油气储运工程毕业论文

油气储运工程毕业论文题 目：沿海油库海水淡化后浓海水处置技术的研发排海扩散器的设计 专 业： 油气储运工程 29浙江海洋学院本科毕业设计 英文摘要 目录中文摘要I英文摘要1前言11.1 背景11.2 浓海水处理方法11.3 浓海水处理排海工程11.4 本文的工作22海水淡化的尾液影响32.1 浓海水对海洋生态系统的影响32.2 海水淡化厂污染物排放32.3 排放水物理性质变化对海洋生态系统的影响33模型理论43.1 近区模型研究现状43.2 远区模型研究现状63.3 水动力学参数73.4 海洋水动力学状况评价方法74排海扩散器的设计114.1 扩散器结构与要求114.2 扩散器结构概念设计的原理和流程134.3 设计中主要影响因素144.4 孔口出流系数法144.5 动压力水头法及其优化设计程序184.6 六横岛台门海水淡化工程225总结与建议285.1 总结285.2 建议286参考文献29沿海油库海水淡化后浓海水处置技术的研发 排海扩散器的设计 摘要 浓海水处理排海工程就是将海水经过淡化处理的浓海水通过海洋放流管输送到离海岸一定距离、一定深度的强流区域，由海洋放流管尾部的扩散器排放，即充分利用海洋的扩散、降解和自净能力，达到浓海水处理的目的。海水经淡化之后，产生浓盐水尾液，如果它不加处理，直接排放，势必对环境造成严重影响。利用扩散器排放浓海水，能很好的利用自然海域的特点，海域本身的自净溶解能力使浓海水及时得到扩散稀释，达到净化目的。这样，既解决了环保问题，又使处理浓海水尾液成本得以降低。本文从我国水资源的严重缺乏角度，阐述了海水淡化的重要性，进而引出海水淡化之后所产生的浓海水尾液的影响。通过对近些年排海工程理论模型的了解，再对海洋水动力学进行研究，提出一些模拟方法。本文着重阐述如何进行排海扩散器的设计，从结构、要求、设计原理、流程和主要影响因素等多角度考虑，并介绍两种扩散器水力设计方法孔口出流系数法和动压力水头法。在六横岛台门海水淡化工程中，采用T型走向扩散器，通过数值模拟，对轴线流速、浓度及稀释度的沿程变化进行比较，得出结论。关键词 扩散器；浓海水尾液；孔口出流系数法；动压力水头法；T型走向扩散器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 316004)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 the 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 water 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 deal 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 theoretical 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 hydraulic 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 diffuser；thick liquid water；the flow coefficient method of the orifice；dynamic pressure head method；T toward of the diffuser1前言1.1 背景淡水资源短缺是全球目前面临的主要社会问题之一，解决淡水短缺问题除了传统的节约用水、废水利用、远途调水等方法外，利用现代技术大规模开辟新的水源则首推海水淡化技术。我国是一个水资源严重短缺的国家，人均淡水占有量仅为世界平均水平的1/4。沿海地区经济发达、人口稠密，淡水供需矛盾更加突出。在陆地淡水资源日益短缺的严峻形势下，人们把目光投向了海洋。我国海水淡化技术的研究起步较早，19671969年全国组织海水淡化会战，同时开展电渗析（ED）、反渗透（RO）和蒸馏多种海水淡化方法的研究。1981年建成西沙200m3/d电渗析海水淡化装置；1997年，浙江省重大科技攻关项目“500m3/d反渗透海水淡化示范工程”在浙江省嵊泗县嵊山岛建成投产1；2000年，在国家科技部重点科技攻关项目“日产千吨级反渗透海水淡化系统及工程技术开发”的支持下，先后在山东长岛、浙江嵊泗建成了1000m3/d反渗透海水淡化示范工程；2003年，国家发改委高技术产业化项目“山东荣成日产10000吨级反渗透海水淡化示范工程”一期5000m3/d机组在荣成市石岛建成投产；2004年，国家科技部科技攻关项目“低温多效海水淡化示范工程”，3000m3/d低温多效海水淡化装置在青岛市黄岛电厂建成2。经过近40年的研发和示范，我国海水淡化技术已日趋成熟，为大规模应用打下了良好基础。我国已成为世界上少数几个掌握海水淡化先进技术的国家之一3。目前已建成运行的海水淡化水产量约为12万m3/d，在建和待建的工程规模为38万m3/d。根据国家海水利用专项规划，我国海水淡化能力2010年将达到80万100万m3/d4，2020年将达到250万300万m3/d。1.2 浓海水处理方法世界上常用的浓海水处理方法可分为两大类。一类是直接排放，如排入海洋、地表水、污水处理系统等；第二类将浓海水进行再利用，如地表灌溉、制盐、提取化工原料等5。其中，直接排放投资少、效益高，但其处理不当会对环境造成严重污染，故一般采用扩散器来加速浓海水的稀释，达到保护环境的作用。1.3 浓海水处理排海工程浓海水处理排海工程就是将海水经过淡化处理的浓海水通过海洋放流管输送到离海岸一定距离、一定深度的强流区域，由海洋放流管尾部的扩散器排放，即充分利用海洋的扩散、降解和自净能力，达到浓海水处理的目的。排海工程的规划、设计、施工、运行，在国外已有几十年的历史。早期建造的排海工程一般只是一条简单的放流管，末端开口，不带扩散器，排放的污水也不经过任何预处理。至上个世纪20年代，排海工程开始在放流管的末端增加了一段带有多孔的扩散器，而且也逐步开始了排海前的预处理。例如，建于1925年的英国Heng istbury污水排海工程安装了一个有6个喷孔的扩散器。利用多孔扩散器将污水分散排放更有利于污水与海水的混合，它通过其喷嘴将浓海水射入环境水体，是一种用来增强污水与环境水体掺混稀释能力的工程措施。合理地设计扩散器可使射出的浓海水在较小范围内获得高倍数稀释，并可以提高稀释效率，降低局部海区的污染程度，避免形成稳定的浓海水场，便于浓海水的进一步输移扩散。这样既充分利用纳浓海水体的环境容量和自净能力，显著减少浓海水处理费用，又保证环境目标的实现6。1.4 本文的工作本文应用数值模拟的方法对海水淡化浓海水尾液排放过程进行研究，预测污染物对环境可能造成的影响范围和程度，针对浓海水尾液，设计出合理的扩散器形式，并提供可行的减轻不良环境影响的措施，为管理部门提供决策依据，为开发工程的环境保护设计提供科学依据，为作业者实施完善的环境管理措施提供可操作依据，对沿海社会、经济的可持续发展也有着较为重要的现实意义。2 海水淡化的尾液影响海水淡化可为内陆地区节省更多可以利用的淡水资源，这对于长远解决我国水资源短缺问题具有战略意义。但在大力发展海水淡化事业的同时，也不可避免地带来海洋生态环境问题。海水淡化厂排放的浓海水及其所含的污染物(重金属、化学添加剂等)以及物理性质（如温度、密度)的变化，如未经适当的处理而直接排放入海，将对海洋生态环境造成相当的冲击。2.1 浓海水对海洋生态系统的影响海水淡化厂排放的浓海水的盐度一般是取用海水的2倍7。若这些浓海水排放方式不当，将导致排放海域盐度的升高。以胶州湾为例，按海水淡化水产量20万m3/d、胶州湾海水交换周期为60天计算，若产生的浓海水全部排入胶州湾，则胶州湾的平均盐度将每年上升约0.3个盐度单位，30年后胶州湾的平均盐度将超过40，与死海的盐度相当。盐度的升高会改变海洋生物本身体液与其生活环境海水中渗透压的平衡，从而降低海洋生物的繁殖力(主要是幼虫和幼仔)，甚至使其灭绝。研究发现许多类海洋生物的呼吸及排泄能力，都与其周遭环境的盐度有密切的关系。有些海洋生物被称为狭盐性，因为它们仅能在一个狭窄的盐度变化范围内保持其体液与周围环境间渗透压的平衡。而能忍受环境中较大盐度变化的海洋生物，则被称为广盐性。有些海洋生物虽然在盐度增高至某一程度时仍能生存，但其细胞的增殖能力却已大为减低。此外，由于底栖生物无足够的移栖能力，因此浓海水排放对排水口附近的底栖生物的影响尤其严重。2.2 海水淡化厂污染物排放海水淡化厂排放水中污染物来源主要有两类：一类是化学添加剂，如生物杀灭剂(通常为氯气或次氯酸钠)、抑垢剂(通常为聚磷酸盐)、防沫剂、防蚀剂、酸洗剂等；另一类是由管路腐蚀产生的毒性重金属，如Cu、Ni、Mo、Cr、Zn等。研究表明，以上这些污染物都会对海洋生态系统产生危害。以生物杀灭剂氯气为例，多级闪急蒸馏法排放水中游离氯含量一般在(0.2 0.5)10-6，若按淡水/排水(含冷却水)比19来估算，一个10万m3/d的淡化厂排放游离氯量为180450kg/d。虽然稀释作用和降解作用会降低接受水体的游离氯浓度，但即使很低的游离氯浓度也会对海洋生物产生毒害作用。首先，游离氯是一种高效的生物杀灭剂(这也是作为海水淡化生物杀灭剂的原因)；其次，游离氯与海水中的有机物发生化学反应，产生若干有致癌作用或毒害作用的卤化物。美国国家环保局规定海水中游离氯不得超过0.01310-6(短期)和0.007510-6(长期)。另外，在浓海水中浓度最大的重金属是铜，其含量比自然海水高12个数量级8。2.3 排放水物理性质变化对海洋生态系统的影响排放水物理性质的改变主要有两点：温度升高和密度增大。排放水密度的增大主要影响接受水体的物理性质，由于浓海水的密度大于自然海水，其入海后易于沉降在水底，阻碍了海水的垂直混合，并在排水口附近形成高盐沙漠。而排放水温度的升高(尤其是蒸馏法)则直接影响海洋生物的生长和繁殖。大部分的海洋生物都是在一定的温度范围内生长和繁殖，温度的改变会影响海洋生物的生理机能，并影响其产卵、生长及幼虫孵化能力。此外，排放水温度的升高将导致接受水体溶解氧含量的降低，而间接对海洋生物和水质产生不利影响。3 模型理论3.1 近区模型研究现状国内外对城市污水海洋处置工程近区的稀释扩散规律的研究已有较长的历史，与污染近区有关的射流理论也由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流发展，如横流、分层流、浅水域射流，潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋动射流等。射流是指一般流体从各种排放口或喷口流入周围环境流体，并同其发生强烈混合的流动状态。根据射流的形成可将射流分为三种：喷口处初始动量对流动起支配作用的射流为纯射流或动量射流，由于喷口处流体与环境流体的密度差产生的浮力作用形成的射流为羽流和卷流，而浮射流则是即受动量作用又受浮力作用，同时具有射流和羽流特性的一种射流。射流的基本特征就是由于射流与周围环境流体之间速度差形成的卷吸和掺混，使射流断面不断扩大，射流流速沿程减小，浓度或温度降低。目前，射流理论被广泛的应用在水利、航空航天、环保、冶金、化工、交通、矿山等多个领域。浮射流是环境水力学和流体力学近年来的重要研究对象。从上世纪20年代开始研究无限空间同类流体中等密度自由紊动射流理论以来，国内外学者进行了大量有关浮射流的研究工作，使浮射流理论有了较大的发展。浮射流特性研究的目的主要是在于确定它的稀释度、射流轴线的轨迹、射流扩展的范围和射流中流速的分布等。对于变密度、非等温和挟带有污染物质的射流还要确定密度分布、温度分布、和挟带物浓度分布。研究方法主要有物理模型和数学模型两种。3.1.1 物理模型物理模型即根据水力相似性原理，采用将原型缩小到一定比尺后进行污染物排放物理实验，通过实测数据分析污水经排放口出流后浮射流的行为特征，从而得到描述其运动规律的经验半经验公式。量纲分析是物理模型常采用的方法，通过分析影响射流运动的诸多因素，如环境水体因素、扩散器几何要素、浮射流自身排放要素等，得到描述浮射流运动特性的关系式。在浮射流初始研究阶段，量纲分析方法在分析整理试验资料和数据上发挥了巨大的作用，获得了有关浮射流的许多基本特征和基本参数，为人们认识和研究浮射流现象提供了强有力的手段，即使在当今的江河湖海尾水排放的物理模型实验中，该方法仍不失为有效的手段。List和Papanicolaious（1988）和Fischer（1979）在分析了大量前人的研究过后分别确定了射流区和羽流区内的速度和浓度的高斯分布函数中的指数系数，以及断面扩展半宽度等特征参数。他们还对各流速沿轴线的衰减规律进行了研究，并在采用量纲分析方法对实验数据整理分析的基础上进一步证实了时均速度和浓度断面符合高斯分布形式。国内的许多专家和学者利用该方法对不同形式和排放条件的污水排放口进行了模型试验研究，取得了大量的宝贵资料和工程经验，对排放口的设计和工程运行起到了很好的指导作用，同时也为其它类似污水排放口的建设提供了宝贵的经验，推动了我国污水江河湖海处置技术的发展。采用该方法，韦鹤平（1989）分别对上海星火工业园区污水排海工程排放口模型进行了实验研究，得出了适用于该工程的排放口参数9；徐高田（1997）结合上海河流污水治理二期工程白龙岗排放口水利模型试验，采用量纲分析法对近区初始稀释度的变化规律进行了研究，得出了描述该排放口条件下初始稀释度变化规律的经验公式；严忠民、蒋传丰等人（1991）还依据无量纲分析结果，对污水排放管的物理模型试验准则和实验方法进行了有益的探索。3.1.2 数学模型数学模型主要包括积分模型和场模型，以及长度比模型。1）积分模型数学模型中最经典的是射流积分模型，它始于20世纪60年代后期，70年代有较快的发展，提出的模型有20多种。射流积分模型的基本思路是：首先假定沿射流各个断面上的流速分布、浓度（温度）分布相似性，通常将射流近区分为初始段和主体段，初始段是射流流态形成区，沿程侧向断面上各因变量的变化多用椭圆分布近似，主体段是射流流态发展区，沿程侧向断面上因变量的分布多用高斯分布逼近。其次必须对射流的厚度作线性扩展假定或对浮射流从侧边卷吸流体的流量作出一个卷吸假定，常用卷吸系数又可近似是常量。对有环境来流的情况还应确定绕流阻力系数。射流积分模型是上述假定的基础上，根据质量、动量和物质守恒的原理，对与射流轴线垂直的横断面积分获得的。然而，积分模型由于采用了许多对称假设，使之不能很好的应用于边界条件较为复杂的情况，只能适用于简单的流动计算。Morton，Taylor和Turner（1973）提出了半无限水域、水体静止且密度均匀的理想环境中单孔或长孔射流研究的积分模型，List和Imberger以及Lee等应用该方法对不同环境水体特性条件下的浮射流运动规律进行了研究，取得了大量成果，丰富了积分模型理论。我国学者韩保新（1996）等人研究了一种污水排海的近远区计算与控制方法，并应用于大亚湾水容量计算和污水排海。槐文心和李炜（1993）应用此方法研究了浮射流卷吸模式本身的特性。徐田高和韦鹤平（2000）研究了积分控制模型，并应用于嘉兴污水海洋处置工程中。从文献可以看出，有关排污射流的研究其环境流体为恒定横流的较多，并取得了丰富的成果，但实际上多数排污工程的受纳域是受潮汐作用强烈的河流和近海水域，因此对非恒定横流作用下射流性质的研究更具有实际意义，但就目前的科学研究的状况来说，认识和描述脉动量及非恒定问题存在很大的困难，对潮流中的排放问题的实验研究也较少，因此也只能在恒定横流研究的基础上近似模拟非恒定横流中污染物排放的射流问题。2）场模型在浮射流的近区，水流紊动剧烈，有强剪切层存在，一般的时均化模型较难于应用，特别是在动水条件下，采用紊流模型才能较准确的把握。紊流模型较上述积分法的应用范围要广，并可以考虑复杂的流动，考虑潮流的动态变化对浓度场的影响，但是紊流模型相对比较复杂，其发展尚不成熟。紊流方程一般分为：零方程（混合长度方程），单方程（紊动动能方程K方程），双方程（Kf，K方程等）。还有很多学者对紊流模型进行了改进：Rodi首先采用了代数应力/通量模型对热电厂的温排放浮羽流特性进行了模拟；Chen和Li采用此模型及改进的单尺度、多尺度模型，对不同分层环境射流进行了较好的模拟；此外Gu Jie等采用模型结合尾水排放近区的模拟；Kim等应用垂向坐标变换对多孔扩散器近远区进行了数值模拟。在“七五”期间，我国学者深入研究了潮汐流动中底部排放污染混和区近区K模型，岸边排放污染混合区完全深度平均模型及实用化计算方法等课题，取得了一定的成果。3）长度比模型自80年代以来，一种以量纲分析为基础来对流动进行分区的长度比模型得以开发和应用。它容易处理较为复杂的环境条件和各种不同的排放方式。这种模型中引入了大量以实验为依据的经验参数，使其计算结果以较强的实践背景为依托，而计算工作量较场模型大大减少，为工程问题混合区流场的分析提供了便利。3.1.2 智能化软件伴随着污水海洋处置工程近区模型的日益完善，智能化的软件模型也得到开发和应用，已知的各种智能化软件以美国开发的为多，其中多半是由美国国家环保局（USEPA）组织开发的。1985年USEPA推荐了5个污水排海稀释度计算模型（UPLUME，UOUTPLM，UM，UDKHDEN和ULINE）。最早的UPLUME模型针对在静水中的圆形单孔排放，基本上只是讲Abraham的浮射流理论计算机化，它适合于环境水体为任意分层，射流的倾角可以是-5o90o。UOUTPLM模型则是基于Frick冷却塔热羽流模型，适用于环境流体为均匀流动中的单孔排放，环境流体的密度分层可以是任意的，射流的倾角可以是-5o90o。UM模型则比UPLUME模型大进一步，其可以用于单孔圆形浮射流，也可用于多孔排放圆形浮射流，并允许环境流体有流速分布。UDKHDEN模型运用欧拉积分方法计算浮羽流的轨迹、半宽、浓度和温度方程，适用于浮羽流的单孔或者多孔排放。ULINE模型是针对在流动水体中的线状扩散器的，是对Roberts在密度不分层的横流中的线源浮力羽流实验数值外推，环境水体密度分层和流速分布可以是任意的。后来Roberts又完成了在密度分层横流中的线源浮力羽流实验，将此结果合并入ULINE模型形成了一个新的模型，称之为RSB模型。1995年USEPA在颁布这些模型时，又把UM和RSB模型并入含有远区稀释度计算的PLUMES软件。2001年，USEPA改进了PLUMES模型，发布了Visual Plume模型软件，包括UM3（UM的升级版本）、DKHW（UDKHDEN的升级版本）、PDSW、NRFIELD（RSB）、PDS、DOS PLUMES等模型。此外还有DKHEN模型及基于拉格朗日方法的OUTPLM模型。1993年康奈尔大学更开发了一个专家系统CORMIX，它把水流的各种水动力条件，如射流与水体表面和水底的动力相互作用都考虑在内，采用特征长度综合了大量的实验资料，因而该专家系统可以扫描各种可能的初始混合情景。Lee开发的Jetlag模型10对环境水流成任意夹角的圆形浮射流进行全场模拟，并可应用于在同一喷头上有多个喷孔的情形。槐文信等也采用数学模型对射流进行了一系列研究。3.2 远区模型研究现状近区研究侧重根据污水的初始动量、浮力、环境水体的分层情况以及水流的作用，远区研究的重点是污水进入海洋水体，污染物经紊动混合与输运扩散后时空分布特性。近岸海域是陆地、海洋和大气之间各种过程最活跃的界面，该水域的环境和生态系统受到来自陆地和海洋的双重作用的影响，对大范围内各种自然过程变化所引起的波动和人类活动的影响十分敏感，生态系统相当脆弱。因此，近海水域环境污染物的迁移转化机理一直是环境科学的热门课题。污染物经过海流不断的紊动混合与输运扩散过程逐渐形成光滑变化的浓度场，称其为平衡浓度场，平衡浓度场是污染物时空分布特性表征，其理论基础就是污染物的扩散输运模型。近海水域的水质预测、评价和管理中，最为实用的流场模型为2D浅水环流模型和二维输运模型。这些模型的应用中，由于控制方程和边界条件的复杂性，其求解过程仍需借助于数值方法，应用最多的如FDM，FEM，FVM，FAM等。Georgetal（2003）则将二维水动力模型与生态模型偶合，进行了复合模型研究；Tsanisetal及张行南等（2001，2004）分别将二维水质模型与GIS技术相结合；刘成等（2003）应用二维模型分别对尾水排入长江口工程的污染物运动轨迹进行了模拟；娄安刚、王学昌等（19932006）分别对渤海海峡、胶州湾等海域应用二维数值模型进行水质分析。近年来三维水质模型得到了应用，如沈永明（20002004）就将三维模型应用于香港维多利亚港、日本九州岛博多湾等地污染预报中；陈祖军等（2003）应用三维模型对长江口水质模拟研究；林卫强、逄勇等（2003）在珠江口海域三维水质模型的应用；闫菊等（2001）将三维模型在胶州湾水质模拟中的应用。美国普林斯顿大学三维海洋模式（POM）及河口陆架海洋模式（ECOMSI）因国际海洋界的认可而得到广泛应用。国内经过吸收改进，成功将这两个模式用在我国的河口海湾的数值模拟中。另外，还有不少三维模型与生态或富营养模型等混合模型。近年还出现有超标概率场模型、概率分析法模型等模型的应用。目前文献中常见的三维水质模型系统还有WASP，CE-QUAL-ICM，EFDC/HEM3D，MIKE3，Delft3D和RMA10等，可实现河流、湖泊、水库、河口和沿海水域等一系列水质问题的模拟11。3.3 水动力学参数排入海域后浓海水浓度的分布除受海洋生物、化学过程影响外，主要受海洋物理过程的控制，其中海洋水动力学是支配海洋中浓海水浓度分布的最主要因子。因此，掌握浓海水排放海域的水动力学状况是了解浓海水浓度分布和变化的关键。1） 潮汐评价海域内潮汐类型及潮汐特征值，包括平均海平面、深度基准面、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、平均涨潮时间、平均落潮时间。2） 潮流日平均流速、最大流速、最小流速。3） 波浪常波向、强浪向、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围和季节变化。5） 非周期海流非周期海流的基本特征和季节变化，包括表层流速、底层流速、海水交换量、近岸区和离岸区的紊流流速和流向。6） 表面漂流表面漂流的流速及流向。3.4 海洋水动力学状况评价方法为了预测污水在海流驱动下的输运状况，需要更深入地了解排海区域的海水动力学现状。通过建立适合排污海区的潮波模型进行数值模拟，并在此基础上建立水质模型讨论排污后对周围海域的影响，同时还应建立拉格朗日质点追踪模型，模拟污水标识质点输运的轨迹，从而选择出较佳的污水排放海域。3.4.1 潮波数值模拟根据排放海域的实际情况，选择合适的潮波数值模型模拟该海域的潮流场，比较模拟和实测的潮位潮流结果，在计算潮流场的基础上，阐明欧拉余流场的特征。潮流场的计算结果可以作为进一步模拟污染物浓度和轨迹的依据。由于一般拟选海域的水平尺度远大于垂直尺度，海水混合比较强烈，盐度、温度等要素的垂直分布较均匀，可采用非线性二维潮波动力学模型进行海区的潮波数值模拟，其基本方程为： （1） （2） （3）式中：分别为x、y方向的平均流速分量； 水体的深度，为从静水面起算的水深； 自静止水面起算的水位高度； 海水密度； 时间坐标； 柯氏参量； 海面风应力，如不考虑风影响，则：0，0； 侧向湍粘性系数； 海底摩擦力的X、Y方向分量。采用二次律公式： （4）式中：cchezy系数，主要取决于海底粗糙度和水深，一般采用美国水利学界普遍采用的Manning公式： （5）式中：表征海底粗糙度的manning系数。3.4.2 浓度预测根据二维浓度模型公式： （6）式中：垂直平均后的浓海水浓度； 污染扩散系数在方向的分量。按Elder的公式： （7）式中：f污染物质的排放速度或者由于生物、化学、物理等因子引起的衰减速率。确定定解条件和离散格式，利用不同时刻的流速作为平流速度场，计算拟建排污口在不同时刻(包括落潮中间时、低潮时、涨潮中间时、高潮时)排放的COD浓度增量。3.4.3 浓海水运移轨迹浓海水通过扩散器进入海水后，污染物大多处于溶解态或悬浮态，它们在海洋中的输移与海水质点一样，其输运途径和去向可以用拉格朗日标识质点轨迹来描述。假定：时刻在计算海域里投下一标识海水微元，其坐标位置为，表示标识微元编号。当时刻，该微元的位置为，可表示为： （8）式中：为微元的拉格朗日速度，它是微元的位置和时间的函数。由于潮流场变化的连续性，可以认为足够小时，时刻标识微元的拉格朗日流速可用该微元位置上展开的欧拉流速的泰勒级数逼近： （9）若略去以上的项并将近似地取为： （10）则该微元从到的位置改变可用下式确定： （11）由此得到一个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一个潮周期，一个周期的终了和开始的时间。根据模型计其结果，可以预测浓海水经过一个潮周期运动以后的实际输送方向和速度，并以此结果划分出海域水交换的活跃区和滞缓区，评价海域的稀释扩散能力。3.4.4 工程海域稀释扩散模拟实验 为了保证数值模拟结果的可靠性，使排海口选择更科学合理，一般都需要在现场进行示踪剂扩散试验，用现场实测数据校核理论计算结果，可更直观地了解该海区的稀释扩散能力和规律。 目前国外在水中用作示踪剂的荧光染料有89种之多，国内一般选用国产罗丹明B作为示踪剂。结合工况方案，在选择好的投放点以点派形式投放到海水表面，间隔一定时间跟踪取样。通过实验室分析，确定罗丹明B浓度与时间的函数关系，测定罗丹明B在不同潮时的运移轨迹，计算稀释因子和海水扩散系数。1）稀释因子污染物质进入水体之后，随时间过程被逐渐稀释的倍数，即称为稀释因子(diffusion factor，DF)。 （19）值愈大，表示污染物浓度愈低。在相同时间内，DF值愈大，表示稀释愈快，反之亦然。2）扩散系数对海区的表层平流扩散系数可采用下列公式计算： （20） 式中：投放罗丹明B的用量(g)； 时间(s)； 测定的罗丹明B的浓度(mg/L)。根据对污染物浓度增量的预测和扩散实验结果的分析，可以初步确定排污口离岸的距离范围，结合进一步的工程设计参数的研究，可以确定出更适宜的距离。4 排海扩散器的设计浓海水排海工程是浓海水处理和处置的一种常用方法。在浓海水排海中，需要合理利用海洋的稀释和净化容量，否则会造成海洋污染和海洋的生态破坏。扩散器的结构直接影响浓海水排放后在近区的浓海水场的形成，不同的环境保护需求所要求的水质不同，对扩散器结构的要求可能也不一样。以前的工程多采用线源模型指导扩散器的结构设计，这与实际工程中的导流管型扩散器不相吻合。近年来海洋排放近区模型研究取得很大进展，出现了一些三维模型。运用这些模型来模拟污水排放后的近区浓海水场状况(如初始稀释度)，将浓海水排放近区的水质影响同扩散器结构紧密地联系起来。尤其在浓海水海洋处置的环境影响研究或可行性研究阶段，在扩散器结构设计还没有进行的情况下，采用本论文提出的扩散器结构概念设计的方法不仅可以评价浓海水排海对环境的水质影响，还可以帮助优化扩散器结构，对实际的设计具有指导作用。4.1 扩散器结构与要求4.1.1 扩散器结构的参数扩散器设计的主要目的是使浓海水水得到足够初始稀释度，同时又投资较省，更充分地利用天然水体的容量。其设计参数包括：1） 扩散器离岸距离(放流管长度)放流管占工程造价的很大一部分，放流管越长，造价越高，其决定与环境因子水深有直接关系也是工程选址所需考虑的决定因素。2） 扩散器长度3） 扩散器形式及走向扩散器形式是为了充分地利用海流，同时使潮周内最小稀释度或扩散器的有效长度尽可能的大，保证在潮周内初始稀释度的振荡幅度最小，浓度的变化更均匀，其实质仍是个扩散器长度问题。初始稀释度预测公式及实验均表明，除了静水及流速很小的情况下，扩散器的走向对初始稀释度相当敏感，直观的判断也很清楚，对于往复流而言，参加稀释的水体总是在扩散器的范围之内，因而，如果环境流向与扩散器正交，则通过扩散器的流量为最大，若为零，则通过扩散器的流量也就最小，一般来说，长的扩散器，首尾两个喷嘴出来的羽流半宽相对于扩散器长度是微不足道。因此，就设计的角度而言，扩散器走向与流向夹角为90是最佳的选择。但是在环境流速流向不断变化的复杂流动的情况下，扩散器的设计就需要考虑其他类型，而不是总是考虑一种形式。扩散器形式可分为（见图1）： I型即扩散器是放流管的直线延伸，多适用于具有往复流特性的沿岸流地区。 L型即扩散器在与放流管末端连接时有一定的夹角，其用意在于满足地形要求及流向要求，使总的管道长度最小，投资最低，而又能使扩散器与环境流向正交。 T型扩散器的中部与放流管连接呈90角，浓海水从扩散器中部分两个方向流入扩散器。这样设计扩散器管径可减少变化。这种T型结构主要运用于向岸流及离岸的情况，使扩散器能与流向正交。 Y型与T型相似，扩散器在放流管末端形成两个分支，但与放流管轴线的夹角不是90，一般为45，这种结构运用于旋转流的地区可使扩散器的有效长度能保持在一定的水平上，而不至于流向的变动，使扩散器有效长度降至或接近于零，影响污水的有效稀释。图1 扩散器形式Fig.1. Diffuser form4） 喷口高程5） 喷口角度6） 喷口直径其中，前三项的作用最为关键，是主控参数，后几个参数相对比较次要，为辅控参数，一般对韧始稀释度的影响较小。在负浮力射流中，喷射倾角成为主控参数之一。早期的扩散器只是一根末段开口的管子，而现在的扩散器则沿管道方向在末段设置多个导流管，并在导流管末端设置多个喷口，称为导流管型扩散器。扩散器结构设计的内容在于确定扩散器各部分的尺寸，将扩散器结构进行简化后，包括：扩散器的管径、导流管根数、每根导流管上的喷口数、喷口直径和扩散器长度。喷口的喷射流量、流速和角度是影响近区初始稀释度和近区污水场的关键因素。这些因素反映到扩散器的结构上与导流管根数、每根导流管上的喷口数和喷口直径有关。扩散器的管径由水力学计算得到，在明确导流管根数和导流管间距后，扩散器的长度也就得到了。因此，考虑影响近区浓海水场水质的扩散器结构主要集中在导流管根数、每根导流管上的喷口数和喷口直径这3个因素上。扩散器结构概念设计将讨论在设计的排放流量下，初始稀释度与导流管根数、每根导流管上的喷口数和喷口直径的关系。4.1.2 扩散器结构设计的要求现代排海工程中，对于扩散器的结构有下面几点共识：1）为保证扩散器最末端仍能保持一定的喷射流速，同时能量损耗不太大，喷口的平均喷射流速应选择在一定范围内，如2.03.0m/s12，也有建议选2.53.5m/s。喷口平均喷射流速的计算公式如下： (21)式中：喷口的喷射流速，m/s；设计的浓海水排放流量，m3/s；导流管根数；每根导流管上的喷口数；喷口直径，m；2）扩散器在运行期间应避免发生海水倒灌现象13。试验结果表明，当喷口弗劳德(Froude)数大于1.0时即满足要求。为更安全，有人建议采用更严格的要求，如要求弗劳德数大于或2。弗劳德数的计算公式如下： （22）式中：喷口弗劳德数；喷口直径，m；有效重力加速度，、分别为排放口处海水和原污水的密度，为重力加速度；喷口的喷射流速，m/s。3）为防止喷口被阻塞，扩散器喷口直径应大于0.055m；也有建议不小于0.08m14，如果浓海水只进行了预处理，建议的喷口直径不小于0.15m15。4）每根导流管上的喷口数通常设置为偶数，这样便于均匀布置，方便施工。喷口数增加有利于分散出口的污水，但喷口数也不能太多。国外的实验室研究表明，喷口数超过8个将由于密集喷射的污水形成环状反而不利于稀释16。4.2 扩散器结构概念设计的原理和流程近区模型用于扩散器结构概念设计的原理是：利用近区模型广泛模拟一定范围内的扩散器结构(不同导流管数、每根导流管上的喷口数和喷口直径范围的组合)在排放浓海水时的初始稀释度和近区边缘水质，依据近区边缘水质目标的要求，寻求满足水质要求的合适的扩散器结构范围。近区水质的要求仅仅是限制扩散器结构的一个因素，此外还需要考虑水力学要求(满足一定的喷射流速的要求)和工程要求(防止海水倒灌)。当然，如果还有其它要求或限制因素，相应也可以考虑进去。扩散器结构的概念设计流程见图2。设计海水排放流量环境水文物理条件导流管根数每根导流管上的根数喷口直径近区模型预测初始稀释度浓海水水质及近区水质标准最小出口密度弗劳德数喷口喷射流速满足前面共同要求的合适的扩散器结构调整扩散器结构尺寸否否否是否防止海水倒灌是合适的扩散器结构之三满足喷射流速要求是合适的扩散器结构之二是是否满足水质要求合适的扩散器结构之一图2扩散器结构概念设计流程Fig.2.The structure concept design process of diffuser4.3 设计中主要影响因素影响扩散器设计的因素主要有：1）排放流量排放流量是扩散器水力设计中最主要的影响因素，排放流量的变化能带来：管道内流速的变化，在排放流量达不到设计流量时，会造成悬浮物和颗粒物的沉积；各喷口出流不均匀。2）喷口面积与主管面积之比下游扩散器所有喷口面积与相应主管截面积之比超过0.5时，喷口出流量开始变得不均匀。3）管道坡度及上升管高度管道坡度对扩散器的影响有两个：对喷口流量分布的影响，坡度变大，喷口流量将不均匀；对海水入侵的影响，在坡度变大时，所需阻止海水入侵的最小流量增加。4）管道摩擦系数摩擦系数增大，扩散器喷口出流量将不均匀。在实际工程中，管道摩擦系数的增大往往是由于管道内颗粒和悬浮物的沉积造成，由于管道内的沉积，流量变得不均匀。4.4 孔口出流系数法4.4.1 孔口出流系数法随着排海工程技术的发展，扩散器的水力设计方法(即扩散器水力计算)已趋成熟主要是采用水力学原理，应用能量方程和流量连续性方程，确定扩散器各部尺寸。图3 扩散器简图Fig.3.The diagram of diffuser1)喷口流量方程在第j喷口，污水出流的能量方程为： (23)式中：局部阻力系数； 重力加速度。从上式可以看出： （24）式中： （25）令： （26）式中：是收缩系数，合并两式得：同时令： （27） （28）对于圆形喷口的经验公式(Brooks)为： （29）此公式仅应用于喷口(或喷嘴)的收缩系数为4：1或更大及的条件下，而且由于、的不同，在各喷口是变化的。在以上计算中，为获得各喷口的流量值，通常是从扩散器远端开始计算，并假定最远端的条件是已知的，即可假定流量、；流速、和，压力和及管道高程和是已知的。2）管段的能量方程对第J管段可得如下能量方程： （30）其中： （31）式中：达西摩擦系数在上式中、是已知的，并且可根据方程（31）算出，因此可以求出。在计算中管道压水头是恒定的，可以得出： （32）公式（32）右边是已知的，将公式（25）的右边与公式（32）的左边比较，当假设是已知的，可以得出，但由于不知道，式（29）中也需要知道来计算。在最初的计算中，可以代替式（29）中，来第一次计算，则第一次的可以用公式（28）计算得到。利用公式： （33）可以得到第一次的值，的计算可利用流量连续方程： （34）这样可以第二次得到，以上过程可重复计算，直到两次计算获得的值较接近为止。在以上计算中，可以利用计算机编成程序方便地完成，直到等于为止。4.4.2 孔口出流收缩系数的计算上已述及，在常用水力设计方法中，对于管壁出流圆形喷口的收缩系数计算经验公式为： （35）除此之外，其它经验公式还有：1）管壁出流尖角喷口收缩系数经验计算公式： （36）2）立管单喷口收缩系数近似计算公式： （37） (38)图4 立管单喷口示意图Fig.4. The stand pipe-Single spout schematic式中：立管长度； 立管直径； 喷口口径最小处直径； 射流收缩系数，等于； 等于； 出流速度；立管进口局部阻力系数；肘形弯管局部阻力系数；收缩段局部阻力系数；立管流程阻力系数。（37）、（38）两式参见图4。收缩系数可以根据自由流线理论导出，它是和的函数，由下式确定： （39）式中：收缩段长度。相应于不同的比值和值的值列于表1。表1 射流收缩系数CcTable.1.Jet contraction coefficient of CcDp/Dr45901351800.00.7460.6110.5370.5000.10.7470.6120.5460.5130.20.7470.6160.5550.5280.30.7480.6220.5660.5440.40.7490.6310.5800.5640.50.7520.6440.5990.5860.60.7580.6620.6200.6130.70.7680.6870.6520.6460.80.7890.7220.6980.6910.90.8290.7810.7610.7601.01.0001.0001.0001.000当时，可由下式确定： （40）式中：为常数，对于锐角进口，取，对于圆角进口，取；为立