河口海岸污水稀釋擴散特性的試驗研究

葉濤焱,杭錦程,周晶晶,林天耀,宗凌韜,羅　成

(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京　210098)

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河口海岸污水稀釋擴散特性的試驗研究

葉濤焱,杭錦程,周晶晶,林天耀,宗凌韜,羅成

(河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京210098)

摘要：通過環形水槽排污試驗,對河口海岸地區污水的摻混和輸移特性開展試驗研究,研究污水的噴射方向、排放高度、溫度對污水在環境水體中輸移擴散特性的影響,旨在為研究污水在河口海岸地區的摻混和輸移特性提供參考依據。結果表明,污水在環境水體中的稀釋擴散效果主要受水平方位角和豎直射流角度的影響,污水排放方向與環境水體流向夾角越小,在水體中完全擴散均勻所需距離越長。高溫污水完全稀釋擴散的距離要長于常溫污水。在試驗的有限水深范圍內,污水的排放高度對污水的稀釋擴散沒有顯著影響,污水在排放近區均未擴散到水深7.5 cm以上區域。

關鍵詞：排污方式;污水擴散;河口海岸;環形水槽;物模試驗

河口海岸是海陸相互作用最為活躍、對人類活動響應最為敏感的區域。隨著社會經濟的發展,大量的污水排入河口海岸水域中,近海水質惡化[1]。河口海岸水域受徑流、潮流、波浪[2]等多重水動力作用,污水在這種水環境中的摻混、稀釋、輸移與擴散有其特殊的規律。清楚認識河口海岸污水排放的摻混和輸移特性,已成為海岸動力學、海洋環境學和環境流體力學研究的重點和熱點。筆者通過環形水槽排污試驗,分析污水排放后環境水體的污水濃度場分布規律,研究污水的噴射方向、排放高度、溫度對污水在環境水體中的輸移擴散特性的影響。試驗結果可作為數學模型參數調試的基礎數據,為研究污水在河口海岸環境水體中的摻混和輸移特性提供參考依據。

1　研究現狀

河口海岸地區污水排放工程中,污水通常以射流的形式排放到周邊水體中,即從排放口以較高流速進入環境水體,并與之發生強烈摻混[3]。污水排入環境水體后,其運動過程從空間上看,可以劃分為近區和遠區。在近區,污水的稀釋規律主要取決于排放方式、排放流量、初始密度、密度差、溫度等參數,其稀釋為“主動”稀釋。遠區是指距離排放口較遠的區域,在該區域,污水的稀釋通過環境水體的輸移和自身擴散來完成,其稀釋為“被動”稀釋。

國內外學者進行了大量有關污水排放后在其附近水域內輸移擴散特性的研究。針對污水射流的流場特性,Lam等[4]研究了不同流速比下反向射流的流場特性;Chu等[5]基于實驗結果,得到環境水流影響下同向圓管射流以非線性規律展寬,且與射流速度和環境流速比有關;Baddour等[6]對同向流動環境中二維表面射流的摻混特性進行研究,指出射流的豎向摻混對周圍水體的流動作用非常敏感;張健等[7]對流動環境中圓孔水平熱射流進行了三維數值模擬,分析了流速比和射流出口溫度對熱射流軌跡溫度分布的影響。張光玉等[8-9]針對污水擴散器主要設計參數對近區稀釋擴散效果的影響,開展了直水槽物模試驗研究。針對具體工程實例,李莉等[10]通過物模試驗研究了防城港海灣圍填前后對低濃度污水擴散的影響;周智鵬等[11]采用數值模型分析了大潮情況下南黃海輻射沙脊群西洋海域3種水深排放位置處達標污水輸移擴散的范圍及分布規律;劉成等[12]通過Delft3D數學模型對長江口豐水期、枯水期的大、小潮情況下的流速場、潮位場及污水擴散場進行了研究。

多年來人們系統地開展了水環境中污染物輸移擴散的試驗模型和數學模型研究,提出了一些實用、有效的理論模型和計算方法,但由于河口海岸水流運動和污水射流運動的復雜性及描述其變化規律的困難性,使得現有的河口海岸三維水質動力學模型存在一些缺陷,不能如實反映污水排放后的輸移擴散特性,故仍需要通過大量的物理模型試驗來分析污水排放后的流場和濃度場分布規律,以作為數學模型參數調試的依據。國內外進行的探求污水在河口海岸水體中的摻混與輸移擴散規律的水槽試驗研究，大多針對低濃度污水,并大多在環境水體流態單一的直水槽中進行,環形水槽恰好可彌補直水槽的部分缺陷,具有開展高濃度污水排污實驗的有利條件,可充分體現密度差效應。環境水體具有彎曲流動、精度高、水槽水體可循環利用等特點,故有必要在環形水槽中進一步開展污水排放的輸移擴散特性研究,以此來研究不同排放方式下,污水在環境水體中的輸移擴散特性。

2　試　驗

2.1試驗設備

試驗采用河海大學建造的D280環形水槽,其結構示意圖見圖1。該水槽尺寸為280 cm(外徑)×240 cm(內徑)×50 cm(高),沿外壁一周不同高度處設有取樣孔,同時配套了控制系統和數據采集系統,能實現水槽運轉時環形槽、剪力環的轉速控制及剪力環的升降控制,并能通過微型電磁閥進行水樣的遙控采集。王捷等[13]通過試驗研究,得出流速僅在邊界處有較大的梯度,而在距離環形槽、剪力環表面較遠的流場中心區域分布均勻,通常在實際應用中,對分層流速的精度要求不高時,流場中心區域的流速近似可以看成常數。試驗采用自制的污水排放裝置從環形水槽底部排放污水,該裝置示意圖見圖2。該裝置能改變污水的排放方式(排放高度、水平方位角、豎直射流角度),控制污水流量,通過遙控器和控制箱在水槽運轉時控制排污,進行試驗。

圖1　環形水槽結構示意圖

圖2　污水排放裝置示意圖

試驗中水槽上的取樣孔分布見圖3,為方便試驗對取樣孔進行編號1～8,圖中箭頭方向為水流方向(逆時針流動)。各取樣口距水槽底部的高度及排污口的水平距離見表1。

2.2試驗條件及方法

圖3　環形水槽取樣孔分布示意圖

試驗污水采用100 g/L的氯化鈉溶液,試驗采用600 ml/min的污水排放流量,污水排放口管徑為2 mm,污水射流速度為318.3 cm/s。通過預試驗確定環形水槽水深采用20 cm(因污水難以擴散到20 cm以上水面處),環形水槽環形槽轉速采用62 r/min,剪力環轉速采用115 r/min(轉速太大或太小均不利于試驗結果的分析)。試驗中環形水槽水流橫斷面平均水流速度為10.77 cm/s。

表1　取樣孔位置參數

試驗采用電導率儀測量水樣的電導率,通過測量沿程各取樣點在規定時刻(水槽內水流流過各取樣點至水流轉一圈間)的電導率,由濃度和電導率之間的關系推求出污水排放后遷移擴散到水槽內各點后的稀釋倍數S,計算公式[14]為

(1)

式中:K為取樣點實測的電導率；K1為初始排放污水的電導率；K0為水槽水體的初始電導率[5]。

取樣點的電導率差(K-K0)及稀釋倍數的變化均能反映出污水在不同排放方式下的稀釋、擴散和輸移情況的變化。

試驗中通過改變污水的排放方式,比較在不同排放方式下各取樣點電導率差及稀釋倍數的變化,同一點電導率差越小,稀釋倍數越大,說明在該種排放方式下,更有利于污水在該處的擴散。試驗過程中,用極稀高錳酸鉀溶液作污水染色劑,以便觀察污水在水槽中的運動規律,污水排放的實驗效果見圖4。

圖4　污水排放效果

3　試驗結果與分析

圖5～9中，L為污水排放的水平方位角(在水平面上,排放管出口與水流徑向的夾角,朝環形水槽外壁),V為污水排放的豎直射流角度(在豎直面上,排放管出口與鉛垂線的夾角)。H為污水的排放高度(排放管出口距水槽底部的豎直距離),T為污水的排放溫度。L與V的示意圖見圖5。在不同污水排放條件下,在試驗的有限水深范圍內,在污水的排放近區(距排污口360 cm內),1、2、4號測點在污水排放前后的電導率差極小,稀釋度極大,故可認為污水均未擴散到1、2、4號測點,即水深7.5 cm以上區域。在不同的污水排放方式下,計算得到沿程各取樣點的電導率差及稀釋倍數變化(圖6～9)。

圖5　水平方位角和豎直射流角度示意圖

圖6　V=90°時,不同水平方位角下各取樣點電導率差(H=3.1 cm,T=16.9℃)

3.1水平方位角和豎直射流角度對污水稀釋擴散的影響

圖7　V=45°時,不同水平方位角下各取樣點電導率差(H=3.1 cm,T=16.9℃)

在不同污水排放水平方位角和豎直射流角度下,沿程各測點的電導率差變化見圖6～7。當豎直射流角度V=90°時,污水水平射流,此時在排放近區(距排污口360 cm內),改變污水排放的水平方位角,近區底部(3號測點)的稀釋倍數變化高達41%;當射流在水平面上垂直于環境水體水流方向(L=90°)射出時,近區底部(3號測點)的電導率差最小,為543 μS/cm，稀釋倍數最大,達到115倍。在離排污口距離大于366 cm后的區域,各測點的電導率差和稀釋倍數基本趨于一致,說明污水在環境水體中已經基本擴散均勻,這是因為污水自噴口出流后,受到水平面上流向與之垂直的環境水流的強烈擾動而較為迅速地在一定區域內擴展開來,故稀釋擴散效果較為明顯;當射流在水平面上沿環境水流方向(L=0°)射出時,近區底部(3號測點)的電導率差最大,為888 μS/cm,稀釋倍數最小,僅為68倍；在離排污口距離大于366 cm后的區域,由于受到水流夾帶作用,污水在整個水流斷面上稀釋擴散最不均勻。當污水排放的水平方位角L=45°時,稀釋擴散效果介于兩者之間。

改變污水的豎直射流角度,當V=45°時,污水斜向上射流(圖7),近區底部(3號測點)的電導率差最小可達17 μS/cm,稀釋倍數高達3 000倍,此時可近似認為污水未擴散到近區底部,并且污水對近區底部影響最小。圖6與圖7的對比還可發現,在離排污口距離大于366 cm的污水排放遠區,污水斜向上射流時(V=45°),高于排污口高度的各區域(5～8號測點)的電導率差均比污水水平射流時(V=90°)大,尤其以L=0°時增大效果最為明顯。這是由于污水斜向上射出后,具有向上運動的初始動量,從而使得污水能較多地向上擴散到上述區域。

3.2溫度對污水稀釋擴散的影響

如圖8所示,在排放近區(距排污口360 cm內),在不同溫度的污水下,近區底部(3號測點)稀釋倍數變化不超過13%,且高溫污水也仍未擴散到水深7.5 cm以上區域(因1、2、4號測點電導率差極小,稀釋倍數極大,說明污水并未擴散到該區域),說明污水的排放溫度對污水排放近區污水的稀釋擴散沒有顯著影響。隨著離排污口距離的增大,常溫污水各測點的稀釋倍數趨于一致,但高溫污水各測點的稀釋倍數仍相差很大,說明高溫污水完全稀釋擴散的距離長于常溫污水。

圖8　溫度影響下各點稀釋倍數的變化(L=90°,V=45°,H=3.1 cm)

3.3排放高度對污水稀釋擴散的影響

如圖9所示,在排放近區(距排污口360 cm內),不同排放高度下,近區底部(3號測點)稀釋倍數變化不超過12%,且污水均未擴散到水深7.5 cm以上區域(因1、2、4號測點稀釋倍數極大,說明污水并未擴散到該區域),故在1/4試驗水深范圍(0～5 cm)內排污高度對污水排放近區影響不大;在距排污口距離大于366 cm后的區域,在不同排放高度下,各測點的稀釋倍數趨于一致,表明排放高度對污水排放遠區也影響不大。

圖9　高度影響下各點稀釋倍數的變化(L=90°,V=90°,T=16.9℃)

4　結　論

污水在環境水體中的摻混和輸移擴散規律相當復雜,較難由單一的某一種排放參數決定,即使在水體環境相同時也受到眾多污水排放參數的綜合影響。通過環形水槽排污實驗,采取不同排污方式,并根據試驗測量數據,對污水稀釋擴散情況進行了分析研究,結論如下:

a. 在不同排放方式下,在試驗的有限水深范圍內,在排放近區,污水均未擴散到水深7.5 cm以上區域。排放高度在1/4試驗水深范圍內對污水排放近區污水的稀釋擴散影響不大,污水的排放溫度也對污水排放近區污水的稀釋擴散沒有顯著影響,但高溫污水完全稀釋擴散的距離要長于常溫污水。污水的稀釋擴散效果主要受水平方位角和豎直射流角度的影響;

b. 當污水排放方向與環境水體流向夾角較小時,由于受到水流夾帶作用,在排放近區底部污水稀釋倍數較小,污水在較長距離都集中在一定區域內,在整個水流斷面上稀釋擴散較不均勻;

c. 改變污水的豎直射流角度,使污水向上射流時,能夠非常有效地使污水在排放近區底部的稀釋倍數變得極大;而改變污水的水平方位角,只能在有限范圍內提高排放近區底部的稀釋倍數。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.022

基金項目:國家自然科學基金(201285312);高等學校博士學科點專項科研基金(20110094120020)

作者簡介:葉濤焱(1995—),男,本科生,研究方向為河口海岸水動力。E-mail:985287941@qq.com 通信作者:周晶晶,博士。E-mail:zjj@hhu.edu.cn

中圖分類號：X143

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0131-05

(收稿日期：2015-07-29編輯：彭桃英)

Experimental study on characteristics of sewage dilution and dispersion in estuarine and coastal areas

YE Taoyan, HANG Jincheng, ZHOU Jingjing, LIN Tianyao, ZONG Lingtao, LUO Cheng

(College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：A sewage discharge experiment was carried out using an annular flume to study the characteristics of the mixing and transportation of sewage water in estuarine and coastal areas. The effects of sewage ejection direction, sewage discharge height, and temperature on the characteristics of transportation and dispersion of sewage in environmental water were investigated, providing references for this study. The experimental results show that the dilution and dispersion of sewage in environmental water are mainly affected by the horizontal and vertical angles. With a smaller the angle between the environmental water flow direction and the sewage water discharge direction, the distance required for homogeneous dispersion of sewage in the water will be longer. High-temperature sewage requires a longer distance for thorough dilution and dispersion than normal-temperature sewage. Due to the limited depth of water in the experiment, the height of sewage discharge had no significant effect on the dilution and dispersion of sewage, and no sewage dispersed to heights above 7.5 cm in the near field of discharge.

Key words：sewage discharge method; sewage dispersion; estuarine and coastal areas; annular flume; physical experiment