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林卫青等


林卫青等

浅水海湾排污扩散器初始稀释度的计算

浅水海湾排污扩散器初始稀释度的计算
林卫青 卢士强 矫吉珍           
( 上海市环境科学研究院规划与标准研究所, 上海 203) 023 摘要 流速和      水深是影响 浅水型 扩散 始稀释 海湾 器初 能力的主 要环境因素, 其长时间序列的 实测资料在现

实中 通常很难得
到, 而平面二维水动力模型的引人可为初始稀释度的计算提供必要和准确的水动力要素。通过建立二维水动力模型模拟受纳海域 的流场, 利用实测水文资料进行模型的率定和验证, 模拟设计水文条件下附近水域的流场, 然后提取排污口处的水深、 流速和流向的 时间序列, 再利用近区模型计算任一时刻的初始稀释度, 最后进行累积频率分析得到设计保证率下的初始稀释度。将该方法应用于 杭州湾某排污扩散器初始稀释能力的评估, 研究表明, 利用远区模型为扩散器近区模拟提供环境水文要素, 弥补了实际工程计算中
缺乏实测水文资料的不足, 并大大提高了近区模拟的计算精度。

关键词      浅水海湾

排污扩散器

二维水动力模型

初始稀释度

N m r a cm uai o iia dl i ait fr fs i sao by  i We ig, u iin Ja Jze . u ei l  p tt n  nt l  t n  ly  df e n  l w   Ln  i n L S ga g, io  hn c o o f  i i o b i o iu r  h l a u q h i

(ntue  E v om n l  ni ad ad r , hn hi  dm c o E vrn etl ec , hn h i Istto ni n et Pann n S n ad S ag a A a e i f  i m n Si e S ag a i f  r a l g  t c s  n o a cn s
203) 023

A s at      V l i ad t de ae  m i f tr ta dt m n te  i d ui ai y  d fsr  bt c:  e cy  w e ep  te  n  os  t e i h it l  t n  l o iue i r   o t n a r  r h a a c h e r e  n a i o bi f  i l t f n sao by T e g  i m aue dt iot ipsi e gt ad  2D doya im dl  poi hl w  .  l pr d  sr a s e m os l t e,  te  h rdnm c  e cn  v e l a h o eo e n d  a  f n  b o  n h - y o a r d ncs r ad  uae a  te  i d u o ai y  pt i .  m dl l i te s w t d psl ees y  acrt dt fr  itl  t n  l cm uao 2D  e i u n h w t a r  oa a n c a o h n a i i bi o i l t t n - o n d g  a e e i c s ae i etbi e ad  n  cl rt ad  ie ui te aue h do ya c  a sron i s t n. ra  s lhd  te ae i ae n vri s g  mesrd  rd nmidt o uru d g  i s s a s n h r ab d  e f d  n h y a f  n t o a

T e f w ludr i e hd l i l di is u t , n  w t de,  vl i ad etn  hn  f d  e ds nd  r o c cni n  i le te t a r p f w  o t n d co o l i n o e eg y o g a o t s  a d h h o m e  e e l e cy  i i f o r d psl n ae  t c d m e  u t n u s  o pt te  i d ui ai y T e te  i e d u i oa pi r as at f t s li rsl t cm ue  it l  t n l .  n  ds nd  - s o t  b r e r h i a o e t o  o m h n a i o bi i l t h h eg i l t n i y  b gt acm l i f qec aa s . s to iue i a  t n  ly  l t n a - i a l cn  o b cu u t n  uny  l i T im hd  sd  d ui ai ea ao o d o b i a e  y  t ao r e n ys h e s  n  i o b i v u i f i l t f fsr H n zo B y T e u s  w d  t  rdnm c  u t n  poi hdo g a dt fr  r d ue i agh u  .  rsl so e t hdoya is l i cn  v e  rl i l a  na fl n  a h e t h h y a i ao a r d y o c a o e i m e
s l i ad n poe  acrc. i a o n c i rv i cuay mu t n  a m t s  K y od   S a o b  Df sr  D  rdnm c  e n i i t n  ly      : hl w  y  iue - h do ya i m dl  ia d ui ait ew rs l a f  2 y o  I t l  o b i l

扩散器是我国目前进行污水海洋处置工程的重要      方式, 合理的扩散器设计应既保证排海工程合理利用 自然降解能力, 又保证对近区海域的环境污染和生态 负面影响降到最低。扩散器的设计需满足《 污水海洋

处置工程污染控制标准》 对初始稀释度的 l。 中 要求[ j
由于初始稀释度是环境流速、      水深和密度分层 等参数的函数 , 因而对应的环境参数保证率应该是 一个各种参数的组合概率[。但从实用的角度讲比 2 1 较麻烦 , 有时甚至是不可能的。通常是从环境参数

得到 P 0 =9%的设计流速。 ()      3 对排放点水深较浅, 潮汐水位变化相对于 总水深较大, 且流速变化大的水域( 如浅水型海湾) , 初始稀释度的设计保证率取决于流速和水深 , 应考 虑水深和流速的组合设计条件。 但在实际工程 中,      拟建排污 口附近水域 的流 速和水深 的长期 实测 资料在 现实 中通 常很 难得
到 。对于水深 较浅 、 水混 合 比较均 匀 的浅水 型 海 海湾 , 可采 用 引人水 深平均 的二维水 动力模 型 的 方法弥补实测 资料 不足 , 为扩散 器初始 稀 释度 的

中选取1 个主控因子分析设计保证率[ -2 3 ]
()      1 对于排放点水深较浅, 潮位变化相对于总 水深较大且流速变化较小 的水域 , 其水深的保证率 () 尸 与初始稀释度的设计保证率接近, 据水深累积 频率曲线可得到 P 0 =9%的设计水深。 ()      2 对排放点水深较大 , 潮汐水位变化相对于
总水深较小的水域 , 其流速 的设计保证率与初始稀 释度的设计保证率接近, 由流速的累积频率 曲线可

计算提供必要和准确的环境水文要素。其基本思 路: 建立二维水动力模 型对受纳海域 的水 流进行 模拟 , 利用该海域 的水文实测资料进行模 型 的率 定和验证 , 然后进行设计水文条件下排污 口附近
水域的流场模拟 , 提取排污 口处 的水深 、 流速 和流 向的时间序列 , 利用 近 区模 型计算 任一 时 刻 的 再 初始稀释度 , 最后 进行 累积频率 分 析得 到设 计 保

第一作者: 林卫青, 16 年生 , 男,9 6 博士, 教授级高级工程师, 主要从事地表水环境数学模型和水污染控制方面的研究。
4 3    5

环境污染与防治

第2 7卷

第 6期

20 05年 ,月

证率下的初始稀释度。下面以杭州湾某排污扩散 器初始稀释度 的计算为例进行详细说明。 1 水动力模型
1 1 控 制方程 . 

考虑 B u n qe      i su 近似和浅水假定, os e 以及风应
力的影响 , 二维水动力学方程组为 :
连续 方程      :
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动量方程 :

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图 2 潮位、 流速监测站位置
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江阴

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1 2 模 型 范围 .

平面二维水动力模型的研究范 围见图 t      o 13 模型边界条件 . 水域开边界:      取潮位给定值 , n 个分潮的振 用 幅和相位推算。 河流边界 长江 采用实测流量 ,      : 其他河 流取枯 季、 洪季多年平均流量 。 14 模型验证结果 .

几                   

,      二                                       



杭州湾

南边界 图 1 长港 口、 杭州湾模型区域
4 4    5

利用 20      年 9 03 月和 20 年 1 04 月份, 杭州湾水 域内代表性测点( 图 2 的潮位、 见 ) 流速和流向等实 测资料进行模型的率定 、 验证。排污 口附近水文测 站的模型验证结果见图 3 图 4 、 0 从图 3      4的验证结果看出, 和图 数值计算结果 与实测值吻合较好, 潮位平均误差小于 3 o流速和 0,

林卫青等 浅水海湾排污扩散器初始稀释度的计算

流向平均误差不大于 5 所建模型较好地反映了 %, 杭州湾水域的流场特征 , 可为近区稀释度 的模拟计 算提供准确的水深 、 流速和流向等水动力条件。
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卜 位 132:0

排污 口原扩散器设计 参 数 : 升 管为 5根 ,      上 0 0 m 间距 1 m, 80  m, 5  每根上升管顶部分两层设置 喷嘴, 8 X 0 m 喷嘴仰角取 1' 每层 个 30  m, 5.                          受纳水体特征 1# 5 测站一 大潮 222 .  . . 实测值          该水域潮汐受东海前进潮波控制 ,      受黄海旋转 — 模拟值          潮波影响较大, 属不规则半 日 浅海潮流。 又 /、 。 ‘、 环境水深的意义在于其可以使浮力卷吸的路径      ’ " I V 加长, 水深大可增加卷吸稀释能力 , 意味着参加稀释 0 - - 5  0 39 1 0 0 : 0 --4 . 0  39 1 6 0     39 1 1 :0 0 --4  0 5 时间            的水量或流量较大川。拟建排污口水域的水深过程 1#        5 测站- 大潮 线如图 5 所示 。 实测值         
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图 5 排污 口附近水域水深过程线

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时间           

图4 5  1 #测站流速、 流向验证结果

2 初始稀释度计算 该近岸水域为 m类功能区。根据《      污水海洋处 置工程污染控制标准》 , 规定 该水域的排污口的选取 和放流系统的设计应使其初始稀释度在 1 9 0 年 00 的时间保证率下大于 40 5
2 1  .  UM 模 型  

日期

图 6 排污口附近水域流速、        流向过程线《 小潮)

水流流速对浮射流的稀释扩散影响很大,      在排 放 口附近往往没有流速监测断面。利用水动力模型
模拟并提取排污 口处 的流速 , 典型小潮时 的流速及

近区初始稀释度的计算采用 P U      L ME模型。
包括 R B和 UM 两个计算模块 。UM 模型是 1 S 种

拉格朗日 二维羽流模型, 有两个显著的特点: 拉格各 朗日 模式和投影面卷吸假定 ( A )拉格朗 日模式 PE, 使得问题简化并易于处理 P E U 模型可以模 A .  M 拟污染物任意角度的垂直排放 , 正浮力的顺流排放, 负浮力的逆流排放, 废水中的悬浮粒子以及背景污
染 的处理 。

22 拟建排放 口初始稀释能力初步分析 . 221 扩散器设计参数 ..  某排污口经度 11 81.       20 ' 4, 301 910 1 6 "纬度 0 ' .  42 "

流向过程分别见图 6 所示。 223 初始稀释度的模拟结果 .. 污水处理厂尾水设计排放量为 4 万 M / ,      0 3 温 d 度为 2 0℃, C D为 8 m / o 尾水 O 0  L g 从二维水动力模型提取拟建排污 口处的水深、      流速和流向的计算结果, 输人到 Pu e lm 模型进行初 始稀释度的模拟 , 原排污扩散器初始稀释度随潮汐 的变化的数值模拟结果如图 7 所示。 对上述计算结果进行初始稀释度的累积频率分      析, 如图 8 所示, 得到原排污扩散器 9 %保证率下 0 的初始稀释度为 2. , 78显然不能满足污水海洋处置 工程污染控制标准的要求 , 需对原扩散器方案进行
4 5    5

环境污染与防治

:1.

第2卷 7

第6 期 20 年 ,月 05

重新设计使得 9%保证率下的初始稀释度大于 4. 0 5 通过模型试算和优化 , 推荐以下方案 :
上升管为 根 0 0 m      6 , 80  间距 1 m, m, 5  每根上升 管顶分两层设置喷嘴, 每层 8 0 5 m 喷嘴仰 个 10  m,




八 曰 11 n 4 n 2 曰 门

琳 寒 段 娜

角取10 00
由图 9      推荐扩散器设计方案的 9 %保证 可知, 0
率下的初始稀释度为 6.  0 5满足标准要求 。 ,
3 结 论

: :
3 0  1 1  1  1 4 1  1 6 1  1  1  1  0 1  3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0  8 30 4 0 2 3 5 7 3 0  9 0

时间序列                     
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()      1 流速和水深是影响浅水型海湾扩散器初始 稀释能力的主要环境因素, 其长时间序列的实测资 料在工程实际中通常很难取得, 平面二维水动力模 型的引人可为计算拟建扩散器的初始稀释度提供必
需的水文要素 。

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…   

()      2 利用排污口所在海域水文测站的实测资料 对水动力模型进行率定和验证 , 确保流场的模拟结
果反映研究水域的流场特征 , 满足扩散器设计对水 文条件的精度要求 。



8 0  8 0  8 0  8 0  8 0  8 0  8 0 8 0  8 0  9 0 1  2  3   4   5   6   7   8   9   0

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时间序列                b小潮                  原 扩散    器设 计 方 案初始 稀释 度 的模 拟 结果


()      3 将远区水动力数值模拟和近区初始稀释度 模拟相结合进行浅海型海湾排污扩散器的参数设计
是种非常有效、 实用的方法 。
参考文献

l( ‘ 扛 乏 找 叹

)( ) ) ) ) 江 ‘ . 江 1 议 之 f ‘ r 托 1 找 ‘ 1 l( ] ( ) ) 1 )

 一葺  份


、 推荐新方案
1 勺 ‘



原设计方 案

基  } 聆 略                           

勺 J

月 马

( 30  60                90  1 20  1 0  5      8      1 1 0  2 0

G B  00防水海洋处置工程污染控制标准, 0 WK 4 0. -2 2 1 0 夏 青.污水海洋处置工程设计理论和方法.北京 : 中国环境科 学出版社, 96 19 孟 伟, 杨作升, 富 国, 等.海岸带污水排放工程环境设计导 则. 北京: 海洋出版社, 0 24 0 Fshr B Ls E K n C .  i i il d d atl i e H ,  J o R  Y Min n a a c se c i t  ,  x g  n n n o
w tr S n eo A a e c  s, 9 aes a D g :  dmiP es17 .  i c r 9

初始稀释度                      图 8 排污扩散器初始稀释度的累计频率 曲线 责任编辑: 贺锋萍 ( 修改稿收到日 20 0 0) 期: 5 3 9 0 --

(    上接第第 42页) 5
表 3 现状和规划排污总f下上海市敏感 目标水质浓度增,计算结果
污水 量 污水 浓 度
4 0 5

mg L /
杭 北断面
0 1 0    5 8 . 0 1 5     1 0 . 
0 0    41  . 3

C Q址 D 增量

陈行水库
0 5 0  .6 8
0 3 6  . 3 6

青 草沙
0 4 8  .0 0 0 3 6  . 1 8

长西 断面
0 8 3  . 7 2 0 6 3  .  0 7 0 2 3  .  0 3

现状排污量 37 ( m ? - ) 0/ 万 3 d 1

3 0 5 10 2 4 0 5

0 1 2  . 1 9 1 6 7  .  2 3 1 2 8  .  4 6
0 4 9  . 3 0

0 1 9  .  1 0 1 1 0  .  2 5
0 8 4  .9 5 0 3 3  . 1 3

规划排污量 50 ( m ? - ) 8/万 ' d '

3 0 5 10 2

: : :
0 6 6  .  5 5

0 4 8     1 7 . 0 3 0    3 4 . 
0 1 6     1 9 . 

拟研究 了三大排污 口不同水文条件、 不同排污浓度 下污染物 C Dr Oc 输移扩散规律。 ()目前 沿岸三大排污( 对整个 长江 口的     , 2 口) 水质影响贡献并不大, 但是随着排污量的增加 , 对排 放 口邻近的敏感水域, 特别是陈行水库取水 口和规 划中的青草沙水源地水质造成的影响不容忽视。 ()      3 为了确保长江口水环境和水资源的可持续 利用, 在强调加大对上海市长江口饮用水资源开发力 度的同时, 在规划排污工程时建议应近期和远期相结
4 6    5

合, 近期污水经初步或一级处理后排放, 远期排污口
污水应实行污染物的深化处理后再行排放 。
参考 文献
Hu  ,  g  ,  S ,  l2D  ret l n mei l K L Dn P X Z u  X e a - c rn f d  r a i h t  .  u i e u c

s l i it rt g n t etay  h  n zo B yC i i a o ne ai Y gz sur wt H gh u a. n mu t n  g n a e  i a ha
O en  gnei , 0 1 ( )8 -  2 ca E ier g 2 0 ,4 1 :9 1 n n 0 0

朱首贤, 丁平兴. 杭州湾、 长江口 余流及其物质输运作用的模拟研究

1冬季余流及其对物质的输运作用. 1 海洋学报, 0, ()1 2 2 02 6: 0 2 -1

责任编辑: 贺锋萍 ( 稿收到日 2 5 4 5 修改 期: 0- - ) 0 02


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基于Web-GIS的黄浦江上游突发水污染事故预警系统
频发的油类、有毒化学品突发重大水污染事故也促使长江、黄河等 流域先后建立了...[7] 余江, 林卫青,卢士强,邵一平 黄浦江突发性化学品泄漏事故对上游水源地...
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