RU203775U1 - DEVICE FOR SELECTIVE WATER SELECTION FROM BOTTOM HORIZONS OF A STRATIFIED WATER BODY - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области водоснабжения, а именно к повышению качества воды, забираемой из водных объектов на питьевые и технические цели.Устройство для селективного отбора воды из приповерхностных горизонтов стратифицированного водного объекта, представляющее собой цилиндр или прямую призму с открытым верхом и нижним основанием, выполненным с возможностью размещения в нем оголовка водозабора и закрепления в грунте донных отложений, при этом вертикальные стенки выполнены из водонепроницаемого материала, а их высота установлена на основе комплекса натурных наблюдений и численного моделирования в 3D-постановке потоков, определяющего вертикальную стратификацию водных масс с существенно различными потребительскими характеристиками так, чтобы верхний край устройства находился выше расположения слоя плотностного скачка или был максимально приближен к нему.Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в осуществлении забора воды с требуемыми потребительскими свойствами из верхних слоев водоема при расположении водозаборного оголовка в придонной области.1 з.п. ф-лы, 3 фиг.The utility model relates to the field of water supply, namely, to improve the quality of water taken from water bodies for drinking and technical purposes. A device for the selective selection of water from the near-surface horizons of a stratified water body, which is a cylinder or straight prism with an open top and a lower base made with the possibility of placing a water intake head in it and fixing bottom sediments in the ground, while the vertical walls are made of a waterproof material, and their height was established on the basis of a set of field observations and numerical modeling in a 3D setting of flows, which determines the vertical stratification of water masses with significantly different consumer characteristics so that the upper edge of the device is above the location of the density jump layer or is as close as possible to it. The technical result achieved by the utility model consists in the implementation of water intake with the required consumer properties twami from the upper layers of the reservoir with the location of the water intake head in the bottom area. f-crystals, 3 fig.

Description

Полезная модель относится к области водоснабжения, а именно к повышению качества воды, забираемой из водных объектов на питьевые и технические цели.The utility model relates to the field of water supply, namely, to improve the quality of water taken from water bodies for drinking and technical purposes.

Сегодня во многих городах мира существует острая проблема обеспечения промышленных комплексов и населения водой требуемого качества. Возобновляемыми источниками водоснабжения являются поверхностные водные объекты. Однако многие из них, в первую очередь озера и водохранилища, характеризуются существенной вертикальной стратификацией, связанной с плотностной неоднородностью водных масс, обусловленной неоднородностью распределения как температуры, так и минерализации воды. Весьма часто в качестве лимитирующего показателя требуемого качества воды, как для питьевого, так и промышленного водопользования, выступают минеральные соли, в первую очередь соли кальция и магния, формирующие жесткость воды. Проблема снижения жесткости забираемой воды весьма актуальна, но технические, аппаратные методы очень дороги. Для поддержания устойчивого водообеспечения, наиболее актуален забор воды с пониженной минерализацией и жесткостью. Такие водные массы, как менее плотные, располагаются в поверхностном горизонте, а более плотные (более минерализованные) в придонном горизонте.Today in many cities of the world there is an acute problem of providing industrial complexes and the population with water of the required quality. Renewable sources of water supply are surface water bodies. However, many of them, primarily lakes and reservoirs, are characterized by significant vertical stratification associated with the density heterogeneity of water masses, due to the inhomogeneity of the distribution of both temperature and water salinity. Quite often, mineral salts, primarily calcium and magnesium salts, which form water hardness, act as a limiting indicator of the required water quality, both for drinking and industrial water use. The problem of reducing the hardness of the withdrawn water is very relevant, but the technical, hardware methods are very expensive. To maintain a stable water supply, the most relevant is the intake of water with low salinity and hardness. Such water masses, as less dense, are located in the surface horizon, and more dense (more mineralized) in the bottom horizon.

Водные объекты характеризуются существенной как внутригодовой, так и междугодичной изменчивостью, поэтому оголовки водозаборов, как правило, вынуждены располагать на глубине, достаточной для парирования этих, как естественных, так техногенных, колебаний уровней воды. Возникает серьезная проблема совмещения размещения оголовков водозаборов в придонной области, с забором воды лучшего качества из поверхностных горизонтов. Для ее решения требуется организация селективного отбора воды необходимого качества из водного объекта.Water bodies are characterized by significant both intra-annual and inter-annual variability, therefore, the heads of water intakes, as a rule, have to be located at a depth sufficient to counter these, both natural and man-made, fluctuations in water levels. A serious problem arises of combining the placement of the head of water intakes in the bottom area, with the intake of better quality water from the surface horizons. To solve it, it is necessary to organize the selective selection of water of the required quality from the water body.

С этой целью, как правило, используется водозаборы с расположением заборных окон на различных горизонтах. В зависимости от уровня и расположения слоя воды требуемого качества забор воды проводится с необходимого горизонта.For this purpose, as a rule, water intakes are used with the location of intake windows at different horizons. Depending on the level and location of the water layer of the required quality, water is taken from the required horizon.

Из уровня техники известно водоприемное сооружение для забора воды из поверхностных источников (RU 2601040 Е02В 9/04, Е03В 3/04, опубликован 27.10.2016) оборудованное в виде берегового водозабора, содержащее водоприемную камеру, всасывающую камеру с насосами первого подъема, водоприемное сооружение выполнено в виде поплавка с воздушной камерой в нижней части водоприемного сооружения и крепится к вертикальным направляющим опорами с помощью кольцевых муфт, отличающееся тем, что в стенке водоприемной камеры введены два патрубка, на выходе которых размещены перекрываемые клапаны с поплавковым приводом, размещенным в водоприемной камере, причем нижний клапан соединен со штоком поплавка шарнирно в виде рычажного привода, а верхний клапан соединен с рычагом, закрепленным на горизонтальной оси его вращения, с возможностью вертикального перемещения относительно друг друга. Наличие в конструкции сооружения двух патрубков с двумя клапанами и поплавковым приводом позволяют в результате различных наполнений в источнике и его насыщенности наносами повысить устойчивый гидравлический напор в водоприемной камере, учитывая и скоростные характеристики водоисточника.From the prior art, it is known a water intake structure for the intake of water from surface sources (RU 2601040 E02B 9/04, E03B 3/04, published on October 27, 2016) equipped in the form of a coastal water intake, containing a water intake chamber, a suction chamber with pumps of the first rise, the water intake structure is made in the form of a float with an air chamber in the lower part of the water intake structure and is attached to the vertical guide supports using annular couplings, characterized in that two branch pipes are introduced in the wall of the water intake chamber, at the outlet of which there are overlapping valves with a float drive located in the water intake chamber, and the lower valve is pivotally connected to the float rod in the form of a lever drive, and the upper valve is connected to the lever, fixed on the horizontal axis of its rotation, with the possibility of vertical movement relative to each other. The presence in the structure of the structure of two branch pipes with two valves and a float drive allows, as a result of various fillings in the source and its saturation with sediments, to increase the stable hydraulic head in the water intake chamber, taking into account the speed characteristics of the water source.

Также известны и другие устройства предназначенные для забора воды из поверхностных источников, где наблюдаются колебания уровней воды в течение времени, например, в период паводков, межени (RU 2630901 Е03В 3/04 опубликован 14.09.2017; RU 2534576 Е02В 9/04, Е03В 3/04 опубликован 27.11.2014; RU 2373327 Е02В 3/04 опубликован 20.11.2009; RU 2364680 Е02В 9/04, Е03В 3/04 опубликован 20.08.2009).Also known are other devices designed for water intake from surface sources, where fluctuations in water levels are observed over time, for example, during floods, low water (RU 2630901 E03В 3/04 published on September 14, 2017; RU 2534576 Е02В 9/04, Е03В 3 / 04 published on November 27, 2014; RU 2373327 E02B 3/04 published on November 20, 2009; RU 2364680 E02B 9/04, E03B 3/04 published on August 20, 2009).

Однако такие водозаборы очень сложны конструктивно и весьма дорогостоящи. Кроме того, они не позволяют организовать селективный отбор воды из поверхностных горизонтов на уже действующем водозаборе с придонным расположением оголовка.However, such intakes are very complex structurally and very expensive. In addition, they do not allow organizing selective water withdrawal from surface horizons at an already operating water intake with a bottom location of the head.

Создание вокруг водозаборного оголовка донного барьера, отсекающего поступление на водозабор воды из придонных горизонтов, предполагает также возможность изменения высоты стенки барьера для парирования колебаний слоя раздела водных масс. Подвижность, изменяемость высоты стенок ограждающего барьера очень серьезно удорожает организацию селективного отбора воды.The creation of a bottom barrier around the water intake cap, which cuts off the flow of water from the bottom horizons to the water intake, also implies the possibility of changing the height of the barrier wall to counter fluctuations in the layer of separation of water masses. The mobility, variability of the height of the walls of the enclosing barrier very seriously increases the cost of organizing selective water withdrawal.

Жесткая необходимость обеспечения забора воды с лучшими потребительскими свойствами обуславливает, при наличии устойчивой вертикальной стратификации воды водного объекта, использование различных схем селективного выборочного отбора воды. Наиболее часто такие схемы используются на ТЭЦ для забора воды из нижних, наиболее охлажденных слоев воды. Если вода с требуемыми потребительскими свойствами располагается на поверхностных горизонтах, то необходим селективный отбор воды из поверхностных горизонтов.The strict need to ensure the intake of water with the best consumer properties determines, in the presence of a stable vertical stratification of water in a water body, the use of various schemes of selective selective water intake. Most often, such schemes are used at CHP plants to take water from the lower, most cooled layers of water. If water with the required consumer properties is located on the surface horizons, then selective water withdrawal from the surface horizons is required.

При организации донного барьера принципиально важно выполнение следующих двух условий:When organizing a bottom barrier, it is fundamentally important to fulfill the following two conditions:

- высота барьера должна быть выше расположения слоя плотностного скачка;- the height of the barrier should be higher than the location of the density jump layer;

- интенсивность забора воды не должна нарушать устойчивость рассматриваемого слоя скачка.- the intensity of water intake should not violate the stability of the shock layer under consideration.

Высота слоя скачка должна определяться на основе комплекса натурных гидрологических и гидрохимических наблюдений, а для оценки устойчивости слоя скачка, а соответственно, и размера донного барьера при задаваемом расходе забираемой воды, предложены многочисленные полуэмпирические расчетные соотношения на основе плотностного числа Фруда - Fr и Ричардсона - Ri. Их обзор дается в следующих публикациях: Аверкиев А.Г., Макаров Т.И., Сипятин В.И. «Бесплотинные водозаборные сооружения», Л.: «Энергия», 1965, 163 с.; Васильев О.Ф. и др. «Стратифицированные течения», Итоги науки и техники. Гидромеханика, т. 8, изд. ВИНИТИ, 1975, с. 74-119; Войнович А.П. «Забральные стенки для глубинного и поверхностного водозабора», тр. Координационного совещания по гидротехнике, вып. 39, Л.: «Энергия», 1968, с. 116-123.The height of the shock layer should be determined on the basis of a set of full-scale hydrological and hydrochemical observations, and to assess the stability of the shock layer, and, accordingly, the size of the bottom barrier at a given flow rate of the withdrawn water, numerous semiempirical calculated relations based on the density Froude number - Fr and Richardson - Ri ... Their review is given in the following publications: Averkiev A.G., Makarov T.I., Sipyatin V.I. "Damless water intake facilities", L .: "Energy", 1965, 163 p .; Vasiliev O.F. and others. "Stratified currents", Results of Science and Technology. Hydromechanics, vol. 8, ed. VINITI, 1975, p. 74-119; Voinovich A.P. "Intake walls for deep and surface water intake", tr. Coordination meeting on hydraulic engineering, vol. 39, L .: "Energy", 1968, p. 116-123.

Данные требования достаточно легко выполняются, если водоснабжение организуется из искусственного водного объекта, специально созданного для решения данной проблемы. Если водоснабжение организуется из естественного водного объекта, характеризующегося существенной внутригодовой изменчивостью гидрологического режима или из водохранилища, регулирование которого проводится, в первую очередь, исходя из интересов других водопользователей, то обеспечение устойчивости селективного отбора воды с использованием донного барьера встречает значительные трудности, на преодоление которых направлена данная полезная модель.These requirements are easily met if the water supply is organized from an artificial water body specially created to solve this problem. If the water supply is organized from a natural water body, characterized by significant intra-annual variability of the hydrological regime, or from a reservoir, which is regulated primarily based on the interests of other water users, then ensuring the sustainability of selective water withdrawal using the bottom barrier encounters significant difficulties, the overcoming of which is aimed this utility model.

Из уровня техники известно устройство («особенности регулирования качества воды при ее селективном заборе из водохранилищ», А.П. Лепихин, Т.П. Любимова и др., журнал «Водное хозяйство России», №3, 2017, стр. 58), принятое за прототип, представляющее собой водозаборный оголовок, вокруг которого создан донный барьер, способный отсекать забор воды из нижних горизонтов. В данном источнике информации рассматривается технология селективного забора воды, в то же время не раскрываются особенности выполнения донного барьера, который заявляется на регистрацию в качестве полезной модели. Не известно из каких материалов выполнен донный барьер и каким образом выбрана оптимальная высота вертикальных стенок донного барьера.A device is known from the prior art ("features of water quality regulation during its selective withdrawal from reservoirs", A.P. Lepikhin, T.P. Lyubimova and others, the journal "Water Industry of Russia", No. 3, 2017, p. 58) , taken as a prototype, representing a water intake head, around which a bottom barrier is created, capable of cutting off water intake from the lower horizons. In this source of information, the technology of selective water intake is considered, at the same time, the features of the implementation of the bottom barrier, which is declared for registration as a utility model, are not disclosed. It is not known what materials the bottom barrier is made of and how the optimal height of the vertical walls of the bottom barrier was chosen.

Принципиальным отличием заявляемого устройства селективного отбора воды от известных заключается то, что все известные технические решения ориентированы на строительство, создание новых водозаборов, а не модернизацию действующих. В то же время заявляемое устройство позволяет организовать селективный забор воды на уже действующем водозаборе с традиционным расположением водозаборного оголовка в придонной области.The fundamental difference between the claimed device for selective water withdrawal from the known ones is that all known technical solutions are focused on construction, the creation of new water intakes, and not the modernization of existing ones. At the same time, the claimed device makes it possible to organize selective water intake at an already operating water intake with a traditional location of the intake head in the bottom area.

Поэтому для обеспечения селективного отбора предлагается создание донного барьера фиксированной оптимальной высоты. Высота барьера определяется расположением с одной стороны слоя плотностного скачка, а с другой она должны обеспечивать возможность устойчивой работы водозабора в наиболее неблагоприятных условиях, при этом возможное повышение слоя раздела водных масс выше стенки донного барьера предлагается парировать изменением, повышением забора воды. При этом характеристики ограждающего барьера, его высота определяется исходя из особенностей гидрологического, гидрохимического режима водного объекта, конструктивной особенности оголовка водозабора, его мощности на основе гидродинамических расчетов в 3D-постановке. Данная схема организации селективного водозабора может быть актуальной не только для снижения жесткости забираемой воды, но и для улучшения других показателей качества воды, характеризующейся существенной вертикальной стратификацией.Therefore, to ensure selective sampling, it is proposed to create a bottom barrier with a fixed optimal height. The height of the barrier is determined by the location on one side of the density jump layer, and on the other, it should ensure the possibility of stable operation of the water intake in the most unfavorable conditions, while a possible increase in the layer of separation of water masses above the wall of the bottom barrier is proposed to fend off by changing, increasing the intake of water. At the same time, the characteristics of the enclosing barrier, its height is determined based on the features of the hydrological and hydrochemical regime of the water body, the design features of the intake head, its capacity based on hydrodynamic calculations in a 3D setting. This scheme for organizing selective water intake can be relevant not only for reducing the hardness of the water taken in, but also for improving other indicators of water quality, characterized by significant vertical stratification.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в организации селективного забора воды из верхних слоев водоема на уже действующем водозаборе традиционной конструкции с расположением водозаборного оголовка в придонной области.The problem to be solved by the utility model is to organize selective water intake from the upper layers of the reservoir at an already operating water intake of a traditional design with a water intake head located in the bottom area.

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в осуществлении забора воды с требуемыми потребительскими свойствами из верхних слоев водоема при расположении водозаборного оголовка в придонной области.The technical result achieved by the utility model consists in the implementation of water intake with the required consumer properties from the upper layers of the reservoir when the water intake head is located in the bottom area.

Технический результат достигается за счет использования заявляемой полезной модели, представляющей собой донный барьер, выполненный в форме цилиндра или прямой призмы с открытым верхом и нижним основанием, выполненным с возможностью размещения в нем оголовка водозабора и закрепления в грунте донных отложений, при этом вертикальные стенки, выполнены из водонепроницаемого материала. Высота вертикальных стенок определяется исходя из высоты расположения слоя плотностного скачка и обеспечения устойчивого забора воды в наиболее неблагоприятные периоды эксплуатации водозабора с учетом толщины ледового покрова и возможных минимальных уровней воды в водном объекте на основе численного моделирования в 3D-постановке потоков так, чтобы верхний край устройства располагался выше слоя плотностного скачка или максимально приближался к нему.The technical result is achieved through the use of the claimed utility model, which is a bottom barrier made in the form of a cylinder or a straight prism with an open top and a bottom base made with the possibility of placing a water intake head in it and fixing bottom sediments in the ground, while vertical walls are made made of waterproof material. The height of the vertical walls is determined based on the height of the density jump layer and ensuring stable water intake during the most unfavorable periods of water intake operation, taking into account the thickness of the ice cover and possible minimum water levels in a water body based on numerical modeling in a 3D setting of flows so that the upper edge of the device was located above the density jump layer or approached it as much as possible.

Донный барьер устанавливают на дно водоема таким образом, чтобы оголовок водозабора, расположенный в придонной области водоема, находился внутри донного барьера.The bottom barrier is installed at the bottom of the reservoir in such a way that the head of the water intake located in the bottom area of the reservoir is inside the bottom barrier.

Характер материала из которого выполняется донный барьер не имеет принципиального значения, главное, чтобы он был водонепроницаем и устойчив к действию воды, чтобы эффективно отсекать забор воды из нижних горизонтов.The nature of the material from which the bottom barrier is made is not of fundamental importance, the main thing is that it is waterproof and resistant to water in order to effectively cut off the water intake from the lower horizons.

Размеры основания донного барьера определяются из установленной мощности водозабора, и особенности соотношения расположения слоя плотностного скачка и высоты донного барьера.The dimensions of the bottom barrier base are determined from the installed water intake capacity, and the peculiarities of the ratio of the density jump layer location and the bottom barrier height.

Устройство для селективного отбора воды из придонных горизонтов стратифицированного водного объекта в виде устанавливаемого вокруг оголовка водозабора донного барьера в отличие от водозаборов с расположенными на различной глубине заборными окнами отличается простой и удобством изготовления. При этом возможные превышения расположения границ раздела водных масс, вследствие изменения гидрологического режима водного объекта, предлагается парировать путем изменения расходов заборов воды. Для этих целей предлагается технология расчетов изменения параметров забора воды на основе численного гидродинамического моделирования в 3D-постановке.A device for selective water withdrawal from the bottom horizons of a stratified water body in the form of a bottom barrier installed around the head of the water intake, in contrast to water intakes with intake windows located at different depths, is simple and easy to manufacture. At the same time, it is proposed to fend off possible excess of the location of the boundaries of the division of water masses, due to changes in the hydrological regime of the water body, by changing the flow rates of water intakes. For these purposes, a technology is proposed for calculating changes in the parameters of water intake based on numerical hydrodynamic modeling in a 3D setting.

Для реализации функции 3D-постановки, осуществляют сбор данных о стратификации водоема, и глубине расположения слоев воды с разными потребительскими свойствами. Далее массив данных за период регулярных наблюдений не менее года обрабатывают с помощью современных программ статистической обработки. Для анализа возможных экстремальных лимитирующих ситуаций осуществляют численное моделирование в 3D-постановке потоков и концентрации примесей в водоеме, которое позволяет объективно оценить наиболее вероятное расположение слоя воды с требуемыми для забора потребительскими свойствами (слоя скачка) и, таким образом, определить высоту вертикальных стенок устройства отбора воды, так чтобы верхний край устройства находился выше слоя плотностного скачка или был бы максимально приближен к нему. Такая конструкция устройства (донного барьера) позволяет при работе водозаборного оголовка забирать внутрь устройства воду из слоя с требуемыми характеристиками.To implement the function of 3D setting, they collect data on the stratification of the reservoir, and the depth of the location of water layers with different consumer properties. Further, the data array for the period of regular observations of at least a year is processed using modern statistical processing programs. To analyze possible extreme limiting situations, numerical modeling is carried out in a 3D setting of flows and concentration of impurities in a reservoir, which makes it possible to objectively assess the most probable location of a water layer with the consumer properties required for sampling (a jump layer) and, thus, to determine the height of the vertical walls of the sampling device water so that the upper edge of the device is above the density jump layer or is as close to it as possible. Such a design of the device (bottom barrier) allows, during operation of the water intake head, to take water inside the device from a layer with the required characteristics.

Использование донных барьеров с фиксированной высотой стенок позволяет принципиально снизить стоимость по сравнению с устройствами с подвижными стенками, в то же время позволяет существенно повысить устойчивость отбора воды требуемого качества.The use of bottom barriers with a fixed wall height makes it possible to fundamentally reduce the cost in comparison with devices with movable walls, at the same time, it allows to significantly increase the stability of water withdrawal of the required quality.

Полезная модель поясняется следующими чертежами:The utility model is illustrated by the following drawings:

Фиг. 1 - Общий вид устройства для селективного отбора воды из придонных горизонтов стратифицированного водного объекта.FIG. 1 - General view of a device for selective water extraction from the bottom horizons of a stratified water body.

Фиг. 2 - Схема функционирования ограждающего барьера при расположении слоя скачка ниже высоты ограждающего барьераFIG. 2 - Diagram of the functioning of the enclosing barrier when the jump layer is located below the height of the enclosing barrier

(где Frρ, Frкр ρ - соответственно, плотностное число Фруда и его критическое значение, Riρ, Riкр ρ - соответственно, число Ричардсона и его критическое значение, V - скорость течения, z - вертикальная координата)(where Frρ, Frcr ρ are, respectively, the density Froude number and its critical value, Riρ, Ricr ρ are, respectively, the Richardson number and its critical value, V is the current velocity, z is the vertical coordinate)

Фиг. 3-Схема функционирования ограждающего барьера при расположении слоя скачка выше высоты ограждающего барьераFIG. 3-Diagram of the functioning of the enclosing barrier when the jump layer is located above the height of the enclosing barrier

(где q - расход забираемой воды, F - площадь живого сечения, ω - критическая скорость, определяющая устойчивость слоя скачка, ρ - плотность воды, ρ1, ρ2 - плотность воды, соответственно, выше и ниже слоя скачка, g - ускорение свободного падения, Н - уровень воды, Сж1 - жесткость воды выше слоя скачка, Нс - высота слоя скачка, Нб - высота донного барьера, Vz - скорость забора воды)(where q is the flow rate of the withdrawn water, F is the free-flow area, ω is the critical velocity that determines the stability of the shock layer, ρ is the water density, ρ1, ρ2 is the water density, respectively, above and below the shock layer, g is the acceleration of gravity, Н - water level, Сж1 - water hardness above the jump layer, Нс - jump layer height, Нб - bottom barrier height, Vz - water intake rate)

Устройство для селективного отбора воды из придонных горизонтов стратифицированного водного объекта представляющее собой цилиндр или прямую призму 2 с открытым верхом и нижним основанием, выполненным с возможностью размещения в нем оголовка 1 водозабора и закрепления в грунте донных отложений, при этом вертикальные стенки, выполнены из водонепроницаемого материала, а их высота установлена на основе натурных наблюдений и численного моделирования в 3D-постановке, определяющего вертикальную стратификацию водных масс с существенно различными потребительскими характеристиками, с тем чтобы верхний край устройства располагался выше слоя плотностного скачка или находился максимальном приближении к нему.A device for selective water withdrawal from the bottom horizons of a stratified water body, which is a cylinder or straight prism 2 with an open top and a lower base made with the possibility of placing a water intake head 1 in it and fixing bottom sediments in the ground, while the vertical walls are made of waterproof material , and their height was established on the basis of field observations and numerical modeling in a 3D setting, which determines the vertical stratification of water masses with significantly different consumer characteristics, so that the upper edge of the device is located above the density jump layer or is as close to it as possible.

Устройство работает следующим образом. Донный барьер 2, устанавливают на дне водоема таким образом, чтобы водозаборный оголовок 1 находился в периметре нижнего основания барьера, между вертикальными стенками. При включении насоса (на фиг. отсутствует) водозабора создается тяга, при помощи которой в водозаборный оголовок 2 через верхнее открытое основание донного барьера, поступают водные массы 3 с требуемыми потребительскими свойствами (пониженной минерализацией и жесткостью) из приповерхностного слоя, при этом вертикальные стенки донного барьера, выполненные из водонепроницаемого материала, эффективно отсекают забор воды из нижних придонных горизонтов.The device works as follows. The bottom barrier 2 is installed at the bottom of the reservoir in such a way that the water intake head 1 is located in the perimeter of the lower base of the barrier, between the vertical walls. When the pump is turned on (not shown in the figure), a draft is created with the help of which water masses 3 with the required consumer properties (reduced salinity and hardness) from the near-surface layer are supplied to the water intake head 2 through the upper open base of the bottom barrier, while the vertical walls of the bottom barriers made of waterproof material effectively cut off water intake from the lower bottom horizons.

Примеры реализации донного барьера.Examples of the implementation of the bottom barrier.

Экспериментальное испытание повышения эффективности использования селективного отбора воды для решения задач питьевого водоснабжения осуществлялось в условиях Чусовского водозабора г. Перми (ЧОС), расположенного на р. Чусовой (Чусовской плес Камского водохранилища), характеризующейся устойчивой вертикальной стратификацией водных масс. Для отработки технологии обеспечения устойчивого забора воды с требуемыми потребительскими свойствами выполнены детальные натурные исследования и вычислительные эксперименты. Серия вычислительных экспериментов по влиянию расходов заборов воды на качество отбираемой воды через отдельный водозаборный оголовок проводилась в 3D-постановке при помощи пакета вычислительной гидродинамики ANSYS Fluent. Задача решалась в рамках нестационарного изотермического подхода. Получены выводы как по улучшению качества забираемой воды при значимой неоднородности химических, физических свойств по глубине водных объектов, так и по обеспечению эффективной и устойчивой работы селективного отбора воды.An experimental test of increasing the efficiency of using selective water withdrawal for solving the problems of drinking water supply was carried out in the conditions of the Chusovsky water intake in the city of Perm (ChOS), located on the river. Chusovoy (Chusovskoy reach of the Kama reservoir), characterized by stable vertical stratification of water masses. Detailed field studies and computational experiments were carried out to develop the technology for ensuring sustainable water intake with the required consumer properties. A series of computational experiments on the effect of water intake flow rates on the quality of water withdrawn through a separate water intake head was carried out in a 3D setting using the ANSYS Fluent computational fluid dynamics package. The problem was solved within the framework of a nonstationary isothermal approach. Conclusions were obtained both on improving the quality of the withdrawn water with a significant heterogeneity of chemical and physical properties over the depth of water bodies, and on ensuring the effective and stable operation of selective water withdrawal.

Пример 1. Осуществления полезной модели.Example 1. Implementation of the utility model.

Исходя из расположения слоя плотностного скачка, уровней максимальной сработай Камского водохранилища, толщины ледяного покрова, формируемого в зимний период, а также проектной мощности водозабора, были приняты следующие размеры донного барьера. Высота барьера- 8 м, размеры основания 8*8 м. Материал выполнения тестового образца - дерево. Результаты опытной эксплуатации показали его высокую эффективность, приведены в таблице 1.Based on the location of the density jump layer, the levels of the maximum impact of the Kama reservoir, the thickness of the ice cover formed in the winter, as well as the design capacity of the water intake, the following dimensions of the bottom barrier were adopted. The height of the barrier is 8 m, the dimensions of the base are 8 * 8 m. The material of the test sample is wood. The results of trial operation have shown its high efficiency, are shown in table 1.

Пример 2. Функционирование донного барьера при расположении слоя скачка выше высоты донного барьера.Example 2. Operation of the bottom barrier when the shock layer is located above the height of the bottom barrier.

В первую очередь, возникают существенные сложности в реализации высоты донного барьера, гарантированно выше расположения слоя плотностного скачка. Колебания гидрологического режима при наличии мощного ледяного покрова часто требуют установления высоты донного барьера на уровне среднего положения плотностного скачка в рассматриваемом водном объекте. В связи с этим, при определенных гидрологических условиях, слой плотностного скачка может быть несколько выше установленной высоты донного барьера (фиг. 2). Для обеспечения устойчивости водоснабжения в этих условиях крайне важна технология, позволяющая парировать возможные колебания слоя скачка.First of all, significant difficulties arise in realizing the height of the bottom barrier, which is guaranteed to be higher than the location of the density jump layer. Fluctuations of the hydrological regime in the presence of a thick ice cover often require setting the height of the bottom barrier at the level of the mean position of the density jump in the water body under consideration. In this regard, under certain hydrological conditions, the density jump layer may be slightly higher than the established height of the bottom barrier (Fig. 2). To ensure the stability of the water supply in these conditions, a technology is extremely important, which makes it possible to fend off possible fluctuations in the shock layer.

Если слой плотностного скачка располагается выше отметки барьера, возможны две принципиально различные ситуации:If the density jump layer is located above the barrier mark, two fundamentally different situations are possible:

- скорость забора воды, определяемая мощностью насосов, мала и может не «пробить» верхний «запирающий слой», в этом случае, как следует из фиг. 2, в оголовок водозабора будет поступать из нижнего более плотного слоя вода ненормативного качества.- the rate of water intake, determined by the power of the pumps, is low and may not “break through” the upper “blocking layer”, in this case, as follows from FIG. 2, water of non-standard quality will flow to the head of the water intake from the lower denser layer.

- если забор воды достаточно интенсивен, скорость забора воды достаточно велика Vz > ω, где - V_z ~ q/F, где q - расход забираемой воды, F - площадь живого сечения, (ω ~ (Δρ/ρ⋅ΔН⋅g)^1/2, Δρ = ρ₂ - ρ_х ω - критическая скорость, определяющая устойчивость слоя скачка, ρ - плотность воды, ρ₁, ρ₂ - плотность воды, соответственно, выше и ниже слоя скачка, g - ускорение свободного падения, то происходит «пробивка» запирающего слоя, и на водозабор будет поступать вода нормативно высокого качества (фиг. 3).- if the water intake is intensive enough, the water intake rate is high enough Vz> ω, where - V _z ~ q / F, where q is the intake water flow rate, F is the free area, (ω ~ (Δρ / ρ⋅ΔН⋅g) ^1/2 , Δρ = ρ ₂ - ρ _х ω is the critical velocity that determines the stability of the shock layer, ρ is the water density, ρ ₁ , ρ ₂ is the water density, respectively, above and below the shock layer, g is the acceleration of gravity, then the "punching" of the blocking layer occurs, and water of normatively high quality will be supplied to the water intake (Fig. 3).

Claims (2)

1. Устройство для селективного отбора воды из приповерхностного слоя стратифицированного водного объекта, представляющее собой донный барьер с открытым верхом и нижним основанием, выполненным с возможностью размещения в нем оголовка водозабора и закрепления в грунте донных отложений, отличающееся тем, что вертикальные стенки донного барьера выполнены из водонепроницаемого материала и имеют фиксированную высоту, определенную исходя из высоты расположения плотностного скачка.1. A device for selective water withdrawal from the near-surface layer of a stratified water body, which is a bottom barrier with an open top and a bottom base, made with the possibility of placing a water intake head in it and fixing bottom sediments in the ground, characterized in that the vertical walls of the bottom barrier are made of waterproof material and have a fixed height determined based on the height of the density jump. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что высота вертикальных стенок установлена на основе детальных натурных наблюдений и численного моделирования в 3D-постановке в негидростатическом приближении, определяющем вертикальную стратификацию водных масс с существенно различными потребительскими характеристиками так, чтобы верхний край устройства находился выше слоя плотностного скачка или был максимально приближен к нему.2. The device according to claim 1, characterized in that the height of the vertical walls is established on the basis of detailed field observations and numerical modeling in 3D formulation in a non-hydrostatic approximation, which determines the vertical stratification of water masses with significantly different consumer characteristics so that the upper edge of the device is higher density jump layer or was as close to it as possible.

Images