污水海洋处置工程存在的泥沙问题及研究现状

刘 成 1,2 何 耘 1 韦鹤平 3

（ 1. 中国水利水电科学研究院，北京， 100044 ； 2 、安徽建筑工业学院，合肥， 230022 ； 3. 同济大学，上海， 200092 ）

摘要： 本文就污水海洋处置工程中存在的泥沙问题及其危害进行了分析，综述了国内外研究现状，结合作者所参与的多项科研成果中喷口射流对环境泥沙的冲淤、扩散器内泥沙淤积及泥沙入侵扩散器等方面的研究，提出了相关的经验公式及解决途径。

关键词： 污水海洋处置 泥沙 排放口 扩散器

随着我国经济的发展，环境保护问题日益为国家所重视。其中，城市污水的处理已成为一个非常迫切需要解决的问题。污水海洋处置工程为沿海城市污水的出路提供了一条较佳的途径。

污水海洋处置工程已有百年历史，为了使工程设计和运行更为经济、合理，并满足水域环境容量的要求，国内外很多科研和工程界人士对此进行了大量研究，与工程有关的研究成果大多已较为成熟，可以直接应用于工程设计与环境影响评价。但是，与海洋处置工程有关的泥沙问题虽在实际工程中时有发现，而研究却鲜有报道。本文根据所收集的资料，对污水海洋处置工程中的泥沙问题作一概述。

1. 污水海洋处置工程中存在的泥沙问题及其危害

1.1 污水 海洋处置工程中存在的泥沙问题

污水海洋处置工程中存在的泥沙问题可分为三大类：

① 环境泥沙淤埋扩散器喷口

海洋中的泥沙，特别是在海岸附近和河口水域的泥沙主要来源于河流沙、海岸侵蚀沙、生物碎屑沙、围垦或倾废等陆地沙，其中，河流沙是近海和河口水域的主要来源 [1] 。这些泥沙在波浪、潮汐和水流的作用下，可能会在排放口扩散器附近产生泥沙淤积。在风暴潮等极端水流条件作用下，可能会使海床上的底沙掀起，或发生大量泥沙短时间的搬运，泥沙短期内淤埋于扩散器上的海床，当扩散器喷口处的水压力不能冲开泥沙淤积时，则造成排放口排水不畅。在正常的波浪、潮汐和水流作用下，海床上一般也存在不断的冲刷和淤积，如果在扩散器处存在不断的泥沙淤积过程，而排放口处于建设期、运行中因故停止运行或小流量运行一个时期，不断淤厚的泥沙可能也会淤埋扩散器喷口。

② 扩散器内部的泥沙淤积

排放的污水中所含的悬浮固体颗粒 ( 本文统称为泥沙 ) 随排水管道类型 ( 污水管、合流污水管及雨水管 ) 、汇水区所处地区以及排放前的处理程度等不同变化很大，污水中既有重度较小、以生活污水中的有机颗粒为主的泥沙，也有重度较大、以雨水径流挟带的无机颗粒为主的泥沙。泥沙颗粒的直径范围很广，从小到 0.1 m m 至有的甚至超过 3cm 之间不等 [2] 。这些泥沙在排放前如经过污水处理厂处理，大部分能被去除。但在实际工程中，相当一部分海洋处置系统并未包括传统的二级污水处理厂，多数工程往往是在运行数年后才增建污水处理厂，有时仅设有格栅作为预处理设施，因此，当挟带泥沙的污水进入扩散器后，如果污水流量达不到设计流量、或设计中没有充分考虑未经处理的污水中泥沙问题时，泥沙可能会在扩散器远岸端流速较小处沉积，从而缩小了过水断面，沙床甚至是沙波的出现会增加水力粗糙度，因此进一步降低了扩散器特别是远岸端的输沙能力。在一定条件下，泥沙淤积会充满管道，造成部分管段淤堵。

③ 海水入侵挟带环境泥沙在扩散器内淤积

海水与排放的污水间存在一定的密度差，当污水排放量较小时，由于喷口射流速度减小，此密度差将会引起海水入侵扩散器 [3] ；在排放口初次运行或停止使用一段时间后使用时，扩散器内充满了海水，当污水冲洗流量逐渐增加时，污水一般是先从近岸第一根上升管排出，远岸上升管则会发生海水倒灌而形成扩散器内的海水循环现象，只有当污水排放量达到一定的值时，上升管才逐渐开始全部排放污水，并清除扩散器内海水 [4] 。这两种海水入侵现象都会将海底环境泥沙带入扩散器，泥沙在扩散器管底淤积，严重时会影响扩散器的水力性能 [5] 。

世界各地的污水海洋处置工程的运行实践表明，不少排放口的故障是泥沙问题造成的。根据英国排放口的数据库资料， J.A. Charlton 和 P. Neville-Jones 指出英国 15% 的排放口存在完全或部分堵塞问题 [6] 。 R.M. Powell 和 R.E. Van Heni 报道了美国洛杉矶 (Los Angeles)2 号和 3 号排放口扩散器中发现大量的油脂、漂浮物、泥沙和砂砾等物 [7] ， R.N. Galloway 谈及了 Orange 排放口扩散器管内存在大量泥沙淤积 [8] ，这几项工程采用了如利用机械改变扩散器坡度、大流量冲洗、甚至用剖开的飞机轮胎等方法清除管内泥沙，耗资巨大。 R.A. Grace 对美国四处排放口存在的问题和修复工作进行了详细报道，表明排放口的故障均与泥沙问题有关，见表 1 [9]

表 1 美国四处排放口与泥沙相关的问题

1.2 泥沙问题对排放口工程的危害

泥沙问题会给工程运行及管理产生严重影响，主要表现在以下几个方面：

① 降低污水稀释扩散效果 当扩散器部分管段发生泥沙淤堵或部分喷口淤埋后，排放污水只能从余下的喷口排出，而且淤堵及淤埋部分一般发生在扩散器远岸端，则扩散器近岸端排放流量可能会远大于其设计流量，因此减小了污水出流的稀释扩散度，使近区水域水质受到影响。如美国的檀香山沙岛 2 号排放口、加洲 Humboldt 海湾的两条纸浆厂排放口、在 Oregon 的国际造纸厂排放口及 Menasha 公司排放口等均发生了泥沙淤堵或淤埋，造成污水稀释扩散变差 [10] 。

② 污水外溢造成环境问题 当扩散器或喷口淤堵严重时，进入扩散管的污水来不及排出，造成污水溢流，甚至在陆上外溢，产生环境问题。例如， 1973 年，美国 Oregon 的新港 (Newport) 城市污水排放口因为堵塞，污水通过人孔流出，下流至海滩。英国威尔士的 Prestatyn 排放口由于泥沙淤堵，排水不畅，污水自高位井溢出。

③ 增加运行费用 扩散器管道中出现泥沙底床或沙波时，水流水力阻力增大，要求的水头增加；扩散器淤堵或喷口淤埋时，污水来不及排出，也会壅高高位井水位。因此增加了水泵的能耗，提高了运行费用。

④ 增加排放口维护费用 当排放口存在严重的泥沙问题，造成污水不能正常排放时，必须进行维护，但由于是水下作业，清除管外环境泥沙淤积或清除扩散器管内泥沙淤积成本均很高。如前述的美国的檀香山沙岛 2 号排放口、加洲 Central Marin 排放口和西雅图西点排放口三个工程仅泥沙清除一项就分别耗资 116.8 万美元、 20 万美元和 160 万美元。

2. 国内外研究综述

2.1 喷口射流对环境泥沙的冲淤研究

虽然环境泥沙淤埋扩散器的问题客观存在，但是通过计算机联机检索，采用了多种检索策略检索，并手检大量国内外资料，尚未见到此方面的研究报道。目前，避免环境泥沙淤埋扩散器主要在设计时考虑，如在排放口选址上，应根据多年的海床的稳定性资料分析，选择海床稳定和冲淤幅度小的水域布置扩散器 [11] ，对带上升管的扩散器， P.J.D. Neville-Jones 和 C. Dorling 在其编制的排放口设计规则中提出，上升管的高度一般应为 2-4m [12] 。

同济大学 1997 年针对上海市污水治理二期工程白龙港排放口进行了大量物理模型和数学模型研究。其中，通过物理模型试验，较为系统地研究了扩散器喷口射流对环境泥沙的冲淤 [13-16] 。 根据模型试验现象，将喷口射流对淤埋泥沙的冲刷过程分为初始流化、完全流化和形成稳定、清晰冲刷坑三个阶段，提出了喷口射流临界冲淤流速的概念；分析了泥沙淤埋及挟沙水流两种情况下不同喷口型式的射流冲淤规律；利用量纲分析和回归分析方法，推求出计算静水条件单喷口水平圆形射流临界冲淤流速和冲刷坑尺寸的经验公式；结合排放口水域的泥沙运动情况，根据模型试验和经验公式的计算，提出上升管的适宜高度，达到既能使扩散器得到更大的稀释空间，又能防止泥沙淤埋的目的。根据模型试验结果和理论分析，提出白龙港排放口扩散器喷口高度可以降低为不小于 0.7m，以充分利用长江口水域有限的水深，使污水排放能得到更好地稀释扩散。研究成果应用于被研究的工程是合理的，但如使成果更具有普遍意义，能应用于其它工程，尚需进行更深入的研究。其喷口射流临界冲淤流速及上升管喷口高度确定的公式如下 [17] ：

泥沙淤埋喷头时，静水环境、水平射流的单喷口射流对淤沙的冲 淤临界冲淤流速经验公式为

（ 1 ）

(1) 式中， v jc 为喷口射流临界冲淤流速； h 为喷口上泥沙淤积厚度； D 为喷口直径； d 50 为淤积泥沙中值粒径； g s 、 g 分别为泥沙和水的重度。

偏于安全考虑，上升管喷口 ( 如喷口为双排，则下排喷口 ) 中心距江底的高度应满足 ( 参见图 1) ：

h p1 3 h max - h L (2)

(2) 式中， h p 为喷口（如喷口为双排，则下排喷口）中心距江底高度； h max 为可能出现的最大泥沙淤积厚度； h L 为相应某喷口临界冲淤流速的极限覆沙厚度，由经验公式 (1) 计算。

同时，从施工等因素考虑，应控制喷口下缘距江床的高度大于 0.5m ，即：

h p2 3 D/2 + 0.5 (3)

上升管喷口高度可根据式 (2) 和式 (3) 计算，取其大者 : h p 3 max(h p1 , h p2 ) 。

2.2 扩散器内泥沙淤积研究

国内外对扩散器内泥沙淤积问题研究亦较少，常常是通过在水力计算中控制扩散器管内流速来防止泥沙淤积。但因为设计中不可能充分考虑实际工程中出现的各种条件，如排放口运行的几年内污水处理厂可能尚未建、污水排放量可能在运行的相当长时间内达不到设计流量、污水中泥沙颗粒粒径及泥沙浓度的预测不准等。同时，应用流速准则控制泥沙淤积对大管径的扩散器也是有问题的 [18] ，因此，泥沙在扩散器内淤积的现象较为普遍。

R. Burrows 、 K.H.M. Ali 和 A.E. Wose (1981, 1995) 对排放口扩散器中泥沙床的冲淤规律进行了一定的研究，主要是分析各上升管全部封闭、将尾门打开排水冲淤情况，研究此条件下泥沙床的运动和沙波的变形。模型试验采用了不同粒径、不同类型的模型沙进行了模拟，并进行了理论分析拟合 [19,20] 。

T. Larsen (1995) 为了防止排放口扩散器管内泥沙淤积及环境泥沙淤埋，对两处污水海洋处置工程采用了不同于传统设计观点的设计方案 [21] 。一处工程为排往丹麦 Wadden 海的 Esbjerg 市排放口，排放水域水流强劲，泥沙输移明显，推移质输移常常形成 1-2m 的沙波，悬移质浓度也很高。考虑到传统设计方法设计的扩散器内会因入侵泥沙和污水中所含泥沙淤积会造成淤堵，而且外部环境泥沙也可能淤埋扩散器，因此设计中一改传统设计思想，在距海岸 55m 处建水上平台，放流管通过岸－平台的桥引至平台，在平台处，沿竖直向下的管道至水下一定深度设置喷口，污水在水下排放。另一工程为丹麦 Jutland 岛上的 Skagen 排放口，在排放口水域，水下沙洲随水流往复运动而前后移动，而且同一海岸线上的其它排放口的运行实践也证明泥沙淤埋和管道内泥沙淤堵的威胁很大，为防止泥沙的危害，设计中采用了单喷口扩散器，虽然污水排放近区稀释度达不到要求，但防止了泥沙的危害，同时，作者认为由于远区稀释能达到要求，对距排放口有一定距离的娱乐海滩不会产生影响。

同济大学 1991 年对等截面扩散器的泥沙淤积及冲淤规律进行了物理模型试验研究 [22] ，试验采用模型沙、利用浑水模型试验对上海市合流一期工程竹园排放口等截面扩散器中的泥沙冲淤规律进行了模拟，认为在一定排放流量下，扩散管内从整体上会形成近似于“阶梯形”、沉积高度从小到大倾斜的泥沙床面，达到冲淤平衡。根据模型试验成果，首次在大型污水海洋处置工程中采用了等截面扩散器。 1998 年对竹园排放口进行现场实测，表明经多年实际运行，扩散器内形成了沿程递增的淤积，但没有对排放口的正常排放产生明显的影响，与试验成果基本相似。结合嘉兴污水治理工程， 1999 年同济大学又对等截面扩散器内泥沙淤积问题进行了深入研究。从试验结果可见，当排放量大于设计排放量时，扩散器管内可形成沿程递增的淤床，淤积高度对上升管污水出流量基本无影响；但当排放量小于最小设计流量时，泥沙淤积很可能造成尾部上升管的淤塞。为了防止小流量时，泥沙淤积影响正常排放，提出了扩散器尾部改善措施、大流量冲洗和扩散器喷口数不均匀分布 ( 尾部的喷口数多于近岸端的喷口数 ) 的改进方案。提出了挟沙水流在管道中流动时计算淤积厚度的经验公式 [23]

（ 4 ）

及图解法计算图，同时提出了管道临界淤堵条件。 (4) 式中， D 、 d 50 、 g s 、 g 分别同（ 1 ）式， t 为管内泥沙淤积厚度， S 为泥沙浓度。

2.3 泥沙入侵扩散器的研究

泥沙入侵扩散器主要是由于海水入侵扩散器造成的，因此，只要能防止海水入侵，也就防止了因海水入侵带来的泥沙入侵问题。国内外在海水入侵的问题上进行了大量研究，研究成果较为成熟。 D. Munro (1981) 可能是第一位认识和研究排放口海水入侵问题的，他在理论上分析了海水入侵发生的条件，并提出海水入侵问题是因为没有完全清除扩散器内的海水造成的 [24] ；之后，更多的研究者如 D.L. Wilkinson [4,25,26] 、 J.A. Charlton 等 (1987) [27] 、 R.A. Howard (1995) [28] 、 Guo Z.R. 等 (1996) [29] 、 R. Burrows 等 (1996) [30] 、曾小清 (1997) [31] 等进一步在模型试验和理论分析的基础上提出了海水入侵及冲洗的机理和规律，提出了防止海水入侵的措施，不仅研究了静态条件下的入侵和冲洗，而且研究了动态（如流量变化、海流影响、波浪影响等）条件。综合上述成果，可认为，海水、环境泥沙入侵及冲洗困难常出现在下述条件下：①海水与排放污水的密度差较大；②上升管高度较大；③出流密度 Froude 数较小；④波浪作用影响。防止海水入侵的主要措施有：①控制喷口出流 Froude 数大于 1 ；②在扩散器管段和喷口前增设文丘里管 [32] ；③喷口处安装鸭嘴阀 [33] 或可自动调节的单向阀 [34] 。

同济大学于 1993 年也对海水入侵及冲洗规律进行了物理模型试验，提出了循环阻塞临界冲洗密度 Froude 数计算式的通用公式 [35] 。临界冲洗流量 Qc 和其对应的临界冲洗密度 Froude 数 Fr c 的公式为：

, (5)

(5) 式中， d 为上升管直径， a 为上升管的横截面积， h 为上升管计算高度， l 为上升管间距， D 为相对密度差， y 2 为阻力系数， a 为扩散器倾角。同时还专门对泥沙入侵扩散器进行了浑水物理试验，提出了泥沙入侵扩散器的影响因素及防止泥沙入侵临界条件。

3．结语

污水海洋处置工程中的泥沙问题是现实存在的，如环境泥沙淤埋扩散器喷口、扩散器内部的泥沙淤积、海水入侵挟带环境泥沙在扩散器内淤积等，这给排放口工程的运行及管理产生了严重影响。本文结合上海市、嘉兴市污水治理工程等科研项目中取得的研究成果，并辅以大量国内外研究资料的检索结果，分别就喷口射流对环境泥沙的冲淤、扩散器内泥沙淤积及泥沙入侵扩散器等研究方面提出了相关的经验公式和解决措施，可供工程实践参考、借鉴。

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Sediment Issue and Research Condition Related to the

Sewage Marine Disposal Engineering

Liu Cheng 1.2 He Yun 1 Wei Heping 3

(1 China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing, 100044, 2 Anhui Institute of Architecture Industry, Hefei, 230022, 3 Tongji University, Shanghai, 200039)

Abstract In this paper, the sediment issue and its damages related to the marine sewage disposal engineering are analyzed, and the research condition in the foreign and domestic is summarized. Based on the studies of jet scouring ambient sediment, the sediment deposition and sediment intrusion in the diffuser, which the authors have worked, the relative empirical equations and solutions are presented.

Keywords Sewage marine disposal, Sediment, Outfall, Diffuser

本文源于：

刘成、何耘、韦鹤平，污水海洋处置工程存在的泥沙问题及研究现状，海峡两岸水资源及环境保护上海论坛论文集，西安：陕西人民出版社， 2002 ： 370-375