于 航，白景峰，王心海，趙宏鑫

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456）

大水深條件下污水排放工程擴(kuò)散器稀釋擴(kuò)散效果研究

于 航，白景峰，王心海，趙宏鑫

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456）

基于水工模型試驗(yàn)，以惠州大亞灣污水深海排放工程為例，分析了大水深條件下污水?dāng)U散器設(shè)計(jì)參數(shù)（擴(kuò)散器長(zhǎng)度、噴口射流角度、水平方位角）對(duì)污水近區(qū)稀釋擴(kuò)散效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：擴(kuò)散器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)污水的近區(qū)稀釋擴(kuò)散有顯著的影響。針對(duì)大亞灣污水深海排放工程排放口水域水深條件較大的情況，噴口射流角度可以適當(dāng)增大，宜控制污水排放在20°左右，水平方位角在90°左右，既能夠保證污水的充分稀釋混合，也能夠避免污水的過(guò)早升頂和集聚。證明了在大水深條件下污水?dāng)U散器選取大角度噴口的方案是可行的。

深海排放；擴(kuò)散器；物模試驗(yàn)

在污水排海工程中，多孔擴(kuò)散器的主要作用是通過(guò)它可以將污水均勻分散地排放到海洋環(huán)境水體中去，因此擴(kuò)散器可提供給污水極大的初始稀釋。從目前已投入運(yùn)行的污水排海工程來(lái)看，良好的多孔擴(kuò)散器水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已成為污水排海工程成功的關(guān)鍵因素。目前國(guó)內(nèi)大部分污水深海排放工程由于實(shí)際工程條件原因，水深條件一般不大于10m。這與水深大于20m的條件相比，擴(kuò)散器設(shè)計(jì)往往長(zhǎng)度較小，同時(shí)由于水深條件限制，射流角度在小水深條件下往往選取5°以?xún)?nèi)，以防止污水過(guò)早升頂，但同時(shí)也降低了污水的稀釋擴(kuò)散效果。在大水深條件下，擴(kuò)散器射流角度與水平方位角度選取范圍較大，污水出流效果也會(huì)有所提高。但在大水深條件下的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)型式對(duì)污水稀釋擴(kuò)散效果，目前還沒(méi)有較深入的研究，因此本項(xiàng)目針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，以廣東大亞灣污水深海排放工程為例，通過(guò)物理模型試驗(yàn)的技術(shù)手段，分析了在大水深條件下擴(kuò)散器技術(shù)對(duì)于污水稀釋擴(kuò)散的影響，提出了帶傾角噴口的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)型式。

1 研究現(xiàn)狀

對(duì)于整體污水海洋處置而言，終端擴(kuò)散器是提高污水稀釋擴(kuò)散效果、保護(hù)海洋環(huán)境的重要環(huán)節(jié)。擴(kuò)散器的主要結(jié)構(gòu)由主管、上升管以及出流噴口組成，其中主管主要用于承擔(dān)污水的正常流動(dòng)，上升管一般接于主管之上，用于疏導(dǎo)污水的出流位置，終端噴口則用于污水的出流。從結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)來(lái)看，國(guó)外的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)也有所不同，美國(guó)加利福尼亞的奧諾腓排海工程［1］擴(kuò)散器采用的為上升管單噴口結(jié)構(gòu)，上升管直徑比噴口直徑大，進(jìn)口為圓角，采用肘型彎管引導(dǎo)出流；澳大利亞的North Head排海工程［2］采用I型結(jié)構(gòu)擴(kuò)散器，為多噴口結(jié)構(gòu)，36個(gè)上升管的間距為21 m，每一個(gè)上升管上頂有6個(gè)噴口；Malabar［2］污水海洋處置工程采用L型結(jié)構(gòu)，每一個(gè)垂直上升管頂都有8個(gè)噴口；美國(guó)Boston污水排海工程［1］的水力模型試驗(yàn)表明，在立管上噴口開(kāi)孔數(shù)多于8個(gè)時(shí)，由于羽流排出噴口形成一個(gè)上升的圓環(huán)，從而減少了海水對(duì)污水的稀釋程度；Wilkinson對(duì)管道排放系統(tǒng)的海水充滿時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)于預(yù)測(cè)海水楔的形成和發(fā)展以及清除時(shí)間和清除過(guò)程提供參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)對(duì)排海工程及擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)型式的研究起步比較晚，嚴(yán)忠民［3］等人結(jié)合我國(guó)河道排放的發(fā)展方向，研究了多孔擴(kuò)散器在有限水深且有限寬度水域水平潛沒(méi)排放的近區(qū)摻混稀釋特性，得到近區(qū)稀釋度變化的影響規(guī)律，徐高田、韋鶴平［4］等人結(jié)合上海市污水治理二期工程白龍港排放口水較淺的特點(diǎn)，為了提高污水近區(qū)稀釋度，根據(jù)物理模型試驗(yàn)，對(duì)擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，為國(guó)內(nèi)較淺水域污水海洋處置工程擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)提供參考；王超［5］等從航運(yùn)、施工、管理及水生生物回游等角度出發(fā)，提出采用多孔T型擴(kuò)散器排放污水；丁玉蘭、張瑞安［6］等依托煙臺(tái)市污水處理工程，對(duì)放流管、擴(kuò)散管的長(zhǎng)度、孔口間距、直徑、開(kāi)孔比、羽流寬度和稀釋倍數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算；張光玉、詹水芬［7］等人通過(guò)進(jìn)行水槽物模試驗(yàn)，全面研究了擴(kuò)散器的水平方位角、射流角度、長(zhǎng)度、環(huán)境水深、射流速度等主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)污水近區(qū)稀釋擴(kuò)散的影響，為擴(kuò)散器設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持和參考依據(jù)。目前大部分污水?dāng)U散器的研究都是在水深較小的區(qū)域進(jìn)行，對(duì)于水深在20 m以下的情況，目前的研究還較少，污水的稀釋擴(kuò)散效果還沒(méi)有系統(tǒng)的分析，因此本文以大亞灣污水深海排放工程為例，對(duì)大水深條件下擴(kuò)散器的稀釋擴(kuò)散效果進(jìn)行分析。

2 實(shí)例研究

2.1 工程實(shí)例

惠州大亞灣石化工業(yè)區(qū)集中展現(xiàn)了我國(guó)沿海地區(qū)的綜合優(yōu)勢(shì)，具有優(yōu)越的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和發(fā)展石油化工的獨(dú)特條件，吸引了眾多的國(guó)內(nèi)外石化項(xiàng)目投資商入園投資。目前大亞灣石化區(qū)內(nèi)共有3家污水處理廠，分別通過(guò)一段陸地管道輸送至中海殼牌東南角（三角地）的排海泵站匯合，經(jīng)加壓通過(guò)石化區(qū)現(xiàn)有的唯一一條且屬于中海殼牌的排海管道集中排放。該中海殼牌排海管道總長(zhǎng)約22 km，其中陸上部分長(zhǎng)約2 km，海底部分長(zhǎng)約20 km，深海排污口位于惠東平海電廠西側(cè)的三角洲島與桑洲島之間。據(jù)了解，受雨季期間降雨量的影響，該管道的實(shí)際排放量將會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，使得3家企業(yè)經(jīng)常性地發(fā)生“搶排”現(xiàn)象。另外該中海殼牌污水排海管線的排污口區(qū)域，是大亞灣水產(chǎn)資源自然保護(hù)區(qū)內(nèi)唯一的非水產(chǎn)資源自然保護(hù)區(qū)，排污混合區(qū)面積十分有限。綜上所述，大亞灣石化區(qū)污水排放問(wèn)題日益嚴(yán)峻，新建二期污水排海管道迫在眉睫，否則將會(huì)嚴(yán)重阻礙石化區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。新建二期污水海底管道由清源污水處理廠附近新建的排海泵站起始入海，經(jīng)約39 km海底管道敷設(shè)至灣外排污口區(qū)域，排污口位置水深為23 m。

2.2 模型概況

模型在玻璃水槽中進(jìn)行，水槽尺寸為長(zhǎng)×寬×高=70 m×0.7 m×0.9 m，采用正態(tài)模型。模型按汝德準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，模型中的流態(tài)必須和原型一致。為保證流態(tài)相似，模型噴口雷諾數(shù)應(yīng)大于臨界雷諾數(shù)值［8］，即

表1 水平方位角為0°試驗(yàn)成果Tab.1 0°azimuth test results

表2 水平方位角為45°試驗(yàn)成果Tab.2 45°azimuth test results

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 不同水平方位角結(jié)果分析

噴口水平方位角直接關(guān)系著污水射流路徑和稀釋擴(kuò)散效果，對(duì)本工程，提出水平方位角為0°、45°、90°等3個(gè)方案，作為物理模型試驗(yàn)方案來(lái)驗(yàn)證。表1至表2為不同水平方位角試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 表層、軸線濃度等值線（擴(kuò)散器154 m、水平方位角為0°、射流角度為10°、漲潮）Fig.1 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 0°;jetangle is 0°;high tide）

圖2 表層、軸線濃度等值線（擴(kuò)散器154m、水平方位角為45°、射流角度為10°、漲潮）Fig.2 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 45°;jet angle is 10°;high tide）

當(dāng)水平方位角為0°、45°和90°時(shí)，稀釋度均可達(dá)到設(shè)計(jì)的環(huán)保要求。當(dāng)水平方位角為90°時(shí)，即射流垂直于環(huán)境水流方向，污水初始稀釋擴(kuò)散最好；主要是因?yàn)槲鬯試娍诔隽髦笫艿江h(huán)境水流的強(qiáng)烈擾動(dòng)而迅速在水流斷面上擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，與周?chē)h(huán)境水體迅速摻混，初始稀釋擴(kuò)散效果明顯。由于本工程的環(huán)境水深較大，因此不容易在水面形成污水場(chǎng)，有利于污水的再稀釋擴(kuò)散，對(duì)環(huán)境影響較小。當(dāng)水平方位角為45°時(shí)，不存在水面污水場(chǎng)，污水場(chǎng)對(duì)環(huán)境的影響較小。當(dāng)水平方位角為0°時(shí)，即射流平行于環(huán)境水流方向，污水初始稀釋擴(kuò)散稍差；但由于受到水流夾帶，其冒頂時(shí)水平漂移距離較長(zhǎng)，不容易在水面形成污水場(chǎng)。因此，鑒于本工程水深大，不易于形成表面污水場(chǎng)，本工程采用擴(kuò)散器的水平方位角推薦為90°，即射流垂直于環(huán)境水流方向，更有益于污水的稀釋擴(kuò)散。

2.3.2 不同射流角結(jié)果分析

根據(jù)工程實(shí)例可知，射流角度越大，射流射出后，由于水力繞流阻力的作用，射流慢慢彎曲，同時(shí)與橫流慢慢交混，其寬度越來(lái)越大。射流角度向下，使上升距離增加，混合效果較好，但在與海床面距離較小時(shí)，有可能出流污水觸底，將嚴(yán)重影響海底生物環(huán)境，一般不建議采用。對(duì)本工程，由于水深條件較好，根據(jù)實(shí)際情況可以適當(dāng)增大射流角度，提出射流角度為10°、20°、30°等3個(gè)方案，作為物理模擬試驗(yàn)的方案來(lái)驗(yàn)證。表3至表4為不同水平方位角試驗(yàn)結(jié)果。

表3 射流角度為10°試驗(yàn)成果Tab.3 10°jetangle test results

表4 射流角度為30°試驗(yàn)成果Tab.4 30°jetangle test results

試驗(yàn)表明，射流角度是影響污水近區(qū)稀釋的重要因素之一。當(dāng)射流角度為10°時(shí)，由于水平方位角為10°，一些污水云團(tuán)由于受到水流夾帶，漂移距離過(guò)長(zhǎng)，影響其稀釋擴(kuò)散。當(dāng)射流角度為30°時(shí)，污水容易在水面形成污水場(chǎng)，影響其稀釋擴(kuò)散。當(dāng)射流角度為20°時(shí)，在環(huán)境水流的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，不易形成某一污水云團(tuán)，且具有一定的漂移距離，不容易在水面形成污水場(chǎng)，可取得較好的稀釋擴(kuò)散效果。綜合考慮本工程實(shí)際水深條件，擴(kuò)散器的噴口角度推薦為20°，即射流方向與水平面夾角為20°。

2.3.3 不同擴(kuò)散器長(zhǎng)度分析

擴(kuò)散器長(zhǎng)度是影響污水稀釋擴(kuò)散的重要因素之一，考慮本污水工程排放海域執(zhí)行一類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)要求比較高，在此范圍內(nèi)選取擴(kuò)散器長(zhǎng)度方案（92m、154m）進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上確定擴(kuò)散器方案，表5至表6為不同長(zhǎng)度擴(kuò)散器試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)表明，擴(kuò)散器的長(zhǎng)度對(duì)初始稀釋度有明顯的影響；初始稀釋度隨著擴(kuò)散器長(zhǎng)度的增加而增加。以上2種擴(kuò)散器長(zhǎng)度均能滿足初始稀釋度要求，但當(dāng)長(zhǎng)度為154 m時(shí)，稀釋擴(kuò)散效果更為明顯，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)度為154 m時(shí)，各上升管污水在冒頂時(shí)基本混合，說(shuō)明上升管個(gè)數(shù)的設(shè)計(jì)能滿足要求。因此長(zhǎng)度選用154m即可滿足設(shè)計(jì)初始稀釋度的要求。

圖3 表層、軸線濃度等值線（擴(kuò)散器154m、水平方位角為90°、射流角度為20°、漲潮）Fig.3 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 90°;jetangle is 20°;high tide）

圖4 表層、軸線濃度等值線（擴(kuò)散器154m、水平方位角為90°、射流角度為30°、漲潮）Fig.4 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 90°;jet angle is 30°;high tide）

表5 擴(kuò)散器長(zhǎng)度為92m、水平方位角0°、射流角度20°Tab.5 92m diffuser,0°azimuth,jet angle 20°test results

表6 擴(kuò)散器長(zhǎng)度為154m、水平方位角90°、射流角度20°，Tab.6 154m diffuser,90°azimuth,jet angle 20°test results

3 結(jié)論與建議

對(duì)于惠州大亞灣污水排海管線工程，由于其排污口位置污水條件相比其他工程較好，擴(kuò)散器噴口角度設(shè)置可采用大傾角設(shè)計(jì)。通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究分析，得出擴(kuò)散器長(zhǎng)度為154 m，水平方位角90°，射流角度20°。采用這種方式既能夠保證污水與周邊水體的充分稀釋混合，也能夠避免污水在海水表面形成積聚團(tuán)。在大水深條件下，增大擴(kuò)散器噴口射流角度與水平方位角度可以保證污水更好的稀釋擴(kuò)散，適當(dāng)提高水平方位角與射流角度，能夠提高污水的擴(kuò)散效果，但如果在小水深條件下要達(dá)到同樣的擴(kuò)散效果，往往要通過(guò)增加擴(kuò)散器長(zhǎng)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方式會(huì)增加擴(kuò)散器本身造價(jià)以及擴(kuò)散器施工難度和費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性較差，因此在實(shí)際污水深海排放工程中，在條件允許情況下，建議將污水排放口設(shè)置在水深條件大于20 m處。在實(shí)際工程應(yīng)用中，大水深條件下，由于污水升頂時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可以與海水進(jìn)行充分混合，因此在擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)中，可以適當(dāng)降低擴(kuò)散器的長(zhǎng)度，同時(shí)增大射流角度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，射流角度可控制在5°～30°范圍以?xún)?nèi)，污水稀釋擴(kuò)散能夠達(dá)到較好效果，但如在實(shí)際工程中有更好的水深條件，還可適當(dāng)增大射流角度與水平角度，從而降低擴(kuò)散器長(zhǎng)度，減少工程造價(jià)與施工費(fèi)用。

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Research on sewage marine discharge diffusion effect under deep water

YU Hang,BAI Jing-feng,WANG Xin-hai,ZHAO Hong-xin
(Tianjin Research Institute forWater Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The sewage diffusion effect under deep water was carried out between different diffuser design parameters based on the hydraulic model test,and Huizhou Dayawan sewage marine disposal project was taken as an example.The experimental results show that the design parameters are significant for sewage diffusion at the near field.For Dayawan project,jet angle is controlled to be 20°,and horizontal angle is controlled to be 90°.It can not only ensure the sewage dilution and mixing,but also avoid the premature convergence and sewage lifting. It is feasible for selecting large angle nozzle under deep water.

marine disposal;diffuser;physical model

X 52

A

1005-8443（2013）04-0364-05

2012-12-25；

2013-02-19

于航（1980-），男，天津市人，博士，副研究員，從事海洋環(huán)境科學(xué)與污水深海排放工程研究。

Biography：YU Hang（1980-）,male,associate professor.