работе
Актуальность темы. Экономика РФ во многом зависит or освоения ресурсов и территорий Севера. Основные запасы энергоносителей, полиметаллов, алмазов и золота, гидроэнергоресурсов, древесины и др. сосредоточены в Северной строительно-климатической зоне, (67 % тер-риторин РФ). К 1991 г. здесь проживало до 17 млн. человек. Здесь осуществлены крупномасштабные работы по освоению уникальных природных богатств, урбанизации территорий, строительству железнодорожных, авто- и трубопроводных магистралей, созданию ТПК. Хозяйственно-экономические и природно-климатические условия Севера разнообразны; обшее для них — суровый резкоконтинентальный климат, повсеместное распространение вечномерзлых грунтов, зима до 8... 10 месяцев, обусловленный ими специфический режим водоисточников.
Надежное водоснабжение -- один из главнейших факторов эконо-мического развития и обеспечения современного инженерного оборудования поселений. При организации водоснабжения особо сложна проблема забора (приема) воды. Технологии водоприема, иглы и конструкции водозаборов, их соответствие условиям местных источников определяют надежность, эффективность, экологичность систем водоснабжения, себестоимость продукции добывающих и обогатительных предприятий, условия жизни людей.
Темпы освоения Севера значительно опередили уровень исследований и проектно-конструкторских разработок по технологиям водоснабжения и, особенно, по технологиям водоприема и водозаборным сооружениям, вынуждая применять опыт средней полосы, что влекло частые отказы, аварии, нерациональные затраты на переделки водозаборов. Стоимость воды составляет до 30...40 % и более стоимости золота. злмазоЕ, полиметаллов.
Для Севера необходимы технологии водопрнема, типы и конструкции водозаборов, удовлетворяющие, ряду специфических требова-ний: повышенная' надежность при постоянно существующей угрозе перемерзання элементов водозабора и самого источника: защищенность от ледоходов, лесосплава, интенсивных шуголедоЕых помех, мерзлотно-гидрологических процессов; улущцсіше качества отбираемой воды; возможность управления режимом источников; возможность совместного отбора поверхностных и подрусловых (таликовых) зод: возможность водоотбора из малых и перемерзающих рек и др.
Основы водоснабжения на мерзлоте заложили П.С.Богданов, Е.В.Степаненко, А.В.Львов, А.А.Сурнн, М.И.Сумпш, Н.И.Толстихин, М.Я.Чернышев, А.И.Калабин и др. Но до последнем.' времени проекты систем водоснабжения для Севера ведут схематично, без достаточной нормативной базы, без учета накопленного опыта. В особой мере это относится к технологиям водопрнема и водозаборным сооружениям, их взаимодействию с источниками и мерзлотой. Одинаково нецелесообразны переоценка специфичности водопрнема и условий работы водозаборов и усложнение их конструкций и недооценка мерзлотно-гидролош-ческих особенностей водоотбора. Тем более, что диапазон недопотребления на Севере от десятков м"/сутки до десятков mVc.
Отмеченные обстоятельства предопределили актуальность научно-технической проблемы — совершенствование известных и разработки новых технологий водоприема в районах Севера, типов и конструкций водоприемников, соответствующих местным условиям в комплексе со специальными мероприятиями и сооружениями по управлению режимами водоисточников в специфических условиях вечной мерзлоты.
Отдельные, аспекты проблемы водоснабжения на мерзлоте освещены в работах М.М.Андрняшева, Н.А.Вельмнной. В.С.Дикаревского, В.Д.Дмитриева, Н.В.ЕресноЕа, А.В.Лютова, Н.С.Макерова. А.С.Обра-
зовского, А.Ф.Поряднна, Г.А.Пчелктша, В.П.Стеганцева, Л.Д.Терехова, Б. Ф. Туру тина, Н.Ф.Федорова, Ю.В.Якунзша и др. Но исследований по технологиям водоприема и водозаборам для водоснабжения наиболее важного и ответственного звена водообеспечения любых объектов в районах Севера выполнялось недостаточно.
В основу диссертации положены многолетний проектно-произ-водственнын опыт (1963-92 г.г.) и исследования, выполненные автором, под его руководством или при участии в научно-исследовательских и лроектно-производственных организациях Севера при решении задач водоснабжения и технологий забора воды в районах мерзлоты, по государственным, республиканским, региональным, отраслевым программам, по заказам ведоме те, промышленных, эксплуатационных, проектных организаций в 1964—92 г.г.
Поскольку в районах мерзлоты с крайне непостоянными характеристиками источников и особым! требованиями к системам водообеспе-чения, наиболее целесообразны технологии водоприема с фильтрующими сооружениями (фильтрующие, ннфильтрационно-фильтрующие и комбинированные), основное внимание уделено разработке, исследованиям и производственно-натурной проверке водозаборов именно этой категории.
Идея широкого использования технологій фильтрующего водоприема в практике водоснабжения в зоне мерзлоты принадлежит академику РАН С.В.Яковлеву и д. т. н., проф. А.С.Образовскому (1962 г.). Целенаправленные исследования по заданию Госстроя СССР "Предложения по оптимальным решениям водоснабжения промпредприятий и населенных мест в условиях сурового климата Севера, вечной мерзлоты и с учетом перемерзання поверхностного стока рек"' (раздел "Водозаборные, сооружения на реках Севера") выполнялись автором с 1964 г.
Целью диссертационной работы является совершенствование технологий водоприема и водозаборных сооружений для систем водо-
снабжения в Северной строительно-климатической зоне путем разработки теоретических и инженерных основ, конструктивных и эксплуатационных решений забора воды в районах со специфическими климатическими и мерзлотно-гидрологическямн условиями, создание техшгчески приемлемых, экономически эффективных и экологически целесообразных технологий водоприема, включая приемы и сооружегаїя по управлению режимом водоисточников.
Научная новизна работы заключается в следующем: — теоретически исследовано взаимодействие системы "поверхностный источник — водозабор — подрусловые талики — подрусловые воды — вечная мерзлота" для оценки условий водоотбора; обоснованы и сформулированы принципы применения фильтрующего, инфильтра-цнонно-фильтрующего и комбинированного водоприема из разлзгчных источников;
разработана методика расчетов мощности, контура и гндротер-мики таликов под водоисточниками для назначения расположения и типа водозаборных сооружений в аллювиальных слоях;
теоретически исследованы процессы фильтрования., засоряемос-ти и регенерации фильтров водоприемников при переохлаждении, шуголедовых явлениях, засоренности в разных типах водозаборов, водосборных и промывных устройств;
даны теоретические обоснования режимов фильтрации и промыва, выбора диаметров фильтрующей загрузки с учетом особенностей переохлажденной и зашугованной воды;
разработаны основы расчета подземных полостей для хранения запасов воды на водозаборах; разработана методика прогноза изменений очертания полостей при взаимодействии с вечномерзлой толщей окружающих грунтов;
расилфены границы физических представлений о закономерностях течения воды в фильтрах водоприемников разных типов, при раз-
ных направленнях водоотбора и размещения водоприемного фронта относительно русла, поверхности, дна и берегов водоисточников рассматриваемой зоны;
обоснованы теоретически и экспериментально, подтверждены в натурно-эксгогуатационных условиях приемы, сооружения и устройства управления режимом источников на бессточный период с установлением характеристик сооружений, создаваемых с использованием льда и ледовых явлений, вечномерзлого состояния грунтов, сурового климата и своеобразия режима рек;
обоснованы и разработаны приемы защиты водоприемных, во-доотводящнх и береговых элементов водозаборных сооружешгіі от обледенения, перемерзання, наледей, ледоходов, переформирований русла и берегов с установлением соответствующих расчетных зависимостей.
Предметом защиты являются результаты теоретических, экспериментально-производственных и натурно-эксплуатационных обоснований по соЕершенствовашоо технологій водоприема, конструкций водозаборов для систем коммунального и промышленного водоснабжения в комплексе со специальными мероприятиями и сооружениями по управлению режимом источников в целях водоотбора в условиях вечной мерзлоты и сурового климата.
На защиту выносятся:
Результаты исследований по инженерной оценке мерзлотно-гидролотческих, гидрогеотермических характеристик поверхностных и подрусловых источников, закономерностей их взаимосвязи с подруслевыми таликами при водоотборе с учетом технических возможностей, экономической целесообразности и экологической безопасности водо-обеспечения хозяйственных объектов на территории Севера.
Теоретические и экспериментальные обоснования совершенствования технологий водоприема и конструкцш'і водозаборов с разра-
боткой новых типов фильтрующих, шіфильтрацпонно-фильтрующих и комбинированных водоприемников, наиболее целесообразной компоновки водозаборных узлов с основами их расчета применительно к режиму водонсточшшов в зоне мерзлоты.
Результаты экспериментальных и производственно-эксплуатационных исследований фильтрующих элементов водозаборов по условиям их засоряемости, забивки шугой, обледенения и восстановления пропускной способности при различном расположешпі водоітриемного фронта относительно поверхности, уровня дна и береговой лишш водоисточников.
Научное обоснование, разработка технических средств н инженерно-практическая реализация приемов и средств регулирования режима водоисточников для повышения надежности и эффективности технологий водоприема, защиты водозаборов от перемерзання, мерзлот-но-гидрологпческьх воздействий, руслоЕых и термоэрозионных переформирований в акваториях водозаборов.
Результаты исследований по реализации преимуществ технологий фильтрующего водоприема как средства рыбсзащиты, защиты от шуголедовых помех, природных и промышленных засорегаш, улучшения качества отбираемой воды.
Обоснование и разработка приемов, техшгческих средств и сооружений по использованию сурового климата, естественного холода грунтов, особенностей режима источников для повышения эффективности технологии волоприема, строительства и эксплуатации водозаборов для систем водоснабжения.
Результаты внедрения работ по совершенствованию технологій водоприема, разработанных автором способов, сооружен и устройств забора воды в зоне вечной мерзлоты в практику водоснабжения промышленных и коммунальных объектов с их технико-зкономігческой и экологической оценкой.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
обобщены основные мерзлотно-гидролоптческие и инженерно-технологические характеристики источников Севера с классификацией их по условиям водоотбора и оценкой взаимодействия системы "водоисточник — талик — вечная мерзлота — водозабор";
значительно расширены границы использования в практике водоснабжения усовершенствованых технологий фильтрующего водопрнема в широком диапазоне производительностей, функционального назначения и конструктивно-технологических модификаций водозаборов фильтрующею, ішфияьтрацпонно-фнльтруюшего и комбинированного пта;
разработаны конструкции сооружений фильтрующего водопри-ема с реализацией в виде фильтрующих, инфильтрационно-филы-рующкх и комбшпгрованных водозаборов; дана классификация их по типу фильтров, направлению водоотбора и расположению водоприемного фронта в источнике относительно поверхности, уровня дна и береговой линии;
обоснованы и усовершенствованы технологии водоприема из малых и перемерзающих рек, для водоснабжения, в наибольшей мере соответствующих мерзлотно-гидролопгческнм условиям Севера:
разработаны технологические и инженерные основы создания водозаборно-очистных и регулирующих сооружений как единых головных комплексов систем водоснабжения с установлением рациональной области применения каждой из модификаций;
установлены и проверены в натуре особенности фильтрующего водопрнема из разных материалов фильтров для рыбозащиты, защиты от шуголедовых помех, природных и промышленных засорений, улучшения качества отбираемой воды условий регенерации фильтрующих элементов водоприемников с применением разработанных для этого устройств;
разработаны и проверены в производственных условиях приемы, сооружения и устройства для управления режимом водоисточников при водоотборё, к том числе с использованием льда и ледовых явлений, ресурсов естественного холода, вечномерзлого состояния грунтов, сурового климата, особенностей гидрологии if гидротермики источников и таликов под ними;
разработаны приемы и технические решения защиты водоприемных, водоотводящих и береговых элементов водозаборов от перемерзання, ледоходов, наледей, переформирования русла и берегов.
Реализация разработок автора осуществлена:
внедрением результатов исследований и рекомендаций по совершенствованию технологий забора воды для систем коммунального и промышленного водоснабжения более чем на 70 объектах сезонного и многолетнего (or 1...3 до 15...20 лет) действия в районах Северо-Востока и Сибири:
использованием разработок и рекомендаций автора при модернизации и переоборудованию действующих водозаборов с открытым во-доприемом на фильтрующий более чем на 10 объектах Северо-Востока и на 8 коммунально-промышленных водозаборах других регионов СССР (водозаборы г.г. Индерск и Гурьев — р. Урал; г. Черновцы — р. Днестр; г. Новомосковск — р. Днепр; г. Весьегонск — р. Волга; г. Гродно — р. Неман и др.);
оказанием консультапшно-методической помощи по совершенствованию технологий водоприема, переоборудованию водоприемников на фильтрующие, инфильтрационло-фильтрующпе или комбинированные, исходя из требований технологии водопотребителей, экологических задач, рыбозащиты, специфики условігіі водоотбора более чем 120 проектным, строительным, промышленным, эксплуатационным и иным организациям (ВО ВКП и его отделешія, Гіптрокоммуттодоканал. Я кут-
золотопроект, Якупшпроалмаз, Якутпптроводхоз, другие отраслевые и территориальные организации);
выполнением натурно-экспериментальных и производственно-эксплуатационных иредпроектных исследований фильтрующего водо-приема по 14 заказам и заданиям директивных органов, министерств и ведомств разных уровней для систем водоснабжения действующих и строящихся объектов Севера и других регионов РФ и СНГ;
разработкой, изданием или передачей заказчикам региональных, ведомственных, отраслевых инструктивно-нормативных документов:
а) Рекомендации по проектированию и строительству водозаборов
из поверхностных источников в районах вечной мерзлоты. — Минтяж-
строй СССР. - Кр. ПСНИИП. - Красноярск, 1979.
б) Рекомендации по проекгарованию систем сельхозводоснабже-
кия и обводнения в зоне вечной мерзлоты. — Минводхоз РСФСР. —
СибНИИГиМ. - Красноярск, 1984.
в) Рекомендации по обоснованию норм сельхозводоснабжения и
гидромелиорации в Западной части БАМ . — Минводхоз РСФСР, —
Сиб. ВАСХНИЛ. - Новосибирск, 1985.
г) Рекомендацій по проектированию фильтрующего водоприема
хозяйственно-шньевых и промышленных водопроводов. (Рук.
Л.С.Образовскнй). М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1969. - Изд. ВОВКП.
д) Рекомендации по фильтрующему водоггриему для систем оро
шения и с.-х. водоснабжения в условиях Якупш. — СибНИИГиМ, —
Минводхоз ЯАССР. - Якутск, - 1986.
е) Рекомендации по промышленному производству льда дальне
струйным дождеванием. /Рук. Л.Н.Файко/. —Якутск, — 1982;
-- включением отдельных разработок и предложений автора б слравочно-нормаппзные документы; ...Проектирование сооружали для забора поверхностных вод (Пособие к СНиП 2.04.02-84). — М.:
Стройиздат, 1990; ...Справочник проектировщика. — Гидротехгагческт сооружения. — М.: Стройиздат, 1983; ...Альбом технігческих решеті водоснабжения и канализации в районах вечномерзлых грунтов. -Красноярск: Филиал ВНИИ ВОДГЕО. — 1986; ...Пособие по проекті ровагапо систем водоснабжения и канализации в районах распростраш ння вечномерзлых гратов (к СНиП 2.04.02-84). — Красноярск, 198С — (1-я редакция);
включением отдельных результатов исследовании автора і фундаментальные издания и монографии последних лет по водоснабже нию и водному хозяйству в учебно-методические пособия и указания п< разделу ''Водозаборы" курсов водоснабжения;
получением годового экономического эффекта от внедреиш разработок автора в практику (водоприемников с. фильтрами, совершенствования технологии водопрнсма, способов и технических средств регулирования режима водоисточников для повышения надежности и эффективности), подтвержденного актами, справками, протоколами — (в ценах 1991 г.) 19.8 млн. руб. Эффект достигнут за счет повышения надежности технологий водоприема и водоприемников, уменьшения затрат на обработку воды, исключения водоочистных сеток, отказа от ры-бозаградителей, уменьшения габаритов береговых шахт, экономии энергии, средств, труда, материалов.
Апробация. Результаты исследований по рассматриваемой проблеме докладывались и обсуждались на всесоюзных, международных, республиканских и региональных совещаниях и конференциях'.
по исследованиям, проектированию, строительству и эксплуатации водозаборных сооружений (г. Москва, 1964. 1968, 1985 г.т.: г. Тбилиси, 1968 г.; г. Новосибирск, 1975 г.);
по исследованиям режима водоисточников — на 11 Международной конференции по мерзлотоведегаїю (г. Якутск, 1973 г.), на Все-
союзных совещаниях по гидротехнике на Севере (г. Красноярск, 1981, 1983 г.г.; г. Москва, 1984 г.; г. Мурманск, 1985 г.);
по внедрению разработок автора в практику водоснабжения докладывалось на II Совещании по развитию производительных сил Якутской АССР (г. Якутск, 1969, 1985 г.г.), Магаданской обл. (г. Магадан, 1980 г.), Сибири и зоны БАМ (г. Якутск, 1985; г. Нерюнгри, 1986);
экологичность предлагаемых автором решений водозаборов и водоснабжения обсуждалась на сессии Научного Совета АН СССР по проблемам биосферы (г. Якутск, 1978 и 1984 г.г.); на региональных конференциях по водоснабжению и водоотведенпю (г. Пенза, 1988 г., 1990 г., 1996 г.; г. Самара, 1990, 1995 г.г.);
опыт внедрения в практику разработок автора по регулированию водоисточников и повышению надежности водопрнема докладывался на Всесоюзных совещаниях "Лед-83" (г. Мурманск, 1983 г.); по проблемам использования льда и наледеобразования (г. Иркутск, 1984 и 1989 г.г.; г. Москва, 1988 г.); на конференциях по водохозяйственному строительству в Сибири и в зоне БАМ (г. Новосибирск, 1982 г.; г. Гындз, 1985 г.):
результаты практического использования предложений и разработок автора докладывались на научно-технических советах НПО "Якутзолото", "Якуталмаз", "Якутуголь", У.С. "Якуттяжстрон", на коллегиях Минводхозов РФ и РС(Я), в институтах Якутптроводхоз, Якутштроалмаз, КПСНИИП, СибНИИГиМ, Пензенской ГАСА, ВНИИ ВОДГЕО, ПУВКХ г.г. Якутск, Красноярск, Тында, Новосибирск, Нерюнгри, Самара, Мурманск, Гурьев, Уральск, Пенза и др.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 3-х монографиях, более чем в 80 статьях в журналах и сборниках трудов, отражены в 19 отчетах по НИР, вошли в нормативные документы, учебішки и методические разработки. Разработки автора по теме диссертации защищены 16-ю авторскими свидетельствами на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация (том 1) состоит из введения, семи глав, выводов (357 страниц машинописного текста, 74 иллюстраций, 7 таблиц, библиография из 393 наименований) и приложений (том. 2).