大水深条件下污水排放工程扩散器稀释扩散效果研究

于 航，白景峰，王心海，赵宏鑫

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室,天津 300456）

大水深条件下污水排放工程扩散器稀释扩散效果研究

于 航，白景峰，王心海，赵宏鑫

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室,天津 300456）

基于水工模型试验，以惠州大亚湾污水深海排放工程为例，分析了大水深条件下污水扩散器设计参数（扩散器长度、喷口射流角度、水平方位角）对污水近区稀释扩散效果的影响。实验结果表明：扩散器设计参数对污水的近区稀释扩散有显著的影响。针对大亚湾污水深海排放工程排放口水域水深条件较大的情况，喷口射流角度可以适当增大，宜控制污水排放在20°左右，水平方位角在90°左右，既能够保证污水的充分稀释混合，也能够避免污水的过早升顶和集聚。证明了在大水深条件下污水扩散器选取大角度喷口的方案是可行的。

深海排放；扩散器；物模试验

在污水排海工程中，多孔扩散器的主要作用是通过它可以将污水均匀分散地排放到海洋环境水体中去，因此扩散器可提供给污水极大的初始稀释。从目前已投入运行的污水排海工程来看，良好的多孔扩散器水力及结构设计，已成为污水排海工程成功的关键因素。目前国内大部分污水深海排放工程由于实际工程条件原因，水深条件一般不大于10m。这与水深大于20m的条件相比，扩散器设计往往长度较小，同时由于水深条件限制，射流角度在小水深条件下往往选取5°以内，以防止污水过早升顶，但同时也降低了污水的稀释扩散效果。在大水深条件下，扩散器射流角度与水平方位角度选取范围较大，污水出流效果也会有所提高。但在大水深条件下的扩散器结构型式对污水稀释扩散效果，目前还没有较深入的研究，因此本项目针对这类问题，以广东大亚湾污水深海排放工程为例，通过物理模型试验的技术手段，分析了在大水深条件下扩散器技术对于污水稀释扩散的影响，提出了带倾角喷口的扩散器结构型式。

1 研究现状

对于整体污水海洋处置而言，终端扩散器是提高污水稀释扩散效果、保护海洋环境的重要环节。扩散器的主要结构由主管、上升管以及出流喷口组成，其中主管主要用于承担污水的正常流动，上升管一般接于主管之上，用于疏导污水的出流位置，终端喷口则用于污水的出流。从结构型式设计来看，国外的扩散器结构也有所不同，美国加利福尼亚的奥诺腓排海工程［1］扩散器采用的为上升管单喷口结构，上升管直径比喷口直径大，进口为圆角，采用肘型弯管引导出流；澳大利亚的North Head排海工程［2］采用I型结构扩散器，为多喷口结构，36个上升管的间距为21 m，每一个上升管上顶有6个喷口；Malabar［2］污水海洋处置工程采用L型结构，每一个垂直上升管顶都有8个喷口；美国Boston污水排海工程［1］的水力模型试验表明，在立管上喷口开孔数多于8个时，由于羽流排出喷口形成一个上升的圆环，从而减少了海水对污水的稀释程度；Wilkinson对管道排放系统的海水充满时间进行了试验研究，对于预测海水楔的形成和发展以及清除时间和清除过程提供参考依据。国内对排海工程及扩散器结构型式的研究起步比较晚，严忠民［3］等人结合我国河道排放的发展方向，研究了多孔扩散器在有限水深且有限宽度水域水平潜没排放的近区掺混稀释特性，得到近区稀释度变化的影响规律，徐高田、韦鹤平［4］等人结合上海市污水治理二期工程白龙港排放口水较浅的特点，为了提高污水近区稀释度，根据物理模型试验，对扩散器的设计进行了改进，为国内较浅水域污水海洋处置工程扩散器的设计提供参考；王超［5］等从航运、施工、管理及水生生物回游等角度出发，提出采用多孔T型扩散器排放污水；丁玉兰、张瑞安［6］等依托烟台市污水处理工程，对放流管、扩散管的长度、孔口间距、直径、开孔比、羽流宽度和稀释倍数等参数进行了计算；张光玉、詹水芬［7］等人通过进行水槽物模试验，全面研究了扩散器的水平方位角、射流角度、长度、环境水深、射流速度等主要设计参数对污水近区稀释扩散的影响，为扩散器设计提供技术支持和参考依据。目前大部分污水扩散器的研究都是在水深较小的区域进行，对于水深在20 m以下的情况，目前的研究还较少，污水的稀释扩散效果还没有系统的分析，因此本文以大亚湾污水深海排放工程为例，对大水深条件下扩散器的稀释扩散效果进行分析。

2 实例研究

2.1 工程实例

惠州大亚湾石化工业区集中展现了我国沿海地区的综合优势，具有优越的区位优势和发展石油化工的独特条件，吸引了众多的国内外石化项目投资商入园投资。目前大亚湾石化区内共有3家污水处理厂，分别通过一段陆地管道输送至中海壳牌东南角（三角地）的排海泵站汇合，经加压通过石化区现有的唯一一条且属于中海壳牌的排海管道集中排放。该中海壳牌排海管道总长约22 km，其中陆上部分长约2 km，海底部分长约20 km，深海排污口位于惠东平海电厂西侧的三角洲岛与桑洲岛之间。据了解，受雨季期间降雨量的影响，该管道的实际排放量将会达到饱和状态，使得3家企业经常性地发生“抢排”现象。另外该中海壳牌污水排海管线的排污口区域，是大亚湾水产资源自然保护区内唯一的非水产资源自然保护区，排污混合区面积十分有限。综上所述，大亚湾石化区污水排放问题日益严峻，新建二期污水排海管道迫在眉睫，否则将会严重阻碍石化区的经济发展。新建二期污水海底管道由清源污水处理厂附近新建的排海泵站起始入海，经约39 km海底管道敷设至湾外排污口区域，排污口位置水深为23 m。

2.2 模型概况

模型在玻璃水槽中进行，水槽尺寸为长×宽×高=70 m×0.7 m×0.9 m，采用正态模型。模型按汝德准则设计，模型中的流态必须和原型一致。为保证流态相似，模型喷口雷诺数应大于临界雷诺数值［8］，即

表1 水平方位角为0°试验成果Tab.1 0°azimuth test results

表2 水平方位角为45°试验成果Tab.2 45°azimuth test results

2.3 试验结果分析

2.3.1 不同水平方位角结果分析

喷口水平方位角直接关系着污水射流路径和稀释扩散效果，对本工程，提出水平方位角为0°、45°、90°等3个方案，作为物理模型试验方案来验证。表1至表2为不同水平方位角试验结果。

图1 表层、轴线浓度等值线（扩散器154 m、水平方位角为0°、射流角度为10°、涨潮）Fig.1 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 0°;jetangle is 0°;high tide）

图2 表层、轴线浓度等值线（扩散器154m、水平方位角为45°、射流角度为10°、涨潮）Fig.2 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 45°;jet angle is 10°;high tide）

当水平方位角为0°、45°和90°时，稀释度均可达到设计的环保要求。当水平方位角为90°时，即射流垂直于环境水流方向，污水初始稀释扩散最好；主要是因为污水自喷口出流之后受到环境水流的强烈扰动而迅速在水流断面上扩展开来，与周围环境水体迅速掺混，初始稀释扩散效果明显。由于本工程的环境水深较大，因此不容易在水面形成污水场，有利于污水的再稀释扩散，对环境影响较小。当水平方位角为45°时，不存在水面污水场，污水场对环境的影响较小。当水平方位角为0°时，即射流平行于环境水流方向，污水初始稀释扩散稍差；但由于受到水流夹带，其冒顶时水平漂移距离较长，不容易在水面形成污水场。因此，鉴于本工程水深大，不易于形成表面污水场，本工程采用扩散器的水平方位角推荐为90°，即射流垂直于环境水流方向，更有益于污水的稀释扩散。

2.3.2 不同射流角结果分析

根据工程实例可知，射流角度越大，射流射出后，由于水力绕流阻力的作用，射流慢慢弯曲，同时与横流慢慢交混，其宽度越来越大。射流角度向下，使上升距离增加，混合效果较好，但在与海床面距离较小时，有可能出流污水触底，将严重影响海底生物环境，一般不建议采用。对本工程，由于水深条件较好，根据实际情况可以适当增大射流角度，提出射流角度为10°、20°、30°等3个方案，作为物理模拟试验的方案来验证。表3至表4为不同水平方位角试验结果。

表3 射流角度为10°试验成果Tab.3 10°jetangle test results

表4 射流角度为30°试验成果Tab.4 30°jetangle test results

试验表明，射流角度是影响污水近区稀释的重要因素之一。当射流角度为10°时，由于水平方位角为10°，一些污水云团由于受到水流夹带，漂移距离过长，影响其稀释扩散。当射流角度为30°时，污水容易在水面形成污水场，影响其稀释扩散。当射流角度为20°时，在环境水流的强烈扰动下，不易形成某一污水云团，且具有一定的漂移距离，不容易在水面形成污水场，可取得较好的稀释扩散效果。综合考虑本工程实际水深条件，扩散器的喷口角度推荐为20°，即射流方向与水平面夹角为20°。

2.3.3 不同扩散器长度分析

扩散器长度是影响污水稀释扩散的重要因素之一，考虑本污水工程排放海域执行一类水质标准，水质要求比较高，在此范围内选取扩散器长度方案（92m、154m）进行物理模型试验，在此基础上确定扩散器方案，表5至表6为不同长度扩散器试验结果。

试验表明，扩散器的长度对初始稀释度有明显的影响；初始稀释度随着扩散器长度的增加而增加。以上2种扩散器长度均能满足初始稀释度要求，但当长度为154 m时，稀释扩散效果更为明显，同时通过试验发现，长度为154 m时，各上升管污水在冒顶时基本混合，说明上升管个数的设计能满足要求。因此长度选用154m即可满足设计初始稀释度的要求。

图3 表层、轴线浓度等值线（扩散器154m、水平方位角为90°、射流角度为20°、涨潮）Fig.3 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 90°;jetangle is 20°;high tide）

图4 表层、轴线浓度等值线（扩散器154m、水平方位角为90°、射流角度为30°、涨潮）Fig.4 Concentration contour of surface and axis（diffuser length is 154m;azimuth is 90°;jet angle is 30°;high tide）

表5 扩散器长度为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 扩散器长度为154m、水平方位角90°、射流角度20°，Tab.6 154m diffuser,90°azimuth,jet angle 20°test results

3 结论与建议

对于惠州大亚湾污水排海管线工程，由于其排污口位置污水条件相比其他工程较好，扩散器喷口角度设置可采用大倾角设计。通过物理模型试验研究分析，得出扩散器长度为154 m，水平方位角90°，射流角度20°。采用这种方式既能够保证污水与周边水体的充分稀释混合，也能够避免污水在海水表面形成积聚团。在大水深条件下，增大扩散器喷口射流角度与水平方位角度可以保证污水更好的稀释扩散，适当提高水平方位角与射流角度，能够提高污水的扩散效果，但如果在小水深条件下要达到同样的扩散效果，往往要通过增加扩散器长度的方式来实现，这种方式会增加扩散器本身造价以及扩散器施工难度和费用，经济性较差，因此在实际污水深海排放工程中，在条件允许情况下，建议将污水排放口设置在水深条件大于20 m处。在实际工程应用中，大水深条件下，由于污水升顶时间相对较长，可以与海水进行充分混合，因此在扩散器的设计中，可以适当降低扩散器的长度，同时增大射流角度，根据实验结果，射流角度可控制在5°～30°范围以内，污水稀释扩散能够达到较好效果，但如在实际工程中有更好的水深条件，还可适当增大射流角度与水平角度，从而降低扩散器长度，减少工程造价与施工费用。

［1］夏青.污水海洋处置工程设计理论与方法［M］.北京：中国环境科学出版社,1996.

［2］陈复，张永良，孟伟.澳大利亚城市污水海洋处置的借鉴［J］.环境科学研究，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.

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［4］徐高田，韦鹤平.上海市污水治理二期工程白龙港排放口潜设多孔排放污水近区稀释扩散效果研究［J］.海洋环境科学，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.

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［8］余常昭.环境流体力学导论［M］.北京：清华大学出版社,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，副研究员，从事海洋环境科学与污水深海排放工程研究。

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