畢業(yè)論文-沿海油庫海水淡化后濃海水處置技術(shù)的研發(fā)排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)

畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)） 題 目 ： 沿海油庫海水淡化后濃海水處置技術(shù)的研發(fā) 排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 石油化工學(xué)院 學(xué)生姓名： 虞邦煒 專 業(yè)： 油氣儲(chǔ)運(yùn)工程 班 級(jí)： A06儲(chǔ)運(yùn) 指導(dǎo)教師： 竺柏康 起 止 日期： 2011.2.21-2011.4.29 2011 年 4 月 25 日 目錄 中文摘要 . I 英文摘要 . 1 前言 . 1 1.1 背景 . 1 1.2 濃海水處理方法 . 1 1.3 濃海水處理排海工程 . 1 1.4 本文的工作 . 2 2 海水淡化的尾液影響 . 3 2.1 濃海水對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響 . 3 2.2 海水淡化廠污染物排放 . 3 2.3 排放水物理性質(zhì)變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響 . 3 3 模型理論 . 4 3.1 近區(qū)模型研究現(xiàn)狀 . 4 3.2 遠(yuǎn)區(qū)模型研究現(xiàn)狀 . 6 3.3 水動(dòng)力學(xué)參數(shù) . 7 3.4 海洋水動(dòng)力學(xué)狀況評(píng)價(jià)方法 . 7 4 排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì) . 11 4.1 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)與要求 . 11 4.2 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原理和流程 . 13 4.3 設(shè)計(jì)中主要影響因素 . 14 4.4 孔口出流系數(shù)法 . 14 4.5 動(dòng)壓力水頭法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)程序 . 18 4.6 六橫島臺(tái)門海水淡化工程 . 22 5 總結(jié)與建議 . 28 5.1 總結(jié) . 28 5.2 建議 . 28 6 參考文獻(xiàn) . 29 I 沿海油庫海水淡化后濃海水處置技術(shù)的研發(fā) 排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì) 虞邦煒 (浙江海洋學(xué)院石油化工學(xué)院，浙江 舟山 316004) 摘要 濃 海 水處理排海工程就是將海水經(jīng)過淡化處理的濃海水通過海洋放流管輸送到離海岸一定距離、一定深度的 強(qiáng)流區(qū)域，由海洋放流管尾部的擴(kuò)散器排放，即充分利用海洋的擴(kuò)散、降解和自凈能力，達(dá)到濃海水處理的 目 的。 海水經(jīng)淡化之后，產(chǎn)生濃鹽水尾液，如果它不加處理，直接排放，勢必對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。利用擴(kuò)散器排放濃海水，能很好的利用自然海域的特點(diǎn)，海域本身的自凈溶解能力使?jié)夂Ｋ皶r(shí)得到擴(kuò)散稀釋，達(dá)到凈化目的。這樣，既解決了環(huán)保問題，又使處理濃海水尾液成本得以降低。本文從我國水資源的嚴(yán)重缺乏角度，闡述了海水淡化的重要性，進(jìn)而引出海水淡化之后所產(chǎn)生的濃海水尾液的影響。通過對近些年排海工程理論模型的了解，再對海洋水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究 ，提出一些模擬方法。本文著重闡述如何進(jìn)行排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)、要求、設(shè)計(jì)原理、流程和主要影響因素等多角度考慮，并介紹兩種擴(kuò)散器水力設(shè)計(jì)方法 孔口出流系數(shù)法和 動(dòng)壓力水頭法。 在 六橫島臺(tái)門海水淡化工程 中，采用 T 型走向擴(kuò)散器 ， 通過數(shù)值模擬，對 軸線流速、濃度及稀釋度的沿程變化 進(jìn)行 比較 ，得出結(jié)論。 關(guān)鍵詞 擴(kuò)散器；濃海水尾液；孔口出流系數(shù)法；動(dòng)壓力水頭法； T型走向擴(kuò)散器 II The coastal depot sea water desalination with the r&d disposal technology,the emissions sea diffuser design Yu bangwei (Institute of petrochemical technology, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316004) Abstract Concentrated seawater discharging project is that seawater through desalinaton by marine discharging pipe deliver to thet coast which is distance from a certain depth of the high current region, discharge by the diffuser of sea discharging pipe rear, or take by the full advantage of the ocean spread, degradation and self-purification ability, so as to achieve the purpose of concentrated seawater. After the water desalinated,then produced the concentrated seawater, if it is not addressed, discharges directly, is bound to have serious impact on the environment. Concentrated sea water discharges by using the diffuser, the use of well characteristics of natural waters, waters dissolve their self-purification ability to dilute the concentration of water diffusion in time to achieve purpose of purification. In this way, not only to solve the environmental problem, but also to deal with the cost of concentrated sea water solution.From the perspective of a serious shortage of water resources in China, explaining the importance of desalination, and then leads the generated after the end of solution of concentrated sea water. Through the recent discharge engineering of the theoretical model to understand, and to study the dynamics of ocean water, we give out some simulation. From the structure, requirements, design principles, processes, and the main factors and many other considerations, this article focuses on how to design the diffuser, and describes two methods of hydraulic design of the diffuser-orifice the flow coefficient and the dynamic pressure head method. The desalination projects of island of Taimen Liuheng, through numerical simulation with T diffuser, compared with the axis velocity, concentration and dilution,then make the conclusions. Key words diffuser； thick liquid water； the flow coefficient method of the orifice；dynamic pressure head method； T toward of the diffuser 1 1 前言 1.1 背景 淡水資源短缺是全球目前面臨的主要社會(huì)問題之一，解決淡水短缺問題除了傳統(tǒng)的節(jié)約用水、廢水利用、遠(yuǎn)途調(diào)水等方法外，利用現(xiàn)代技術(shù)大規(guī)模開辟新的水源則首推海水淡化技術(shù)。 我國是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國家，人均淡水占有量僅為世界平均水平的 1/4。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密，淡 水供需矛盾更加突出。在陸地淡水資源日益短缺的嚴(yán)峻形勢下，人們把目光投向了海洋。我國海水淡化技術(shù)的研究起步較早， 1967 1969年全國組織海水淡化會(huì)戰(zhàn)，同時(shí)開展電滲析（ ED）、反滲透（ RO）和蒸餾多種海水淡化方法的研究。 1981年建成西沙 200m3/d電滲析海水淡化裝置； 1997年，浙江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“ 500m3/d反滲透海水淡化示范工程”在浙江省嵊泗縣嵊山島建成投產(chǎn) 1； 2000年，在國家科技部重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“日產(chǎn)千噸級(jí)反滲透海水淡化系統(tǒng)及工程技術(shù)開發(fā)”的支持下，先后在山東長島、浙江嵊泗建成了 1000m3/d反滲透海水淡化示范工程； 2003年，國家發(fā)改委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目“山東榮成日產(chǎn)10000噸級(jí)反滲透海水淡化示范工程”一期 5000m3/d機(jī)組在榮成市石島建成投產(chǎn)； 2004年，國家科技部科技攻關(guān)項(xiàng)目“低溫多效海水淡化示范工程”， 3000m3/d低溫多效海水淡化裝置在青島市黃島電廠建成 2。經(jīng)過近 40年的研發(fā)和示范，我國海水淡化技術(shù)已日趨成熟，為大規(guī)模應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。我國已成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握海水淡化先進(jìn)技術(shù)的國家之一 3。目前已建成運(yùn)行的海水淡化水產(chǎn)量約為 12萬 m3/d， 在建和待建的工程規(guī) 模為 38萬 m3/d。根據(jù)國家海水利用專項(xiàng)規(guī)劃，我國海水淡化能力 2010年將達(dá)到 80萬 100萬 m3/d4， 2020年將達(dá)到 250萬 300萬 m3/d。 1.2 濃海水處理方法 世界上常用的濃海水處理方法可分為兩大類。一類是直接排放，如排入海洋、地表水、污水處理系統(tǒng)等；第二類將濃海水進(jìn)行再利用，如地表灌溉、制鹽、提取化工原料等 5。其中，直接排放投資少、效益高，但其處理不當(dāng)會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，故一般采用擴(kuò)散器來加速濃海水的稀釋，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的作用。 1.3 濃海水處理排海工程 濃 海 水處理排海工程就是將海水經(jīng)過淡化 處理的濃海水通過海洋放流管輸送到離海岸一定距離、一定深度的強(qiáng)流區(qū)域，由海洋放流管尾部的擴(kuò)散器排放，即充分利用海洋的擴(kuò)散、降解和自凈能力，達(dá)到濃海水處理的 目 的。排海工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行，在國外已有幾十年的歷史。早期建造的排海工程一般只是一條簡單的放流管，末端開口，不帶擴(kuò)散器，排放的污水也不經(jīng)過任何預(yù)處理。至上個(gè)世紀(jì) 20年代，排海工程開始在放流管的末端增加了一段帶有多孔的擴(kuò)散器，而且也逐步開始了排海前的預(yù)處理。例如，建于 1925年的英國 Heng istbury污水排海工程安裝了一個(gè)有 6個(gè)噴孔的擴(kuò)散器。利 用多孔擴(kuò)散器將污水分散排放更有利于污水與海水的 混合 ，它通過其噴嘴將濃 海 水射入環(huán)境水體，是一種用來增強(qiáng)污水與環(huán)境水體摻混稀釋能力的工程措施。 合理 地設(shè)計(jì)擴(kuò)散器可使射出的濃 海 水 在較小范圍內(nèi)獲得高倍數(shù)稀釋，并可以提高稀釋效率，降低局部海區(qū)的污染程度，避免形成穩(wěn)定的濃海水場，便于 2 濃海水的進(jìn)一步輸移擴(kuò)散。這樣既充分利用納濃海水體的環(huán)境容量和自凈能力，顯著減少濃海水處理費(fèi)用，又保證環(huán)境目標(biāo)的實(shí)現(xiàn) 6。 1.4 本文的工作 本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對海水淡化濃海水尾液排放過程進(jìn)行研究，預(yù)測污染物對環(huán)境可能造成的影響范圍和程度，針對 濃海水尾液，設(shè)計(jì)出合理的擴(kuò)散器形式，并提供可行的減輕不良環(huán)境影響的措施，為管理部門提供決策依據(jù)，為開發(fā)工程的環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，為作業(yè)者實(shí)施完善的環(huán)境管理措施提供可操作依據(jù)，對沿海社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也有著較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。 3 2 海水淡化的尾液影響 海水淡化可為內(nèi)陸地區(qū)節(jié)省更多可以利用的淡水資源，這對于長遠(yuǎn)解決我國水資源短缺問題具有戰(zhàn)略意義。但在大力發(fā)展海水淡化事業(yè)的同時(shí)，也不可避免地帶來海洋生態(tài)環(huán)境問題。海水淡化廠排放的濃海水及其所含的污染物 (重金屬、化學(xué)添加劑等 )以及物理性質(zhì)（如溫度、密度 )的變化，如未經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚矶苯优欧湃牒?，將對海洋生態(tài)環(huán)境造成相當(dāng)?shù)臎_擊。 2.1 濃海水對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響 海水淡化廠排放的濃海水的鹽度一般是取用海水的 2倍 7。若這些濃海水排放方式不當(dāng)，將導(dǎo)致排放海域鹽度的升高。以膠州灣為例，按海水淡化水產(chǎn)量 20萬 m3/d、膠州灣海水交換周期為 60天計(jì)算，若產(chǎn)生的濃海水全部排入膠州灣，則膠州灣的平均鹽度將每年上升約 0.3個(gè)鹽度單位， 30年后膠州灣的平均鹽度將超過 40，與死海的鹽度相當(dāng)。 鹽度的升高會(huì)改變海洋生物本身體液與其生活 環(huán)境海水中滲透壓的平衡，從而降低海洋生物的繁殖力 (主要是幼蟲和幼仔 )，甚至使其滅絕。研究發(fā)現(xiàn)許多類海洋生物的呼吸及排泄能力，都與其周遭環(huán)境的鹽度有密切的關(guān)系。有些海洋生物被稱為狹鹽性，因?yàn)樗鼈儍H能在一個(gè)狹窄的鹽度變化范圍內(nèi)保持其體液與周圍環(huán)境間滲透壓的平衡。而能忍受環(huán)境中較大鹽度變化的海洋生物，則被稱為廣鹽性。有些海洋生物雖然在鹽度增高至某一程度時(shí)仍能生存，但其細(xì)胞的增殖能力卻已大為減低。此外，由于底棲生物無足夠的移棲能力，因此濃海水排放對排水口附近的底棲生物的影響尤其嚴(yán)重。 2.2 海水淡化廠污染物排放 海水淡化 廠排放水中污染物來源主要有兩類：一類是化學(xué)添加劑，如生物殺滅劑 (通常為氯氣或次氯酸鈉 )、抑垢劑 (通常為聚磷酸鹽 )、防沫劑、防蝕劑、酸洗劑等；另一類是由管路腐蝕產(chǎn)生的毒性重金屬，如 Cu、 Ni、 Mo、 Cr、 Zn 等。研究表明，以上這些污染物都會(huì)對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。以生物殺滅劑 氯氣為例，多級(jí)閃急蒸餾法排放水中游離氯含量一般在 (0.2 0.5)10-6，若按淡水 /排水 (含冷卻水 )比 1 9 來估算，一個(gè) 10 萬 m3/d 的淡化廠排放游離氯量為 180450kg/d。雖然稀釋作用和降解作用會(huì)降低接受水體的游離氯濃度 ，但即使很低的游離氯濃度也會(huì)對海洋生物產(chǎn)生毒害作用。首先，游離氯是一種高效的生物殺滅劑 (這也是作為海水淡化生物殺滅劑的原因 )；其次，游離氯與海水中的有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生若干有致癌作用或毒害作用的鹵化物。美國國家環(huán)保局規(guī)定海水中游離氯不得超過 0.01310-6(短期 )和 0.0075 10-6(長期 )。另外，在濃海水中濃度最大的重金屬是銅，其含量比自然海水高 12 個(gè)數(shù)量級(jí) 8。 2.3 排放水物理性質(zhì)變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響 排放水物理性質(zhì)的改變主要有兩點(diǎn)：溫度升高和密度增大。排放水密度的增大主要影響接受水體的 物理性質(zhì)，由于濃海水的密度大于自然海水，其入海后易于沉降在水底，阻礙了海水的垂直混合，并在排水口附近形成高鹽沙漠。而排放水溫度的升高 (尤其是蒸餾法 )則直接影響海洋生物的生長和繁殖。大部分的海洋生物都是在一定的溫度范圍內(nèi)生長和繁殖，溫度的改變會(huì)影響海洋生物的生理機(jī)能，并影響其產(chǎn)卵、生長及幼蟲孵化能力。此外，排放水溫 4 度的升高將導(dǎo)致接受水體溶解氧含量的降低，而間接對海洋生物和水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。 3 模型理論 3.1 近區(qū)模型研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外對城市污水海洋處置工程近區(qū)的稀釋擴(kuò)散規(guī)律的研究已有較長的歷史，與污染近區(qū)有關(guān)的射流理論 也由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復(fù)雜流動(dòng)中的復(fù)雜射流發(fā)展，如橫流、分層流、淺水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋動(dòng)射流等。 射流是指一般流體從各種排放口或噴口流入周圍環(huán)境流體，并同其發(fā)生強(qiáng)烈混合的流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)射流的形成可將射流分為三種：噴口處初始動(dòng)量對流動(dòng)起支配作用的射流為純射流或動(dòng)量射流，由于噴口處流體與環(huán)境流體的密度差產(chǎn)生的浮力作用形成的射流為羽流和卷流，而浮射流則是即受動(dòng)量作用又受浮力作用，同時(shí)具有射流和羽流特性的一種射流。射流的基本特征就是由于射流與周圍環(huán)境流體之間速度差形成的卷吸 和摻混，使射流斷面不斷擴(kuò)大，射流流速沿程減小，濃度或溫度降低。目前，射流理論被廣泛的應(yīng)用在水利、航空航天、環(huán)保、冶金、化工、交通、礦山等多個(gè)領(lǐng)域。 浮射流是環(huán)境水力學(xué)和流體力學(xué)近年來的重要研究對象。從上世紀(jì) 20 年代開始研究無限空間同類流體中等密度自由紊動(dòng)射流理論以來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量有關(guān)浮射流的研究工作，使浮射流理論有了較大的發(fā)展。浮射流特性研究的目的主要是在于確定它的稀釋度、射流軸線的軌跡、射流擴(kuò)展的范圍和射流中流速的分布等。對于變密度、非等溫和挾帶有污染物質(zhì)的射流還要確定密度分布、溫度分布、和挾帶物 濃度分布。研究方法主要有物理模型和數(shù)學(xué)模型兩種。 3.1.1 物理模型 物理模型即根據(jù)水力相似性原理，采用將原型縮小到一定比尺后進(jìn)行污染物排放物理實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析污水經(jīng)排放口出流后浮射流的行為特征，從而得到描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式。 量綱分析是物理模型常采用的方法，通過分析影響射流運(yùn)動(dòng)的諸多因素，如環(huán)境水體因素、擴(kuò)散器幾何要素、浮射流自身排放要素等，得到描述浮射流運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系式。在浮射流初始研究階段，量綱分析方法在分析整理試驗(yàn)資料和數(shù)據(jù)上發(fā)揮了巨大的作用，獲得了有關(guān)浮射流的許多基本特征和基本參 數(shù)，為人們認(rèn)識(shí)和研究浮射流現(xiàn)象提供了強(qiáng)有力的手段，即使在當(dāng)今的江河湖海尾水排放的物理模型實(shí)驗(yàn)中，該方法仍不失為有效的手段。 List 和 Papanicolaious（ 1988）和 Fischer（ 1979）在分析了大量前人的研究過后分別確定了射流區(qū)和羽流區(qū)內(nèi)的速度和濃度的高斯分布函數(shù)中的指數(shù)系數(shù)，以及斷面擴(kuò)展半寬度等特征參數(shù)。他們還對各流速沿軸線的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，并在采用量綱分析方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步證實(shí)了時(shí)均速度和濃度斷面符合高斯分布形式。 國內(nèi)的許多專家和學(xué)者利用該方法對不同形式和排放條件 的污水排放口進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，取得了大量的寶貴資料和工程經(jīng)驗(yàn)，對排放口的設(shè)計(jì)和工程運(yùn)行起到了很好的指導(dǎo)作用，同時(shí)也為其它類似污水排放口的建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了我國污水江河湖海處置技術(shù)的發(fā)展。采用該方法，韋鶴平（ 1989）分別對上海星火工業(yè)園區(qū)污水排海工程排放口模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了適用于該工程的排放口參數(shù) 9；徐高田（ 1997）結(jié)合上海河流污水 5 治理二期工程白龍崗排放口水利模型試驗(yàn)，采用量綱分析法對近區(qū)初始稀釋度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了描述該排放口條件下初始稀釋度變化規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式；嚴(yán)忠民、 蔣傳豐等人（ 1991）還依據(jù)無量綱分析結(jié)果，對污水排放管的物理模型試驗(yàn)準(zhǔn)則和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了有益的探索。 3.1.2 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型主要包括積分模型和場模型，以及長度比模型。 1）積分模型 數(shù)學(xué)模型中最經(jīng)典的是射流積分模型，它始于 20 世紀(jì) 60 年代后期， 70 年代有較快的發(fā)展，提出的模型有 20 多種。射流積分模型的基本思路是：首先假定沿射流各個(gè)斷面上的流速分布、濃度（溫度）分布相似性，通常將射流近區(qū)分為初始段和主體段，初始段是射流流態(tài)形成區(qū)，沿程側(cè)向斷面上各因變量的變化多用橢圓分布近似，主體段是射流流態(tài)發(fā)展區(qū)， 沿程側(cè)向斷面上因變量的分布多用高斯分布逼近。其次必須對射流的厚度作線性擴(kuò)展假定或?qū)Ω∩淞鲝膫?cè)邊卷吸流體的流量作出一個(gè)卷吸假定，常用卷吸系數(shù)又可近似是常量。對有環(huán)境來流的情況還應(yīng)確定繞流阻力系數(shù)。射流積分模型是上述假定的基礎(chǔ)上，根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)量和物質(zhì)守恒的原理，對與射流軸線垂直的橫斷面積分獲得的。然而，積分模型由于采用了許多對稱假設(shè)，使之不能很好的應(yīng)用于邊界條件較為復(fù)雜的情況，只能適用于簡單的流動(dòng)計(jì)算。Morton， Taylor 和 Turner（ 1973）提出了半無限水域、水體靜止且密度均勻的理想環(huán)境中單孔或長孔 射流研究的積分模型， List 和 Imberger 以及 Lee 等應(yīng)用該方法對不同環(huán)境水體特性條件下的浮射流運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，取得了大量成果，豐富了積分模型理論。我國學(xué)者韓保新（ 1996）等人研究了一種污水排海的近遠(yuǎn)區(qū)計(jì)算與控制方法，并應(yīng)用于大亞灣水容量計(jì)算和污水排海。槐文心和李煒（ 1993）應(yīng)用此方法研究了浮射流卷吸模式本身的特性。徐田高和韋鶴平（ 2000）研究了積分控制模型，并應(yīng)用于嘉興污水海洋處置工程中。 從文獻(xiàn)可以看出，有關(guān)排污射流的研究其環(huán)境流體為恒定橫流的較多，并取得了豐富的成果，但實(shí)際上多數(shù)排污工程 的受納域是受潮汐作用強(qiáng)烈的河流和近海水域，因此對非恒定橫流作用下射流性質(zhì)的研究更具有實(shí)際意義，但就目前的科學(xué)研究的狀況來說，認(rèn)識(shí)和描述脈動(dòng)量及非恒定問題存在很大的困難，對潮流中的排放問題的實(shí)驗(yàn)研究也較少，因此也只能在恒定橫流研究的基礎(chǔ)上近似模擬非恒定橫流中污染物排放的射流問題。 2）場模型 在浮射流的近區(qū)，水流紊動(dòng)劇烈，有強(qiáng)剪切層存在，一般的時(shí)均化模型較難于應(yīng)用，特別是在動(dòng)水條件下，采用紊流模型才能較準(zhǔn)確的把握。紊流模型較上述積分法的應(yīng)用范圍要廣，并可以考慮復(fù)雜的流動(dòng)，考慮潮流的動(dòng)態(tài)變化對濃度場的影響，但是 紊流模型相對比較復(fù)雜，其發(fā)展尚不成熟。紊流方程一般分為：零方程（混合長度方程），單方程（紊動(dòng)動(dòng)能方程 K 方程），雙方程（ K f， K方程等）。還有很多學(xué)者對紊流模型進(jìn)行了改進(jìn)： Rodi 首先采用了代數(shù)應(yīng)力 /通量模型對熱電廠的溫排放浮羽流特性進(jìn)行了模擬； Chen 和 Li 采用此模型及改進(jìn)的單尺度、多尺度模型，對不同分層環(huán)境射流進(jìn)行了較好的模擬；此外 Gu Jie 等采用模型結(jié)合尾水排放近區(qū)的模擬； Kim 等應(yīng)用垂向坐標(biāo)變換對多孔擴(kuò)散器近遠(yuǎn)區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬。在“七五”期間，我國學(xué)者深入研究了潮汐流動(dòng)中底部排放污染混和區(qū)近區(qū) K模型，岸邊排放污染混合區(qū)完全深度平均模型及實(shí)用化計(jì)算方法等課題，取得了一定的成果。 3）長度比模型 自 80 年代以來，一種以量綱分析為基礎(chǔ)來對流動(dòng)進(jìn)行分區(qū)的長度比模型得以開發(fā)和應(yīng)用。 6 它容易處理較為復(fù)雜的環(huán)境條件和各種不同的排放方式。這種模型中引入了大量以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使其計(jì)算結(jié)果以較強(qiáng)的實(shí)踐背景為依托，而計(jì)算工作量較場模型大大減少，為工程問題混合區(qū)流場的分析提供了便利。 3.1.2 智能化軟件 伴隨著污水海洋處置工程近區(qū)模型的日益完善，智能化的軟件模型也得到開發(fā)和應(yīng)用，已知的各種智能化軟件以美國 開發(fā)的為多，其中多半是由美國國家環(huán)保局（ USEPA）組織開發(fā)的。 1985 年 USEPA 推薦了 5 個(gè)污水排海稀釋度計(jì)算模型（ UPLUME， UOUTPLM， UM，UDKHDEN 和 ULINE）。最早的 UPLUME 模型針對在靜水中的圓形單孔排放，基本上只是講Abraham 的浮射流理論計(jì)算機(jī)化，它適合于環(huán)境水體為任意分層，射流的傾角可以是 -5o90o。UOUTPLM 模型則是基于 Frick 冷卻塔熱羽流模型，適用于環(huán)境流體為均勻流動(dòng)中的單孔排放，環(huán)境流體的密度分層可以是任意的，射流的傾角可以是 -5o90o。 UM 模型則比 UPLUME 模型大進(jìn)一步，其可以用于單孔圓形浮射流，也可用于多孔排放圓形浮射流，并允許環(huán)境流體有流速分布。 UDKHDEN 模型運(yùn)用歐拉積分方法計(jì)算浮羽流的軌跡、半寬、濃度和溫度方程，適用于浮羽流的單孔或者多孔排放。 ULINE 模型是針對在流動(dòng)水體中的線狀擴(kuò)散器的，是對Roberts 在密度不分層的橫流中的線源浮力羽流實(shí)驗(yàn)數(shù)值外推，環(huán)境水體密度分層和流速分布可以是任意的。后來 Roberts 又完成了在密度分層橫流中的線源浮力羽流實(shí)驗(yàn)，將此結(jié)果合并入 ULINE 模型形成了一個(gè)新的模型，稱之為 RSB 模型。 1995 年 USEPA 在頒布這些模型時(shí)，又把 UM 和 RSB 模型并入含有遠(yuǎn)區(qū)稀釋度計(jì)算的 PLUMES 軟件。 2001 年， USEPA 改進(jìn)了PLUMES 模型，發(fā)布了 Visual Plume 模型軟件，包括 UM3（ UM 的升級(jí)版本）、 DKHW（ UDKHDEN 的升級(jí)版本）、 PDSW、 NRFIELD（ RSB）、 PDS、 DOS PLUMES 等模型。 此外還有 DKHEN 模型及基于拉格朗日方法的 OUTPLM 模型。 1993 年康奈爾大學(xué)更開發(fā)了一個(gè)專家系統(tǒng) CORMIX，它把水流的各種水動(dòng)力條件，如射流與水體表面和水底的動(dòng)力相互作用都考慮在內(nèi)，采用特征長度綜合 了大量的實(shí)驗(yàn)資料，因而該專家系統(tǒng)可以掃描各種可能的初始混合情景。 Lee 開發(fā)的 Jetlag 模型 10對環(huán)境水流成任意夾角的圓形浮射流進(jìn)行全場模擬，并可應(yīng)用于在同一噴頭上有多個(gè)噴孔的情形?；蔽男诺纫膊?用數(shù)學(xué)模型對射流進(jìn)行了一系列研究。 3.2 遠(yuǎn)區(qū)模型研究現(xiàn)狀 近區(qū)研究側(cè)重根據(jù)污水的初始動(dòng)量、浮力、環(huán)境水體的分層情況以及水流的作用，遠(yuǎn)區(qū)研究的重點(diǎn)是污水進(jìn)入海洋水體，污染物經(jīng)紊動(dòng)混合與輸運(yùn)擴(kuò)散后時(shí)空分布特性。近岸海域是陸地、海洋和大氣之間各種過程最活躍的界面，該水域的環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)受到來自陸地和海洋的雙重作用的影響， 對大范圍內(nèi)各種自然過程變化所引起的波動(dòng)和人類活動(dòng)的影響十分敏感，生態(tài)系統(tǒng)相當(dāng)脆弱。因此，近海水域環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理一直是環(huán)境科學(xué)的熱門課題。污染物經(jīng)過海流不斷的紊動(dòng)混合與輸運(yùn)擴(kuò)散過程逐漸形成光滑變化的濃度場，稱其為平衡濃度場，平衡濃度場是污染物時(shí)空分布特性表征，其理論基礎(chǔ)就是污染物的擴(kuò)散輸運(yùn)模型。近海水域的水質(zhì)預(yù)測、評(píng)價(jià)和管理中，最為實(shí)用的流場模型為 2D 淺水環(huán)流模型和二維輸運(yùn)模型。這些模型的應(yīng)用中，由于控制方程和邊界條件的復(fù)雜性，其求解過程仍需借助于數(shù)值方法，應(yīng)用最多的如 FDM， FEM， FVM， FAM 等。 Georgetal（ 2003）則將二維水動(dòng)力模型與生態(tài)模型偶合，進(jìn)行了復(fù)合模型研究； Tsanisetal 及張行南等（ 2001， 2004）分別將二維 7 水質(zhì)模型與 GIS 技術(shù)相結(jié)合；劉成等（ 2003）應(yīng)用二維模型分別對尾水排入長江口工程的污染物運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬；婁安剛、王學(xué)昌等（ 1993 2006）分別對渤海海峽、膠州灣等海域應(yīng)用二維數(shù)值模型進(jìn)行水質(zhì)分析。 近年來三維水質(zhì)模型得到了應(yīng)用，如沈永明（ 2000 2004）就將三維模型應(yīng)用于香港維多利亞港、日本九州島博多灣等地污染預(yù)報(bào)中；陳祖軍等（ 2003）應(yīng)用三維 模型對長江口水質(zhì)模擬研究；林衛(wèi)強(qiáng)、逄勇等（ 2003）在珠江口海域三維水質(zhì)模型的應(yīng)用；閆菊等（ 2001）將三維模型在膠州灣水質(zhì)模擬中的應(yīng)用。美國普林斯頓大學(xué)三維海洋模式（ POM）及河口陸架海洋模式（ ECOMSI）因國際海洋界的認(rèn)可而得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)經(jīng)過吸收改進(jìn)，成功將這兩個(gè)模式用在我國的河口海灣的數(shù)值模擬中。另外，還有不少三維模型與生態(tài)或富營養(yǎng)模型等混合模型。近年還出現(xiàn)有超標(biāo)概率場模型、概率分析法模型等模型的應(yīng)用。 目前文獻(xiàn)中常見的三維水質(zhì)模型系統(tǒng)還有 WASP， CE-QUAL-ICM， EFDC/HEM3D，MIKE3， Delft3D 和 RMA10 等，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫、河口和沿海水域等一系列水質(zhì)問題的模擬 11。 3.3 水動(dòng)力學(xué)參數(shù) 排入海域后濃海水濃度的分布除受海洋生物、化學(xué)過程影響外，主要受海洋物理過程的控制，其中海洋水動(dòng)力學(xué)是支配海洋中濃海水濃度分布的最主要因子。因此，掌握濃海水排放海域的水動(dòng)力學(xué)狀況是了解濃海水濃度分布和變化的關(guān)鍵。 1） 潮汐 評(píng)價(jià)海域內(nèi)潮汐類型及潮汐特征值，包括平均海平面、深度基準(zhǔn)面、最高高潮高、最低低潮高、平均高潮高、平均低潮高、最大潮差、平均潮差、平均漲潮時(shí)間、平均落潮時(shí)間。 2） 潮流 日 平均流速、最大流速、最小流速。 3） 波浪 常波向、強(qiáng)浪向、最大波高、平均波高、波浪平均周期。 4） 海水密度 海水平均密度及排放口附近海水密度范圍和季節(jié)變化。 5） 非周期海流 非周期海流的基本特征和季節(jié)變化，包括表層流速、底層流速、海水交換量、近岸區(qū)和離岸區(qū)的紊流流速和流向。 6） 表面漂流 表面漂流的流速及流向。 3.4 海洋水動(dòng)力學(xué)狀況評(píng)價(jià)方法 為了預(yù)測污水在海流驅(qū)動(dòng)下的輸運(yùn)狀況，需要更深入地了解排海區(qū)域的海水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)狀。通過建立適合排污海區(qū)的潮波模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上建立水質(zhì)模型討論排污后對周圍海域的影響，同時(shí)還應(yīng)建立拉 格朗日質(zhì)點(diǎn)追蹤模型，模擬污水標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)輸運(yùn)的軌跡，從而選擇出較佳的污水排放海域。 3.4.1 潮波數(shù)值模擬 8 根據(jù)排放海域的實(shí)際情況，選擇合適的潮波數(shù)值模型模擬該海域的潮流場，比較模擬和實(shí)測的潮位潮流結(jié)果，在計(jì)算潮流場的基礎(chǔ)上，闡明歐拉余流場的特征。潮流場的計(jì)算結(jié)果可以作為進(jìn)一步模擬污染物濃度和軌跡的依據(jù)。 由于一般擬選海域的水平尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，海水混合比較強(qiáng)烈，鹽度、溫度等要素的垂直分布較均勻，可采用非線性二維潮波動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行海區(qū)的潮波數(shù)值模擬，其基本方程為： 22221 ( ) ( )abXXU U U A U UU V f V gt X Y X H X Y （ 1） 22221 ( ) ( )abYYV V V A V VU V f V gt X Y X H X Y （ 2） ( ) ( ) 0H U H Ut X Y （ 3） 式中： UV、 分別為 x、 y 方向的平均流速分量； Hh水體的深度， h 為從靜水面起算的水深； 自靜止水面起算的水位高度； 海水密度； t 時(shí)間坐標(biāo)； f 柯氏參量； aaxY、 海面風(fēng)應(yīng)力，如不考慮風(fēng)影響，則： ax 0， aY 0； A 側(cè)向湍粘性系數(shù)； bbxY、 海底摩擦力的 X、 Y 方向分量。采用二次律公式： 1 / 2222( ) ( , )bbxY UVg U VC 、 （ 4） 式中： c chezy 系數(shù)，主要取決于海底粗糙度和 水深，一般采用美國水利學(xué)界普遍采用的 Manning 公式： 1/ 64.64CHn （ 5） 式中 ： n 表征海底粗糙度的 manning 系數(shù)。 3.4.2 濃度預(yù)測 根據(jù)二維濃度模型公式： ( ) ( ) ( ) ( ) ( )H P H P U H P V P PH D x H D y ft x y x x y y （ 6） 式中： P 垂直平均后的濃海水濃度； Dx Dy、 污染擴(kuò)散系數(shù)在 xy、 方向的分量。按 Elder 的公式： 1 / 2 1( ) 5 . 9 3 ( )gD x D y H C U、 、 V （ 7） 式中： f 污染物質(zhì)的排放速度或者由于生物、化學(xué)、物理等因子引起的衰減速率。 確定定解條件和離散格式，利用不同時(shí)刻的流速作 為平流速度場，計(jì)算擬建排污口在不 9 同時(shí)刻 (包括落潮中間時(shí)、低潮時(shí)、漲潮中間時(shí)、高潮時(shí) )排放的 COD 濃度增量。 3.4.3 濃海水運(yùn)移軌跡 濃海水通過擴(kuò)散器進(jìn)入海水后，污染物大多處于溶解態(tài)或懸浮態(tài)，它們在海洋中的輸移與海水質(zhì)點(diǎn)一樣，其輸運(yùn)途徑和去向可以用拉格朗日標(biāo)識(shí)質(zhì)點(diǎn)軌跡來描述。 假定：1tt時(shí)刻在計(jì)算海域里投下一標(biāo)識(shí)海水微元，其坐標(biāo)位置為1()jXt， j 表示標(biāo)識(shí)微元編 號(hào)。當(dāng)21t t t t 時(shí)刻，該微元的位置為2()jXt，可表示為： 2121( ) ( ) ( ) ,tj j L jtX t X t U X t t d t （ 8） 式中： ( ),LjU X t t為微元的拉格朗日速度，它是微元的位置和時(shí)間的函數(shù)。由于潮流場變化的連續(xù)性，可以認(rèn)為 t 足夠小時(shí)，2t時(shí)刻標(biāo)識(shí)微元的拉格朗日流速可用該微元1()jXt位置上展開的歐拉流速的泰勒級(jí)數(shù)逼近： 2 2 1 2 1 2( ) , ( ) , ( ) ,L j L j L jU X t t U X t t X H U X t t LL（ 9） 若 略 去 2X 以上的項(xiàng)并將 X 近似地取為： 211( ) ,tLjtX U X t t d t （ 10） 則該微元從1nt到nt的位置改變可用下式確定： 111 1 1 1( ) , ( ) , ( ) , ( ) , ( ) , nnttj n j n L j n L j n L j nX t t X t t U X t t U X t t d t H U X t t d t （ 11） 由 此得到一個(gè)潮周期的拉格朗日漂移和拉格朗日漂移速度 (或拉格朗日 余流 )； 00( ) ( ) ( )L j j m jX t X t X t（ 12） 00 ( ) ( )() j m jLj X t X tUt T （ 13） 式中： T 一個(gè)潮周期， 0mtt、 一個(gè)周期的終了和開始的時(shí)間。 根據(jù)模型計(jì)其結(jié)果，可以預(yù)測濃海水經(jīng)過一個(gè)潮周期運(yùn)動(dòng)以后 的實(shí)際輸送方向和速度，并以此結(jié)果劃分出海域水交換的活躍區(qū)和滯緩區(qū)，評(píng)價(jià)海域的稀釋擴(kuò)散能力。 3.4.4 工程海域稀釋擴(kuò)散模擬實(shí)驗(yàn) 為了保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，使排?？谶x擇更科學(xué)合理，一般都需要在現(xiàn)場進(jìn)行示蹤劑擴(kuò)散試驗(yàn)，用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)校核理論計(jì)算結(jié)果，可更直觀地了解該海區(qū)的稀釋擴(kuò)散能力和規(guī)律。 目前國外在水中用作示蹤劑的熒光染料有 8 9 種之多，國內(nèi)一般選用國產(chǎn)羅丹明 B 作為示蹤劑。結(jié)合工況方案，在選擇好的投放點(diǎn)以點(diǎn)派形式投放到海水表面，間隔一定時(shí)間跟蹤取樣。通過實(shí)驗(yàn)室分析，確定羅丹明 B 濃度與時(shí) 間的函數(shù)關(guān)系，測定羅丹明 B 在不同潮時(shí)的運(yùn)移軌跡，計(jì)算稀釋因子和海水?dāng)U散系數(shù)。 1）稀釋因子 污染物質(zhì)進(jìn)入水體之后，隨時(shí)間過程被逐漸稀釋的 倍數(shù)，即稱為稀釋因子 (diffusion factor，DF)。 mg mgDF 原 始 污 染 物 質(zhì) 的 濃 度 （ /L ）不 同 時(shí) 間 海 水 中 污 染 物 濃 度 （ /L ） （ 19） 10 DF 值愈大，表示污染物濃度愈低。在相同時(shí)間內(nèi)， DF 值愈大，表示稀釋愈快，反之亦然。 2）擴(kuò)散系數(shù) K 對海區(qū)的表層平流擴(kuò)散系數(shù)可采用下列公式計(jì)算： 2 2e x p44X U t YMKt c t（ 20） 式中： M 投放羅丹明 B 的用量 (g)； t 時(shí)間 (s)； c 測定的羅丹明 B 的濃度 (mg/L)。 根據(jù)對污染物濃度增量的預(yù)測和擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以初步確定排污口離岸的距離范圍，結(jié)合進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)參數(shù)的研究，可以確定出更適宜的距離。 11 4 排海擴(kuò)散器的設(shè)計(jì) 濃海水排海工程是濃海水處理和處置的一種常用方法。在濃海水排海中，需要合理利用海洋的稀釋和凈化容量，否則會(huì)造成海洋污染和海洋的生態(tài)破壞。擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)直接影響濃海水排放后在近區(qū)的濃海水場的形成，不同的環(huán)境保護(hù)需求所要求的水質(zhì)不同，對擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的要求可能也不一樣。以前的工程多采用線源模 型指導(dǎo)擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這與實(shí)際工程中的導(dǎo)流管型擴(kuò)散器不相吻合。近年來海洋排放近區(qū)模型研究取得很大進(jìn)展，出現(xiàn)了一些三維模型。運(yùn)用這些模型來模擬污水排放后的近區(qū)濃海水場狀況 (如初始稀釋度 )，將濃海水排放近區(qū)的水質(zhì)影響同擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)緊密地聯(lián)系起來。尤其在濃海水海洋處置的環(huán)境影響研究或可行性研 究階段，在擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒有進(jìn)行的情況下，采用本論文提出的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) 概念設(shè)計(jì)的方法不僅可以評(píng)價(jià)濃海水排海對環(huán)境的水質(zhì)影響，還可以幫助優(yōu)化擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)，對實(shí)際的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。 4.1 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)與要求 4.1.1 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的參數(shù) 擴(kuò)散器設(shè)計(jì)的主要目的是使?jié)夂Ｋ玫阶銐虺跏枷♂尪?，同時(shí)又投資較省，更充分地利用天然水體的容量。其設(shè)計(jì)參數(shù)包括： 1） 擴(kuò)散器離岸距離 (放流管長度 ) 放流管占工程造價(jià)的很大一部分，放流管越長，造價(jià)越高，其決定與環(huán)境因子水深有直接關(guān)系也是工程選址所需考慮的決定因素。 2） 擴(kuò)散器長度 3） 擴(kuò)散器形式及走向 擴(kuò)散器形式是為了充分地利用海流，同時(shí)使潮周內(nèi)最小稀釋度或擴(kuò)散器的有效長度盡可能的大，保證在潮周內(nèi)初始稀釋度的振蕩幅度最小，濃度的變化更均勻，其實(shí)質(zhì)仍是個(gè)擴(kuò)散器長度問題。初始稀釋度預(yù)測公式及實(shí)驗(yàn)均表明，除了靜水及流速很小的 情況下，擴(kuò)散器的走向?qū)Τ跏枷♂尪认喈?dāng)敏感，直觀的判斷也很清楚，對于往復(fù)流而言，參加稀釋的水體總是在擴(kuò)散器的范圍之內(nèi)，因而，如果環(huán)境流向與擴(kuò)散器正交，則通過擴(kuò)散器的流量為最大，若為零，則通過擴(kuò)散器的流量也就最小，一般來說，長的擴(kuò)散器，首尾兩個(gè)噴嘴出來的羽流半寬相對于擴(kuò)散器長度是微不足道。因此，就設(shè)計(jì)的角度而言，擴(kuò)散器走向與流向夾角為 90是最佳的選擇。但是在環(huán)境流速流向不斷變化的復(fù)雜流動(dòng)的情況下，擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)就需要考慮其他類型，而不是總是考慮一種形式。 擴(kuò)散器形式可分為（見圖 1）： I型 即擴(kuò)散器是放流管的直 線延伸，多適用于具有往復(fù)流特性的沿岸流地區(qū)。 L型 即擴(kuò)散器在與放流管末端連接時(shí)有一定的夾角，其用意在于滿足地形要求及流向要求，使總的管道長度最小，投資最低，而又能使擴(kuò)散器與環(huán)境流向正交。 T型 擴(kuò)散器的中部與放流管連接呈 90 角，濃海水從擴(kuò)散器中部分兩個(gè)方向流入擴(kuò)散器。這樣設(shè)計(jì)擴(kuò)散器管徑可減少變化。這種 T 型結(jié)構(gòu)主要運(yùn)用于向岸流及離岸的情況，使擴(kuò)散器 12 能與流向正交。 Y型 與 T 型相似，擴(kuò)散器在放流管末端形成兩個(gè)分支，但與放流管軸線的夾角不是 90 ，一般為 45 ，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用于旋轉(zhuǎn)流的地區(qū)可使擴(kuò)散器的有效長度 能保持在一定的水平上，而不至于流向的變動(dòng)，使擴(kuò)散器有效長度降至或接近于零，影響污水的有效稀釋。 圖 1 擴(kuò)散器形式 Fig.1. Diffuser form 4） 噴口高程 5） 噴口角度 6） 噴口直徑 其中，前三項(xiàng)的作用最為關(guān)鍵，是主控參數(shù)，后幾個(gè)參數(shù)相對比較次要，為輔控參數(shù)，一般對韌始稀釋度的影響較小。在負(fù)浮力射流中，噴射傾角成為主控參數(shù)之一。 早期的擴(kuò)散器只是一根末段開口的管子，而現(xiàn)在的擴(kuò)散器則沿管道方向在末段設(shè)置多個(gè)導(dǎo)流管，并在導(dǎo)流管末端設(shè)置多個(gè)噴口，稱為導(dǎo)流管型擴(kuò)散器。擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容在于確定擴(kuò)散器各部分的 尺寸，將擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化后 ， 包括：擴(kuò)散器的管徑、導(dǎo)流管根數(shù)、每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)、噴口直徑和擴(kuò)散器長度。噴口的噴射流量、流速和角度是影響近區(qū)初始稀釋度和近區(qū)污水場的關(guān)鍵因素。這些因素反映到擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)上與導(dǎo)流管根數(shù)、每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)和噴口直徑有關(guān)。擴(kuò)散器的管徑由水力學(xué)計(jì)算得到，在明確導(dǎo)流管根數(shù)和導(dǎo)流管間距后，擴(kuò)散器的長度也就得到了。因此，考慮影響近區(qū)濃海水場水質(zhì)的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)主要集中在導(dǎo)流管根數(shù)、每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)和噴口直徑這 3 個(gè)因素上。擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)將討論在設(shè)計(jì)的排放流量下，初始稀釋度與導(dǎo)流管根 數(shù)、每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)和噴口直徑的關(guān)系。 4.1.2 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 現(xiàn)代排海工程中，對于擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)有下面幾點(diǎn)共識(shí)： 1） 為保證擴(kuò)散器最末端仍能保持一定的噴射流速，同時(shí)能量損耗不太大，噴口的平均噴射流速應(yīng)選擇在一定范圍內(nèi)，如 2.03.0m/s12，也有建議選 2.53.5m/s。噴口平均噴射流速的計(jì)算公式如下： 24jjQVN n d(21) 式中：jV 噴口的噴射流速， m/s； 13 Q 設(shè)計(jì)的濃海水排放流量， m3/s； N 導(dǎo)流管根數(shù)； n 每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)； jd 噴口直徑 ， m； 2） 擴(kuò)散器在運(yùn)行期間應(yīng)避免發(fā)生海水倒灌現(xiàn)象 13。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)噴口弗勞德 (Froude)數(shù) 大于 1.0 時(shí)即滿足要求。為更安全，有人建議采用更嚴(yán)格的要求，如要求弗勞德數(shù)大于 2或 2。弗勞德數(shù)的計(jì)算公式如下： irjVFgd （ 22） 式中：rF 噴口弗勞德數(shù)； jd 噴口直徑， m； g 有效重力加速度， 2/ms， 00agg ，a、0分別為排放口處海水和原污水的密度， g 為重力加速度； iV 噴口的噴射流速， m/s。 3） 為防止噴口被阻塞，擴(kuò)散器 噴口直徑應(yīng)大于 0.055m；也有建議不小于 0.08m14，如果濃海水只進(jìn)行了預(yù)處理，建議的噴口直徑不小于 0.15m15。 4） 每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)通常設(shè)置為偶數(shù)，這樣便于均勻布置，方便施工。噴口數(shù)增加有利于分散出口的污水，但噴口數(shù)也不能太多。國外的實(shí)驗(yàn)室研究表明，噴口數(shù)超過 8 個(gè)將由于密集噴射的污水形成環(huán)狀反而不利于稀釋 16。 4.2 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原理和流程 近區(qū)模型用于擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原理是：利用近區(qū)模型廣泛模擬一定范圍內(nèi)的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) (不同導(dǎo)流管數(shù)、每根導(dǎo)流管上的噴口數(shù)和噴口直徑范圍的組合 )在排放濃海水時(shí)的初始稀釋度和近區(qū)邊緣水質(zhì)，依據(jù)近區(qū)邊緣水質(zhì)目標(biāo)的要求，尋求滿足水質(zhì)要求的合適的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)范圍。近區(qū)水質(zhì)的要求僅僅是限制擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的一個(gè)因素，此外還需要考慮水力學(xué)要求 (滿足一定的噴射流速的要求 )和工程要求 (防止海水倒灌 )。當(dāng)然，如果還有其它要求或限制因素，相應(yīng)也可以考慮進(jìn)去。 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)流程見圖 2。 14 圖 2 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)流程 Fig.2.The structure concept design process of diffuser 4.3 設(shè)計(jì)中主要影響因素 影響擴(kuò)散器設(shè)計(jì)的因素主要有： 1）排放流量 排放流量是擴(kuò)散器水力設(shè)計(jì)中最主要的影響因素，排放流量的變化能帶來： 管道內(nèi)流速的變化，在排放流量達(dá)不到設(shè)計(jì)流量時(shí)，會(huì)造成懸浮物和顆粒物的沉積； 各噴口出流不均勻。 2）噴口面積與主管面積之比 下游擴(kuò)散器所有噴口面積與相應(yīng)主管截面積之比超過 0.5 時(shí)，噴口出流量開始變得不均勻。 3）管道坡度及上升管高度 管道坡度對擴(kuò)散器的影響有兩個(gè)： 對噴口流 量分布的影響，坡度變大，噴口流量將不均勻； 對海水入侵的影響，在坡度變大時(shí)，所需阻止海水入侵的最小流量增加。 4） 管道摩擦系數(shù) 摩擦系數(shù)增大，擴(kuò)散器噴口出流量將不均勻。在實(shí)際工程中，管道摩擦系數(shù)的增大往 往是由于管道內(nèi)顆粒和懸浮物的沉積造成，由于管道內(nèi)的沉積，流量變得不均勻。 4.4 孔口出流系數(shù)法 4.4.1 孔口出流系數(shù)法 隨著排海工程技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)散器的水力設(shè)計(jì)方法 (即擴(kuò)散器水力計(jì)算 )已趨成熟主要是采用水力學(xué)原理，應(yīng)用能量方程和流量連續(xù)性方程，確定擴(kuò)散器各部尺寸。 設(shè)計(jì)海水排放流量 環(huán)境水文物理?xiàng)l件 導(dǎo)流管 根數(shù) 每根 導(dǎo)流管 上的根數(shù) 噴口直徑 近區(qū)模型 預(yù)測初始 稀釋度 濃海水水質(zhì)及近區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 最小出口密度弗勞德數(shù) 噴口噴 射流速 滿足前面共同要求的合適的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) 調(diào)整擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)尺寸 否 否 是否 防止海水倒灌 是 合適的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) 之三 滿足噴射流速要求 合適的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu) 之二 是否滿足水質(zhì)要求 合適的擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)之一 15 圖 3 擴(kuò) 散器簡圖 Fig.3.The diagram of diffuser 1)噴口流量方程 在第 j 噴口，污水出流的能量方程為： 2 2 212 2 2j j j a j jjjV P U P Uh h kg g g (23) 式中：1k 局部阻力系數(shù)； g 重力加速度。 從上式可以看出：11 / ( 1 ) 2jjU k g E（ 24） 式中： 22j a j jjP P VEg （ 25） 令：j j j jq C a u（ 26） 式中：jC是收縮系數(shù)，合并兩式得： 同時(shí)令：11 / (1 )jjC C k （ 27） 2j j j jq C a g E （ 28） 對于 圓 形噴口的jC經(jīng)驗(yàn)公式 (Brooks)為： 2 3 / 8 3 / 80 . 9 7 5 1 / 2 0 . 9 7 5 1 j j jC V g E j （ 29） 此公式僅應(yīng)用于噴口 (或噴嘴 )的收縮系數(shù)為 4： 1 或更大及 0.10jjdD的條件下，而且由于jV、jE的不同，jC在各噴口是變化的。 在以上計(jì)算中，為獲得各噴口的流量值，通常是從擴(kuò)散器遠(yuǎn)端開始計(jì)算，并假定最遠(yuǎn)端的條件是已知的，即可假定流量1jQ、jq、jQ；流速1jV、jU和jV，壓力1jP和jP及管道高程jh和1jh是已知的。 2）管段的能量方程 對第 J 管段可得如下能量方程： 16 1 jjj j ljPPh h h （ 30） 其中： 22jlj jjVlhfDg（ 31） 式中：jf 達(dá)西摩擦系數(shù) 在上式中1jh、jh、jP、 是已知的，并且ljh可根據(jù)方程（ 31）算出，因此 P 可以求出。 在計(jì)算中管道壓水頭是恒定的，可以得出 ： 2211j j j jV P V Pgg （ 32） 公式（ 32）右邊是已知的，將公式（ 25）的右邊與公式（ 32）的左邊比較，當(dāng)假設(shè)1ajP是已知的，1jE可以得出，但由于 21 /2jVg不知道，式（ 29）中也需要知道1jV來計(jì)算1jC。在最初的計(jì)算中， 2 /2jVg可以代替式（ 29）中 21 /2jVg，來第一次計(jì)算1jC， 則第一次的1jq可以用公式（ 28）計(jì)算得到。 利用公式：11j j jQ Q q（ 33） 可以得到第一次1jV的值，1jV的計(jì)算可利用流量連續(xù)方程： 21 1 1/ ( )4j j jV Q P （ 34） 這樣可以第二次得到 21 /2jVg，以上過程可重復(fù)計(jì)算，直到兩次計(jì)算獲得1jV的值較接近為止。 在以上計(jì)算中，可以利用計(jì)算機(jī)編成程序 方便地完成，直到 Q 等于NQ為止。 4.4.2 孔口出流收縮系數(shù)的計(jì)算 上已述及，在常用水力設(shè)計(jì)方法中，對于管壁出流圓形噴口的收縮系數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為： 2 3 / 80 . 9 7 5 1 / 2 j j jC V g E （ 35） 除此之外，其它經(jīng)驗(yàn)公式還有： 1） 管壁出流尖角噴口收縮系數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式： 20 . 6 3 0 . 5 8 ( / 2 )j j jC V g E （ 36） 2） 立管 單噴口收縮系數(shù)近似計(jì)算公式： 2 2 44( / 2 ( 1 ( / 2 ) ) )j j j j jjjY V g E V g E rCr （ 37） 4121( ) ( )prj e n r er r cDLfD D C (38) 17 圖 4 立管 單噴口示意圖 Fig.4. The stand pipe-Single spout schematic 式中：rL 立管長度； rD 立管直徑； pD 噴口口徑最小處直徑； cC 射流收縮系數(shù)，等于 /pjUU； r 等于 /prUU； jU 出流速度； en 立管進(jìn)口局部阻力系數(shù)； 1 肘形彎管局部阻力系數(shù)； e 收縮段局部阻力系數(shù)； rf 立管流程阻力系數(shù)。 （ 37）、（ 38）兩式 參見圖 4。收縮系數(shù)cC可以根據(jù)自由流線理論導(dǎo)出，它是 /prDD和 的函數(shù)， 由下式確定： ( ) / 2 r p ca r c t g D D L （ 39） 式中：cL 收縮段長度。 相應(yīng)于不同的 /prDD比值和 值的cC值列于表 1。 表 1 射流收縮系數(shù) Cc Table.1.Jet contraction coefficient of Cc Dp/Dr 45 90 135 180 0.0 0.746 0.611 0.537 0.500 0.1 0.747 0.612 0.546 0.513 0.2 0.747 0.616 0.555 0.528 0.3 0.748 0.622 0.566 0.544 0.4 0.749 0.631 0.580 0.564 18 0.5 0.752 0.644 0.599 0.586 0.6 0.758 0.662 0.620 0.613 0.7 0.768 0.687 0.652 0.646 0.8 0.789 0.722 0.698 0.691 0.9 0.829 0.781 0.761 0.760 1.0 1.000 1.000 1.000 1.000 當(dāng) / 1 / 4prDD時(shí)，en可由下式確定： 2211( / )e n n rB r V U （ 40） 式中： B 為常數(shù)，對于銳角進(jìn)口，取 0.406B ，對于圓角 進(jìn)口，取 0.1 0.2B ；1 /rr D D；rU為立管內(nèi)流速。 1取決于肘形彎管的曲率半徑。對于圖 4 所示的 90 肘形彎管，1 0.80 。 21( 1)e k （ 41） 20 . 0 4 30 . 5 71 . 1 ( / )prDD （ 42） 式中： k 為與 2 有關(guān)的系數(shù)，可由表 2 選取。 表 2 k 與 2的系數(shù) Table.2. The coefficient of k and 2 2 10 20 40 60 80 100 140 k 0.40 0.25 0.20 0.20 0.30 0.40 0.60 3） 立管 多噴口的jC對于立管 多噴口的出流系數(shù)，尚未有可用的近似的方法，只能依靠實(shí)驗(yàn)來確定。 4.4.3 孔口出流系數(shù)法的局限性及缺陷 從上述分析可看出： 1)孔口出流系數(shù)法的關(guān)鍵在于噴口出流收縮系數(shù)jC的計(jì)算，而且目前只有上述兩種 (管壁、立管 單噴口 )計(jì)算出流系數(shù)的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，對 于其它形式的噴口還無法使用，因此，這就限制了該方法應(yīng)用的范圍，使該方法有一定的局限性。 2)在孔口出流收縮系數(shù)的計(jì)算中，大多為經(jīng)驗(yàn)公式不能利用現(xiàn)有計(jì)算阻力損失的方法，使該方法的應(yīng)用有一定的缺陷。 4.5 動(dòng)壓力水頭法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)程序 4.5.1 動(dòng)壓力水頭法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)程序 針對孔口出流系數(shù)法的局限性及缺陷，目前擴(kuò)散器水力設(shè)計(jì)方法主要采用動(dòng)壓水頭法。以下將對動(dòng)壓水頭法計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并根據(jù)排海管道的特點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算優(yōu)化程序。 19 圖 5 排海管道計(jì)算示意圖 Fig.5.discharge seawater pipe calculating schematic 設(shè)1q離岸最遠(yuǎn)端第一個(gè)上升管的濃海水排放量，則對第一個(gè)上升管和第一段擴(kuò)散管，根據(jù)能量方程及連續(xù)方程可得如下方程： 2 2 1 1 1 11 2 1() ()2 wP V V HZ Z hg （ 43） 2 2 21 1 1 1 1 1 1()4 4 4q V d U d V D （ 44） 2 2 2 21 1 1 1 1 1 11 1 1 1 111()2 2 2 2wl V U H U VhD g g d g g （ 45） 計(jì)算1P、1q。 對第 2 個(gè)上升管和第 2 段擴(kuò)散管，根據(jù)能量方程及連續(xù)方程可得如下方程： 222 1 1 2 22 3 2 1()()2 wP P V UZ Z hg （ 46） 2 2 2 1 / 2122 2 2 2 1 1 2 2 2 2 ( ) (1 ) ( ) 4PHq d g H V （ 47） 212222 1 22 2 2 2 1 221 ()2 2 2wl V VhUD g g g （ 48） 計(jì)算2P、2q。 20 式中： 2 2 2( / ) ； 22 2 2( / )D； 21 2 1( / )D D V ； 22 2 2 2 2 2( / )BH 。 類似，對第 i 個(gè)上升管和第 i 段擴(kuò)散管，根據(jù)能量方程及連續(xù)方程可得如下方程： 22111 ( 1 )()()2i i i i ii i w i iP P V UZ Z hg （ 49） 2 2 2 1 / 212 ( 1 ) 1 2 ( ) (1 ) ( ) 4 iii i i i i i i iPHq d g H V （ 50） ( 1 )222 1( 1 )1 ()2 2 2w i i i i ii i i i i iil V VhUD g g g （ 51） 由此計(jì)算iP、iq。 式中： ( / )i i i ； 2( / )i i iD； 211( / )i i iD D V ； 2( / )i i i i i iBH 。 對于高位井或出水泵站，其水位滿足： 22010 1 11()n n n T n nT n nnD P V Z Z D VZZZ g D g （ 52） 根據(jù) 以上各方程，可以得到計(jì)算的排放總量iQq計(jì)，若計(jì)算結(jié)果滿足 QQ計(jì) 實(shí)（允許誤差），則計(jì)算結(jié)束；否則，重新設(shè)定1q，重復(fù)上述計(jì)算。 4.5.2 擴(kuò)散器水力設(shè)計(jì)計(jì)算優(yōu)化程序見圖 21 圖 6 擴(kuò)散器設(shè)計(jì)計(jì)算優(yōu)化程序圖 Fig.6.The program diagram of the diffuser design calculating optimize 4.5.3 擴(kuò)散器水力設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)的選取 1）管道沿程阻力 沿程水頭損失反映水流為克服摩擦阻力做功而消耗的能量，因而其數(shù)值的大小主要取決于管徑和管材。根據(jù) 謝才公式可以得 到 阻力系數(shù) 28/gC ，其中謝才系數(shù) C 可由曼寧公式計(jì)算得到，即 1/ 61 ()4DC n， D 為管徑， n 為管壁粗糙系數(shù)，則單位管道長度的水頭損失22ViLDg 。 2） 局部阻力系數(shù) 局部 水頭損失反映由于局部邊界急劇變化，水流在急劇調(diào)整過程中所消耗的能量，因而局部阻力系數(shù) 的大小主要由管道的局部構(gòu)造所決定，一般視情況作如下處理： 放流管沿程各轉(zhuǎn)彎處均按急轉(zhuǎn)彎考慮，相應(yīng)局部阻力系數(shù)根據(jù)管線沿程轉(zhuǎn)彎角度按經(jīng)驗(yàn)值選取。 擴(kuò)散段變徑管道按突縮考慮。 上升管與擴(kuò)散管之間按三通管考慮，其阻力系數(shù)按塔里葉夫公式進(jìn)行計(jì)算： 21 1 1 1 1 1 11 ( / ) 2 ( / ) c o s m m m mQ A Q A Q A Q A （ 53） QQ計(jì) 實(shí) 22 22 2 2 2 2 2 21 ( / ) 2 ( / ) c o s m m m mQ A Q A Q A Q A （ 54） 上升管各噴口可簡化為一等效噴口，在計(jì)算時(shí)按 90 急轉(zhuǎn)彎加突縮情況考慮，即211 . 0 0 . 5 (1 / )AA ，2A、1A分別為噴口截面積和上升管截面積，而對于其他形 式的噴口，可以按等阻力進(jìn)行校核，對于精確的計(jì)算可以從物理模型試驗(yàn)獲得。 4.5.4 程序的優(yōu)點(diǎn) 對比孔口出流系數(shù)法及程序本身設(shè)計(jì)特點(diǎn)，可以得出該程序設(shè)計(jì)的如下優(yōu)點(diǎn)： 1) 該程序不僅能確定擴(kuò)散器各工藝參數(shù)，而且可以比較多方案水頭損失的大小。 2） 該程序能反映各擴(kuò)散器設(shè)計(jì)參數(shù)對噴口出流量的影響，如摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、噴口開孔大小、上升管直徑、上升管間距等。 3） 該程序在噴口阻力的處理中，是按 90o 彎頭逐漸收縮，因此，可以利用現(xiàn)有公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，而對于其它形式的噴口，可以按其噴口的特點(diǎn)，對程序本 身進(jìn)行很方便的改寫，也可按實(shí)驗(yàn)或計(jì)算得到的阻力相等的原則進(jìn)行換算，而 不對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。 4.6 六橫島臺(tái)門海水淡化工程 某大型海島油庫海水淡化廠位置位于舟山六橫島臺(tái)門海域，日產(chǎn)淡化海水 1.25 萬噸，主要為油庫碼頭漁船供水、油庫生產(chǎn)用水、生活用水和消防冷卻用水，并向周圍制冰和漁業(yè)加工等企業(yè)供水。經(jīng)淡化后的濃海水排放海域處于二島嶼之間的狹長水道中，為保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，要求設(shè)計(jì)一個(gè)高效率大規(guī)模濃海水排海擴(kuò)散器。 4.6.1 選取設(shè)計(jì)方案 由于 濃海水排放海域處于二島嶼之間的狹長水道中 ，排海擴(kuò)散器走向較適合采用 T 型 17。因?yàn)閺乃赖睦霉δ軄碚f，大中型江河多數(shù)為航運(yùn)水道，船只往返頻繁，水生生物回游范圍要求較大，不允許擴(kuò)散器布置在水道中央，并且，從施工及運(yùn)行管理來看，中心布置施工困難，不便于維修及反沖洗，嚴(yán)重影響通航。 T 型對江河的航運(yùn)、生物回游等影響較小，施工與管理都較為方便，工程投資少，值得推廣使用 18。 T 型擴(kuò)散器就是將擴(kuò)散器布置成順?biāo)鞣较?，與輸水管道成 T 型，如圖 7 所示的排放近區(qū)物理形態(tài)模型。濃海水射入環(huán)境水體的摻混稀釋特性及流態(tài)的變化規(guī)律，取決于 T 型擴(kuò)散器的幾何尺寸、噴嘴射流參數(shù)及河道水流條件 19。因此， 排放近區(qū)特征參數(shù)可表達(dá)為 0 1 0 0 0( , , , , , , , , , , , , , )s D a a a af a L h L u C h u C 23 圖 7 T 型擴(kuò)散器排放近區(qū)物理形態(tài)模型 Fig.7.Flow model of T diffuser discharge in nearfield region 式中： 為擴(kuò)散器噴嘴排放角； 0a為噴嘴孔口面積； sL為噴嘴孔口間距； 1h為孔口距河床高度； ah為河道水深； 為環(huán)境水體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)； 為擴(kuò)散器與河道水體流動(dòng)方向的夾角， T 型擴(kuò)散器 0o 4.6.2 T 型擴(kuò)散器排放近區(qū)的數(shù)值模擬 為了預(yù)報(bào) T 型擴(kuò)散器排放近區(qū)的特性，運(yùn)用本文所取的擴(kuò)散器在寬淺江河中排放的流 場和濃度數(shù)值模型來模擬計(jì)算 T 型擴(kuò)散器排放近區(qū)。要進(jìn)行計(jì)算，首先將 T 型擴(kuò)散器排放口由點(diǎn)排放概化到所在網(wǎng)格單位時(shí)間單位體積的質(zhì)量源，其表達(dá)式為0 0 0 / ( )sau a L h y ，則噴嘴所在網(wǎng)格的連續(xù)方程為： 0 0 0 / ( )sah h u h u h u a L h yt x y （ 55） 式 中 ： y 為網(wǎng)格尺度 ； 水深ahh。 噴嘴所在網(wǎng) 格的動(dòng)量源 0xm ， 20 0 0 / ( )y s am a u L h y， 則得到 X 方向動(dòng)量方程 ： () 2 ( ) ( ) b b xe e xg h Z hh u h u h u u u u hu v v h v h mt x y x x x y