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)驗室,天津 300456）

基于水工模型試驗，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)計參數(shù)（擴(kuò)散器長度、噴口射流角度、水平方位角）對污水近區(qū)稀釋擴(kuò)散效果的影響。實(shí)驗結(jié)果表明：擴(kuò)散器設(shè)計參數(shù)對污水的近區(qū)稀釋擴(kuò)散有顯著的影響。針對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

在污水排海工程中，多孔擴(kuò)散器的主要作用是通過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看，良好的多孔擴(kuò)散器水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計，已成為污水排海工程成功的關(guān)鍵因素。目前國內(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)計往往長度較小，同時由于水深條件限制，射流角度在小水深條件下往往選取5°以內(nèi)，以防止污水過早升頂，但同時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，污水出流效果也會有所提高。但在大水深條件下的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)型式對污水稀釋擴(kuò)散效果，目前還沒有較深入的研究，因此本項目針對這類問題，以廣東大亞灣污水深海排放工程為例，通過物理模型試驗的技術(shù)手段，分析了在大水深條件下擴(kuò)散器技術(shù)對于污水稀釋擴(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，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)計來看，國外的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)也有所不同，美國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個上升管的間距為21 m，每一個上升管上頂有6個噴口；Malabar［2］污水海洋處置工程采用L型結(jié)構(gòu)，每一個垂直上升管頂都有8個噴口；美國Boston污水排海工程［1］的水力模型試驗表明，在立管上噴口開孔數(shù)多于8個時，由于羽流排出噴口形成一個上升的圓環(huán)，從而減少了海水對污水的稀釋程度；Wilkinson對管道排放系統(tǒng)的海水充滿時間進(jìn)行了試驗研究，對于預(yù)測海水楔的形成和發(fā)展以及清除時間和清除過程提供參考依據(jù)。國內(nèi)對排海工程及擴(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，對擴(kuò)散器的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，為國內(nèi)較淺水域污水海洋處置工程擴(kuò)散器的設(shè)計提供參考；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］等依托煙臺市污水處理工程，對放流管、擴(kuò)散管的長度、孔口間距、直徑、開孔比、羽流寬度和稀釋倍數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了計算；張光玉、詹水芬［7］等人通過進(jìn)行水槽物模試驗，全面研究了擴(kuò)散器的水平方位角、射流角度、長度、環(huán)境水深、射流速度等主要設(shè)計參數(shù)對污水近區(qū)稀釋擴(kuò)散的影響，為擴(kuò)散器設(shè)計提供技術(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)了我國沿海地區(qū)的綜合優(yōu)勢，具有優(yōu)越的區(qū)位優(yōu)勢和發(fā)展石油化工的獨(dú)特條件，吸引了眾多的國內(nèi)外石化項目投資商入園投資。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約22 km，其中陸上部分長約2 km，海底部分長約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)污水排放問題日益嚴(yán)峻，新建二期污水排海管道迫在眉睫，否則將會嚴(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×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，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°試驗成果Tab.1 0°azimuth test results

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

2.3 試驗結(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，對本工程，提出水平方位角為0°、45°、90°等3個方案，作為物理模型試驗方案來驗證。表1至表2為不同水平方位角試驗結(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，稀釋度均可達(dá)到設(shè)計的環(huán)保要求。當(dāng)水平方位角為90°時，即射流垂直于環(huán)境水流方向，污水初始稀釋擴(kuò)散最好；主要是因為污水自噴口出流之后受到環(huán)境水流的強(qiáng)烈擾動而迅速在水流斷面上擴(kuò)展開來，與周圍環(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，有利于污水的再稀釋擴(kuò)散，對環(huán)境影響較小。當(dāng)水平方位角為45°時，不存在水面污水場，污水場對環(huán)境的影響較小。當(dāng)水平方位角為0°時，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，其冒頂時水平漂移距離較長，不容易在水面形成污水場。因此，鑒于本工程水深大，不易于形成表面污水場，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，同時與橫流慢慢交混，其寬度越來越大。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，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個方案，作為物理模擬試驗的方案來驗證。表3至表4為不同水平方位角試驗結(jié)果。

表3 射流角度為10°試驗成果Tab.3 10°jetangle test results

表4 射流角度為30°試驗成果Tab.4 30°jetangle test results

試驗表明，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，由于水平方位角為10°，一些污水云團(tuán)由于受到水流夾帶，漂移距離過長，影響其稀釋擴(kuò)散。當(dāng)射流角度為30°時，污水容易在水面形成污水場，影響其稀釋擴(kuò)散。當(dāng)射流角度為20°時，在環(huán)境水流的強(qiáng)烈擾動下，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，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)散器長度分析

擴(kuò)散器長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)散器長度方案（92m、154m）進(jìn)行物理模型試驗，在此基礎(chǔ)上確定擴(kuò)散器方案，表5至表6為不同長度擴(kuò)散器試驗結(jié)果。

試驗表明，擴(kuò)散器的長度對初始稀釋度有明顯的影響；初始稀釋度隨著擴(kuò)散器長度的增加而增加。以上2種擴(kuò)散器長度均能滿足初始稀釋度要求，但當(dāng)長度為154 m時，稀釋擴(kuò)散效果更為明顯，同時通過試驗發(fā)現(xiàn)，長度為154 m時，各上升管污水在冒頂時基本混合，說明上升管個數(shù)的設(shè)計能滿足要求。因此長度選用154m即可滿足設(shè)計初始稀釋度的要求。

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。通過物理模型試驗研究分析，得出擴(kuò)散器長度為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，往往要通過增加擴(kuò)散器長度的方式來實(shí)現(xiàn)，這種方式會增加擴(kuò)散器本身造價以及擴(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，由于污水升頂時間相對較長，可以與海水進(jìn)行充分混合，因此在擴(kuò)散器的設(shè)計中，可以適當(dāng)降低擴(kuò)散器的長度，同時增大射流角度，根據(jù)實(shí)驗結(jié)果，射流角度可控制在5°～30°范圍以內(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)散器長度，減少工程造價與施工費(fèi)用。

［1］夏青.污水海洋處置工程設(shè)計理論與方法［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996.

［2］陳復(fù)，張永良，孟偉.澳大利亞城市污水海洋處置的借鑒［J］.環(huán)境科學(xué)研究，1994,7（5）：49-52. CHEN F,ZHANG Y L,MENGW.Experience of urban sewage marine disposal in Australian［J］.Research of environmental Sciences，1994,7（5）：49-52.

［3］王超，嚴(yán)中民.河道擴(kuò)散器排放近區(qū)摻混稀釋特性的試驗研究［J］.水利學(xué)報，1993,23（1）：79-80. WANG C,YAN ZM.Experimental study on the dilution characteristics of the near zone blending emission about river diffuser［J］.Hydraulic journal，1993,23（1）：79-80.

［4］徐高田，韋鶴平.上海市污水治理二期工程白龍港排放口潛設(shè)多孔排放污水近區(qū)稀釋擴(kuò)散效果研究［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2000,19（4）：41-45. XU G T,WEIH P.Dilution at the near field of multi-port discharging wastewater at Bailonggang outfall-Shanghai wastewater treatment projectⅡ［J］.Marine Environmental Science，2000,19（4）：41-45.

［5］王超.多孔T型擴(kuò)散器排放流態(tài)特性研究［J］.水科學(xué)進(jìn)展，1995,6（3）：176-181. WANG C.Study on flow phenomenon of Teemultiport diffuser discharge［J］.Advances in water sciences，1995,6（3）：176-181.

［6］丁玉蘭,張瑞安.煙臺市海底污水排海管道有關(guān)參數(shù)的確定［J］.海岸工程，1995,14（4）：5-10. DING Y L,ZHANG R A.Determination of parameters for sea bottom pipe near Yantai［J］.Coastal Engineering,1995,14（4）：5-10.

［7］張光玉,詹水芬,袁俊嶺.擴(kuò)散器近區(qū)稀釋擴(kuò)散模型試驗研究［J］.交通環(huán)保，2005,26（1）：1-6. ZHANG G Y,ZHAN SF,YUAN JL.Model Test on Dilution and Diffusion in the Area Near Diffuser［J］.Traffic Environmental Protection，2005,26（1）：1-6.

［8］余常昭.環(huán)境流體力學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：清華大學(xué)出版社,1992.

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.