徐高田1， 韋鶴平2
（1.上海大學環境科學與工程系，上海200072； 2.同濟大學環境科學與工程學院上海 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稀釋擴 散效果及工程的建設投資影響很大。為了滿足設計初始稀釋度并降低工程費用，本文結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，能滿足近區初始稀釋度的要求。
關鍵詞： 污水海洋處置； 擴散器長度； 近區初始稀釋度
中圖分類號：TU992.1
文獻標識碼：C
文章編號： 1000-4602(2000)09-0033-04 為實現環境綜合整治的目的和任務，嘉興市污水處理工程項目的截污范圍包括嘉興市城區、郊區、市屬平湖市、海鹽縣、嘉善縣部分區域，其服務面積約860 km2，服務人口約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。污水經處理后，通過潛沒多孔擴散器排入杭州灣。 1 設計初始稀釋度的確定 初始稀釋度設計的目的和任務是在給定的環境條件(排放口已確定)和排放條件下，通過選擇 適當的擴散器長度、噴口直徑、上升管間距、噴口個數等設計參數，使岸邊或者保護區達到 預定的水質目標，并使混合區范圍小且達到一定的衛生學和審美學方面的要求。
初始稀釋設計的關鍵問題有二個，其一是確定該工程所需要的初始稀釋度，即設計初始稀釋度Sreq；其二是確定污水場的潛沒狀態，即是否潛沒和潛沒深度Hreq。這里需要指出的是，對于不同的海區和污水海洋處置工程，關于Sreq和Hreq的要求將是不同的，沒有一個固定的標準。
如果岸邊或者保護區離排污口不太遠，在污染羽流能夠侵襲的范圍之內，污染指標物為某一 非保守性物質，則在岸邊或者保護區，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所經歷的時間
如果該污染物的水質目標規定為Cs，則Cs應滿足： Cs≥C0/Sreq.1/Sd.eλt+Cp （2） 設計初始稀釋度Sreq可由上式求出： Sreq≥C0/(Cs-Cp).（1/Sd.e-λt） （3） 初始稀釋度的設計準則包括［1］：
① Sreq應保證岸邊或保護區達到預定的水質目標
根據所預定的水質目標，根據上式就可以計算出設計初始稀釋度。
② Sreq應足夠高，以避免形成穩定的水面污水場 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，水面污水場的穩定性將減少，只要這種穩定性足夠弱，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應使混合區滿足一定的衛生學和審美要求 盡管水質目標不適用于排污點附近所形成的混合區，但一般對混合區也有一定的衛生學和審 美學方面的要求，這種要求主要包括三個方面，即在水面不形成油膜、不產生難聞的氣味和 不形成明顯可見的混濁云斑。
④ 應避免污水場潛沒在深水層和在躍層處形成很薄的污水場
從衛生學和審美學的角度，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計時，應對當地海水的垂向環流予以足夠的重視，應避免潛沒污水 場抵達海岸后又被上升流帶到水面。通常，穩定的離岸風將導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海流 帶離海岸)；另一方面，向岸風將引起相反的情況：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應根據向岸風和離岸風發生的頻率來確定，如果兩者都經常發生，可以將污水場設計成潛沒在中層。
從生物學的角度，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重；另一方面，污水場潛沒在深水會導致污水 中的固體顆粒大量集中沉積在擴散器附近區域。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。
設計初始稀釋度Sreq應為何種特征值目前尚未有統一的規定，有的國家或地區采用污水場最小稀釋度作為設計初始稀釋度特征值，而有的則采用污水場平均稀釋度。實際上不同的海區域環境條件和功能區對Sreq的要求是不同的，設計初始稀釋度或設計標準都是針 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的侵襲，不少國家和地 區對初始稀釋度都有最低限度的規定。例如香港特別行政區規定水面污水場最小稀釋度應≮85，而美國舊金山污水排海工程設計中規定在80%的時間里污水場平均稀釋度應＞100，英國規定＞50。
嘉興市污水海洋處置工程陸上擬設二級污水處理廠，排放水質按國家《GB 8978—1996》污 水綜合排放二級標準經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，若要求在近區外側邊緣達到二類海水水質 標準，即CODMn＜4，根據所提供的資料，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。如果根據平均濃度，在不考慮再稀釋度的 情況下，所需要的近區稀釋度，即設計初始稀釋度為Sreq≥C0/(Cs-Cp)＝60/(4-2.8)＝50。
若平均污水水質按一級標準排放濃度考慮，CODCr＝60mg/L，達到二類海水水質標準所需要的設計初始稀釋度為Sreq＝30/(4-2.8)＝25。
當本底濃度按2.21～3.64mg/L考慮時，一級標準出水和二級標準出水達到二類海水水質標準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》二級排放標準考慮，嘉興市污水 海洋處置工程設計初始稀釋度取為50。 表1 不同本底濃度、不同出水標準時達到二類
海水水質所需要的初始稀釋度| 本底濃度（CODMn（mg/L) | 出水標準CODcr（mg/L) | 達到二類海水水質需要的初始稀釋度 | | 2.21 | 一級標準60 | 16.76 | | 二級標準120 | 33.52 | | 3.64 | 一級標準60 | 83.33 | | 二級標準120 | 166.67 | | 2.80 | 一級標準60 | 25 | | 二級標準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 成如圖1所示。 
擴散器是污水海洋處置系統的關鍵構筑物，擴散器的長度直接影響近區稀釋效果，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、設計初始稀釋度、排放有效水深、密度差、水動力狀況等。
根據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如表2所示。 表2 三個擬選排放口的環境參數| | 設計水深（m） | 設計流速（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，國內外尚沒有關于擴散器長度的設計規范［2］，這里首先根據應達到的設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會流體力學組主席、香港大學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境下單噴口近區稀釋擴散情況。
擴散器長度初步確定為200、250、300 m，場前0+0000、場前0+1400的環境流速取0.5m/s(60.42%保證率)，八團0-1500環境流速取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Jetlag3模型，初始稀釋度、冒頂距離及射流寬度的計算結果如表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。考慮到工程經濟、技術和環境諸方面的因素，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計初始稀釋度的要求。 3 結語 國內外目前還沒有擴散器長度的設計規范，根據擴散器長度利用Jetlag3模型計算近區稀釋度，然后與設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 擴散器初步設計中應用較多。
對于嘉興市污水海洋處置工程的三個擬選排放口，根據計算結果，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 果基本接近。 參考文獻：
［1］ 黃河寧.污水排海工程導論［M］.大連：大連理工大學出版社，1990.
［2］ 何強，等.污水海洋處置的擴散器長度［J］.海洋環境科學，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 | 
