徐高田1， 韋鶴平2
（1.上海大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海200072； 2.同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院上海 200092） 摘 要： 在污水海洋處置工程中，擴散器長度對于污水的近區(qū)稀釋擴 散效果及工程的建設(shè)投資影響很大。為了滿足設(shè)計初始稀釋度并降低工程費用，本文結(jié)合嘉興市污水海洋處置工程，利用Jetlag3模型確定了其擴散器長度。結(jié)果表明，八團(0-1500)擴散器長度取200～250m，場前(0+0000)和場前(0+1400)擴散器長度取250～300m，能滿足近區(qū)初始稀釋度的要求。
關(guān)鍵詞： 污水海洋處置； 擴散器長度； 近區(qū)初始稀釋度
中圖分類號：TU992.1
文獻標(biāo)識碼：C
文章編號： 1000-4602(2000)09-0033-04 為實現(xiàn)環(huán)境綜合整治的目的和任務(wù)，嘉興市污水處理工程項目的截污范圍包括嘉興市城區(qū)、郊區(qū)、市屬平湖市、海鹽縣、嘉善縣部分區(qū)域，其服務(wù)面積約860 km2，服務(wù)人口約54.12萬人。近期接納污水量約為30×104m3/d，中期(2010年)為45×104m3/d，遠期(2020年)為55×104m3/d。污水經(jīng)處理后，通過潛沒多孔擴散器排入杭州灣。 1 設(shè)計初始稀釋度的確定 初始稀釋度設(shè)計的目的和任務(wù)是在給定的環(huán)境條件(排放口已確定)和排放條件下，通過選擇 適當(dāng)?shù)臄U散器長度、噴口直徑、上升管間距、噴口個數(shù)等設(shè)計參數(shù)，使岸邊或者保護區(qū)達到 預(yù)定的水質(zhì)目標(biāo)，并使混合區(qū)范圍小且達到一定的衛(wèi)生學(xué)和審美學(xué)方面的要求。
初始稀釋設(shè)計的關(guān)鍵問題有二個，其一是確定該工程所需要的初始稀釋度，即設(shè)計初始稀釋度Sreq；其二是確定污水場的潛沒狀態(tài)，即是否潛沒和潛沒深度Hreq。這里需要指出的是，對于不同的海區(qū)和污水海洋處置工程，關(guān)于Sreq和Hreq的要求將是不同的，沒有一個固定的標(biāo)準(zhǔn)。
如果岸邊或者保護區(qū)離排污口不太遠，在污染羽流能夠侵襲的范圍之內(nèi)，污染指標(biāo)物為某一 非保守性物質(zhì)，則在岸邊或者保護區(qū)，該污染物的總濃度C由下式確定：
式中 ?C0 ——污水中污染物的濃度
? S1——初始稀釋度
? Sd——再稀釋度，對于最簡單的均勻流情況，可由著名的Brooks公式求出
? Cp——污染物由于長期被動擴散引起的平衡濃度，即污染物的背景濃度
λ——衰減率
? t——污染羽流從排污點抵達岸邊或者保護區(qū)所經(jīng)歷的時間
如果該污染物的水質(zhì)目標(biāo)規(guī)定為Cs，則Cs應(yīng)滿足： Cs≥C0/Sreq.1/Sd.eλt+Cp （2） 設(shè)計初始稀釋度Sreq可由上式求出： Sreq≥C0/(Cs-Cp).（1/Sd.e-λt） （3） 初始稀釋度的設(shè)計準(zhǔn)則包括［1］：
?、?Sreq應(yīng)保證岸邊或保護區(qū)達到預(yù)定的水質(zhì)目標(biāo)
根據(jù)所預(yù)定的水質(zhì)目標(biāo)，根據(jù)上式就可以計算出設(shè)計初始稀釋度。
?、?Sreq應(yīng)足夠高，以避免形成穩(wěn)定的水面污水場 初始稀釋度較低的水面污水場與周圍海水之間有一明顯的密度分層，密度梯度較大，妨礙了兩水層之間的混合，這使高濃度的污水場持續(xù)時間增長，從而增大了它侵入岸邊或保護水域 的可能性。隨著初始稀釋度的增大，水面污水場的穩(wěn)定性將減少，只要這種穩(wěn)定性足夠弱，污水場在遷移過程中，海水的紊動作用就能夠消除污水場與海水之間的交界面，而進一步的混合將使污水場趨于消失。
③ Sreq應(yīng)使混合區(qū)滿足一定的衛(wèi)生學(xué)和審美要求 盡管水質(zhì)目標(biāo)不適用于排污點附近所形成的混合區(qū)，但一般對混合區(qū)也有一定的衛(wèi)生學(xué)和審 美學(xué)方面的要求，這種要求主要包括三個方面，即在水面不形成油膜、不產(chǎn)生難聞的氣味和 不形成明顯可見的混濁云斑。
?、?應(yīng)避免污水場潛沒在深水層和在躍層處形成很薄的污水場
從衛(wèi)生學(xué)和審美學(xué)的角度，通常希望形成潛沒污水場，這時氣味和混濁云斑等問題都 得以避免，并且潛沒污水場向岸遷移的可能性要比水面污水場小。
一般說來，潛沒污水場比水面污水場更有利于混合，這是因為潛沒污水場與海水有兩個交接面，而水面污水場只有一個，并且潛沒污水場與海水的密度差一般要小于相應(yīng)的水面污水場與海水的密度差。但是，如果污水場潛沒于非常強的躍層處，形成很薄的污水場，由于該層的紊動很弱，其混合就要比水面污水場弱很多。
在進行污水場潛沒深度設(shè)計時，應(yīng)對當(dāng)?shù)睾Ｋ拇瓜颦h(huán)流予以足夠的重視，應(yīng)避免潛沒污水 場抵達海岸后又被上升流帶到水面。通常，穩(wěn)定的離岸風(fēng)將導(dǎo)致深層水體向岸運動，并在岸邊形成上升流，這時潛沒在深水層的污水場有可能引起岸邊污染(而水面污水場則被風(fēng)海流 帶離海岸)；另一方面，向岸風(fēng)將引起相反的情況：水面污水場被帶向岸邊而深層潛沒污水場則被帶離海岸。因此，污水場的Hreq應(yīng)根據(jù)向岸風(fēng)和離岸風(fēng)發(fā)生的頻率來確定，如果兩者都經(jīng)常發(fā)生，可以將污水場設(shè)計成潛沒在中層。
從生物學(xué)的角度，污水場潛沒在深水層是不利的。一方面，深水層通常為缺氧層，直接將含 有大量BOD的污水加入該層中會使缺氧更加嚴(yán)重；另一方面，污水場潛沒在深水會導(dǎo)致污水 中的固體顆粒大量集中沉積在擴散器附近區(qū)域。因為深水層流速較低，顆粒會更快地沉降至 海底，從而被流帶到離擴散器較遠地方的可能性將減小。顯然，缺氧和沉積物中 來自污水固體顆粒的高負荷都可能對底棲生物造成危害。
設(shè)計初始稀釋度Sreq應(yīng)為何種特征值目前尚未有統(tǒng)一的規(guī)定，有的國家或地區(qū)采用污水場最小稀釋度作為設(shè)計初始稀釋度特征值，而有的則采用污水場平均稀釋度。實際上不同的海區(qū)域環(huán)境條件和功能區(qū)對Sreq的要求是不同的，設(shè)計初始稀釋度或設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都是針 對所采用的特征值而提出的，為了減少污染羽流可能對周圍保護目標(biāo)的侵襲，不少國家和地 區(qū)對初始稀釋度都有最低限度的規(guī)定。例如香港特別行政區(qū)規(guī)定水面污水場最小稀釋度應(yīng)≮85，而美國舊金山污水排海工程設(shè)計中規(guī)定在80%的時間里污水場平均稀釋度應(yīng)＞100，英國規(guī)定＞50。
嘉興市污水海洋處置工程陸上擬設(shè)二級污水處理廠，排放水質(zhì)按國家《GB 8978—1996》污 水綜合排放二級標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)潛沒多孔擴散管排入杭州灣，即：CODCr＝120mg/L，采用CODMn作為污染物濃度的主要控制指標(biāo)，若要求在近區(qū)外側(cè)邊緣達到二類海水水質(zhì) 標(biāo)準(zhǔn)，即CODMn＜4，根據(jù)所提供的資料，排放海域CODMn本底濃度為2.21～3.64 mg/L其平均本底濃度為2.80 mg/L。如果根據(jù)平均濃度，在不考慮再稀釋度的 情況下，所需要的近區(qū)稀釋度，即設(shè)計初始稀釋度為Sreq≥C0/(Cs-Cp)＝60/(4-2.8)＝50。
若平均污水水質(zhì)按一級標(biāo)準(zhǔn)排放濃度考慮，CODCr＝60mg/L，達到二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需要的設(shè)計初始稀釋度為Sreq＝30/(4-2.8)＝25。
當(dāng)本底濃度按2.21～3.64mg/L考慮時，一級標(biāo)準(zhǔn)出水和二級標(biāo)準(zhǔn)出水達到二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時所需要的初始稀釋如表1所示。
按平均本底濃度2.80 mg/L、國家《GB 8978—1966》二級排放標(biāo)準(zhǔn)考慮，嘉興市污水 海洋處置工程設(shè)計初始稀釋度取為50。 表1 不同本底濃度、不同出水標(biāo)準(zhǔn)時達到二類
海水水質(zhì)所需要的初始稀釋度| 本底濃度（CODMn（mg/L) | 出水標(biāo)準(zhǔn)CODcr（mg/L) | 達到二類海水水質(zhì)需要的初始稀釋度 | | 2.21 | 一級標(biāo)準(zhǔn)60 | 16.76 | | 二級標(biāo)準(zhǔn)120 | 33.52 | | 3.64 | 一級標(biāo)準(zhǔn)60 | 83.33 | | 二級標(biāo)準(zhǔn)120 | 166.67 | | 2.80 | 一級標(biāo)準(zhǔn)60 | 25 | | 二級標(biāo)準(zhǔn)120 | 50 | 2 污水海洋處置工程擴散器長度確定 污水海洋處置工程由陸上和海上二部分組成，海上部分由放流管和擴散器構(gòu)成，放流管主要是指從高位井到擴散器起始端的部分。擴散器由擴散管、上升管及噴口等組成，擴散器的構(gòu) 成如圖1所示。 
擴散器是污水海洋處置系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)筑物，擴散器的長度直接影響近區(qū)稀釋效果，一般說來，在相同排污量下，擴散器越長，稀釋效果越好。但擴散器過長，其基建費用增加。影響擴散器長度的主要因素是：污水排放流量、設(shè)計初始稀釋度、排放有效水深、密度差、水動力狀況等。
根據(jù)浙江省河口海岸研究所提供的資料，擬選場前0+0000和0+1400以及八團0-1500作為三個 擬選排放口，排放口的各具體參數(shù)如表2所示。 表2 三個擬選排放口的環(huán)境參數(shù)| | 設(shè)計水深（m） | 設(shè)計流速（m/s） | 放流管長度（m） | | 場前0+0000 | 7.08 | 0.5(60.42%保證率） | 1650 | | 場前0+1400 | 8.78 | 0.5（60.42%保證率） | 1800 | | 八團0-1500 | 9.78 | 0.8（58.33%保證率） | 1850 | 目前，國內(nèi)外尚沒有關(guān)于擴散器長度的設(shè)計規(guī)范［2］，這里首先根據(jù)應(yīng)達到的設(shè)計初始稀釋度來確定擴散器的長度。選用的稀釋擴散計算模型為Jetlag3模型，該模型是國際水力研究學(xué)會流體力學(xué)組主席、香港大學(xué)教授李行偉博士研制的，對前人研制的稀釋擴散模型有很大的改進，該模型可以較好地模擬在潮流環(huán)境下單噴口近區(qū)稀釋擴散情況。
擴散器長度初步確定為200、250、300 m，場前0+0000、場前0+1400的環(huán)境流速取0.5m/s(60.42%保證率)，八團0-1500環(huán)境流速取0.8m/s(58.33%保證率)，2000年、2010年、2020年的污水量分別為30、45和55×104m3/d，根據(jù)Jetlag3模型，初始稀釋度、冒頂距離及射流寬度的計算結(jié)果如表3所示。 表3 不同擴散器長度方案的初始稀釋度、冒頂距離及射流寬度計算結(jié)果| 流量（m3/d) | 方案 | 擴散器長度（m） | 稀釋度 | 冒頂距離（m） | 射流寬度（m） | | 300000 | 場前
0+0000 | 200 | 61.84 | 40.18 | 11.96 | | 250 | 76.04 | 42.53 | 11.36 | | 300 | 85.50 | 44.02 | 11.04 | 場前
0+1400 | 200 | 86.80 | 49.91 | 12.92 | | 250 | 107.3 | 53.30 | 12.22 | | 300 | 121.01 | 55.68 | 11.88 | 八團
0-1500 | 200 | 161.73 | 96.75 | 11.08 | | 250 | 200.50 | 106.5 | 10.50 | | 300 | 227.10 | 112.8 | 10.20 | | 450000 | 場前
0+0000 | 200 | 50.06 | 43.60 | 16.56 | | 250 | 61.20 | 45.04 | 15.78 | | 300 | 68.40 | 46.14 | 15.38 | 場前
0+1400 | 200 | 68.28 | 51.91 | 18.12 | | 250 | 83.86 | 54.33 | 17.22 | | 300 | 94.24 | 55.90 | 16.72 | 八團
0-1500 | 200 | 124.21 | 90.0 | 15.58 | | 250 | 153.45 | 97.31 | 14.80 | | 300 | 172.55 | 101.89 | 14.42 | | 550000 | 場前
0+0000 | 200 | 45.88 | 46.51 | 19.08 | | 250 | 55.95 | 47.67 | 18.22 | | 300 | 62.39 | 48.51 | 17.76 | | 場前0+1400 | 200 | 62.13 | 54.55 | 21.06 | | 250 | 76.09 | 56.47 | 20.04 | | 300 | 84.88 | 57.63 | 19.48 | 八團
0-1500 | 200 | 111.44 | 89.21 | 18.30 | | 250 | 136.90 | 95.63 | 17.44 | | 300 | 153.13 | 99.66 | 16.96 | 從表3可以看出，擴散器長度對初始稀釋度有明顯影響，初始稀釋度隨著擴散器長度的增加而增加?？紤]到工程經(jīng)濟、技術(shù)和環(huán)境諸方面的因素，八團(0-1500)擴散器長度取200～250m，場前(0+0000)和場前(0+1400)擴散器長度取250～300m，這樣三個擬選排放點處的初 始稀釋度都能滿足設(shè)計初始稀釋度的要求。 3 結(jié)語 國內(nèi)外目前還沒有擴散器長度的設(shè)計規(guī)范，根據(jù)擴散器長度利用Jetlag3模型計算近區(qū)稀釋度，然后與設(shè)計初始稀釋度相比較來確定擴散器的長度，這種方法比較簡單，使用方便，在 擴散器初步設(shè)計中應(yīng)用較多。
對于嘉興市污水海洋處置工程的三個擬選排放口，根據(jù)計算結(jié)果，八團(0-1500)擴散器長度取200～250 m，場前(0+0000)和場前(0+1400)擴散器長度取250～300m，與物理模型試驗結(jié) 果基本接近。 參考文獻：
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收稿日期：2000-03-20 | 
