Система водоснабжения населенного места должна обеспечивать получение воды из природных источников, ее очистку, если это необходимо, и передачу к месту потребления. Для выполнения этих задач служат следующие сооружения, входящие обычно в состав системы:

водозаборные сооружения, при помощи которых осуществляется захват воды из природных источников;
водоподъемные сооружения, т. е. насосные станции, подающие воду к местам ее очистки, хранения и потребления;
сооружения для улучшения качества воды;
водопроводные сети, служащие для транспортировки воды к местам ее потребления и распределения;
башни и резервуары, играющие роль регулирующих и запасных емкостей.

Взаимное расположение основных водопроводных сооружений видно из общей схемы водоснабжения, показанной на рис. 27.1.

Рис. 27.1. Общая схема водоснабжения населенного места.
а - план; б - профиль. 1 - водозаборное сооружение; 2 - насосная станция I подъема; 3 - очистные сооружения; 4 - резервуары чистой воды; 5 - насосная станция II подъема; 6 - водоводы; 7 - водопроводная сеть; 8 - водонапорная башня.

        В зависимости от местных природных условий (в частности, источника водоснабжения) и характера водопотребления воды, а также от экономических соображений схема водоснабжения и составляющие ее элементы могут сильно изменяться. Так, водонапорная башня может быть расположена в начале сети (см. рис. 27.1), в конце ее или в какой-либо промежуточной точке сети, что чаще всего определяется рельефом местности. В тех, случаях, когда очистку воды производить не требуется, система водоснабжения сильно упрощается: отпадает необходимость не только в очистных сооружениях, но часто и в связанных с ними резервуарах чистой воды и насосной станции второго подъема.
        Рассмотрим подробнее назначение и устройство важнейших составных частей системы хозяйственно-питьевого водопровода.
        Водозаборные сооружения. Тип водозаборного сооружения зависит прежде всего от источника водоснабжения.
        Для забора воды из поверхностных источников могут применяться самотечные глубинные (см. пп. 5.6.4 и 6.5.3) и открытые (см. пп. 9.2 и 9.3) водозаборы, однако в современных водопроводных системах предпочтение отдается закрытым сетям (трубопроводам) с машинными водозаборами (насосными станциями), как наиболее отвечающими требованиям гигиены и позволяющими оперативно передавать воду практически в любые пункты независимо от их высотного положения по отношению к водоисточнику. Напомним, что в зависимости от водности источника и количества забираемой воды машинные водозаборы могут устраиваться как на свободных реках, так и в подпертых бьефах.
        В зависимости от топографических, гидрологических и геологических условий стационарный машинный водозабор на реке сооружают по русловой или береговой схеме.
        Русловой водозабор устраивают на реках, имеющих пологие берега, сложенные из мягких пород. В состав водозабора входят следующие сооружения (рис. 27.2):

водоприемник предназначен для приема (захвата) воды из водоема через входные окна;
решетки-обычно съемные, плоские, защищающие входные отверстия от всякого рода мусора и рыбы;
самотечные линии (они могут быть самотечно-сифонными), их назначение - транспортировать воду от места захвата к сеточному колодцу;
сеточное помещение чаще называют береговым колодцем, предназначено для предварительной очистки воды путем процеживания через сетки;
всасывающие трубопроводы, с помощью которых вода подводится к насосам;
насосная станция I подъема обеспечивает подачу воды на очистные сооружения или к потребителю в требуемом количестве под необходимым напором (если в схеме нет очистных сооружений);
напорные водоводы;
камера расходомеров.

Рис. 27.2. Русловое водозаборное сооружение раздельного типа.
1 - водоприемный оголовок; 2 - решетка; 3 - самотечные линии; 4 - сеточный колодец; 5 - всасывающая линия; 6 - насосная станция; 7 - напорная линия; 8 - камера переключения и расходомеров.

Береговой водозабор устраивают при наличии достаточно крутого берега (при заложении 1:3 или 1:2), а глубина у берега должна быть достаточна для расположения приемных окон водоприемника. При этом прием воды осуществляется непосредственно в береговой колодец, который называют береговым сеточным помещением.
Береговое сеточное помещение может объединяться с насосной станцией и тогда водозабор называют береговым совмещенного типа. Если сеточное помещение расположено отдельно от насосной станции, водозабор именуется береговым раздельного типа (рис. 27.3). При наличие в створе водозабора мягких просадочных грунтов всасывающие трубы прокладывают в проходной или полупроходной галерее.

Рис. 27.3. Схема берегового водозабора раздельного типа.
1 - водоприемная камера; 2 - входные окна; 3 - сетки плоские; 4 - перегородка; 5 - всасывающие трубы; 6 - галерея; 7 - помещение управления арматурой берегового колодца; 8 - насосы.

        Для забора подземных вод в современных водопроводах обычно используют скважины. Если скважина самоизливающаяся, то ее оголовок оборудуют только аппаратурой управления в составе задвижек, манометров, расходомеров. Если же вода из скважины самостоятельно не изливается, то ее оснащают еще и водоподъемным устройством того или иного типа (центробежным насосом или воздушным подъемником-эрлифтом).
        Вода, забранная из поверхностных источников, обычно содержит различные загрязнения и в естественном состоянии не удовлетворяет всем требованиям ГОСТа на качество питьевой воды, поэтому такую воду из водозабора направляют на очистные сооружения. Подземные воды бывают значительно более чистыми, чем поверхностные, и их часто можно подавать потребителям без дополнительной обработки и подготовки.
        Водоочистные сооружения. Степень и способы улучшения качества воды и состав водоочистных сооружений зависят от свойств природной воды и от требований, которые предъявляет потребитель к качеству воды. Основными методами очистки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения являются: осветление, обесцвечивание и обеззараживание.
        Осветление воды - удаление из нее взвешенных веществ. В зависимости от требуемой степени осветления применяют: отстаивание воды в отстойниках, в гидроциклонах, осветление воды путем пропуска ее через слой ранее образованного взвешенного осадка в так называемых осветлителях со взвешенным осадком, фильтрование воды через слой зернистого или порошкообразного фильтрующего материала в фильтрах или фильтрование через сетки и ткани.
        Для достижения требуемого эффекта осветления воды в отстойниках, осветлителях и на фильтровальных аппаратах с зернистой фильтрующей загрузкой примеси воды следует подвергнуть коагулированию в целях интенсификации процесса, т. е. воздействию солей многовалентных металлов. Попутно вода при этом значительно обесцвечивается.
        Обесцвечивание воды - устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или истинно растворенных веществ. Для этой цели воду подвергают коагулированию, применяют различные окислители (хлор, озон, перманганат калия) и сорбенты (активный уголь).
        Обеззараживание воды проводят для уничтожения содержащихся в ней болезнетворных бактерий и вирусов. Чаще всего применяют хлорирование воды, а также и другие способы обеззараживания (озонирование, бактерицидное облучение и др.). Используют также специальные способы обработки как хозяйственно-питьевой, так и производственной воды, например дезодорацию-удаление привкусов и запахов. Если исходная вода содержит большое количество железа (или фтора), может потребоваться ее обезжелезивание (или обесфторивание). Обычно одновременно с обезжелезиванием проводят удаление марганца.
        Для водоснабжения электростанций, предприятий химической, текстильной промышленности и других объектов снимают жесткость (умягчают) воды. Сочетание необходимых технологических процессов и сооружений составляет технологическую схему улучшения качества воды. Используемые в практике водоподготовки технологические схемы можно подразделить следующим образом: реагентные и безреагентные; по эффекту осветления; по числу технологических процессов и числу ступеней каждого из них; напорные и безнапорные.
        Реагентные и безреагентные технологические схемы применяют при подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей и для нужд промышленности. Указанные технологические схемы существенно отличаются друг от друга по размерам водоочистных сооружений и условиям их эксплуатации.
        Процессы обработки воды с применением реагентов (рис. 27.4) протекают интенсивнее и значительно эффективнее. Так, для осаждения основной массы взвешенных веществ с применением реагентов необходимо 2-4 ч, а без реагентов - несколько суток. С использованием реагентов фильтрование осуществляется со скоростью 5-12 м/ч (и более), а без реагентов (медленное фильтрование) - 0,1-0,3 м/ч. При обработке воды с применением реагентов водоочистные сооружения значительно меньше по объему, компактнее и дешевле, но сложнее в эксплуатации.

Рис. 27.4. Основная технологическая схема водоподготовки (реагентная).
1 - насосная станция I подъема; 2 - барабанные сетки (вариант); 3 - peaгентное хозяйство; 4 - перегородчатый смеситель; 5 - вихревая камера хлопьеобразования; 6 - горизонтальный отстойник; 7 - ввод реагентов для дезодорации или интенсификации процесса фильтрования: 8 - скорый фильтр; 9 - установка для обеззараживания воды; 10 - резервуар чистой воды; 11 - насосная станция II подъема.

Безреагентные технологические схемы, как правило, применяют для водоснабжения небольших водопотребителей при цветности исходной воды до 50 град, для грубого осветления воды, для водоснабжения ряда промышленных объектов. В этом случае достаточно одно отстаивание или одно фильтрование на грубозернистых фильтрах (рис. 27.5).

Рис. 27.5. Технологическая схема водоподготовки с медленными фильтрами (безреагентная).
1 - насосная станция I подъема; 2 - предварительный скорый фильтр; 3 - медленный фильтр; 4 - резервуар чистой воды; 5 - насосная станция II подъема.

По эффекту осветления различают технологические схемы для полного (или глубокого) и неполного (или грубого) осветления воды. При полном осветлении очищенная вода соответствует требованиям питьевой, при неполном - содержание взвеси в очищенной воде во много раз больше (до 50-100 мг/л). Технологические схемы для глубокого осветления воды применяют для хозяйственно-питьевых и для многих промышленных водопроводов, где к качеству технической воды предъявляют высокие требования. Схемы для неполного осветления обычно используют при подготовке технической воды.
По числу технологических процессов и по числу ступеней каждого из них технологические схемы разделяют на одно-, двух-, и многопроцессные. На рис. 27.6 показана усовершенствованная двухпроцессная технологическая схема, состоящая из обработки воды в слое взвешенного осадка и фильтрования, которые проводят последовательно и однократно (в одну ступень).

Рис. 27.6. Двухпроцессная (усовершенствованная) технологическая схема водоподготовки.
1 - насосная станция I подъема; 2 - барабанные сетки (вариант); 3 - вертикальный смеситель; 4 - реагентное хозяйство; 5 - осветлитель со взвешенным осадком; 6 - установка для фторирования воды; 7 - скорый фильтр; 8 - установка для обеззараживания воды; 9 - резервуар чистой воды; 10 - насосная станция II подъема.

Если один из технологических процессов осуществляется два или большее число раз, технологическая схема называется двух-, трех- или многоступенной. На рис. 27.7 показана однопроцессная двухступенная технологическая схема с контактными осветлителями. Основной технологический процесс - фильтрование - здесь осуществляется дважды.

Рис. 27.7. Двухступенчатая технологическая схема водоподго-товки с контактными осветлителями и микрофильтрами.
1 - микрофильтр; 2 - вертикальный смеситель; 3 - реагентное хозяйство; 4 - контактный осветлитель; 5 - установка для обеззараживания воды; 6 - резервуар чистой воды; 7-насосная станция II подъема.

        По характеру движения обрабатываемой воды технологические схемы делят на самотечные (безнапорные) и напорные. На городских и крупных промышленных водопроводных станциях исходная вода движется по сооружениям самотеком.
        При этом уровень воды в каждом последующем сооружении ниже уровня в предыдущем. Разность уровней определяет напор, требуемый для преодоления гидравлических сопротивлений внутри сооружения и в коммуникациях от одного сооружения к другому. Поэтому особое значение имеет увязка взаимного расположения отдельных очистных сооружений технологической схемы (т. е. построение высотной схемы).
        При напорной технологической схеме обрабатываемая вода движется от сооружения к сооружению под давлением выше атмосферного, поэтому отдельные сооружения можно расположить на одной отметке. Напорные очистные сооружения должны быть герметично закрыты и рассчитаны на давление, развиваемое насосами.
        При использовании напорных технологических схем иногда можно не устраивать резервуары чистой воды и насосную станцию II подъема. В отдельных случаях очищенная вода под напором насосов I подъема передается непосредственно в сеть потребителям. При безнапорном движении воды по очистным сооружениям необходимы две насосные станции и резервуары чистой воды.
        Как видно из приведенных выше схем обработки воды, все они содержат те или иные сооружения и устройства для удаления взвешенных веществ. Принцип работы и конструкция используемых для указанной цели отстойников рассматривались в п. 10.2. Другой тип сооружений аналогичного назначения, давно применяемый на водопроводных станциях, это фильтры с зернистой загрузкой, представляющие собой резервуары, заполненные, например, крупнозернистым песком, через который и фильтруется вода. Но за последнюю четверть века в мировой практике для удаления из воды взвеси и планктона нашли широкое применение микрофильтры, выполняемые в виде механизмов с вращающимися барабанами, оборудованными фильтрующими элементами из тонкой металлической или пластмассовой сетки с размером ячеек 20-60 мк (рис. 27.8).

Рис. 27.8. Микрофильтр.
1, 10 - соответственно Kai для сбора промывной воды; 6 - барабан; 7 - налы отвода и подачи; 2 - сточная труба; 3 - воронка воды; 4 - защитный кожух; 5 - коллектор промывной водослив; 8 - пластинчатые разбрызгиватели; 9 - вход-микрофильтра; 12-фильтрующие элементы; 13-труба для полного опорожнения камеры.

        Конструкция осветлителей со взвешенным осадком и других устройств, используемых для улучшения качества воды, рассматривается в специальных курсах по водоснабжению.
        Распределение воды. Вода, подготовленная на очистных сооружениях, накапливается в баках чистой воды и забирается из них насосной станцией II подъема для подачи потребителям. Эта станция должна обеспечивать подачу воды не только в требуемом количестве, но и под определенным напором, поскольку разбор воды большинством потребителей происходит на некоторой высоте над поверхностью земли и поэтому в водопроводной сети должно быть обеспечено давление, необходимое для подъема воды на эту высоту.
        Так, для подачи воды в верхние этажи здания в городской водопроводной сети необходимо иметь внутреннее давление, достаточное для подъема и соответствующего излива воды в наивысшей водоразборной точке, т. е. пьезометрическая высота в точке ответвления от городской сети должна равняться сумме геометрической высоты подъема воды и суммарной потери напора на пути движения воды. Пьезометрическая высота, требуемая для нормальной хозяйственной работы водопровода, обычно называется свободным хозяйственным напором, который равен

Нcв = Н0 + hи + h,

(27.2)

где Н0 - геометрическая высота расположения над поверхностью земли наивысшей водоразборной точки, м; hи - свободный напор излива, который необходимо обеспечить у водоразборных приборов, м; h - потери напора в трубах, фасонных частях и арматуре на участке от точки присоединения к линии городской сети до водоразборной точки, м.
        Путем гидравлического расчета можно найти h и hи и определить свободный напор Нcв, требуемый в данной точке сети наружного водопровода.
        При расчете водопровода Нcв принимают различной для отдельных районов в зависимости от расчетной этажности их застройки. Так, СНиП рекомендует следующие значения требуемого свободного напора в сети водопровода населенных мест: Нcв =10 м при одноэтажной застройке, Нcв = 12 м - при двухэтажной застройке, а при большей этажности необходимо прибавлять по 4 м на каждый следующий этаж.
        Расчет системы водопровода на работу во время пожара производят в предположении возникновения пожара в наиболее высоких и в наиболее удаленных от источников питания точках территории, обслуживаемой водопроводом.
        По способу тушения пожара водопроводы разделяют на водопроводы высокого и низкого давления. Первая система (обычно применяется на промышленных объектах) предусматривает подачу к месту пожара установленного нормами пожарного расхода воды и повышение давления в водопроводной сети до значений, достаточных для создания пожарных струй непосредственно от гидрантов. Обычно в водопроводах высокого давления повышение напора производится лишь на время тушения пожара. В исключительных случаях устраивают водопроводы постоянного высокого давления.
        Схема низкого давления (обычно в населенных местах) предусматривает лишь подачу увеличенного в связи с пожаром расхода воды. Напор для получения пожарных струй создается передвижными пожарными насосами, подвозимыми к месту пожара и забирающими воду из водопроводной сети через уличные гидранты.
        Выше отмечалось, что потребление воды в большинстве населенных пунктов характеризуется суточной неравномерностью. Следовательно, для удовлетворения запросов водопользователей такой же неравномерной должна быть и подача воды в водопроводную сеть. А это требует оснащения насосных станций II подъема разнообразным по производительности водоподъемным оборудованием. Чтобы избежать этого и сгладить график водоподачи, не ущемляя одновременно интересов водопользователей, в систему водоснабжения вводят водонапорные башни или располагаемые на поверхности земли, но на возвышенных местах, водонапорные резервуары.
        Роль такой башни (резервуара) сводится к следующему. В часы, когда подача воды насосами превышает потребление ее городом, избыток воды подается в башню. В часы, когда потребление превышает подачу, недостающее количество воды пополняется самотеком из башни. Однако в водопроводах с большими расходами воды компенсирующая роль башни при тех размерах, которые ей в настоящее время можно реально придать, оказывается ннезначительной и поэтому в настоящее время в крупных городах от строительства башен отказываются, полностью регулируя подачу воды в водопроводную сеть с помощью оборудования, имеющегося на насосных станциях.
        Водопроводная сеть представляет собой совокупность трубопроводов, по которым вода транспортируется потребителям. Она состоит из водоводов, магистральной сети и распределительных трубопроводов. Водоводы служат для транспортирования воды от водозабора к очистным сооружениям и от них к магистральной сети. Магистральными называют линии, которые предназначены в основном для транспортирования воды по территории населенного пункта. В зависимости от очертания в плане они могут быть тупиковыми (рис. 27.9 а) и кольцевыми (рис. 27.9 б).

Рис. 27.9. Схемы водопроводной сети.
а - тупиковой; б - кольцевой.

Тупиковые сети в оптимальном варианте обеспечивают подачу воды к потребителю по кратчайшему пути, но не полностью удовлетворяют требованию бесперебойности водоснабжения. Поэтому, как правило, в городах и на промышленных предприятиях проектируют. кольцевые водопроводные сети.
Распределительными называют линии, которые получают воду из магистральных линий и подают ее потребителям через центральные пункты или домовые вводы. Для строительства рассмотренных элементов водопроводной сети используют стальные, чугунные, асбестоцементные, железобетонные и пластмассовые трубы.