污水排海扩散器优化设计

赵毅山 (同济大学工程力学与技术系)
韦鹤平 邓晓林 (同济大学环境工程学院)

　　摘要 结合上海市污水治理二期工程，介绍排海工程中扩散器水力计算的新方法，通过控制扩散器三通及喷头局部阻力系数，使各上升管出流量不均匀分配，数学模型计算结果与物理模型实测值非常吻合。
　　关键词 污水排海 扩散器 非均匀分配 数模计算

　　上海市污水治理二期工程是我国迄今为止最大的污水治理工程，建设此项工程的主要目的是为了减缓黄浦江上游水质污染。该工程设计旱流污水量为170×10.4 t/d，污水经预处理后排入长江口白龙港流域。?
　　排放口初步设计方案利用管径4 200 mm放流管将170×10.4 t/d污水通过202.5 m长的扩散器潜没多孔均匀排入白龙港水域，排放口水域5年一遇设计水位为5.18 m，最低水位-0.6 m，上升管喷口顶部高程为-3.257～-6.537 m。在白龙港排放口位置、放流管长度、扩散器长度及水深、水文等外界环境条件都已确定的条件下为了充分利用排放口的水流条件和环境水体的稀释能力，提高近区初始稀释度，要对初步设计方案进行优化，将扩散器多根上升管(见图1)流量不均匀分配，即近岸上升管分配以较少的污水量，离岸上升管分配以较多的污水量，且使水头损失合理。通过多方案多工况的数值模拟，得到扩散器最佳形式。

1 公式建立

　　建立扩散管0-0断面与第i根上升管的伯努利方程(见图1)：?

　　
　　式中　Q_i --- 扩散管内流量?
?　　　　d_i --- 上升管直径?
?　　　　q_i --- 上升管流量?
?　　　　a_i--- 上升管面积?
?　　　　D --- 扩散管直径?
?　　　　A --- 扩散管面积?
?　　　　L --- 两上升管之间的扩散管长?
?　　　　l --- 上升管长?

　　ζ_i,i为扩散管水流进入上升管的阻力系数，即三通阻力系数，是通过物理模型试验获得的^[1]，三通的局阻为ζ_i,i乘扩散管流速水头，即

　　ΔH三通=ζ_{i,i×(v扩散器²/2g)}

　　ζ_i为喷头淹没流阻力系数；喷头的局阻为ζ_i乘上升管流速水头，即

　　
　　由于已知三通及喷头的局部阻力系数，进行扩散器的水力模型计算时，先假定第一根上升管的出流量，根据方程组(3)算出各个上升管的出流量，如果算出的上升管总流量与实际流量不符合，则对第一根上升管的出流量按一定规律重新假定，再重新进行计算，直到算出总流量与实际总流量误差在一定范围以内。?

2 计算框图

　　由上述数学模型推导，根据公式(3)编制计算程序，其计算框图如图2。

3 数学模型验证

　　利用物理模型试验数据对数学模型进行验证，其中实测各上升管流量、水头损失以及计算各上升管流量、水头损失如图3所示。

　　由图3可以看出，各上升管出流量呈不均匀分配，即近岸上升管出流量小，远岸上升管出流量大；数学模型计算值与实测值非常吻合，两者误差在10％以内，说明数学模型的计算结果是可信的，可以用于扩散器水力计算。

4 优化设计方案之一

　　扩散器直径为1.1m的上升管共11根，每只喷头分别设喷口8mm×290mm(1排)三只、16mm×250 mm(2排)四只以及16 mm×270mm(2排)四只，计算结果如图4所示。?

5 结论

　　① 通过控制扩散器三通及喷头局部阻力系数，可以达到各上升管不均匀出流；流量分配格局可以通过改变喷头喷口个数以及喷头喷口孔径作有效的控制，在上升管管径不变的情况下，改变喷头形式是控制上升管流量有效和可行的方法；喷口孔径越小、喷口个数越少，相应上升管出流量越小。?
　　② 利用物理模型对数学模型进行验证，发现计算值与实测值吻合。在大部分情况下，计算的上升管出流量与实测的上升管出流量误差在10％以内，有的甚至达到5％左右，即数学模型是可靠的。
　　③ 优化设计方案实现了上升管流量不均匀分配；水头损失、喷头射流速度、扩散器内水力条件与原设计基本上一致，即防止海水入侵的条件基本相似。

参考文献

　　1 韦鹤平，赵毅山等. 上海市污水治理二期工程优化扩散器工程参数研究报告. 上海：同济大学环境学院，1998?
　　2 徐正凡等. 水力学. 北京：高等教育出版社，1986
　　3 张永良等. 污水海洋处置技术指南. 北京：中国环境科学出版社，1996?
　　4 Don J Word et al. Modeling pipe networks dominated by junctions.Joumal of Hydraulic Engineering,1993；119(8)?
　　5 Richard L,Stockstill et al. Hydraulic calculation for flow in lock manifolds.Joumal of Hydraulic Engineering,1991；117(8)?

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作者简介：赵毅山 男 38岁 硕士 讲师
通讯处：200092 上海四平路1239号 同济大学工程力学与技术系
(收稿日期 1998-06-12)