Водоснабжение из подземных источников
Подземные источники играют важную роль в водоснабжении населенных мест, являясь основными источниками водоснабжения небольших поселков. Использование открытых водоемов требует устройства сооружений для очистки воды, что для мелких поселков очень обременительно. При использовании чистой подземной воды отпадает необходимость в этих дорогих сооружениях. При неглубоком залегании подземных вод забор воды производится дренажными трубами или галереями. Дренажные трубы укладывают с соблюдением уклонов и с установкой смотровых колодцев.
Стыки труб не заделывают наглухо, а обсыпают щебнем и гравием для пропуска грунтовых вод внутрь трубы или же стенки труб делают дырчатыми. Дренажные трубы отводят воду в сборный колодец, откуда она забирается насосами. Горизонтальные водосборы устраиваются на глубине примерно 2—4 м от поверхности земли, при большей глубине устройство их обходится очень дорого. Одним из устройств, часто применяемых для подъема и передвижения подземных вод, являются сифоны.
Сифоны
На рис. 157а показан сифон, в котором вода из верхнего бака переливается в нижний. В любом сечении сифона, например, а — б с левой стороны давление равно атмосферному на поверхности воды в верхнем баке минус высота столба воды h0. С правой стороны давление равно атмосферному минус hn. 
поэтому вода и движется со стороны большего давления в сторону меньшего.
На рис. 157 6 показан сифон без нижнего бака — открытый сифон. Длина нисходящего колена может быть любой величины, но если оно длиннее 10.33 м; тогда на повороте в точке С (рис. 157 б) произойдет отрыв струи от стенки С и ниже С вода будет двигаться, неполным сечением. В нижней части нисходящей трубы на длине 10,33 м происходит движение полным сечением и служит водяным затвором, не допускающим наружного воздуха в верхнюю часть к точке С, где устанавливается почти полный вакуум 9,9—10,0 м. Раньше считали, что при колене длиннее 10,33 м произойдет разрыв струи и разрядка сифона.
Наши опыты показали, что струя не разрывается, непрерывное движение продолжается и ниже колена С, но струя до встречи с водяным столбом ДЕ не заполняет всего сечения трубы, так как она падает вниз под влиянием силы тяжести с большей скоростью, чем скорость в частях сифона, полностью заполненных водою, поэтому живое сечение струи менее сечения трубы. Среднее колено может подниматься вверх или наклоняться вниз или же попеременно то вниз, то вверх, это не препятствует действию сифона.
В сифоне движется вода и воздух. В коленах, поднимающихся вверх, это движение не вызывало сомнений. При движении же вниз в наклонных отвесных трубах предполагалось, что воздух может уноситься водою только при скоростях 1,5—2,0 м/сек. При меньших же скоростях воздух движется вверх, а вода — вниз.
В действительности, в наклонных трубах воздух уносится водою при малых скоростях, а в вертикальном опускном колене — при скоростях 0,45—0,6 м/сек и выше. Расчетами установлено, что скорость подъема воздуха в спокойной воде и в трубах 100 мм — 0,3 — 0,4 м/сек. Чтобы в вертикальной трубе воздух уносился вниз, очевидно, необходимы скорости движения воды большие 0,4 м/сек.
В наших опытах при скорости 0,45—0,5 м/сек в закрытом сифоне и 0,55 —0,6 м/сек в открытом, воздух выносится из отвесных колен и отсасывание его вакуум-насосом не требуется. В наклонных ветвях сифона пузырек воздуха находится под действием своей подъемной скорости 0.3—0,4 м/сек и скорости движения воды. Но вертикальная скорость разлагается на две составляющие: одну—нормальную к оси трубы, а другую—параллельную ей.
Первая слагаемая оказывает только давление на стенку трубы, а вторая — стремится двигать пузырек воздуха вверх. Но если скорость движения воды вниз больше осевой слагаемой, тогда вода унесет пузырек вниз. При малых наклонах сифонной линии осевая слагаемая пузырьков воздуха очень мала, например, при наклоне 1 :20 осевая слагаемая будет примерно составлять 1/20 подъемной скорости, т, е. 0,4:20 = 0,02 м/сек, поэтому при скоростях больших 0,02 м/сек вода унесет пузырек воздуха вниз (рис. 1570).
В наших опытах при наклоне трубы, равном 5°, воздух уносится при скоростях воды 3—4 см/сек. Таким образом, для удаления воздуха из слабо наклонных или горизонтальных труб нужны очень малые скорости и только в вертикальных нисходящих коленах нужны скорости 0,5—0,6 м/сек для выноса из сифона пузырьков воздуха.
Для автоматического выноса воздуха из сифона нужна скорость 0,5—0,6 м/сек и выше в отвесном нисходящем колене, а следовательно, и во всем сифоне, если он одинакового диаметра. Если же нисходящую отвесную трубу сделать меньшего диаметра, например, раза в два, тогда вынос воздуха из этой трубы будет обеспечен при скорости в ней 0,15 м/сек.
Таким образом, при практически любых скоростях сифон может работать без отсасывания воздуха. Из изложенного следует, что постоянное отсасывание воздуха из сифона не нужно и при малых скоростях. Достаточно только подобрать подходящий диаметр опускной трубы. В сифонах же без отвесной нисходящей трубы бакинского типа (рис. 157 е) вынос воздуха обеспечен практически при всяких скоростях. Высасывание воздуха из сифона нужно только во время зарядки. Колено-перепады совершенно не нужны.
3. Рижский сифон
Интересно отметить, что Рижский сифон, построенный в 1904— 1907 гг., т. е ранее бакинского на 10 лет, выполнен без ошибок бакинского сифона (рис. 157 d). Начальный участок длиною 3034 м имеет подъем с отметки + 4,75 до + 6,37 м к вакуумной станции, второй участок длиною 3794 м имеет уклон вниз с отметки + 6,37 до + 3,50 и оканчивается в колодце опускной трубой длиною 7,80 м.
Второй наклонный участок построен без бакинских перепадов; воздух выносится течением воды вниз при скоростях около 0,4—0,5 м/сек в отвесном колене. Диаметры труб сифона — 200, 250 300, 350 и так далее до 1000 мм. Отсасывание воздуха производится в двух пунктах — в переломной точке и в конце, у колодца. Важно отметить, что отсасывание ведется и в нижнем конце, следовательно, пузырьки воздуха двигаются вниз по наклонной трубе вместе с водою.
К сифону присоединено около 150 буровых скважин глубиною примерно 30 м. В слабо наклонных трубах пузырьки воздуха выносятся и при очень малых скоростях. Большие скорости (0,5—0,6 м/сек) нужны только в концевых вертикальных трубах. В Рижском сифоне скорость в вертикальном колене — между 0,4—0,5 м/сек, т. е. находится около предела. Чтобы вынос пузырьков воздуха был вполне обеспечен, необходимо увеличить скорость в нисходящем вертикальном колене. Это очень легко сделать путем уменьшения диаметра трубы нисходящего колена. Если вместо метровой трубы принять для нисходящего колена трубу диаметром 0,7 /л, тогда скорость в колене поднимается до 0,8—1,0 м, вынос воздух? будет вполне обеспечен и отсасывание не нужно.
4. Различие между малыми и большими трубами
Не все закономерности, установленные на 100-миллиметровом сифоне, применимы для труб больших диаметров. По американским данным в больших сифонах для выпуска охлаждающей воды с конденсаторов электростанций наблюдается задержка больших пузырей воздуха, стесняющих движение воды. В трубах диаметром 1 — 1,51 л, уложенных с уклоном в несколько градусов, образуются большие пузыри воздуха, которые как бы прилипают к верху трубы и могут быть унесены водою только очень большими скоростями (порядка 2—3 м и даже более.
Непрерывный унос водою пузырей воздуха в 100-миллиметровых трубах при малых скоростях наблюдается только при таком малом диаметре. При диаметре 300 мм нужна уже скорость порядка 2 м, чтобы вода выносила пузыри воздуха. При очень малых уклонах, как показывает рижский сифон, и в больших трубах вода выносит воздух при малых скоростях. Это важное явление подтверждается и 300-миллиметровым сифоном в Карфагене (Донбасс), где полутора километровый сифон уложен с уклонами и подъемами.
Другое важное явление, общее для больших и малых труб, состоит в том, что в вертикальной трубе воздух выносится водою. Таким образом, можно кратко сформулировать, что в почти горизонтальных и в вертикальных трубах, а также в трубах, косо поднимающихся вверх, воздух движется с водою. Но в больших трубах с уклоном вниз пузыри воздуха застревают, как будто прилипают в верхней части трубы, и требуются большие скорости, чтобы выгнать воздух из трубы. Чем больше труба, тем большая скорость необходима для выноса воздуха.
5. Засасывание воздуха через щели
Если стыковые соединения сделаны плохо, то в сифон будет засасываться наружный воздух. Опыты по впуску воздуха в сифон не были проведены в полном объеме. Установлено только, что сифон, работающий без отсасывания воздуха, при впуске 6% воздуха разряжался. При отсасывании воздуха из сифона можно было довести впуск воздуха до 10% по объему (при атмосферном давлении). Скорость в сифоне, считая по воде, была около 1 м/сек.
При уменьшении скорости тот же объем воздуха составлял больший процент. Впущенный в сифон воздух увеличивался в объеме соответственно находящемуся там вакууму, и расход воды сильно снижался. Если сифон не подает расчетного расхода воды, то это может быть вызвано закупоркой чем-либо сифонной трубы, если же это исключено, тогда уменьшение расхода происходит от засасывания воздуха через неплотности стыков.
