陳 毅，寇 坤

(1 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2 安康學院，陜西 安康 725000)

近年來，隨著國內沿海城市的發(fā)展，沿海港區(qū)污水排放量不斷增加，沿海城市陸域水體的污染加劇，選取一個合適污水處置方案成為熱點問題。隨著人們對海洋環(huán)境研究不斷深入，進而發(fā)現(xiàn)海洋具有獨特的洋流運動特點、自凈能力和環(huán)境承載能力。因此，污水排海成為目前解決沿海城市水污染問題的有效途徑之一[1]。污水排海工程通常是將處理后的達標尾水通過泵站加壓后引至調壓井，再經海上放流管，海底擴散器排放到離岸一定距離、一定深度的強對流區(qū)域，利用潮汐對尾水進行稀釋、擴散、降解和自凈，達到對尾水的最終處置目的，減少尾水對港區(qū)內環(huán)境的影響。

在污水排海工程中，排海管道擴散器是其重要組成部分，其選型是否合理對排海管道系統(tǒng)的排污能力和對海洋環(huán)境的影響起著決定性的作用。

1 擴散器的形式

污水排海工程中污水的稀釋效果與擴散器的結構類型和布置方式有直接關系。在工程項目中，排海管道系統(tǒng)中的擴散器所處海域水動條件及其位置直接影響擴散器的布置方式。

根據(jù)混合方式的不同，擴散器可分為以下三種類型：單向排放擴散器(圖1)、沿程擴散器(圖2)以及交錯擴散器(圖3)。

圖1 單向排放擴散器Fig.1 One-way diffuser

圖2 沿程擴散器Fig.2 On-way diffuser

圖3 交錯擴散器Fig.3 Intersected diffuser

單向擴散器一般適用于單向流的海岸[1]。水平的擴散器噴嘴一般適用于水深較淺的海域。但在淺水域采用水平排放時，較下游更容易出現(xiàn)收縮卷吸斷面，進而影響了污水云的寬度，使得擴散器的稀釋度降低。因此，在采用水平的擴撒器噴嘴時，通常將擴散器的噴嘴設計為扇形，以便減少收縮斷面的產生。

沿程擴散器適用于地形復雜且水流方向變化劇烈的海岸[1]。

交錯擴散器適用于水流往復交替的潮汐水域[1]，擴散器噴嘴一般采用交錯且方向相反的布置的方式，其噴嘴與擴散器軸線角夾角一般為±90°，交錯型擴散器水平方向的排放總動量之和為零。

由于實際工程中海域環(huán)境變化多變，因此工程設計中可選取以上三種基本形式的組合形式。

擴散器的布置一般應與水流方向垂直，以便污水得到最大稀釋度。通常，實際工程項目中采用T型、I型、Y型和曲線形的擴散器布置型式較為常見。

2 擴散器選型的基本條件

為使污水通過擴散器排放后，能有一個良好的稀釋效果，擴散器的選型遵循的原則如下：

(1)擴散器的各噴口出流應均勻穩(wěn)定；

(2)為防止泥沙淤積堵塞管道，管道中污水的設計流速需大于自凈流速，應至少保證在高峰流量時，流速不小于0.9 m/s；

(3)盡量減小管道的水頭損失，以便減少污水排海工程運行期間能耗和運行費用；

(4)設計時，計算擴散器的水頭損失時，應考慮擴散器噴口富裕水頭，防止運行期間海水倒灌；

(5)結合實際項目運行經驗，通常擴散器噴口流速需控制在2.0～3.0 m/s之間；

(6)擴散器噴口直徑通?？刂圃?5～230 mm之間；

(7)為避免海水倒灌現(xiàn)象的發(fā)生，擴散器各噴口出流密度弗勞德數(shù)一般應大于l[2]；各噴口截面積之和與擴散管的截面積比一般不超過1/3～2/3；

(8)擴散器一般沿著水流方向沿程流量不斷減小，為保證自凈流速，使得擴散器的母管管徑不斷減小，致使擴散器必須采用變徑連接。但其母管的變徑不是越多越好，是由于在實際工程中，需要考慮施工安裝難度及運行成本等因素，故變徑的次數(shù)需要根據(jù)污水的處理程度、施工安裝難度及出流均勻程度來綜合考慮確定；

(9)一般需將擴散器的噴口射流控制在一個合適的角度，以便污水向各方向擴散，使其得到盡可能高的稀釋度。擴散器的噴口射流角度一般取+10°或-10°為宜。

3 擴散器選型及校驗

3.1 擴散器的選型

擴散器母管的長度是影響污水初始稀釋擴散效果的一項重要因素。當污水排放規(guī)模的相同時，擴散器母管越長，擴散效果越好。在污水排海工程設計中，通常依照海域類別情況確定的初始稀釋度，利用污水初始稀釋度計算公式，計算出擴散器母管的長度[5]。然后借用軟件模擬或物理模型試驗，對擬定的擴散器進行驗證，最終確定合理的擴散器選型。

下面以某污水排海項目為例，對擴散器長度的確定及校驗進行說明。該工程基礎輸入參數(shù)：污水排海設計流量為10萬m3/d(秒流量為1.157 m3/s)，設計最高水位標高為2.56 m，污水最大浮升高度為14.34 m，海水密度取1025 kg/m3，污水密度取990 kg/m3，初設稀釋度取45。

目前，擴散器的長度設計計算方法尚不完善，雖然有一些經驗公式，但計算成果相差較大。一般來說，當流體為均勻、靜止流時，擴散管的長度可以根據(jù)工程所要求的初始稀釋度[2]來確定，其表達式為：

Sc=0.38(g’)1/3hq-2/3

(1)

式中：g——浮力加速度，g’=(ρs-ρ0)g/ρ0

ρs——海水密度，kg/m3

ρ0——污水密度，kg/m3

h——污水排放深度，m

q——擴散器單位長度的排放量，m3/(s·m)

根據(jù)海域對初始稀釋度的要求，將擴散器單位長度排放量q=Q/Lb帶入上式(1)中，得：

Lb=4.27QSc3/2h-3/2g’-1/2

(2)

式中：Lb——擴散器長度，m

Q——海水排放量，m3/s

帶入相關參數(shù)，得：

Lb=4.27×1.157×453/2×14.34-3/2×0.246-1/2=55 m，結合選型基本條件要求取255 m。

噴口數(shù)的計算公式如下：

m=3LD/h=3×(255-5)/14.34=52

(3)

式中：LD——擴散器的有效長度，m

h——海水排放深度，m

m——噴口數(shù)量，個

噴口設計流速：V=2.5 m/s；

噴口平均流量：q1=0.02225 m3/s；

上升管設計流量：q2=0.0445 m3/s；

佛雷德數(shù)：

截面積比：

f=ΣAi/A0=52×0.00785/1.13=0.361(在1/3～2/3范圍內)

通過以上理論分析計算并結合第三章相關約束條件，選取污水排海擴散器的類型為交錯型(主要包括放流管，上升管和噴口三部分)，擴散器母管采用變徑連接。本工程擴散器主管共分為五段，首段長62.5 m，管徑為 DN1200，第二段長110 m，管徑為 DN900，第三段長50 m，管徑為 DN600，第四段長20 m，管徑為 DN400，末段長12.5 m，管徑為 DN300，擴散管總長度為255 m。主管上共設置26根上升管，管徑統(tǒng)一為DN200，每根上升管采用雙噴口設計，每個噴口設置1個DN100的鴨嘴閥[3]，其開口面積隨流量的改變而變化，可有效防止海水的入侵[6]。

另外，為保證污水得到充分稀釋，擴散器各噴口方向垂直于擴散器母管方向。每個上升管所設的噴口采用對稱布置的方式，噴口射流角度向上，角度在10°左右[4]。

3.2 水力模型校驗

利用PIPENET軟件搭建水力模型，擴散器模型圖見圖4。并將前述擴散器相關基礎參數(shù)及邊界條件輸入到模型中進行模擬計算。

圖4 擴散器模型圖Fig.4 Diffuser model diagram

通過PIPENET模擬計算，穩(wěn)定后各噴口的流量、流速和相應的弗勞德數(shù)Fr如表1所示。

表1 擴散器模擬計算結果Table 1 Diffuser simulation calculation results

根據(jù)以上分析結果，所選擴散器的各噴口流量的不均勻度均小于3%，其表明該擴散器的噴口出流較均勻。同時，各噴口的佛汝德數(shù)Fr>1，滿足要求。從而說明該擴散器選型是合理的。

4 結 論

本文通過理論計算分析確定了擴散器的基本選型，并采用PIPENET軟件對污水排海擴散器的選型進行了模擬校驗。模擬結果顯示，各噴口流量和流速的出流均勻性良好。在實際的工程設計中，可考慮初步理論分析確定擴散器基本選型，再通過軟件模擬分析校驗的方法進行擴散器選型，以便提高設計工作的效率。