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Research review of the tail disposal technology of the standard sewage offshore outfall

达标污水离岸排海末端处置技术研究综述



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿源卷 第 员期摇 摇 圆园员源年 员月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
卷首语院 复杂与永续 渊 玉 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
前沿理论与学科综述
城市复合生态及生态空间管理 王如松袁李摇 锋袁韩宝龙袁等 渊 员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海洋生态系统固碳能力估算方法研究进展 石洪华袁王晓丽袁郑摇 伟袁等 渊 员圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生态系统灵敏度模型评述 姚摇 亮袁王如松袁尹摇 科袁等 渊 圆猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城市生活垃圾代谢的研究进展 周传斌袁徐琬莹袁曹爱新 渊 猿猿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
胶州湾生物鄄物理耦合模型参数灵敏度分析 石洪华袁沈程程袁李摇 芬袁等 渊 源员 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾大型底栖动物调查及与环境因子的相关性 周摇 然袁覃雪波袁彭士涛袁等 渊 缘园 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
生物扰动对沉积物中污染物环境行为的影响研究进展 覃雪波袁孙红文袁彭士涛袁等 渊 缘怨 冤噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
密云水库上游流域生态系统服务功能空间特征及其与居民福祉的关系 王大尚袁李屹峰袁郑摇 华袁等 渊 苑园 冤噎
长岛自然保护区生态系统维护的条件价值评估 郑摇 伟袁沈程程袁乔明阳袁等 渊 愿圆 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
海岛陆地生态系统固碳估算方法 王晓丽袁王摇 嫒袁石洪华袁等 渊 愿愿 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
区域生态文明建设水平综合评估指标 刘某承袁苏摇 宁袁伦摇 飞袁等 渊 怨苑 冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 杨建强袁朱永贵袁宋文鹏袁等 渊员园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
员怨愿缘年以来黄河三角洲孤东海岸演变与生态损益分析 刘大海袁陈小英袁徐摇 伟袁等 渊员员缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎
基于复合生态系统理论的海洋生态监控区区划指标框架研究 徐惠民袁丁德文袁石洪华袁等 渊员圆圆冤噎噎噎噎噎
我国环境功能评价与区划方案 王金南袁许开鹏袁迟妍妍袁等 渊员圆怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
生态产业园的复合生态效率及评价指标体系 刘晶茹袁吕摇 彬袁张摇 娜袁等 渊员猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
我国农业生态效率的时空差异 程翠云袁任景明袁王如松 渊员源圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
内蒙古半干旱生态脆弱矿区生态修复耦合机理与产业模式 陈玉碧袁黄锦楼袁徐华清袁等 渊员源怨冤噎噎噎噎噎噎
基于物质流分析方法的生态海岛建设研究要要要以长海县为例 陈东景袁郑摇 伟袁郭惠丽袁等 渊员缘源冤噎噎噎噎噎
再生渊污冤水灌溉生态风险与可持续利用 陈卫平袁吕斯丹袁张炜铃袁等 渊员远猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于流域单元的海湾农业非点源污染负荷估算要要要以莱州湾为例 麻德明袁石洪华袁丰爱平 渊员苑猿冤噎噎噎噎噎
集约用海对海洋生态环境影响的评价方法 罗先香袁朱永贵袁张龙军袁等 渊员愿圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
城乡与社会生态
基于生态系统服务的城市生态基础设施院现状尧问题与展望 李摇 锋袁王如松袁赵摇 丹 渊员怨园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
北京城区道路系统路网空间特征及其与 蕴杂栽和 晕阅灾陨的相关性 郭摇 振袁胡摇 聃袁李元征袁等 渊圆园员冤噎噎噎噎
基于复合生态功能的城市土地共轭生态管理 尹摇 科袁王如松袁姚摇 亮袁等 渊圆员园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
重庆市森林生态系统服务功能价值评估 肖摇 强袁肖摇 洋袁欧阳志云袁等 渊圆员远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
渤海湾港口生态风险评估 彭士涛袁覃雪波袁周摇 然袁等 渊圆圆源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 彭士涛袁王心海 渊圆猿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆猿愿鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢圆愿鄢圆园员源鄄园员
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 北京奥林匹克公园要要要在高楼林立的大城市中袁办公楼尧居民区尧学校尧路网系统尧公园以及各种水泥尧沥青硬路面和
树木尧绿草地尧土面尧水面等等组成了复杂多样的城市生态景观袁居住着密集的人口并由于人们不断的尧强烈的干预袁
使这个城市生态系统显得尤其复杂而又多变遥 因此袁系统复杂性及灵敏度是困扰城市生态系统研究和管理的重要
因素袁建立灵敏度模型是致力于解决城市规划管理中的复杂性问题的有效方法袁网状思维与生物控制论观是其核
心袁也是灵敏度模型的思想基础遥 图为北京中轴线北端被高楼簇拥着的奥林匹克公园的仰山和龙型水系遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 1 期
2014年 1月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.1
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:海洋公益性行业科研专项资助项目(201305003)
收稿日期:2013鄄05鄄02; 摇 摇 修订日期:2013鄄09鄄22
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: pengshitaotj@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201305020902
彭士涛,王心海.达标污水离岸排海末端处置技术研究综述.生态学报,2014,34(1):231鄄237.
Peng S T,Wang X H.Research review of the tail disposal technology of the standard sewage offshore outfall.Acta Ecologica Sinica,2014,34(1):231鄄237.
达标污水离岸排海末端处置技术研究综述
彭士涛1,2,*,王心海1
(1. 交通运输部天津水运工程科学研究所, 天津摇 300456;2. 国家海洋局第一海洋研究所, 青岛摇 266061)
摘要:达标污水离岸排海处置具有低成本、高处理率等优点,是国内外沿海港口和临港工业园区进行污水处置的重要选择。 介
绍了国内外达标污水离岸排海末端处置技术的发展情况,分析了排污口位置选划、扩散器射流参数及水力结构优化等研究技术
上存在的问题。 认为排污口位置选划应在水动力、污染物扩散、泥沙冲淤及工程经济因素分析的基础上,还需要重点考虑污水
排放对区域生态要素长期的影响;排海末端扩散器射流参数及水力结构优化也尤为关键,不仅直接影响稀释扩散效果,而且涉
及到主管、上升管、喷口等多个可控因子,可以采用建立物理模型、数值模型及量纲分析等方法,合理优化扩散器的结构参数和
扩散器的型式,对提高达标污水离岸处置的效果具有重要意义。
关键词: 达标污水;离岸排海;扩散器;位置选划;喷口射流;水力结构
Research review of the tail disposal technology of the standard sewage offshore
outfall
PENG Shitao1,2,*,WANG Xinhai1
1 Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China
2 The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China
Abstract: Water pollution has become an important factor which impacts the national economic development. In order to
reduce the pollution, many technologies have been used. Sewage offshore outfall is one of effective technology in reduction
the water pollution. This technology is that the sewage was discharged into marine by the pipeline system, and thus the
concentration of pollutants in water was dilution. Sewage offshore outfall have been become an important waste water
treatment in the coast cities due to many advantages of low鄄cost and high processing rates. In the present study, we reviewed
the development of the technology of the sewage offshore outfall, including the outfall location selection, the jet parameter
optimization, and the hydraulic structures optimization. For the outfall location selection, the best selection is including both
the qualitatively and quantitatively choosing. The qualitatively choosing was mainly to select the suitable area to offshore
outfall based on the regional planning, hydrodynamic conditions, coastal terrain features, the distribution of marine
resources and water quality conditions. Based on the qualitatively choosing, the further selection is the quantitatively
choosing. Such selection is correlated to the movement of sewage pollutants, envelope size and particle trajectories, which is
studied by founding numerical and physical model, such as near鄄zone, far鄄zone, overall鄄zone convection鄄diffusion diffuser
model and particle tracking model. Particularly, overall鄄zone composited diffuser model can simulate the dilution and
dispersion law fully and truly, because it can simultaneously predict turbulent jet and transport diffusion. Meanwhile, the
outfall location selection should be considered the sediment deposition and the long鄄term cumulative effects of ecological
elements. It is very important to optimize the jet parameter and the hydraulic structures. This optimization can increase the
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dilution of sewage, improve the discharge uniformity of the nozzle, and thus ensure the proper and efficient operation of the
offshore outfall. In general, jet parameter optimization is mainly to design the jet numbers, jet angle, horizontal angle of the
diffuser nozzle based on analyzing dilution and dispersion law of the buoyant jet, mechanism of the cross鄄flow and
turbulence jet. Hydraulic parameter optimization is mainly to design the diameter and length of main pipe, riser and nozzle
via analyzing flow and pressure of diffuser pipe, the discharge uniformity of the nozzle, loss along the pipe and partial loss,
seawater intrusion laws. Through there are many progress in the sewage offshore outfall technology, large of problems are
necessary to overcome, for example, how to reduce the ecological impact on the outfall location selection, the sediment
invasion, and so on. Such work is significant to improve the effect of sewage offshore outfall technology in the future.
Key Words: standard sewage; offshore outfall; diffuser; selection of the outfall location; nozzle jet; hydrodynamic
structure摇
摇 摇 根据 2010 年全国环境统计公报[1],我国“十一
五冶污水排放量已达到 617 亿 t,预计到“十二五冶末
污水排放量将超过 700亿 t,这意味着我国将有大量
污水进入自然水域,严重影响水资源环境,污水的出
路问题已成为制约国家经济发展的重要因素。 达标
污水采用离岸排海,通过放流系统排放到离岸较远
的海域,一方面利用海洋强大而丰富的物理、化学和
生物能力稀释净化,弥补了陆域污水处理投资大、占
地多、运行费用高等的不足,大量工程应用表明离岸
排海比二级处理厂费用降低将近一半;另一方面,通
过污水排海口位置、扩散器射流参数及结构的优化,
污水排海的初始稀释度可达到 100 倍左右,相比二
级处理厂的稀释倍数将近增加了 10 倍,而且排海后
污染物被快速带离海岸,对周边海岸的环境影响较
小,具有低成本、高处理率等优点。
达标污水离岸排海处置技术研究最早可追溯到
19世纪末英国的 Harwich 污水排海工程,经历了从
污水不进行处理到污水进行一级、二级预处理后排
放,直到现在广泛采用的从近海延伸到深海可以满
足一级处理深海排放的处置技术[2]。 国内沿海城市
也有采用,但相关研究起步较晚,对于直接关系到污
水排海后的稀释扩散输移效果的末端排放口位置选
划、扩散器射流参数及水力结构优化的研究报道的
相对较少,且目前国内还没有扩散器设计的规范可
以参考,制约了污水离岸处置工程技术的发展与应
用[3鄄4]。 针对现状,文中对国内外达标污水离岸排海
口位置选划、扩散器射流参数及水力结构优化等技
术的研究方法及存在问题进行了分析,便于后续研
究的参考。
1摇 排污口位置选划
排污口位置选划是离岸排海末端处置的起步工
程,直接决定着排海处置效果、工程安全性、经济性
等。 目前,排污口位置选划采用先定性选划后定量
研究,主要采用建立海域水动力模型、污染物输移扩
散模型、质点追踪模型、泥沙场模型等数值模型和物
理模型的方法[2鄄18]。 早期主要采用 ROBERTS、
BROOKS等经验公式预测近区稀释度和海域输移扩
散的方法进行排污口位置选划,由于公式预测精度
不足,目前已很少使用[2]。 Blumberg[5]首次采用远
区环流数值模型对污水排海稀释度进行了模拟,该
数值模型较多用于海域流场和污染物输移扩散的研
究,用于羽流的研究还需进一步论证。 Etemad鄄
shahidi[6]采用 CORMIX2 和 VISJET 模型对排海羽流
的上升高度和稀释度进行了模拟,这些特征参数的
确定可以为排污口位置确定提供依据。 Li 等[7鄄9]通
过采用近远区复合模型模拟了污水排海的稀释扩
散,预测了污水排海的输移扩散和羽流紊动稀释,这
将是污染物稀释扩散研究的重要方向。 孙长青
等[10鄄11]考虑到公式选划的局限性,首次通过建立水
质二维扩散预测模型及拉格朗日余流模型,对污染
物输移扩散、浓度变化及质点跟踪进行了研究,预测
了污染物影响包络面积和质点迁移,并提出先定性
后定量的方法,大大节约了人力物力投入,对后续研
究起到重要的指导作用。 赵俊杰[12]采用 MIKE 软件
的潮流模型和水动力模型模拟分析入海 COD 的稀
释扩散浓度分布并综合考虑工程施工和经济性等进
行排污口位置选划。 侯堋[13]针对二维模型难以很
好适应大水深的表层底层流速相差大的问题,提出
232 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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采用三维水动力和水质模型更好的模拟了污水排海
不同水深的输移扩散规律。 宋强等[14鄄15]通过研究过
渡区模拟方法,尝试将近区喷口射流模拟模型嵌入
远区扩散模型,形成全场数学模型,更真实的反应污
水排海的稀释变化,但后续相关研究较少,嵌入方法
还有待深入研究。 杨树森等[16]鉴于排海工程应用
中经常发生喷口淤埋导致排污不正常运行问题,通
过建立泥沙数学模型选取地形稳定、冲刷变化小排
污口,为选取稳定安全的排污口提供了重要依据。
前人采用先定性后定量的方法,从单一的远区
污染物输移扩散模拟到综合近远区的全场模拟,甚
至到考虑排污口安全稳定出发的泥沙冲淤研究,但
是这些研究多是就某个方面的分析,笔者[17鄄18]通过
对区域功能符合性、海域稀释扩散、泥沙冲淤、生态
环境影响、管道工程技术经济等多因素综合分析,选
取了更加符合区域发展需求和环境安全要求的排污
口。 由此,综合考虑水动力、迁移轨迹、稀释扩散、泥
沙冲淤,环境区域符合性,生态影响,工程经济性等
多个角度多方面的因素分析方法是今后排污口科学
选划的趋势。
但总体而言,目前排污口选划还存在以下问题
需要解决:一是排污口选划多以海域水动力条件和
稀释扩散预测为主,而实际还与生态敏感区等区域
规划、工程冲刷稳定和运行投资密切相关,应综合加
以考虑;二是选划多以物理过程模拟为主,而实际中
污水排放经过几个潮周后已经被完全稀释扩散,此
后的生物作用显得更为重要,应分析污水对水域生
物造成的影响,并重点分析长期排污可能产生的生
物累积效应;三是现有排海限制指标要求少,只对初
始稀释度、混合区面积、水深做了简单的要求,与实
际排海工程有较大差别,急需结合污水的排放量和
类别制定相应的规范和标准,指导离岸排海工程的
健康发展。
2摇 扩散器射流参数优化
离岸排海末端扩散器射流结构决定着扩散器百
米区域的紊动稀释和高浓度场的存在与否,是排海
处置工程实现环保达标排放的保障。 扩散器射流参
数主要有扩散管长度、上升管个数、间距、喷口角度、
喷口型式等,通过优化这些参数可使初始稀释倍数
达到几百倍,对污水排海工程建设的成败起着决定
性作用。 目前,对于扩散器射流参数优化主要采用
经验公式、物理模型试验、射流数值模拟、量纲分析
以及基础理论分析相结合的研究方法[2鄄4 ,19鄄35]。 扩
散器射流参数优化早期多以经验公式为主,采用
ROBERTS等稀释度预测经验公式,提出了影响扩散
器长度的排放量、稀释度、水深、水动力等主要因素,
推出扩散器长度和起始稀释度的经验公式,在初期
扩散器射流结构简易设计中应用较多[2鄄4]。 Duer
Michael[19]通过物理模型研究了鸭嘴阀稀释特性,并
发现扩散器通过使用鸭嘴阀能取得更好的稀释效
果,保证了鸭嘴阀在扩散器应用中的可行性。
Wang[20]采用 DPIV和 PLIF 技术进行了扩散器周边
区域的浓度场测量分析,得到了浮射流的稀释度,为
浮射流研究提供了重要的研究手段。 Tian 等[21鄄23]通
过建立扩散器物理模型,采用 3DLIF 装置获取了扩
散器排入密度均匀流、密度分层流海域后的污染物
稀释扩散图像,并通过图像数据处理取得了稀释度,
该种方法成为了近区扩散器射流研究的重要方法。
Lai等[24鄄25]采用水槽试验和 VISJET数值模型对新型
的玫瑰型扩散器的射流扩散稀释特性进行了研究。
Patalano[26]采用 ADV 物理测量技术和 Delft3D 数值
模型研究了扩散器羽流的混合和稀释度特性。 徐高
田等[27鄄28]通过物理模型试验结合量纲分析方法得出
半理论半经验公式,比纯经验公式有了进步,并初步
揭示了环境横流和喷口射流相互作用机理,对扩散
器结构优化具有一定指导意义。 唐洪武等[29]运用
超声流速仪对鸭嘴阀射流特性进行了系列试验研
究,并发现鸭嘴阀射流近区紊动强度明显高于圆射
流,有利于达标污水稀释扩散,为鸭嘴阀在离岸排海
的应用上提供了基础。 周连伟等[30]将远区水动力
结果引入 UM 模型和 JETLAG3 模型计算初始稀释
度,对扩散器参数进行优化,具有一定的实用性,但
数模仍难以真实模拟环境射流稀释状况。 方神
光[31]提出了静水中有阻力的浮力射流,贴壁浮力射
流,单孔卷吸设置,射流预稀释装置等增加扩散器稀
释度的若干措施,为扩散器改进提供了理论基础,研
究发现通过阻力装置能成倍提高稀释度,尤其能改
善表层的污水场状况。 高柱[32]采用 FLUENT 软件
建立的同向流动环境中的椭圆射流数学模型和 LDV
技术量测射流速度场的方法,对扩散器排海浮射流
进行了研究和验证。 肖洋[33鄄34]除了采用 FLUENT 数
332摇 1期 摇 摇 摇 彭士涛摇 等:达标污水离岸排海末端处置技术研究综述 摇
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模和 LDV 技术,还采用 PIV测速技术对射流进行了
研究,对横向流动条件下多孔水平动量射流的浓度
场、速度场、涡量场和压强场的特性进行了较为全面
的研究。
由于多孔扩散器深海排放稀释扩散非常复杂,
受到排污条件、环境条件和扩散器参数等多种因素
的影响,因此,只依据经验公式或数学模拟还很难真
正解决,物理模型仍然是最重要的研究方法,笔
者[18,35]鉴于扩散器长度设计主要依赖经验公式的现
状,在大量水槽试验研究的基础上,提出了数模物模
相结合确定扩散器长度的方法,较为准确的提出了
扩散器的有效长度,取得了很好的效果,图 1 为天津
某排海工程通过三维数值模拟的带有 10,20 个和 30
个扩散器上升管方案的污染物表层浓度分布,图中
明显看到 10、20、30 个方案的表层最大污染物浓度
分别为 0.0098、0.0083 mg / L 和 0.006 mg / L,10 个方
案明显存在高于临界浓度 0.0083 mg / L 的深色超标
区域,不能满足扩散器排污表层稀释浓度要求,20 个
方案介于临界浓度 0.0083 mg / L 之中,30 个方案明
显小于临界浓度 0.0083 mg / L,鉴于上升管建设的高
投资问题,通过建立水槽物理模型试验模拟 10 个和
20个方案浮射流作用下的扩散器排污浓度分布,并
用分光光度计进行了近区浓度测量,发现 10 个方案
仍存在大于 0.0083 mg / L 的超标浓度,20 个方案的
超标浓度消失,且最大浓度仅为 0郾 0071 mg / L,综合
考虑,认为扩散器采用 20个上升管方案可以满足环
保要求。 水质数值模拟和水槽物理模型相结合的方
法可以进一步优化了扩散器的射流结构,并确保研
究结论的准确性。
图 1摇 三维数值模拟污染物表层浓度分布
Fig.1摇 the surface concentration field of pollutants by three鄄dimensional numerical simulation
摇 摇 总之,对于扩散器长度、上升管间距、喷口角度
等已有一些研究成果,但这些成果多针对某个工程
进行,不具有普遍性,没有形成相应的规范和标准,
不利于很好的推广;此外,扩散器经历了由单孔排放
到设置多个出口,再到设置上升管及多个喷口,每一
步改进都使污水离岸排海处理效果大幅度提高,海
域环境得到更好的保护利用,但目前对于工程较多
采用的多喷口型式的射流理论研究相对尚少,需要
相关的研究为工程建设提供更多的技术支持。
3摇 扩散器水力结构优化
离岸排海扩散器水力结构是整个排海工程正常
运行的关键。 随着排海工程的大规模应用,排放量
和排污口水深的要求也越来越大,扩散器出现喷口
出流不均匀甚至部分管道没有出流、泥沙生物入侵
管道并在管道内沉积严重等现象,都可能导致排海
工程运行差甚至无法运行。 扩散器水力结构优化主
要通过对复杂管道的管径设计和添加附加设置,使
得污水能在各个出口均匀出流,同时避免海水倒灌
和泥沙生物入侵现象的发生,为污水排海提供稳定
可行的运行环境。 主要包括两方面内容:一是扩散
器流量分配的设计,实现流量按扩散器具体工程要
求进行沿程分配,使污水排出后与受纳水体进行最
大程度的掺混稀释;二是海水泥沙入侵的防止及清
除设计,海水密度高于污水密度,极易发生海水倒灌
扩散器系统,严重影响扩散器排放量,腐蚀排海管道
内壁,同时携带的泥沙还会造成扩散器内泥沙长期
淤积,发生扩散器堵塞。 这些问题的解决需要了解
432 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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扩散器的内部水流运动规律,并对影响因素有深刻
的理解,才能实现扩散器水力结构的针对性设计。
扩散器水力结构优化中管道流量分配水力参数
已有较多的研究报道[2鄄4,36鄄42]。 Bleninger 等[36鄄39]通
过采用 CFD软件模拟了扩散器内部流场和压力场,
得出了扩散器的出口流量分布均匀度、水头损失以
及局部阻力系数等。 赖翼峰等[40鄄42]采用出流系数法
和动压头法两种水力方法进行了末端处置扩散器的
流场计算,并通过物理模型试验验证,这是扩散器流
量分配水力设计的主要方法。
目前,笔者[18]采用 FLUNENT 软件建立扩散器
管道水力模型,并通过物理模型验证得出很好的模
拟结果,FLUNENT 软件的应用也大大提高了流量分
配设计便捷性和准确性。 图 2 为天津某排海工程数
值模拟扩散器管内流速分布图,图中可见最大流速
出现在扩散器喷口处,其流速为 3 m / s 左右,主管内
流速为 2 m / s 左右,满足扩散器喷口和主管流速的
要求,通过数值模型进行扩散器水力结构方案比选,
能有效减少物理模型的试验方案。 在此基础上,通
过建立扩散器管道水力物理模型,采用体积流量测
量法和测压管法分别得到了喷口的流量,计算得到
了扩散器的阻力系数和管道流速,发现数值模拟和
物理模拟的误差为 1%—5%,进一步验证细化了数
值模拟结果,说明数模和物理模型相结合的方法可
有效的用于扩散器结构优化。
图 2摇 数值模拟的扩散器速度流场分布图
Fig.2摇 Velocity field of the diffuser by FLUENT numerical
simulation摇
曾小清[43]针对排海工程经常在非设计工况下
运行易发生海水入侵的问题,提出了海水入侵冲洗
的临界水力特点和辨别式,为非设计条件的运行管
理提供依据。 刘成等[44]对排海工程泥沙入侵问题
进行了系统研究,提出了改进尾部和定期冲洗来降
低改善淤积的措施,并提出临界入侵、冲洗密度数公
式,并提出在控制密度傅汝德数的同时增设文丘里
管和安装鸭嘴阀等改进措施,很好的改善了海水泥
沙入侵的问题。 钱达仁等[45鄄46]研究了波浪对管道出
流的影响,发现小流量时管道出流明显受波浪影响,
极易发生海水入侵,应引起后续研究的重视。 综上,
海水泥沙入侵扩散器的主要因素是密度差大和波浪
变化,防止措施主要是通过优化喷口参数增大傅汝
徳数来防止扩散器入侵,同时喷口采用安装鸭嘴阀
也能较好的解决扩散器入侵问题。
目前研究中,扩散器水力参数优化还存在着海
水泥沙入侵机理及泥沙入侵清除技术不够完善,这
是对于扩散器大量推广应用的一个重要制约因素,
有待深入研究。
4摇 结论
通过阐述国内外离岸排污口位置选划、扩散器
射流参数及水力结构优化等技术的发展现状,分析
了达标污水离岸排海末端处置技术中存在的问题及
相应的解决方法:
(1)离岸排海扩散器位置选划作为排海的起始
工程,决定着整个工程的成败。 综合考虑水动力、迁
移轨迹、稀释扩散、泥沙冲淤,环境区域符合性,生态
影响,工程经济性等多个角度多方面的因素分析方
法是今后排污口科学选划的趋势。 而污水对生物影
响的累积效应的研究是今后需要不断丰富和突破的
研究内容。
(2)扩散器射流参数优化对离岸排海工程建设
至关重要,需要通过扩散器射流结构和射流理论,尤
其是喷口浮射流理论的系统研究,进一步完善规范
扩散器射流参数的优化技术和型式设计。
(3)扩散器管道水流理论基础研究尚少,海水泥
沙入侵清除机理和海泥沙入侵清除技术还不够完
善,成为制约扩散器推广应用的重要因素,有待深入
研究。
(4)目前为止还没有离岸排海扩散器设计的规
范可以参考,设计中随意性比较大,设计规范化、标
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准化成为发展污水离岸排海技术急待解决的问题。
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
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叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
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编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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