畢業(yè)論文沿海油庫海水淡化后濃海水處置技術的研發(fā)排海擴散器的設計

1、 畢 業(yè) 論 文（設計）題 目：沿海油庫海水淡化后濃海水處置技術的研發(fā)排海擴散器的設計 學 院： 石油化工學院 學生姓名： 專 業(yè)： 油氣儲運工程 班 級： a06儲運 指導教師： 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11.1 背景11.2 濃海水處理方法11.3 濃海水處理排海工程11.4 本文的工作22海水淡化的尾液影響32.1 濃海水對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響32.2 海水淡化廠污染物排放32.3 排放水物理性質(zhì)變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響33模型理論43.1 近區(qū)模型研究現(xiàn)狀43.2 遠區(qū)模型研究現(xiàn)狀63.3 水動力學參數(shù)

2、73.4 海洋水動力學狀況評價方法74排海擴散器的設計114.1 擴散器結構與要求114.2 擴散器結構概念設計的原理和流程134.3 設計中主要影響因素144.4 孔口出流系數(shù)法144.5 動壓力水頭法及其優(yōu)化設計程序184.6 六橫島臺門海水淡化工程225總結與建議285.1 總結285.2 建議286參考文獻29沿海油庫海水淡化后濃海水處置技術的研發(fā) 排海擴散器的設計虞邦煒(浙江海洋學院石油化工學院，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、一定深度的強流區(qū)域，由海洋放流管尾部的擴散器排放，即充分利用海洋的擴散、降解和

3、自凈能力，達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)境造成嚴重影響。利用擴散器排放濃海水，能很好的利用自然海域的特點，海域本身的自凈溶解能力使?jié)夂Ｋ皶r得到擴散稀釋，達到凈化目的。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重缺乏角度，闡述了海水淡化的重要性，進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，再對海洋水動力學進行研究，提出一些模擬方法。本文著重闡述如何進行排海擴散器的設計，從結構、要求、設計原理、流程和主要影響因素等多角度考慮，并介紹兩種擴散器水力設計方法孔口出流系數(shù)法

4、和動壓力水頭法。在六橫島臺門海水淡化工程中，采用t型走向擴散器，通過數(shù)值模擬，對軸線流速、濃度及稀釋度的沿程變化進行比較，得出結論。關鍵詞 擴散器；濃海水尾液；孔口出流系數(shù)法；動壓力水頭法；t型走向擴散器the coastal depot sea water desalination with the r&d disposal technology,the emissions sea diffuser designyu bangwei(institute of petrochemical technology, zhejiang ocean university, zhoushan 3

5、16004)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 t

6、he 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 wa

7、ter 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 de

8、al 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 the

9、oretical 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 hy

10、draulic 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 diffu

11、ser；thick liquid water；the flow coefficient method of the orifice；dynamic pressure head method；t toward of the diffuser1前言1.1 背景淡水資源短缺是全球目前面臨的主要社會問題之一，解決淡水短缺問題除了傳統(tǒng)的節(jié)約用水、廢水利用、遠途調(diào)水等方法外，利用現(xiàn)代技術大規(guī)模開辟新的水源則首推海水淡化技術。我國是一個水資源嚴重短缺的國家，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)濟發(fā)達、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峻形勢下，人們把目光投向了海洋。我國

12、海水淡化技術的研究起步較早，19671969年全國組織海水淡化會戰(zhàn)，同時開展電滲析（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項目“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，在國家科技部重點科技攻關項目“日產(chǎn)千噸級反滲透海水淡化系統(tǒng)及工程技術開發(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)改委高技術產(chǎn)業(yè)化項目“山東榮成日產(chǎn)10000噸級反滲透海水淡化示范工程”一期5000m3/d機組在榮成市石島建成投產(chǎn)；20

13、04年，國家科技部科技攻關項目“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，我國海水淡化技術已日趨成熟，為大規(guī)模應用打下了良好基礎。我國已成為世界上少數(shù)幾個掌握海水淡化先進技術的國家之一3。目前已建成運行的海水淡化水產(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)國家海水利用專項規(guī)劃，我國海水淡化能力2010年將達到80萬100萬m3/d4，2020年將達到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

14、水進行再利用，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，但其處理不當會對環(huán)境造成嚴重污染，故一般采用擴散器來加速濃海水的稀釋，達到保護環(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、一定深度的強流區(qū)域，由海洋放流管尾部的擴散器排放，即充分利用海洋的擴散、降解和自凈能力，達到濃海水處理的目的。排海工程的規(guī)劃、設計、施工、運行，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，不帶擴散器，排放的污水也不經(jīng)過任何預處理。至上個世紀20年代，排海工程開始在放流管的末端增加了一段

15、帶有多孔的擴散器，而且也逐步開始了排海前的預處理。例如，建于1925年的英國heng istbury污水排海工程安裝了一個有6個噴孔的擴散器。利用多孔擴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，是一種用來增強污水與環(huán)境水體摻混稀釋能力的工程措施。合理地設計擴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，便于濃海水的進一步輸移擴散。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用，又保證環(huán)境目標的實現(xiàn)6。1.4 本文的工作本文應用數(shù)值模擬的方法對海水淡化濃海水尾液排放過程

16、進行研究，預測污染物對環(huán)境可能造成的影響范圍和程度，針對濃海水尾液，設計出合理的擴散器形式，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)境保護設計提供科學依據(jù)，為作業(yè)者實施完善的環(huán)境管理措施提供可操作依據(jù)，對沿海社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展也有著較為重要的現(xiàn)實意義。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，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?shù)奶幚矶苯优欧湃牒?/p>

17、，將對海洋生態(tài)環(huán)境造成相當?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，將導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。鹽度的升高會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系。有些海洋生物被稱為狹

18、鹽性，因為它們僅能在一個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仍能生存，但其細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對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。

19、以生物殺滅劑氯氣為例，多級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19來估算，一個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物發(fā)生化學反應，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0.013×10-6(短期)和0.0075×10-6(長期)。另外，在濃海水中濃度最大

20、的重金屬是銅，其含量比自然海水高12個數(shù)量級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：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，溫度的改變會影響海洋生物的生理機能，并影響其產(chǎn)卵、生長及幼蟲孵化能力。此外，排放水溫度的升高將導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

21、究現(xiàn)狀國內(nèi)外對城市污水海洋處置工程近區(qū)的稀釋擴散規(guī)律的研究已有較長的歷史，與污染近區(qū)有關的射流理論也由規(guī)則邊界中靜止環(huán)境內(nèi)的平面與單孔射流向復雜流動中的復雜射流發(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)生強烈混合的流動狀態(tài)。根據(jù)射流的形成可將射流分為三種：噴口處初始動量對流動起支配作用的射流為純射流或動量射流，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量作用又受浮力作用，同時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

22、成的卷吸和摻混，使射流斷面不斷擴大，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用在水利、航空航天、環(huán)保、冶金、化工、交通、礦山等多個領域。浮射流是環(huán)境水力學和流體力學近年來的重要研究對象。從上世紀20年代開始研究無限空間同類流體中等密度自由紊動射流理論以來，國內(nèi)外學者進行了大量有關浮射流的研究工作，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)學模型兩種。3.1.1 物理模型物理模型即根據(jù)

23、水力相似性原理，采用將原型縮小到一定比尺后進行污染物排放物理實驗，通過實測數(shù)據(jù)分析污水經(jīng)排放口出流后浮射流的行為特征，從而得到描述其運動規(guī)律的經(jīng)驗半經(jīng)驗公式。量綱分析是物理模型常采用的方法，通過分析影響射流運動的諸多因素，如環(huán)境水體因素、擴散器幾何要素、浮射流自身排放要素等，得到描述浮射流運動特性的關系式。在浮射流初始研究階段，量綱分析方法在分析整理試驗資料和數(shù)據(jù)上發(fā)揮了巨大的作用，獲得了有關浮射流的許多基本特征和基本參數(shù)，為人們認識和研究浮射流現(xiàn)象提供了強有力的手段，即使在當今的江河湖海尾水排放的物理模型實驗中，該方法仍不失為有效的手段。list和papanicolaious（1988）和f

24、ischer（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)律進行了研究，并在采用量綱分析方法對實驗數(shù)據(jù)整理分析的基礎上進一步證實了時均速度和濃度斷面符合高斯分布形式。國內(nèi)的許多專家和學者利用該方法對不同形式和排放條件的污水排放口進行了模型試驗研究，取得了大量的寶貴資料和工程經(jīng)驗，對排放口的設計和工程運行起到了很好的指導作用，同時也為其它類似污水排放口的建設提供了寶貴的經(jīng)驗，推動了我國污水江河湖海處置技術的發(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

25、模型進行了實驗研究，得出了適用于該工程的排放口參數(shù)9；徐高田（1997）結合上海河流污水治理二期工程白龍崗排放口水利模型試驗，采用量綱分析法對近區(qū)初始稀釋度的變化規(guī)律進行了研究，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)驗公式；嚴忠民、蔣傳豐等人（1991）還依據(jù)無量綱分析結果，對污水排放管的物理模型試驗準則和實驗方法進行了有益的探索。3.1.2 數(shù)學模型數(shù)學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)學模型中最經(jīng)典的是射流積分模型，它始于20世紀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斷面上的流速分布、濃度（溫

26、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展假定或?qū)Ω∩淞鲝膫?cè)邊卷吸流體的流量作出一個卷吸假定，常用卷吸系數(shù)又可近似是常量。對有環(huán)境來流的情況還應確定繞流阻力系數(shù)。射流積分模型是上述假定的基礎上，根據(jù)質(zhì)量、動量和物質(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，使之不能很好的應用于邊界條件較為復雜的情況，只能適用于簡單的流動計算。morton，taylor和turner（1973）提

27、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l(fā)ee等應用該方法對不同環(huán)境水體特性條件下的浮射流運動規(guī)律進行了研究，取得了大量成果，豐富了積分模型理論。我國學者韓保新（1996）等人研究了一種污水排海的近遠區(qū)計算與控制方法，并應用于大亞灣水容量計算和污水排海?；蔽男暮屠顭槪?993）應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，并應用于嘉興污水海洋處置工程中。從文獻可以看出，有關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，但實際上多數(shù)排污工程的受納域是受潮汐作用強烈的河流和近

28、海水域，因此對非恒定橫流作用下射流性質(zhì)的研究更具有實際意義，但就目前的科學研究的狀況來說，認識和描述脈動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驗研究也較少，因此也只能在恒定橫流研究的基礎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)，水流紊動劇烈，有強剪切層存在，一般的時均化模型較難于應用，特別是在動水條件下，采用紊流模型才能較準確的把握。紊流模型較上述積分法的應用范圍要廣，并可以考慮復雜的流動，考慮潮流的動態(tài)變化對濃度場的影響，但是紊流模型相對比較復雜，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（紊動動能方程k方程），雙方程（kf，k

29、方程等）。還有很多學者對紊流模型進行了改進：rodi首先采用了代數(shù)應力/通量模型對熱電廠的溫排放浮羽流特性進行了模擬；chen和li采用此模型及改進的單尺度、多尺度模型，對不同分層環(huán)境射流進行了較好的模擬；此外gu jie等采用模型結合尾水排放近區(qū)的模擬；kim等應用垂向坐標變換對多孔擴散器近遠區(qū)進行了數(shù)值模擬。在“七五”期間，我國學者深入研究了潮汐流動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用化計算方法等課題，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來對流動進行分區(qū)的長度比模型得以開發(fā)和應用。它容易處理較為復雜的環(huán)境條件和各種不同的排

30、放方式。這種模型中引入了大量以實驗為依據(jù)的經(jīng)驗參數(shù)，使其計算結果以較強的實踐背景為依托，而計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個污水排海稀釋度計算模型（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的浮射流理論計算機化，它適合于環(huán)境水體為任意分層，射流的傾角

31、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模型運用歐拉積分方法計算浮羽流的軌跡、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模型是針對在流動水體中的線狀擴散器的，是對roberts在密度不分層的橫流中的線源浮力羽流實驗數(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

32、浮力羽流實驗，將此結果合并入uline模型形成了一個新的模型，稱之為rsb模型。1995年usepa在頒布這些模型時，又把um和rsb模型并入含有遠區(qū)稀釋度計算的plumes軟件。2001年，usepa改進了plumes模型，發(fā)布了visual plume模型軟件，包括um3（um的升級版本）、dkhw（udkhden的升級版本）、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年康奈爾大學更開發(fā)了一個專家系統(tǒng)cormix，它把水流的各種水動力條件，如射流與水體表面和水底的動力相互作用都考慮在內(nèi)，采用特

33、征長度綜合了大量的實驗資料，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行全場模擬，并可應用于在同一噴頭上有多個噴孔的情形。槐文信等也采用數(shù)學模型對射流進行了一系列研究。3.2 遠區(qū)模型研究現(xiàn)狀近區(qū)研究側(cè)重根據(jù)污水的初始動量、浮力、環(huán)境水體的分層情況以及水流的作用，遠區(qū)研究的重點是污水進入海洋水體，污染物經(jīng)紊動混合與輸運擴散后時空分布特性。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和人類活動的影響十分敏感，生態(tài)系統(tǒng)相當脆弱

34、。因此，近海水域環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化機理一直是環(huán)境科學的熱門課題。污染物經(jīng)過海流不斷的紊動混合與輸運擴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空分布特性表征，其理論基礎就是污染物的擴散輸運模型。近海水域的水質(zhì)預測、評價和管理中，最為實用的流場模型為2d淺水環(huán)流模型和二維輸運模型。這些模型的應用中，由于控制方程和邊界條件的復雜性，其求解過程仍需借助于數(shù)值方法，應用最多的如fdm，fem，fvm，fam等。georgetal（2003）則將二維水動力模型與生態(tài)模型偶合，進行了復合模型研究；tsanisetal及張行南等（2001，2004）分別將二維水質(zhì)模型與gis技

35、術相結合；劉成等（2003）應用二維模型分別對尾水排入長江口工程的污染物運動軌跡進行了模擬；婁安剛、王學昌等（19932006）分別對渤海海峽、膠州灣等海域應用二維數(shù)值模型進行水質(zhì)分析。近年來三維水質(zhì)模型得到了應用，如沈永明（20002004）就將三維模型應用于香港維多利亞港、日本九州島博多灣等地污染預報中；陳祖軍等（2003）應用三維模型對長江口水質(zhì)模擬研究；林衛(wèi)強、逄勇等（2003）在珠江口海域三維水質(zhì)模型的應用；閆菊等（2001）將三維模型在膠州灣水質(zhì)模擬中的應用。美國普林斯頓大學三維海洋模式（pom）及河口陸架海洋模式（ecomsi）因國際海洋界的認可而得到廣泛應用。國內(nèi)經(jīng)過吸收改進，

36、成功將這兩個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)有超標概率場模型、概率分析法模型等模型的應用。目前文獻中常見的三維水質(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 水動力學參數(shù)排入海域后濃海水濃度的分布除受海洋生物、化學過程影響外，主要受海洋物理過程的控制，其中海洋水動力學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力學狀況是了解濃海水濃度分布和變化的關鍵。1） 潮汐評價

37、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、平均漲潮時間、平均落潮時間。2） 潮流日平均流速、最大流速、最小流速。3） 波浪常波向、強浪向、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 海洋水動力學狀況評價方法為了預測污水在海流驅(qū)動下的輸運狀況，需要更深入地了解排海區(qū)域的海水動力學現(xiàn)狀。通過建立適合排污海區(qū)的

38、潮波模型進行數(shù)值模擬，并在此基礎上建立水質(zhì)模型討論排污后對周圍海域的影響，同時還應建立拉格朗日質(zhì)點追蹤模型，模擬污水標識質(zhì)點輸運的軌跡，從而選擇出較佳的污水排放海域。3.4.1 潮波數(shù)值模擬根據(jù)排放海域的實際情況，選擇合適的潮波數(shù)值模型模擬該海域的潮流場，比較模擬和實測的潮位潮流結果，在計算潮流場的基礎上，闡明歐拉余流場的特征。潮流場的計算結果可以作為進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大于垂直尺度，海水混合比較強烈，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力學模型進行海區(qū)的潮波數(shù)值模擬，其基本方程為： （1） （2） （3）式中：分別為x、y方向的平

39、均流速分量； 水體的深度，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； 時間坐標； 柯氏參量； 海面風應力，如不考慮風影響，則：0，0； 側(cè)向湍粘性系數(shù)； 海底摩擦力的x、y方向分量。采用二次律公式： （4）式中：cchezy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界普遍采用的manning公式： （5）式中：表征海底粗糙度的manning系數(shù)。3.4.2 濃度預測根據(jù)二維濃度模型公式： （6）式中：垂直平均后的濃海水濃度； 污染擴散系數(shù)在方向的分量。按elder的公式： （7）式中：f污染物質(zhì)的排放速度或者由于生物、化學、物理等因子引起的衰減速率。確定定解條件和

40、離散格式，利用不同時刻的流速作為平流速度場，計算擬建排污口在不同時刻(包括落潮中間時、低潮時、漲潮中間時、高潮時)排放的cod濃度增量。3.4.3 濃海水運移軌跡濃海水通過擴散器進入海水后，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)點一樣，其輸運途徑和去向可以用拉格朗日標識質(zhì)點軌跡來描述。假定：時刻在計算海域里投下一標識海水微元，其坐標位置為，表示標識微元編號。當時刻，該微元的位置為，可表示為： （8）式中：為微元的拉格朗日速度，它是微元的位置和時間的函數(shù)。由于潮流場變化的連續(xù)性，可以認為足夠小時，時刻標識微元的拉格朗日流速可用該微元位置上展開的歐拉流速的泰勒級數(shù)逼近： （9）若

41、略去以上的項并將近似地取為： （10）則該微元從到的位置改變可用下式確定： （11）由此得到一個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)； （12） （13）式中：t一個潮周期，一個周期的終了和開始的時間。根據(jù)模型計其結果，可以預測濃海水經(jīng)過一個潮周期運動以后的實際輸送方向和速度，并以此結果劃分出海域水交換的活躍區(qū)和滯緩區(qū)，評價海域的稀釋擴散能力。3.4.4 工程海域稀釋擴散模擬實驗 為了保證數(shù)值模擬結果的可靠性，使排?？谶x擇更科學合理，一般都需要在現(xiàn)場進行示蹤劑擴散試驗，用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)校核理論計算結果，可更直觀地了解該海區(qū)的稀釋擴散能力和規(guī)律。 目前國外在水中用作示蹤劑的熒光

42、染料有89種之多，國內(nèi)一般選用國產(chǎn)羅丹明b作為示蹤劑。結合工況方案，在選擇好的投放點以點派形式投放到海水表面，間隔一定時間跟蹤取樣。通過實驗室分析，確定羅丹明b濃度與時間的函數(shù)關系，測定羅丹明b在不同潮時的運移軌跡，計算稀釋因子和海水擴散系數(shù)。1）稀釋因子污染物質(zhì)進入水體之后，隨時間過程被逐漸稀釋的倍數(shù)，即稱為稀釋因子(diffusion factor，df)。 （19）值愈大，表示污染物濃度愈低。在相同時間內(nèi)，df值愈大，表示稀釋愈快，反之亦然。2）擴散系數(shù)對海區(qū)的表層平流擴散系數(shù)可采用下列公式計算： （20） 式中：投放羅丹明b的用量(g)； 時間(s)； 測定的羅丹明b的濃度(mg/l)

43、。根據(jù)對污染物濃度增量的預測和擴散實驗結果的分析，可以初步確定排污口離岸的距離范圍，結合進一步的工程設計參數(shù)的研究，可以確定出更適宜的距離。4 排海擴散器的設計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，否則會造成海洋污染和海洋的生態(tài)破壞。擴散器的結構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)境保護需求所要求的水質(zhì)不同，對擴散器結構的要求可能也不一樣。以前的工程多采用線源模型指導擴散器的結構設計，這與實際工程中的導流管型擴散器不相吻合。近年來海洋排放近區(qū)模型研究取得很大進展，出現(xiàn)了一些三維模型。運用這些模型來模擬污水排放后的近區(qū)濃

44、海水場狀況(如初始稀釋度)，將濃海水排放近區(qū)的水質(zhì)影響同擴散器結構緊密地聯(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，在擴散器結構設計還沒有進行的情況下，采用本論文提出的擴散器結構概念設計的方法不僅可以評價濃海水排海對環(huán)境的水質(zhì)影響，還可以幫助優(yōu)化擴散器結構，對實際的設計具有指導作用。4.1 擴散器結構與要求4.1.1 擴散器結構的參數(shù)擴散器設計的主要目的是使?jié)夂Ｋ玫阶銐虺跏枷♂尪?，同時又投資較省，更充分地利用天然水體的容量。其設計參數(shù)包括：1） 擴散器離岸距離(放流管長度)放流管占工程造價的很大一部分，放流管越長，造價越高，其決定與環(huán)境因子水深有直接關系也是工程選址所需考

45、慮的決定因素。2） 擴散器長度3） 擴散器形式及走向擴散器形式是為了充分地利用海流，同時使潮周內(nèi)最小稀釋度或擴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，其實質(zhì)仍是個擴散器長度問題。初始稀釋度預測公式及實驗均表明，除了靜水及流速很小的情況下，擴散器的走向?qū)Τ跏枷♂尪认喈斆舾?，直觀的判斷也很清楚，對于往復流而言，參加稀釋的水體總是在擴散器的范圍之內(nèi)，因而，如果環(huán)境流向與擴散器正交，則通過擴散器的流量為最大，若為零，則通過擴散器的流量也就最小，一般來說，長的擴散器，首尾兩個噴嘴出來的羽流半寬相對于擴散器長度是微不足道。因此，就設計的角度而言，擴散器走向與流向夾

46、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雜流動的情況下，擴散器的設計就需要考慮其他類型，而不是總是考慮一種形式。擴散器形式可分為（見圖1）： i型即擴散器是放流管的直線延伸，多適用于具有往復流特性的沿岸流地區(qū)。 l型即擴散器在與放流管末端連接時有一定的夾角，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，而又能使擴散器與環(huán)境流向正交。 t型擴散器的中部與放流管連接呈90°角，濃海水從擴散器中部分兩個方向流入擴散器。這樣設計擴散器管徑可減少變化。這種t型結構主要運用于向岸流及離岸的情況，使擴散器能與流向正交。 y型與t型相似，擴散器在放流管末端形

47、成兩個分支，但與放流管軸線的夾角不是90°，一般為45°，這種結構運用于旋轉(zhuǎn)流的地區(qū)可使擴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，使擴散器有效長度降至或接近于零，影響污水的有效稀釋。圖1 擴散器形式fig.1. diffuser form4） 噴口高程5） 噴口角度6） 噴口直徑其中，前三項的作用最為關鍵，是主控參數(shù)，后幾個參數(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。在負浮力射流中，噴射傾角成為主控參數(shù)之一。早期的擴散器只是一根末段開口的管子，而現(xiàn)在的擴散器則沿管道方向在末段設置多個導流管，并在導流管末端設置多個噴口，稱為導流管型擴散器。擴散器

48、結構設計的內(nèi)容在于確定擴散器各部分的尺寸，將擴散器結構進行簡化后，包括：擴散器的管徑、導流管根數(shù)、每根導流管上的噴口數(shù)、噴口直徑和擴散器長度。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)污水場的關鍵因素。這些因素反映到擴散器的結構上與導流管根數(shù)、每根導流管上的噴口數(shù)和噴口直徑有關。擴散器的管徑由水力學計算得到，在明確導流管根數(shù)和導流管間距后，擴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)的擴散器結構主要集中在導流管根數(shù)、每根導流管上的噴口數(shù)和噴口直徑這3個因素上。擴散器結構概念設計將討論在設計的排放流量下，初始稀釋度與導流管根數(shù)、每根導流管上的噴口數(shù)和噴口直徑的關系。4.1.2

49、 擴散器結構設計的要求現(xiàn)代排海工程中，對于擴散器的結構有下面幾點共識：1）為保證擴散器最末端仍能保持一定的噴射流速，同時能量損耗不太大，噴口的平均噴射流速應選擇在一定范圍內(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算公式如下： (21)式中：噴口的噴射流速，m/s；設計的濃海水排放流量，m3/s；導流管根數(shù)；每根導流管上的噴口數(shù)；噴口直徑，m；2）擴散器在運行期間應避免發(fā)生海水倒灌現(xiàn)象13。試驗結果表明，當噴口弗勞德(froude)數(shù)大于1.0時即滿足要求。為更安全，有人建議采用更嚴格的要求，如要求弗勞德數(shù)大于或2。弗勞德數(shù)的計算公式如下： （22）式中：噴

50、口弗勞德數(shù)；噴口直徑，m；有效重力加速度，、分別為排放口處海水和原污水的密度，為重力加速度；噴口的噴射流速，m/s。3）為防止噴口被阻塞，擴散器噴口直徑應大于0.055m；也有建議不小于0.08m14，如果濃海水只進行了預處理，建議的噴口直徑不小于0.15m15。4）每根導流管上的噴口數(shù)通常設置為偶數(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。國外的實驗室研究表明，噴口數(shù)超過8個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 擴散器結構概念設計的原理和流程近區(qū)模型用于擴散器結構概念設計的原理是：利用近區(qū)模型廣泛模擬一定范圍內(nèi)的擴散器結構(不同導流管

51、數(shù)、每根導流管上的噴口數(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)目標的要求，尋求滿足水質(zhì)要求的合適的擴散器結構范圍。近區(qū)水質(zhì)的要求僅僅是限制擴散器結構的一個因素，此外還需要考慮水力學要求(滿足一定的噴射流速的要求)和工程要求(防止海水倒灌)。當然，如果還有其它要求或限制因素，相應也可以考慮進去。擴散器結構的概念設計流程見圖2。設計海水排放流量環(huán)境水文物理條件導流管根數(shù)每根導流管上的根數(shù)噴口直徑近區(qū)模型預測初始稀釋度濃海水水質(zhì)及近區(qū)水質(zhì)標準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散器結構調(diào)整擴散器結構尺寸否否否是否防止海水倒灌是合適的擴散器結構之三滿足噴射流速要求是合適的擴散器結構之二是是否滿足水質(zhì)要求合適的擴散器結構之一圖2擴散器結構概念設計流程fig.2.the structure concept design process of diffus