Водоснабжение и водоотведение в условиях крайнего севера

Н. А. Шонина, инженер, ст. преподаватель МАрхИ

Для успешного проектирования систем водоснабжения и водоотведения в условиях вечной мерзлоты необходимо решить следующие задачи:

• определить источник водоснабжения, т.к. его мощность и режим определяют не только схему водоснабжения, но и конструкции всех сооружений, условия и стоимость их строительства и эксплуатации;
• оценить инженерно-мерзлотные свойства и особенности грунтов и на их основании определить принцип строительства сооружений и прокладки сетей;
• обеспечить исключение замерзания какого-либо участка системы от источника водоснабжения до потребителя;
• разработать энерго- и ресурсосберегающие решения.

Источник водоснабжения

Схемы водоснабжения и отдельные элементы на Севере могут быть весьма различными в зависимости от мерзлотно-климатических условий и технико-экономических соображений.

Нормы и коэффициенты неравномерности водопотребления следует принимать в соответствии с требованиями глав СНиП по проектированию наружных сетей и сооружений водоснабжения и по проектированию внутреннего водопровода и канализации зданий.

При ограниченном дебите источника водоснабжения расчетные расходы воды допускается снижать по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы. Расчетные расходы воды могут быть увеличены до 20% за счет сброса воды из водопровода в канализацию для предохранения сетей от замерзания. Целесообразность сбросов воды должна обосновываться технико-экономическим расчетом. При определении общего коэффициента неравномерности притока бытовых сточных вод сбросы воды из системы водопровода не учитываются, однако сброс следует добавлять к расчетному расходу при проектировании насосных станций и очистных сооружений.

При использовании в качестве источника водоснабжения подземных вод (надмерзлотных, межмерзлотных, подмерзлотных) следует использовать источники с более высокой температурой воды. При определении диаметра водозаборных скважин надлежит (при необходимости) учитывать размеры устройств для их обогрева. На водотоках, промерзающих до дна, следует принимать водозаборы из подрусловых вод.

Схемы водозабора надлежит принимать:

• с сильно развитым фронтом берегового или затопленного водоприемника, в месте расположения которого русло следует регулировать системой невысоких запруд, размещаемых у противоположного берега;
• фильтрующим водоприемником, входное отверстие которого расположено на уровне русла водотока;
• комбинированную, приспособленную для забора поверхностных и подрусловых вод.

В вечномерзлых грунтах на водотоках, имеющих постоянный поверхностный сток и устойчивое русло, тип водозаборных сооружений должен приниматься с учетом:

• степени промерзания водотоков;
• формирования зоны оттаивания и изменения в связи с этим качества воды;
• мер защиты воды в водоприемных и водоотводящих элементах водозабора от замерзания.

Для поселений целесообразнее добыча подрусловых вод, а также фильтрационных вод из водохранилищ на перемерзающих реках. Сложнее получить поверхностные воды незарегулированных источников. В настоящее время все более увеличивается ориентация на специально создаваемые водохранилища, пруды и водоемы-копани. При выборе воды из любых источников должны учитываться возможность резкого сокращения их глубин и расходов, высокая вероятность перемерзания. Наиболее надежны схемы, базирующиеся на комбинированных водозаборах с приемом и поверхностных, и подрусловых вод. Эти схемы и наиболее экономичны, т.к. упрощается водоочистка и можно широко использовать более доступные поверхностные источники, несмотря на необходимость в ряде случаев их регулирования.

Различия схем водоснабжения обусловлены надежностью водоисточников, набором сооружений, степенью соответствия условиям эксплуатации, сложностью обеспечения теплового режима элементов системы. Схемы водоснабжения из перемерзающих рек с забором воды из подрусловых отложений или из искусственно созданных фильтрующих слоев с регулированием поверхностного и подруслового стока наиболее распространены и перспективны на Севере для относительно малых объектов (рис. 1). Водохранилища здесь не только аккумулируют поверхностный сток, но и обводняют подрусловые водовмещающие отложения, улучшая гидротерметику отбора и очистки воды. Эти схемы испытаны временем, некоторые из них эксплуатируются свыше 40 лет.

Рисунок 1 (подробнее) Схемы водоснабжения из перемерзающих водотоков с регулированием подрусловых вод а – фильтрующей плотиной; 1 – ручей, 2 – водоприемный колодец; 3 – фильтр; 4 – фильтрующая дамба; 5 – самотечно-всасывающие трубы (250 мм); 6 – санитарная зона; 7 – насосная станция; 8 – тепловой пункт; 9 – водопровод с теплосетями; 10 – водоводы; 11 – поселок; 12 – резервуар, 1000 м3 б – глухой плотиной; 1 – река; 2 – водозабор-насосная; 3 – водоводы (219 мм); 4 – поселок; 5 – ручей; 6 – резервуар, 300 мЗ; 7 – резервуар, 1000 мЗ; 8 – острова; 9 – глухая плотина; 10 – водосборная дрена; 11 – ограда в – мерзлотной завесой; 1 – шпора; 2 – река; 3 – мерзлотная завеса; 4 – замораживающие устройства; 5 – дрена; 6 – насосная станция; 7 – водовод; 8 – колодцы; 9 – пожарный резервуар, 300 мЗ; 10 – противопожарная станция; 11 – котельная; 12 – дублирующий водовод; 13 – фильтр; 14 – дублирующая водозабор; 15 – островной массив; 16 – жилая зона; 17 – разводящая сеть; 18 – промзона

За счет подрусловых вод надежно решается водоснабжение даже крупных городов в различных зонах Севера (Якутск, Алдан, Тында

Схема на рис. 1а достаточно типична при водоснабжении объектов равнинно-тундровой зоны. Создание запасов воды на бессточный период (ноябрь–май) обеспечивается устройством пруда-копани, оборудованного системой фильтрующих сооружений для очистки забираемой воды, и ледохранилища в качестве резервного источника. Водозабор в течение года осуществляется из пруда, вода из ледохранилища отбирается при расплавлении льда с помощью пара, теплой воды или электрокабелей.

Искусственное регулирование и пополнение запасов подземных вод следует применять:

• для внутригодового перераспределения и увеличения запасов надмерзлотных вод;
• для создания запасов слабоминерализованных вод путем вытеснения засоленных межмерзлотных и подмерзлотных вод пресными водами;
• для получения воды с требуемой температурой.

Указанные на рис. 2 схемы перспективны для водоснабжения предприятий и пионерных поселков при правильном учете особенностей местности и режима водоисточников. В практике применяются и другие схемы, отличающиеся набором сооружений, степенью надежности и гибкостью функционирования. Преобладание на Севере комплексных промышленно- и хозяйственно-питьевых водопроводов предполагает резкую сезонную неравномерность водопотребления. Поэтому целесообразно подавать большие расходы воды на технологические нужды (промывочные и обогатительные установки, горные предприятия) летом по сборно-разборным трубопроводам больших диаметров из полимеров, легких сплавов и пр. Сезонные поверхностные водопроводы существенно упрощают и удешевляют водообеспечение крупных объектов.

Рисунок 2 (подробнее) Схемы водоснабжения подрусловыми водами крупных рек а – из скважин; б – из подрусловых галерей; 1 – скважины; 2 – резервуары; 3 – река; 4 – остров; 5 – водоводы; 6 – циркуляционная насосная станция; 7 – гидроциклоны; 8 – водоразборные колонки; 9 – границы объекта; 10 – водобудки; 11 – тупиковые участки; 12 – пожарный резервуар; 13 – дюкер; 14 – кольцевой водопровод; 15 – подземные напорные емкости (по 1500 м3); 16 – озеро; 17 – летний водозабор; 18 – летний водопровод; 19 – рабочая галерея; 20 – дублирующий водозабор

Свойства грунтов и прокладка сетей

В зависимости от изменения физико-механических свойств мерзлых грунтов при оттаивании, температурных режимов трубопроводов и грунтов по трассе, а также температурного режима оснований зданий и сооружений, расположенных вблизи трубопроводов, надлежит принимать один из двух принципов использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований:

принцип I – вечномерзлые грунты основания используются в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего заданного периода эксплуатации;

принцип II – вечномерзлые грунты основания используются в оттаивающем и оттаявшем состоянии.

Проектирование сетей по принципу I следует принимать, когда грунты характеризуются значительными осадками при оттаивании и оттаивание грунтов вокруг трубопровода влияет на устойчивость расположенных вблизи зданий и сооружений, строящихся с сохранением основания в мерзлом состоянии.

Проектирование сетей по принципу II следует принимать, когда грунты характеризуются незначительными осадками на всю расчетную глубину оттаивания; здания и сооружения по трассе трубопроводов расположены на значительном расстоянии от трубопроводов или строящихся с допущением оттаивания вечномерзлых грунтов в их основаниях.

Выбор способа прокладки сетей должен производиться с учетом:

• способа предохранения трубопроводов от замерзания при расчетном тепловом режиме, при отклонении теплового режима от нормы и в случаях аварий;
• мер по обеспечению устойчивости трубопроводов и близко расположенных зданий;
• мер по увеличению надежности работы систем водоснабжения и канализации;
• удобства эксплуатации.

Размещение сетей на плане следует предусматривать исходя из обеспечения:

• максимального совмещения инженерных коммуникаций;
• минимальной протяженности сетей;
• блокировки зданий, позволяющей прокладывать сети на подвесках в проветриваемых подпольях;
• сокращения числа подключений к сети водопровода за счет присоединения нескольких зданий к одному вводу водопровода, а также сокращения числа выпусков в канализацию.

Прокладку водопроводов и коллекторов вне населенных пунктов следует предусматривать вблизи дорог. Трубопроводы следует прокладывать вдоль улиц в разделительных полосах между проезжими частями.

Систему канализации надлежит проектировать неполную раздельную (с поверхностным отведением дождевых вод), при этом предусматривать максимально возможное совместное отведение бытовых и производственных сточных вод. Прокладка сетей канализации совместно с сетями хозяйственно-питьевого водопровода допускается только в том случае, когда под канализационные трубы выделен отдельный отсек канала, обеспечивающий отвод сточных вод в аварийный период.

При трассировке сетей канализации надлежит по возможности предусматривать присоединение объектов с постоянным выпуском сточных вод к начальным участкам сети. На выпусках из зданий следует предусматривать комбинированную изоляцию труб (теплоаккумулирующую и тепловую). Расстояние от центра смотровых колодцев до зданий и сооружений, возводимых по первому принципу строительства, надлежит принимать не менее 10 м.

В соответствии с требованиями глав СНиП по проектированию наружных сетей и сооружений водоснабжения и канализации в районах распространения вечномерзлых грунтов:

• для водоводов и сетей водопровода необходимо применять стальные и пластмассовые трубы, чугунные трубы допускается применять при подземной прокладке в проходных каналах. Применение железобетонных и асбестоцементных труб не допускается;
• материал труб для напорных сетей канализации следует принимать как для труб водопроводных сетей;
• для самотечных сетей канализации надлежит применять трубы полиэтиленовые и чугунные с резиновой уплотнительной манжетой.

Надземная прокладка

При проектировании вводов в здание необходимо учитывать возможность изменения мерзлотно-грунтовых условий и температурного режима вечномерзлых грунтов, которые могут произойти в результате строительства и эксплуатации запроектированных сооружений, а также предусматривать исключение теплового воздействия на грунты оснований соседних зданий и сооружений, которое может привести к недопустимым деформациям зданий и сооружений в нормальных эксплуатационных и аварийных режимах работы трубопроводов.

При прокладке трубопроводов следует принимать меры, обеспечивающие исключение или ограничение механического воздействия вечномерзлых грунтов (просадку, пучения, термокарстовых провалов, солифлюкции, морозобойных трещин и т.д.) на конструкции трубопроводов. Прокладку вводов следует предусматривать надземной или в вентилируемых каналах, совмещая с прокладкой различных инженерных сетей. Следует максимально применять прокладку трубопроводов в подпольях зданий.

Наземную прокладку вводов следует предусматривать во всех случаях, когда требуется исключить тепловое воздействие трубопроводов на грунты оснований, учитывая ее относительно низкую стоимость и удобство в эксплуатации.

Наземную прокладку трубопроводов следует предусматривать:

• на мачтах, эстакадах и по конструкциям зданий. Специальные устройства для обслуживания трубопроводов (лестницы, площадки, мостики и т.д.) следует проектировать с учетом эксплуатации трубопроводов в условиях низких температур, сильных зимних ветров и полярной ночи;
• в проветриваемых подпольях зданий высотой не менее 1,2 м, предусматривая водоотводящие лотки.

В сложных грунтовых условиях и при сейсмической активности вне населенных пунктов следует предусматривать подвесную зигзагообразную прокладку трубопроводов. При надземной прокладке трубопроводов надлежит принимать кольцевую тепловую изоляцию из нестареющего теплоизоляционного материала с гидроизоляцией и защитой от механических повреждений. Водоводы и сети, прокладываемые надземно, при любых способах компенсации температурных деформаций трубопроводов надлежит прокладывать ближе к поверхности земли в слое снежного покрова.

Подземную прокладку трубопроводов следует производить только в случаях, когда наземная и надземная прокладка недопустима. Подземную прокладку трубопроводов следует производить только в каналах или тоннелях.

Подземная бесканальная прокладка

Должна приниматься на основе теплотехнических расчетов, при этом в летнее время зона протаивания грунта вокруг трубы не должна влиять на устойчивость оснований трубопроводов и близрасположенных зданий и сооружений, а в зимнее время – должна предохранять транспортируемую жидкость от замерзания. При защите водопроводных труб от замерзания автоматическими выпусками воды или греющим электрическим кабелем допускается прокладка их в слое сезонного промерзания грунта. Расстояния от подземных трубопроводов до фундаментов и сооружений следует принимать по теплотехническому расчету, но не менее 6 м при бесканальной прокладке трубопроводов. Каналы допускается предусматривать на коротких участках сети. Тоннели надлежит принимать при совмещенной прокладке водопровода с другими инженерными коммуникациями. Вводы трубопроводов в здания, сооружаемые по принципу сохранения мерзлоты в основании фундаментов, надлежит предусматривать надземные, в вентилируемых каналах или подвесными к цокольному перекрытию в подпольях зданий.

При проектировании трубопроводов для предохранения транспортируемой воды от замерзания предусматриваются:

• тепловая изоляция трубопроводов;
• подогрев воды;
• подогрев трубопроводов;
• непрерывное движение воды в трубопроводах;
• повышение гидродинамического трения в трубопроводах;
• применение стальной арматуры в исполнении, устойчивом против замерзания;
• установка автоматических выпусков воды.

Минимальная температура воды в водоводах и сетях должна определяться теплотехническими расчетами, при этом допускается принимать колебание температуры в интервале от нескольких долей градуса до нескольких градусов (3–5 °C).

Борьба с замерзанием воды в инженерных сетях

Для предупреждения замерзания водопроводных труб необходимо:

• обеспечивать непрерывное движение воды в трубопроводах;
• принимать время остановки водопровода для ликвидации повреждений или аварии не более определенного теплотехническим расчетом;
• снижать до минимума тепловые потери трубопроводов;
• предусматривать подогрев воды или трубопроводов;
• обеспечивать контроль за гидравлическими и тепловыми режимами водопровода;
• применять оборудование, устойчивое к замерзанию;
• предусматривать оборудование водоводов системой автоматической защиты от замерзания.

Для предотвращения остановки движения воды в водоводах необходимо предусматривать:

• бесперебойное электроснабжение насосной станции;
• установку на площадке насосной станции резервной электростанции на жидком топливе или установку дополнительного агрегата с двигателем внутреннего сгорания, если имеется только одна ЛЭП;
• установку в насосной станции не менее трех насосных агрегатов независимо от категории водопровода;
• организацию непрерывного контроля за расходом воды в водоводах.

Снижение тепловых потерь трубопроводов при надземной прокладке следует обеспечивать за счет покрытия трубопроводов кольцевой теплоизоляцией, прокладки трубопроводов у поверхности земли в слое снежного покрова, принятия оптимальной величины скорости движения воды в трубопроводе, исключения или сведения до минимума участков без тепловой изоляции с повышенными теплопотерями (фланцы, арматура, сальниковые компенсаторы, крепление трубопровода).

Снижение тепловых потерь в трубопроводах подземной канальной прокладки следует обеспечивать за счет покрытия труб кольцевой теплоизоляцией и регулирования работы естественной вентиляции.

В зависимости от местных условий следует предусматривать подогрев водопроводной воды. Для этого следует применять совместную прокладку труб в общей теплоизоляции с трубопроводами тепловых сетей или греющий электрокабель, укладываемый непосредственно на поверхность труб. Витковое расположение кабеля допускается только на вводах и в местах установки водопроводной арматуры. Диаметры труб на вводах водопровода в здание независимо от расчета следует принимать не менее 50 мм.

На вводах водопровода следует устанавливать незамерзающую арматуру, спускные и воздушные краны из бронзы и применять гнутые компенсаторы и отводы. В условиях Крайнего Севера особенно важно уделить внимание энергосбережению.

Энергоэффективные мероприятия

Возможными путями рационального использования сурового климата и мерзлотных факторов являются следующие.

1. Использование льда для теплоизоляции сооружений и водопроводов в холодный период года. Высокие теплоизоляционные свойства льда, наносимого на наружные поверхности сооружений и трубопроводов, позволяют ограничиться их минимально необходимой стационарной теплоизоляцией, т.е. снизить их термическое сопротивление и стоимость. Используется в качестве меры теплозащиты внутритрубное оледенение водоводов, получившее солидное теоретическое обоснование и аппаратурное обеспечение.

2. Создание в вечномерзлых массивах полостей (емкостей) для хранения запасов хозяйственно-питьевых вод, консервации сточных вод и жидких отходов, хранения реагентов и т.д. Горные выработки, образуемые, как правило, средствами гидромеханизации, достигают значительных объемов. Существуют методики теплотехнического расчета таких полостей при различных наполнениях водой, а также условий замерзания водных масс или поддержания их в жидком состоянии.

3. Охлаждение оборотных и циркуляционных вод с использованием ресурсов холода вечномерзлых толщ.

4. В последние годы в условиях Крайнего Севера были возведены пилотные энергоэффективные дома, в которых к зданиям был подведен только водопровод холодного водоснабжения. Нагрев воды происходит за счет солнечных коллекторов, установленных на крыше здания.

Литература

1. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. М., 2003.
2. СНиП 2.04.02–84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
3. СНиП 2.04.01–85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.
4. СНиП 2.04.03–85. Канализация. Наружные сети и сооружения.
5. СН 510–78. Инструкция по проектированию сетей водоснабжения и канализации для районов распространения вечномерзлых грунтов.