趙毅山 (同濟大學工程力學與技術系)
韋鶴平 鄧曉林 (同濟大學環境工程學院)

　　摘要 結合上海市污水治理二期工程，介紹排海工程中擴散器水力計算的新方法，通過控制擴散器三通及噴頭局部阻力系數，使各上升管出流量不均勻分配，數學模型計算結果與物理模型實測值非常吻合。
　　關鍵詞 污水排海 擴散器 非均勻分配 數模計算

　　上海市污水治理二期工程是我國迄今為止最大的污水治理工程，建設此項工程的主要目的是為了減緩黃浦江上游水質污染。該工程設計旱流污水量為170×10.4 t/d，污水經預處理后排入長江口白龍港流域。?
　　排放口初步設計方案利用管徑4 200 mm放流管將170×10.4 t/d污水通過202.5 m長的擴散器潛沒多孔均勻排入白龍港水域，排放口水域5年一遇設計水位為5.18 m，最低水位-0.6 m，上升管噴口頂部高程為-3.257～-6.537 m。在白龍港排放口位置、放流管長度、擴散器長度及水深、水文等外界環境條件都已確定的條件下為了充分利用排放口的水流條件和環境水體的稀釋能力，提高近區初始稀釋度，要對初步設計方案進行優化，將擴散器多根上升管(見圖1)流量不均勻分配，即近岸上升管分配以較少的污水量，離岸上升管分配以較多的污水量，且使水頭損失合理。通過多方案多工況的數值模擬，得到擴散器最佳形式。

1 公式建立

　　建立擴散管0-0斷面與第i根上升管的伯努利方程(見圖1)：?

　　
　　式中　Q_i --- 擴散管內流量?
?　　　　d_i --- 上升管直徑?
?　　　　q_i --- 上升管流量?
?　　　　a_i--- 上升管面積?
?　　　　D --- 擴散管直徑?
?　　　　A --- 擴散管面積?
?　　　　L --- 兩上升管之間的擴散管長?
?　　　　l --- 上升管長?

　　ζ_i,i為擴散管水流進入上升管的阻力系數，即三通阻力系數，是通過物理模型試驗獲得的^[1]，三通的局阻為ζ_i,i乘擴散管流速水頭，即

　　ΔH三通=ζ_{i,i×(v擴散器²/2g)}

　　ζ_i為噴頭淹沒流阻力系數；噴頭的局阻為ζ_i乘上升管流速水頭，即

　　
　　由于已知三通及噴頭的局部阻力系數，進行擴散器的水力模型計算時，先假定第一根上升管的出流量，根據方程組(3)算出各個上升管的出流量，如果算出的上升管總流量與實際流量不符合，則對第一根上升管的出流量按一定規律重新假定，再重新進行計算，直到算出總流量與實際總流量誤差在一定范圍以內。?

2 計算框圖

　　由上述數學模型推導，根據公式(3)編制計算程序，其計算框圖如圖2。

3 數學模型驗證

　　利用物理模型試驗數據對數學模型進行驗證，其中實測各上升管流量、水頭損失以及計算各上升管流量、水頭損失如圖3所示。

　　由圖3可以看出，各上升管出流量呈不均勻分配，即近岸上升管出流量小，遠岸上升管出流量大；數學模型計算值與實測值非常吻合，兩者誤差在10％以內，說明數學模型的計算結果是可信的，可以用于擴散器水力計算。

4 優化設計方案之一

　　擴散器直徑為1.1m的上升管共11根，每只噴頭分別設噴口8mm×290mm(1排)三只、16mm×250 mm(2排)四只以及16 mm×270mm(2排)四只，計算結果如圖4所示。?

5 結論

　　① 通過控制擴散器三通及噴頭局部阻力系數，可以達到各上升管不均勻出流；流量分配格局可以通過改變噴頭噴口個數以及噴頭噴口孔徑作有效的控制，在上升管管徑不變的情況下，改變噴頭形式是控制上升管流量有效和可行的方法；噴口孔徑越小、噴口個數越少，相應上升管出流量越小。?
　　② 利用物理模型對數學模型進行驗證，發現計算值與實測值吻合。在大部分情況下，計算的上升管出流量與實測的上升管出流量誤差在10％以內，有的甚至達到5％左右，即數學模型是可靠的。
　　③ 優化設計方案實現了上升管流量不均勻分配；水頭損失、噴頭射流速度、擴散器內水力條件與原設計基本上一致，即防止海水入侵的條件基本相似。

參考文獻

　　1 韋鶴平，趙毅山等. 上海市污水治理二期工程優化擴散器工程參數研究報告. 上海：同濟大學環境學院，1998?
　　2 徐正凡等. 水力學. 北京：高等教育出版社，1986
　　3 張永良等. 污水海洋處置技術指南. 北京：中國環境科學出版社，1996?
　　4 Don J Word et al. Modeling pipe networks dominated by junctions.Joumal of Hydraulic Engineering,1993；119(8)?
　　5 Richard L,Stockstill et al. Hydraulic calculation for flow in lock manifolds.Joumal of Hydraulic Engineering,1991；117(8)?

---

作者簡介：趙毅山 男 38歲 碩士 講師
通訊處：200092 上海四平路1239號 同濟大學工程力學與技術系
(收稿日期 1998-06-12)