Для обеспечения южных регионов России (Ставропольский край, Краснодарский край, Республика Карачаево-Черкесия, Республика Калмыкия и Республика Дагестан) водой питьевого качества была разработана концепция «Технологического комплекса», обеспечивающего надёжную и гарантированную энергетически эффективную подачу воды потребителям из экологически безопасных подземных источников, защищённых от внешнего воздействия. Тем самым может быть решена крупная социально-экономическая и экологическая задача для населения.

Кроме того, согласно стратегии развития туризма в РФ на период до 2035 года, основной курс отрасли направлен на развитие внутреннего и въездного туризма в нашей стране за счёт формирования конкурентоспособного туристического продукта, развития инфраструктуры и обеспечения качественных и доступных туристических услуг на территории России, с ориентировкой на лучший отечественный и международный опыт развития туристических кластеров и привлечение потенциальных клиентов к местам притяжения [1].

Актуальность развития инженерных систем в сложных природных горно-климатических условиях, в частности, систем водоснабжения и водоотведения, направлена на совершенствование существующих схемных решений для обеспечения конкурентоспособного и качественного отдыха туристов. Одновременно с развитием инфраструктуры и созданием развитой сети туристических кластеров туризм оказывает негативное влияние на земельные, энергетические и водные ресурсы. Таким образом, усугубляется и без того непростая экологическая ситуация. Поэтому всё бóльшую популярность обретает экологический туризм — единственное направление в индустрии туризма, заинтересованное в сохранении естественной природной среды как своего главного ресурса.

В качестве примера следует отметить, что в Карачаево-Черкесии в районе туристического кластера Домбай за последние три года построено и введено в эксплуатацию порядка 30 различного рода отелей, мотелей, гостиниц, однако не построено ни одной полноценной канализационной очистной станции. Устройство отдельных локальных очистных сооружений (септики, отстойники) не может в полной мере гарантировать требуемую степень очистки сточных вод, которые зачастую бесконтрольно сбрасываются в различного рода ручьи и водосточные канавы. В конечном итоге загрязнения попадают в горные ручьи и реки, что приводит к накоплению загрязнений в подземных водоносных линзах, которые должны являться источниками чистой природной воды.

На протяжении последних десяти лет авторами при разработке концепций водообеспечения территорий предгорных районов Северного Кавказа были проанализированы данные по существующим разведанным запасам воды на территории Карачаево-Черкесии и Дагестана. Учитывая требования действующего нормативного документа [2], предпочтительное использование для питьевого водоснабжения имеют подземные источники. По данным АО «Росгео», запасы подземных вод питьевого качества составляют в Карачаево-Черкесии — 2,0–2,2 млн м³/сут., в Дагестане — 2,2–2,4 млн м³/сут.

Обобщив накопленный материал, представленный в ранее разработанных концепциях по обеспечению водой питьевого качества отдельных территорий республик Северного Кавказа и развитию туристической привлекательности и инженерной инфраструктуры, с учётом требований экологической безопасности авторами была выполнена научная работа на тему «Технологический комплекс для гарантированного водообеспечения населения южных регионов России». Данная работа выдвигалась на соискание Государственной премии РФ в области науки и технологий за 2023 год.

Под «Технологическим комплексом» понимается система самотечно-напорных и напорных водоводов, а также сооружений [инженерно-диспетчерский распределительный центр (ИДРЦ), накопительные и регулирующие резервуары] для получения, транспортировки, накопления, распределения и подачи воды питьевого качества до потребителей. При этом энергообеспечение технологического комплекса осуществляется экологически безопасными мини-ГЭС, установленными в регулирующих резервуарах.

Для обеспечения экологической безопасности источников водоснабжения в состав технологического комплекса входят также самотечно-напорные канализационные коллекторы [3, 4].


Рис. 1. Принципиальная схема технологического комплекса

Технологический комплекс для гарантированного водообеспечения, представленный на рис. 1, состоит из следующих основных элементов:

1. Отдельные централизованные самотечно-напорные магистральные водоводы с регулирующими резервуарами, в состав которых входят экологически безопасные мини-ГЭС, подающие питьевую воду из подземных источников в ИДРЦ (по два совмещённых водовода из Карачаево-Черкесии и Дагестана).

2. Инженерно-диспетчерский распределительный центр (ИДРЦ).

3. Отдельные централизованные самотечно-напорные и напорные магистральные водоводы, подающие питьевую воду из ИДРЦ к потребителям воды.

4. Самотечно-напорные магистрали канализационных коллекторов с регулирующими резервуарами с мини-ГЭС, которые строятся от потребителей в горной местности до очистных канализационных сооружений на равнинных территориях.

5. Децентрализованные системы водоснабжения и водоотведения, входящие в состав инженерных систем жизнеобеспечения блок-модульных сооружений, размещённых в труднодоступных местах.

Основным элементом «Технологического комплекса», отвечающим за получение и доставку воды питьевого качества в ИДРЦ, являются самотечно-напорные водоводы, выбор вида материала труб которых осуществляется на основании следующих критериев [9–11]:

  • стоимостного (стоимость 1 п.м. труб конкретного вида и размера), руб/м;
  • гидравлического (минимальные потери напора на преодоление сопротивлений на 1 п.м. — м/м или мм/м [10]);
  • по величине давления разрушения труб, в зависимости от величины перепада высот трассы.

Вторым основным элементом являются ёмкостные водопроводные сооружения различного типа, к которым относятся:

  • насосные станции;
  • напорно-регулирующие устройства (ёмкости запаса воды);
  • сооружения для размещения оборудования на водозаборных сооружениях;
  • станции водоподготовки и водоочистки.

В настоящее время разработаны и применяются в системах водоснабжения различные ёмкости, предназначенные для запаса воды и отличающиеся друг от друга назначением, конструкцией и применяемыми материалами [5].

Выбор типа резервуара, его конструктивные особенности и расположение на местности основывается на расчётах совместной работы насосных станций и сети с учётом местных условий и технологических требований [2].

Одним из способов повышения экономической эффективности при проектировании технологических ёмкостных водопроводных сооружений, устраиваемых на магистральных водоводах, является стандартный технологический приём объединения отдельно размещаемых основных и вспомогательных сооружений в единый блок-модуль.

Блок-модуль, как правило, представляет собой цельную капсулу из полимерных или иных материалов, внутри которой размещается всё необходимое (основное и вспомогательное) оборудование [6, 7].

В зависимости от назначения водоводов и их схемных решений блок-модули могут содержать оборудование различного назначения, например:

  • блок-модуль резервуара, совмещённый с насосной станцией (микро-ГЭС или мини-ГЭС);
  • блок-модуль резервуара, совмещённый с водозаборной скважиной и (или) узлом учёта воды;
  • блок-модуль резервуара, совмещённый с насосной станцией и станцией водоподготовки.

При проектировании хозяйственно-питьевых резервуаров была разработана новая конфигурация резервуаров с использованием стеклопластиковых труб большого диаметра. Важной её особенностью является наличие внутренней непроницаемой перегородки, делящей корпус ёмкости на два отсека: «мокрый» отсек и «сухой» отсек.

«Мокрый» неэксплуатируемый отсек предназначен для аккумулирования требуемого объёма воды необходимого качества. В «сухом» эксплуатируемом отсеке регулирующих резервуаров размещены: запорно-регулирующая арматура, насосные установки или мини-ГЭС, фильтры-поглотители, щиты управления и автоматизации, контрольно-измерительные приборы.

Регулирующие резервуары с размещением генерирующей установки, в качестве которой выступает мини-ГЭС, предусматривается размещать в горной части самотечно-напорных водоводов.


Рис. 2. Принципиальная схема регулирующего резервуара с мини-ГЭС

На рис. 2 представлена принципиальная схема регулирующего резервуара блок-модульного типа с размещением в «сухом» отделении мини-ГЭС, а также насосной установки для подачи воды на нужды местных потребителей.

Регулирующий резервуар состоит из трёх отсеков: «сухой» отсек для размещения мини-ГЭС, насосного оборудования, гасителя напора, запорно-регулирующей арматуры, фильтров-поглотителей и вспомогательных трубопроводов.

Фильтры-поглотители проектируются аналогично тому, как это делается для регулирующих резервуаров с насосными установками. Экологически безопасная мини-ГЭС, размещаемая в «сухом» отделении, состоит из энергоблока (турбина и генератор), системы автоматического управления (САУ), а также вспомогательного оборудования. Насосная станция для подачи воды на нужды площадки устанавливается в тех резервуарах, где производится отбор воды на нужды вновь возводимых объектов проживания, или к ним присоединяются уже существующие коммунальные сети водопровода.

В некоторых случаях для размещения оборудования, входящего в состав сооружения, компоновочные варианты регулирующих резервуаров, изображённые на рис. 3, могут выполняться как одноплоскостные (варианты 1 и 2), так и двухплоскостные (вариант 3) [7, 12].


Рис. 3. Конфигурации резервуаров

На рис. 4 приведён вариант предварительной компоновки гидроагрегатов различных моделей в «сухом» отсеке регулирующего резервуара блок-модульного типа. В представленном варианте «сухой» отсек выполнен в виде вертикальной трубы диаметром 4 м, но при относительно небольших габаритных размерах гидроагрегатов возможно его размещение в горизонтальном варианте стеклопластикового трубопровода.


Рис. 4. Размещение гидроагрегата ГА5 в «сухом» отделении разгрузочного резервуара

В целях обеспечения гарантии неразрушаемости труб магистрального водовода от повышения давления по его длине за счёт перепада высот для длинномерных водоводов используется схема самотечно-напорного водовода с регулирующими ёмкостями, обеспечивающими гашение энергии движущегося потока воды в регулирующих ёмкостях, как это показано на схеме рис. 5 [8]. Исходя из требуемого расхода воды и действующего напора с учётом потерь напора, в магистральной сети на гидроагрегате для каждого «сухого» отсека регулирующего резервуара выбран типоразмер гидроагрегата.


Рис. 5. Схема самотечно-напорного водовода с регулирующими ёмкостями А, Б, В, Г и Д

Основные технические характеристики гидроагрегатов перечислены в табл. 1. В табл. 2 приведены значения вырабатываемой и потребляемой мощности при условии подачи воды от расположенного в районе Архыза источника в город Элиста расчётным расходом 50 тыс. м³/сут.

Следует отметить, что в процессе эксплуатации «Технологический комплекс» полностью обеспечивает себя электроэнергией не только на транспортировку, но и на работу водозаборного узла, водоподготовку (обеззараживание) воды, а также обеспечивает работу систем электроосвещения и электроотопления всех сооружений, входящих в состав комплекса (регулирующие резервуары, ИДРЦ, насосные станции транспортировки воды).

На основании проведённого нами технико-экономического обоснования проекта обеспечения водой Республики Калмыкия с использованием воды из горных источников себестоимость 1 м³ воды составила 41 руб/м³.

В табл. 3 приведены сравнительные показатели капитальных и эксплуатационных затрат при выполнении данных проектов.

Согласно данным «Технико-экономического обоснования решений по обеспечению Элисты водой питьевого качества», себестоимость подачи воды потребителю на сегодняшний день составляет 48,29 руб/м³, а при реализации проекта водовода с забором воды из реки Волги — 53,5 руб/м³.

Результаты расчётов показывают, что при внедрении «Технологического комплекса» капитальные затраты ниже на 15–20% по сравнению с проектом прокладки магистральных сетей и устройства станции водоподготовки при подаче воды из Волги. В свою очередь, эксплуатационные затраты на добычу и транспортировку воды потребителям по двум рассматриваемым вариантам примерно равны, однако объём воды, подаваемой с помощью «Технологического комплекса», в четыре раза больше, чем объём воды, подаваемой из Волги. Планируемая в проекте себестоимость 1 м³ поставляемой воды ориентировочно меньше существующей на 7 руб. и на 12,5 руб. меньше себестоимости по предлагаемому варианту подачи воды из Волги.

В связи со сложившимися обстоятельствами:

  • обмелением (существенным снижением полноводности) рек Волги и Дона, а также их притоков;
  • засолённостью подземных водных источников на равнинной территории Краснодарского и Ставропольского краёв;
  • водой ненадлежащего качества в низовьях реки Волга (Астраханская область);
  • невозможностью в полной мере использовать водный потенциал реки Днепр, для территорий Новороссии (ЛНР, ДНР, Крыма, Запорожской и Херсонской областей) водой питьевого качества потребуется разработать концепцию водообеспечения с учётом селитебных территорий.

Таким образом, в работе рассмотрены вопросы проектирования самотечно-напорных магистральных водоводов, подбора материала трубопроводов, технических и технологических характеристик основного и вспомогательного оборудования, экологические и энергетические аспекты при возведении и эксплуатации «Технологического комплекса по водообеспечению населения южных регионов России», включая территории Донбасса, Крыма, Запорожской и Херсонской областей.

Выводы

1. Размещение гидроагрегатов (мини-ГЭС) в «сухих» отделениях регулирующих резервуаров позволяет существенно сократить размеры требуемых территорий под устройство промежуточных станций ёмкостного водопроводного оборудования.

2. Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в трубопроводных системах водоснабжения в горной местности позволяет сократить энергоёмкость данной системы, а также существенно снизить себестоимость транспортируемой воды до потребителя.

3. Разработка концепции водообеспечения территорий Донбасса, Крыма, Запорожской и Херсонской областей с использованием «Технологического комплекса» станет альтернативным вариантом подачи воды для нужд населения данных регионов, а использование в концепции ВИЭ значительно снизит себестоимость поставляемой воды.

4. Использование ВИЭ в трубопроводных системах водоснабжения и водоотведения станет одним из основных направлений комплексного развития территорий для нужд населения южных регионов России и позволит повысить привлекательность этих регионов для туристов.