Передача воды на дальние расстояния напорными гравитационными трубными водоводами.
Мамедов Александр Нусратович , главный специалист ООО «Нефтегазмонтаж»
г .Ташкент тел. Моб. +998946351672,
e-mail: mamedov_46@mail.ru.
Аннотация. В репортаже даются обзор, систематизация и анализ методов транспортирования воды на большие расстояния для целей водоснабжения. Приведены данные е об устройстве, описаны сооружения гравитационных напорных водоводов. Даны примеры систем водоснабжения (из отечественной практики ), а также примеры осуществленных типов и конструкций водопроводных водоводов и сооружений на них.
Ключевые слова: напорные гравитационные водоводы, водопроводные сооружения, трубы, гасящие устройства, гидравлический удар, резервные емкости.
Тем, кто, так или иначе, знаком с ситуацией, складывающейся вокруг водных ресурсов Центральной Азии, известно, что в «горных странах» - Киргизии и Таджикистане - проблем с водой нет.
Для Казахстана, Узбекистана и Туркменистана приоритетна именно ирригация, использование воды в сельском хозяйстве. Эти «равнинные страны» Центральной Азии испытывают острую нехватку воды. Страны нуждается в больших объемах воды для решения сельскохозяйственных вопросов – среди основных культур, выращиваемых здесь на экспорт, рис и хлопок, требующие постоянного обеспечения водой. Кроме того, перед этой группой стран стоит проблема опустынивания. Вместе с тем во всех странах Центральной Азии наблюдается рост численности населения и улучшение его благосостояния. Происходит осуществление грандиозной программы строительства жилищ, снабженных всеми видами современного санитарно-технического оборудования, развитие промышленности (особенно таких отраслей, как металлургическая, химическая, нефтеперерабатывающая и др.) строительство мощных тепловых электростанций ТЭС и атомных станций АЭС. Все это вместе взятое обусловили резкое увеличение расхода воды.
В Центрально-Азиатском регионе назрела неотложная проблема дефицита и ухудшению состояния воды. Времена, когда для удовлетворения нужд, вода просто использовалась из стоков с гор, рек прошли. Проблема требует выработки новых подходов, внедрению современных технологий к своему решению.
Водные ресурсы Центральной Азии на сегодняшний день сосредоточены, в основном, в Киргизии и Таджикистане.
В Киргизии – около восьми тысяч ледников, которые вместе с вечными снегами занимают более 40% территории и содержат 650 кубических километров воды. Крупнейшая в республике река Нарын является основным притоком Сырдарьи. Значительные водные ресурсы содержат реки Чуй и Талас и многочисленные озера (крупнейшие из них – Иссык-Куль, Сон-Куль и Чатыр-Куль).
Всего в ледниках и высокогорных снегах Таджикистана, покрывающих 6 % территории, содержится до 500 кубических километров воды. Самые крупные из них – расположенные в Горном Бадахшане ледник Федченко (самый длинный ледник на свете в неполярных регионах площадью более 700 квадратных километров) и ледник Грумм-Гржимайло. Большинство ледников располагается в бассейнах рек Гунт, Муксу и Обихингоу. Всего же на территории Таджикистана находятся около шестисот рек. Самые крупные из них - Амударья, Сырдарья, Вахш, Пяндж и Зеравшан. Кроме того, здесь есть еще около 2000 озер, содержащих 44 кубических километров воды.
В Узбекистане основным районом формирования водостока является горная часть страны, где выпадает больше осадков, а испарение меньше. Также в горах есть и ледники. Но в основном на них зарождаются не полноводные реки, а горные ручьи (саи) длиной не более 10 километров. Потому главными «поилицами» страны являются Амударья (1415 км) и Сырдарья (2137 км), в бассейнах которых лежит большая часть Республики. Бассейн Амударьи составляют реки Зарафшан, Сурхандарья, Кашкадарья, Шерабад, Туполангдарья, а Сырдарьи - Нарьга, Чирчик, Карадарья, Ахангаран, Исфара, Акбура, Сох, Шахимардан, Исфайрамсай, Гавасай и Касансай. Однако большинство притоков просто не доходит до главных рек, ибо разбираются на полив. Предполагается, что общее потребление для промышленных нужд (включая энергетику) возрастет с 2 км3 в год до 3,5 км3 воды к 2030 году.
Туркменистан также испытывает значительные трудности с водой. Проблема в том, что на территории республики не образуется ни одной значимой реки, все реки – трансграничные, и водные ресурсы зависят от соседних государств. В большинстве речек мало воды, они периодически пересыхают. Крупнейшей рекой Туркменистана является Амударья, из которой и берутся основные водные ресурсы. Так, расход воды у города Керки - более 2000 кубометров в секунду. Две другие заметные реки, - Мургаб и Теджен, немноговодны и теряются в песках. Еще на западе страны есть река Атрек, текущая из Ирана в Каспий, но доходящая до него лишь в половодье.
В Казахстане ситуация с водой несколько лучшая, чем в Узбекистане и Туркменистане, но неоднородная. Всего в Республике более 7000 рек длиной более 10 километров. Крупнейшие реки на севере – Урал, Тобол, Иртыш, Ишим, Нура. А на юге - Сырдарья, Талас, Шу, Или. Основные запасы гидроресурсов имеет наиболее многоводная и судоходная река Иртыш протекающая 1700 километров по территории Республики. При этом половина рек -трансграничные (Россия, Китай, Киргизия, Узбекистан). А внутренние реки формируются на ледниках Джунгарского и Заилийского Алатау, Кунгей-Алатау и Алтая. В Казахстане более 2700 ледников общей площадью около двух тысяч квадратных километров. Но самый большой ледник Корженевского всего лишь 38 квадратных километров. Центральная часть Республики пустынна и засушлива. Особенно мало рек в пустынных зонах Приаралья и Прикаспия. Кроме того, в Казахстане есть еще более 48 тысяч озер, из которых крупных (с площадью более 100 квадратных километров) лишь 21. Среди них выделяются Каспий, Балхаш, Малый Арал, Алаколь, Зайсан, Тенгиз. Общий объем воды в озерах – 190 кубических километров. Но около половины из них находится на севере страны. А юг и центр испытывают наибольшую потребность в ней. Изменение климата угрожает прежде всего таянием горных ледников, питающих основные реки региона. За последние 50-60 лет площади ледников сократились примерно на 30%.
Итак, представленные водные ресурсы, объемы накопленной воды в горах, озерах и водохранилищах на сегодняшний день могут удовлетворить растущие потребности в Центрально-Азиатском регионе. Однако доставка, использование воды, как в промышленности, так и в мелиорации остались, на прежнем уровне.
Исторически сложились структуры водоснабжения городов , поселков крупных и мелких предприятий, районов.
Рассмотрим доставку воды в те районы, где наиболее испытывается дефицит воды. В связи с тем, что вода стала иметь высокую цену в регионе, доставка воды должна быть адресная, без потерь на фильтрацию и испарение. Использование воды должно быть на современном уровне, строго высокотехнологичное, дающее максимальный техно-экономический эффект.
Для ознакомления покажем, как выглядит на сегодняшний день обеспечение качественной питьевой водой населения и предприятий г. Ташкента. В Ташкент поступает горная вода снежно-ледового происхождения, и она доносится до города рекой Чирчик – правым притоком Сырдарьи, которая берёт своё начало в западных отрогах Тянь-Шаня. Если бы не Чирчик, Ташкента бы просто не существовало. Городу более двух тысяч лет, и все эти две с лишним тысячи лет его жители пьют воду из Чирчика – по той причине, что в столице, просто-напросто, нет другой питьевой воды.
Питьевая вода поступает в Ташкент из надземного канала Боз-Су. Вода, приходящая оттуда, превышает 70% питьевых запасов. Остальное количество составляют внутрипочвенные, подземные воды Чирчика, которые стекаются из родников. Планы разработаны в целях реализации государственной политики в сфере водоснабжения, направленной на обеспечение охраны здоровья населения и улучшения качества жизни населения путем обеспечения бесперебойной подачи гарантированно безопасной питьевой воды потребителям с учетом развития и преобразования городских территорий.
Бесперебойное обеспечение качественной питьевой водой населения и предприятий г. Ташкента, основная задача Государственного унитарного предприятия "Сувсоз" .
ГУП "Сувсоз" охватывает централизованным водоснабжением 99,7% города.
В данный момент поставляется Ташкенту 2,1 млн кубометров воды, и есть возможность довести этот объём до 2,3 млн кубометров.
Крупные водопроводные сооружения.
1. Бозсуйские водопроводные сооружения.
Осуществляют открытый водозабор из канала Боз-Су, обеспечивают напор воды в центральных районах города. Это сооружение c установленной мощностью 235 тыс.м3 в сутки.
2. Кибрайские водопроводные сооружения осуществляют подземный водозабор из 93 скважин, расположенных по обеим берегам реки Чирчик. Источник водоснабжения — мощный подрусловый поток долины реки Чирчик, в настоящее время их проектная мощность равна 455 тыс. м3 в сутки.
3. Южные водопроводные сооружения осуществляют подземный водозабор из 42 скважин подземных источников правобережной террасы долины реки Чирчик, обеспечивая питьевой водой часть Сергелийского, Яккасарайского и Чиланзарского районов города.обеспечивая питьевой водой часть Сергелийского, Яккасарайского и Чиланзарского районов города.
В настоящее время ее проектная мощность составляет 143 тыс. м3 в сутки. Также в состав ЮВС входят Водопроводные сооружения «Куйлюк-2», обеспечивают водой часть Сергелийского и Чиланзарского районов города. В их состав входят 9 скважин, обеспечивающих подачу 29 тыс. м3 воды в сутки.
4. Кадырьинские водопроводные сооружения осуществляют открытый водозабор из канала Боз-Су через сбросной канал, обеспечивая на 60% из общей потребности города в питьевой воде.
Сегодня фактическая её производительность — 1 млн 500 тыс. м3 в сутки.
Малые водопроводные сооружения.
5. Водопроводные сооружения "Кара-Су" осуществляют подземный водозабор из 11 скважин, что составляет 2,2% от общей мощности всех водопроводных сооружений города.
Водопроводные сооружения "Кара-Су" расположены в черте города – на юго-западной окраине города. а в настоящее время они имеют в своем составе 4 скважины непосредственно на сооружениях, мощностью 28,5 тыс. м3 воды в сутки, и еще 7 скважин расположены по городу отдельно, общей мощностью 23,7 тыс. м3 в сутки. В целом в настоящее время сооружения имеют мощность 52,2 тыс. м3 воды в сутки.
6. Водопроводные сооружения "Сергели" осуществляют подземный водозабор из 9 скважин, что составляет 1,7% от общей мощности всех водопроводных сооружений города.
Водопроводные сооружения "Сергели" расположены на территории Сергелийского административного района. Включают в себя 9 скважин, 2 резервуара чистой воды емкостью по 1 тыс.м3 каждый и насосную станцию второго подъема. Первоначальная мощность составляла 10 тыс. мsup>3 воды в сутки, к 1988 г. она увеличилась в 2 раза. Зона санитарной охраны сооружений состоит из двух поясов.
7. Водопроводные сооружения "Бектемир" осуществляют подземный водозабор из 11 скважин, обслуживая в основном массив "Водник" и поселок "Бинокор", что составляет 1,1% от общей мощности всех водопроводных сооружений города.
Водопроводные сооружения "Бектемир" расположены на территории Бектемирского административного района. Включает в себя рассредоточенные 11 скважин и 4 резервуара чистой воды общим объемом 2,5 тыс. м3. Мощность этих сооружений — 25 тыс. м3 воды в сутки.
Протяженность городского водопровода в данный момент составляет 3 545 км, из них водоводы диаметром труб 600 мм и выше имеют протяженность 639 км, водоводы с диаметром труб от 50 до 500 мм имеют протяженность в 2 906 км. Питьевая вода по всем показателям соответствует требованиям Государственного стандарта O’zDSt-950-2011 «Вода питьевая».
Как можно наблюдать, все водозаборные сооружения используют горные стоки рек вытекающих в основном из Чарвакского водохранилища и в целом зависят от его наполнения. На сегодняшний день в г.Ташкенте, в целом, благоприятные условия с водоснабжением предприятий и населения.
В ряде случаев промышленные объекты , географическое размещение которых диктуется местонахождением их сырьевой базы, оказываются расположенными в относительно маловодных районах. Многие населенные пункты располагаются в бедных водой местностях. В подобных условиях снабжение водой потребителей становится сложным.
При этом для фактического решения существующих проблем в имеющихся условиях и с учетом правильных подходов к охране окружающей среды нужно будет предпринять целый ряд шагов.
Вследствие всех этих обстоятельств для организации водоснабжения крупных населенных мест и промышленных предприятий нередко требуется подача воды из мощных источников, удаленных от потребителей на десятки и даже сотни километров. Линии труб (трубопроводы ), предназначенные для транспортирования воды от источника к объектам ее потребления, называются «водоводами».
Водоводы, по которым вода транспортируется на большие расстояния, обычно предназначаются для подачи значительных количеств воды.
Одним из крупных в Узбекистане, для улучшения водоснабжения путем передачи качественной пресной воды на расстояние является Дамходжинский трубный водовод. С его помощью организовано водоснабжение 11 районных центров в Бухарской и Навоийской областях и Сурхандарьинской области. В рамках проекта намечается осуществить, в частности, реконструкцию водовода протяженностью 480 км с заменой труб диаметром 1420 мм по территории всех трех областей, строительство водозаборных сооружений общей мощностью 600 тысяч кубометров в сутки, строительство двух сборных резервуаров производительностью 5000 кубометров в сутки и бурение порядка 80 узлов распределения воды.
Реализация проекта позволит обеспечить качественной питьевой водой дополнительно 350 тысяч человек во всех трех областях, а защитные мероприятия обеспечат сохранность существующего рельефа местности и рекультивацию земель (в настоящее время водовод мощностью 270 тысяч кубометров в сутки обеспечивает питьевой водой более 1 миллиона человек).
Сооружения, в которых вода движется под действием, силы тяжести, т. е. гравитационные или самотечные транспортирующие сооружения. Часть из них - напорные гравитационные водоводы.
Ниже подробно описаны сооружения гравитационных напорных водоводов. Они, как и вообще гравитационные системы водоснабжения, распространены в мире исключительно широко. Большие экономические преимущества гравитационной системы заставляют часто выбирать из конкурирующих источников такой, от которого возможно осуществить подачу воды гравитационным методом. Трубные водоводы большого диаметра позволяют передавать воду, особенно питьевую воду от источников в горах непосредственно потребителю непрерывно и надежно. Здесь мы рассматриваем только водоводы большого протяжения, проходящие в условиях сложного рельефа местности и предназначенные для транспортирования значительных количеств воды. Напорные гравитационные водоводы могут быть выполнены в виде трубопроводов, работающих полным сечением при значительной разности отметок местности по трассе водовода осуществление такой схемы требует применения высоконапорных металлических труб.
В настоящее время промышленность располагает наличием металлических напорных труб любых диаметров, герметичных и рассчитанных на любое давление. Трубы поставляются с наружным и внутренним коррозионностойкими покрытиями. Долговечность таких труб при эксплуатации доведена до 50лет. Прокладка труб ведется индустриальными методами, имеются проекты и подземной прокладки трубопроводов и наземной, в различных условиях и даже в горах. Прокладка водоводов ведется по пересеченной местности, пересекая преграды в виде железных и автомобильных дорог, рек и оврагов. Монтажные организации располагают навыками, технологиями и механизмами для устройства надземных и подземных переходов в необходимых местах. Трубопроводы, при подземной прокладке, защищены от блуждающих токов и электрохимической коррозии электрохимзащитой.
Ввиду дорогостоящего проекта водовода, строительству подобных систем должны предшествовать исключительно тщательные изучение и выбор источника. Источник должен быть абсолютно надежным и гарантировать подачу требуемых количеств воды с расчетом на перспективы дальнейшего развития снабжаемых водой объектов.
Напорные гравитационные водоводы применяется при наличии достаточной разницы между отметкой уровня источника и расчетной отметкой резервуара потребителя и в условиях сильно пересеченного рельефа местности, когда по длине водовода многократно изменяются знаки и величины уклона. Это возможно, когда источник воды находиться в горах, а потребитель в равнинной местности.
Нами ниже рассмотрены случаи работы водовода только на полный расчетный расход и ряд технических условий для его сооружения.
Между тем, обычно гравитационные водоводы, рассчитываемые на значительный срок эксплуатации, в течение определенного периода времени должны подавать количества воды меньше расчетных. Поэтому приходится регулировать подачу воды по водоводу, т. е. или подавать расходы меньше расчетных или изменять их в соответствии с изменениями водопотребления. В подобных системах часто устраивают общий забор воды и
общий начальный участок водовода. Регулировать подачу воды по водоводу можно с помощью затворов (задвижек) как в верхнем, так и в нижнем конце.
Вода протекает под естественным напором, образованным превышением начальной точки участка над конечной. В напорные гравитационные водоводы вместе с транспортируемой водой может вовлекаться воздух, который скапливается в возвышенных точках водовода. Образующиеся таким образом «воздушные мешки» сужают сечение водовода, создают неспокойное течение воды, вызывают вибрации водовода и гидравлические удары. Все это может повлечь за собой расстройство стыков и возникновение аварий на водоводе. Поэтому необходимо обеспечивать возможность автоматического удаления воздуха из водовода в процессе его эксплуатации. В напорных водоводах, ввиду того что они работают полным сечением, необходимо удалять воздух, скапливающийся в его возвышенных точках. Для возможности опорожнения водовода необходимо предусмотреть устройства для впуска в него воздуха. Наиболее распространенным способом обеспечения желательных внутренних давлений в напорных гравитационных водоводах большого протяжения, проложенных по местности с пересеченным рельефом, является разбивка водовода на несколько участков с установкой в пограничных точках разгрузочных резервуаров. Как будет показано ниже, эти резервуары выполняют, кроме того, ряд функций, требуемых для нормальной работы водопровода.
Напорные гравитационные водоводы, работающие полным сечением, должны иметь прочность, достаточную для сопротивления внутренним разрывающим усилиям от давления воды.
Работа напорных водоводов всех типов вследствие высоких внутренних давлений менее надежна, т. е. вероятность аварий на них больше, чем в безнапорных каналах.
При большой длине водовода обычно более рентабельной является прокладка водовода в одну линию с устройством резервных емкостей. Основным мероприятием по снижению давлений в гравитационных водоводах является разбивка их на участки с устройством в пограничных точках резервуаров со свободной поверхностью воды. Эти резервуары обеспечивают в водовод в точках его примыкания к резервуару — давления, близкие к атмосферному. Такие резервуары носят название разгрузочных резервуаров, прерывателей напора, камер разрыва и т. п. Они являются сооружением специфическим для гравитационных напорных водоводов. В практике строительства нашли применение различные системы разгрузочных резервуаров. Выбор места расположения разгрузочных резервуаров в значительной степени зависит от рельефа местности. Они должны быть расположены на относительно возвышенных точках трассы (чтобы избежать образования сифонных участков).
При использовании запорной и регулирующей аппаратуры в напорных водоводах могут возникнуть гидравлические удары; поэтому необходимо оборудовать эти водоводы устройствами и аппаратурой для борьбы с ударами. В напорных гравитационных водоводах гидравлические удары могут возникнуть в результате быстрого закрытия запорных устройств. Разгрузочные и уравнительные резервуары сами по себе являются сооружениями, лимитирующими ударное давление и успешно предохраняющими водоводы от избыточных внутренних давлений. Независимо от этого, в местах присоединения водоводов к резервуарам, перед запорно-регулирующими устройствами, в ряде случаев, устанавливают специальные противоударные предохранительные клапаны.
На водоводах больших диаметров (до 1200 мм) приходится устанавливать два—четыре клапана..
Некоторые из сооружений и устройств, применяемых на напорных водоводах, выполняют те ж е функции, как и устройства на безнапорных водоводах, но имеют иные конструктивные решения. К таким сооружениям относятся запорные и регулирующие устройства, а также устройства для сброса воды.
Движение водного потока в водоходных сооружениях, из – за его высокой кинетической энергии, формирующейся за счет увеличения средней скорости воды на длинных и крутых участках водовода, выявляет существенные проблемы. При больших скоростях потока в трубе, требуются специальные устройства, гасящие кинетическую энергию потока. Они устанавливаются в расчетных местах водовода, на наиболее опасных участках.
Многочисленные поиски различных типов гасящих устройств, а также ознакомление с оценками их влияния на структуру потока и на возможности управления течениями, на снижение их нежелательного воздействия привели к выводу, что эти процессы изучены пока недостаточно полно.
Гашение избыточной кинетической энергии потока энергии потока в описанных конструкциях происходит, используя препятствия для движения потока. Анализ изучения большого количества работ по вышеуказанному перечню вопросов, несмотря на многообразие существующих в практике устройств сооружений для гашения избыточной энергии потока, показал, что гашение на них недостаточны. Теоретические выводы сформировали задачи и позволили определить цель настоящей работы.
Для достижения поставленной цели, в рамках настоящей работы, определены следующие направления , необходимые для её реализации:
- по изучению движения водного потока в трубопроводе большого диаметра;
-разработки новой схемы конструкции гасителей в трубопроводе используя максимальное
число препятствий на небольшом участке
-расчет параметра, показывающий степень гашения избыточной энергии потока в
трубопроводе , во взаимосвязи с динамикой потока воды;
Как показывают результаты сопоставительного анализа существующих образцов гасителей, наиболее эффективно работает рекомендуемый вариант с вогнутым гасителем.
По изучению характера новой схемы гасителей принята следующая схема, в которой поток осуществляет преодолевание препятствия и поворот6 раз, на очень коротком отрезке водовода. При этом установка гасителя с отбойниками исследуемой вогнутой формы способствует максимальному снижению воздействия потока на водовод сооружения.
Схема гасителя проработана детально и представлена в конструкции корпуса, с использованием стандартных элементов водовода двух эксцентричных отводов Ду1000 и прямика Ду1400 В статье приводится результаты экспериментальных разработок новой конструкции гасителя на водоходном сооружении.
Гаситель на чертеже разработан, как оригинальное изделие и предназначен для снижения скорости воды на участках по гравитационному напорному водоводу.
Снижение скорости течения достигается вследствие усиленного завихрения потока в отбойниках с многочисленными поворотами(6-кратным) струи на 900 градусов, на сравнительно небольшом отрезке трубопровода, при этом нет сужения протоков, ни в одном сечении. Корпус гасителя выполнен из стандартных деталей трубопроводов, начинка сварная из отрезков труб в качестве направляющих, отбойников и усиливающих ребер. Все продольные нагрузки, возникающие при воздействии потока на препятствия, отбойники, компенсированы с помощью ребер. Гасители внедрены на Зааминском водоводе в Джизакской области.
Водопроводные трубы должны быть уложены на глубине, исключающей механическое повреждение труб и замерзание воды зимой или нагрев ее летом.
Водопроводные трубы укладывают, как правило, открытым способом на естественный грунт ненарушенной структуры без устройства искусственного основания, за исключением скальных, болотистых и плывунных грунтов.
В скальных грунтах основание траншеи выравнивают слоем уплотненного мягкого грунта толщиной не менее 0,1 м над выступающими неровностями основания. В практике эксплуатации отмечались случаи разрыва напорных водоводов, которые приводили к затоплению территории. Для защиты территории от затопления должны быть обеспечены: отвод в безопасное место потока воды, выходящего из места разрыва, и возможно быстрое перекрытие поврежденной нитки водовода аварийными затворами. С целью отвода потока воды используются направляющие стенки, отводящие воду мимо строений в нижний бьеф. Для включения подъемных механизмов аварийных затворов используются различные устройства за¬щиты, реагирующие на разрыв водовода:
• максимальная защита, реагирующая на увеличение Расхода (скорости) воды в начале водовода;
• дифференциальная защита, реагирующая на разность расходов (скоростей) воды в начале и конце водовода;
• минимальная защита, реагирующая на понижение гидростатического давления в конце водовода;
• защита, срабатывающая от понижения напора (уровня) воды в аэрационной трубе;
• защита, срабатывающая при появлении перед защищаемыми сооружениями аварийно высокого уровня воды.
Наибольшее распространение получили различные виды максимальной и дифференциальной защиты. Все устройства защиты требуют систематических ревизий.
Большие экономические преимущества гравитационной системы заставляют часто выбирать из конкурирующих источников такой, от которого возможно осуществить подачу воды гравитационным методом. Строительная стоимость гравитационных водоводов по сравнению с нагнетательными в ряде случаев оказывается ниже. Кроме того, безнапорные водоводы (каналы) обычно более надежны в работе. За гравитационными системами остаются большие экономические преимущества: они не требуют затраты энергии на подачу воды и эксплуатация их
относительно дешева и проста.