徐高田1， 韦鹤平2
（1.上海大学环境科学与工程系，上海200072； 2.同济大学环境科学与工程学院上海 200092） 摘 要： 在污水海洋处置工程中，扩散器长度对于污水的近区稀释扩 散效果及工程的建设投资影响很大。为了满足设计初始稀释度并降低工程费用，本文结合嘉兴市污水海洋处置工程，利用Jetlag3模型确定了其扩散器长度。结果表明，八团(0-1500)扩散器长度取200～250m，场前(0+0000)和场前(0+1400)扩散器长度取250～300m，能满足近区初始稀释度的要求。
关键词： 污水海洋处置； 扩散器长度； 近区初始稀释度
中图分类号：TU992.1
文献标识码：C
文章编号： 1000-4602(2000)09-0033-04 为实现环境综合整治的目的和任务，嘉兴市污水处理工程项目的截污范围包括嘉兴市城区、郊区、市属平湖市、海盐县、嘉善县部分区域，其服务面积约860 km2，服务人口约54.12万人。近期接纳污水量约为30×104m3/d，中期(2010年)为45×104m3/d，远期(2020年)为55×104m3/d。污水经处理后，通过潜没多孔扩散器排入杭州湾。 1 设计初始稀释度的确定 初始稀释度设计的目的和任务是在给定的环境条件(排放口已确定)和排放条件下，通过选择 适当的扩散器长度、喷口直径、上升管间距、喷口个数等设计参数，使岸边或者保护区达到 预定的水质目标，并使混合区范围小且达到一定的卫生学和审美学方面的要求。
初始稀释设计的关键问题有二个，其一是确定该工程所需要的初始稀释度，即设计初始稀释度Sreq；其二是确定污水场的潜没状态，即是否潜没和潜没深度Hreq。这里需要指出的是，对于不同的海区和污水海洋处置工程，关于Sreq和Hreq的要求将是不同的，没有一个固定的标准。
如果岸边或者保护区离排污口不太远，在污染羽流能够侵袭的范围之内，污染指标物为某一 非保守性物质，则在岸边或者保护区，该污染物的总浓度C由下式确定：
式中 ?C0 ——污水中污染物的浓度
? S1——初始稀释度
? Sd——再稀释度，对于最简单的均匀流情况，可由著名的Brooks公式求出
? Cp——污染物由于长期被动扩散引起的平衡浓度，即污染物的背景浓度
λ——衰减率
? t——污染羽流从排污点抵达岸边或者保护区所经历的时间
如果该污染物的水质目标规定为Cs，则Cs应满足： Cs≥C0/Sreq.1/Sd.eλt+Cp （2） 设计初始稀释度Sreq可由上式求出： Sreq≥C0/(Cs-Cp).（1/Sd.e-λt） （3） 初始稀释度的设计准则包括［1］：
① Sreq应保证岸边或保护区达到预定的水质目标
根据所预定的水质目标，根据上式就可以计算出设计初始稀释度。
② Sreq应足够高，以避免形成稳定的水面污水场 初始稀释度较低的水面污水场与周围海水之间有一明显的密度分层，密度梯度较大，妨碍了两水层之间的混合，这使高浓度的污水场持续时间增长，从而增大了它侵入岸边或保护水域 的可能性。随着初始稀释度的增大，水面污水场的稳定性将减少，只要这种稳定性足够弱，污水场在迁移过程中，海水的紊动作用就能够消除污水场与海水之间的交界面，而进一步的混合将使污水场趋于消失。
③ Sreq应使混合区满足一定的卫生学和审美要求 尽管水质目标不适用于排污点附近所形成的混合区，但一般对混合区也有一定的卫生学和审 美学方面的要求，这种要求主要包括三个方面，即在水面不形成油膜、不产生难闻的气味和 不形成明显可见的混浊云斑。
④ 应避免污水场潜没在深水层和在跃层处形成很薄的污水场
从卫生学和审美学的角度，通常希望形成潜没污水场，这时气味和混浊云斑等问题都 得以避免，并且潜没污水场向岸迁移的可能性要比水面污水场小。
一般说来，潜没污水场比水面污水场更有利于混合，这是因为潜没污水场与海水有两个交接面，而水面污水场只有一个，并且潜没污水场与海水的密度差一般要小于相应的水面污水场与海水的密度差。但是，如果污水场潜没于非常强的跃层处，形成很薄的污水场，由于该层的紊动很弱，其混合就要比水面污水场弱很多。
在进行污水场潜没深度设计时，应对当地海水的垂向环流予以足够的重视，应避免潜没污水 场抵达海岸后又被上升流带到水面。通常，稳定的离岸风将导致深层水体向岸运动，并在岸边形成上升流，这时潜没在深水层的污水场有可能引起岸边污染(而水面污水场则被风海流 带离海岸)；另一方面，向岸风将引起相反的情况：水面污水场被带向岸边而深层潜没污水场则被带离海岸。因此，污水场的Hreq应根据向岸风和离岸风发生的频率来确定，如果两者都经常发生，可以将污水场设计成潜没在中层。
从生物学的角度，污水场潜没在深水层是不利的。一方面，深水层通常为缺氧层，直接将含 有大量BOD的污水加入该层中会使缺氧更加严重；另一方面，污水场潜没在深水会导致污水 中的固体颗粒大量集中沉积在扩散器附近区域。因为深水层流速较低，颗粒会更快地沉降至 海底，从而被流带到离扩散器较远地方的可能性将减小。显然，缺氧和沉积物中 来自污水固体颗粒的高负荷都可能对底栖生物造成危害。
设计初始稀释度Sreq应为何种特征值目前尚未有统一的规定，有的国家或地区采用污水场最小稀释度作为设计初始稀释度特征值，而有的则采用污水场平均稀释度。实际上不同的海区域环境条件和功能区对Sreq的要求是不同的，设计初始稀释度或设计标准都是针 对所采用的特征值而提出的，为了减少污染羽流可能对周围保护目标的侵袭，不少国家和地 区对初始稀释度都有最低限度的规定。例如香港特别行政区规定水面污水场最小稀释度应≮85，而美国旧金山污水排海工程设计中规定在80%的时间里污水场平均稀释度应＞100，英国规定＞50。
嘉兴市污水海洋处置工程陆上拟设二级污水处理厂，排放水质按国家《GB 8978—1996》污 水综合排放二级标准经潜没多孔扩散管排入杭州湾，即：CODCr＝120mg/L，采用CODMn作为污染物浓度的主要控制指标，若要求在近区外侧边缘达到二类海水水质 标准，即CODMn＜4，根据所提供的资料，排放海域CODMn本底浓度为2.21～3.64 mg/L其平均本底浓度为2.80 mg/L。如果根据平均浓度，在不考虑再稀释度的 情况下，所需要的近区稀释度，即设计初始稀释度为Sreq≥C0/(Cs-Cp)＝60/(4-2.8)＝50。
若平均污水水质按一级标准排放浓度考虑，CODCr＝60mg/L，达到二类海水水质标准所需要的设计初始稀释度为Sreq＝30/(4-2.8)＝25。
当本底浓度按2.21～3.64mg/L考虑时，一级标准出水和二级标准出水达到二类海水水质标准时所需要的初始稀释如表1所示。
按平均本底浓度2.80 mg/L、国家《GB 8978—1966》二级排放标准考虑，嘉兴市污水 海洋处置工程设计初始稀释度取为50。 表1 不同本底浓度、不同出水标准时达到二类
海水水质所需要的初始稀释度| 本底浓度（CODMn（mg/L) | 出水标准CODcr（mg/L) | 达到二类海水水质需要的初始稀释度 | | 2.21 | 一级标准60 | 16.76 | | 二级标准120 | 33.52 | | 3.64 | 一级标准60 | 83.33 | | 二级标准120 | 166.67 | | 2.80 | 一级标准60 | 25 | | 二级标准120 | 50 | 2 污水海洋处置工程扩散器长度确定 污水海洋处置工程由陆上和海上二部分组成，海上部分由放流管和扩散器构成，放流管主要是指从高位井到扩散器起始端的部分。扩散器由扩散管、上升管及喷口等组成，扩散器的构 成如图1所示。 
扩散器是污水海洋处置系统的关键构筑物，扩散器的长度直接影响近区稀释效果，一般说来，在相同排污量下，扩散器越长，稀释效果越好。但扩散器过长，其基建费用增加。影响扩散器长度的主要因素是：污水排放流量、设计初始稀释度、排放有效水深、密度差、水动力状况等。
根据浙江省河口海岸研究所提供的资料，拟选场前0+0000和0+1400以及八团0-1500作为三个 拟选排放口，排放口的各具体参数如表2所示。 表2 三个拟选排放口的环境参数| | 设计水深（m） | 设计流速（m/s） | 放流管长度（m） | | 场前0+0000 | 7.08 | 0.5(60.42%保证率） | 1650 | | 场前0+1400 | 8.78 | 0.5（60.42%保证率） | 1800 | | 八团0-1500 | 9.78 | 0.8（58.33%保证率） | 1850 | 目前，国内外尚没有关于扩散器长度的设计规范［2］，这里首先根据应达到的设计初始稀释度来确定扩散器的长度。选用的稀释扩散计算模型为Jetlag3模型，该模型是国际水力研究学会流体力学组主席、香港大学教授李行伟博士研制的，对前人研制的稀释扩散模型有很大的改进，该模型可以较好地模拟在潮流环境下单喷口近区稀释扩散情况。
扩散器长度初步确定为200、250、300 m，场前0+0000、场前0+1400的环境流速取0.5m/s(60.42%保证率)，八团0-1500环境流速取0.8m/s(58.33%保证率)，2000年、2010年、2020年的污水量分别为30、45和55×104m3/d，根据Jetlag3模型，初始稀释度、冒顶距离及射流宽度的计算结果如表3所示。 表3 不同扩散器长度方案的初始稀释度、冒顶距离及射流宽度计算结果| 流量（m3/d) | 方案 | 扩散器长度（m） | 稀释度 | 冒顶距离（m） | 射流宽度（m） | | 300000 | 场前
0+0000 | 200 | 61.84 | 40.18 | 11.96 | | 250 | 76.04 | 42.53 | 11.36 | | 300 | 85.50 | 44.02 | 11.04 | 场前
0+1400 | 200 | 86.80 | 49.91 | 12.92 | | 250 | 107.3 | 53.30 | 12.22 | | 300 | 121.01 | 55.68 | 11.88 | 八团
0-1500 | 200 | 161.73 | 96.75 | 11.08 | | 250 | 200.50 | 106.5 | 10.50 | | 300 | 227.10 | 112.8 | 10.20 | | 450000 | 场前
0+0000 | 200 | 50.06 | 43.60 | 16.56 | | 250 | 61.20 | 45.04 | 15.78 | | 300 | 68.40 | 46.14 | 15.38 | 场前
0+1400 | 200 | 68.28 | 51.91 | 18.12 | | 250 | 83.86 | 54.33 | 17.22 | | 300 | 94.24 | 55.90 | 16.72 | 八团
0-1500 | 200 | 124.21 | 90.0 | 15.58 | | 250 | 153.45 | 97.31 | 14.80 | | 300 | 172.55 | 101.89 | 14.42 | | 550000 | 场前
0+0000 | 200 | 45.88 | 46.51 | 19.08 | | 250 | 55.95 | 47.67 | 18.22 | | 300 | 62.39 | 48.51 | 17.76 | | 场前0+1400 | 200 | 62.13 | 54.55 | 21.06 | | 250 | 76.09 | 56.47 | 20.04 | | 300 | 84.88 | 57.63 | 19.48 | 八团
0-1500 | 200 | 111.44 | 89.21 | 18.30 | | 250 | 136.90 | 95.63 | 17.44 | | 300 | 153.13 | 99.66 | 16.96 | 从表3可以看出，扩散器长度对初始稀释度有明显影响，初始稀释度随着扩散器长度的增加而增加。考虑到工程经济、技术和环境诸方面的因素，八团(0-1500)扩散器长度取200～250m，场前(0+0000)和场前(0+1400)扩散器长度取250～300m，这样三个拟选排放点处的初 始稀释度都能满足设计初始稀释度的要求。 3 结语 国内外目前还没有扩散器长度的设计规范，根据扩散器长度利用Jetlag3模型计算近区稀释度，然后与设计初始稀释度相比较来确定扩散器的长度，这种方法比较简单，使用方便，在 扩散器初步设计中应用较多。
对于嘉兴市污水海洋处置工程的三个拟选排放口，根据计算结果，八团(0-1500)扩散器长度取200～250 m，场前(0+0000)和场前(0+1400)扩散器长度取250～300m，与物理模型试验结 果基本接近。 参考文献：
［1］ 黄河宁.污水排海工程导论［M］.大连：大连理工大学出版社，1990.
［2］ 何强，等.污水海洋处置的扩散器长度［J］.海洋环境科学，1991，10(4)： 37-44.
［3］ D J Barmgartner,W E Frick,P J W Roberts.Dilution Nodels For Effl uent Discharges(third edition［M］.New Yord:Environmental research laboratory ,Narragansett,U.S.EPA,1994.
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收稿日期：2000-03-20 | 
