垂直流人工湿地配水均匀性的研究谢小龙

中国环境科学2009,29(8)：828~832ChinaEnvironmentalScience垂直流人工湿地配水均匀性的研究谢小龙1,2,贺锋1,徐栋1,吴振斌1*(1.中国科学院水生生物研究所,淡水生态与生物技术国家重点实验室,湖北武汉430072；2.中国科学院研究生院,北京100049)摘要：从能量分配和压力水头分布出发,阐述了垂直流人工湿地穿孔管配水系统能量分布及压力水头分布状况.在此基础上,提出了影响垂直流人工湿地配水均匀性的2个关键影响因子—昀不利2点流量关系及穿孔管布水系统内部配水间隔时间,得出了垂直流人工湿地配水系统中昀不利2点的孔口出流流量关系式及垂直流人工湿地穿孔管布水系统内部配水间隔时间,为采用穿孔管配水的垂直流人工湿地提供了理论研究资料.关键词：垂直流人工湿地；配水均匀性；配水时间；能量分配；穿孔管中图分类号：X171.4文献标识码：A文章编号：1000-6923(2009)08-0828-05Uniformityofwaterdistributionsysteminverticalconstructedwetland.XIEXiao-long1,2,HEFeng1,XUDong1,WUZhen-bin1*(1.StateKeyLaboratoryofFreshwaterEcologyandBiotechnology,InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,China；2.GraduateUnviversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China).ChinaEnvironmentalScience,2009,29(8)：828~832Abstract：Energydistributionandpressureheaddistributionofporouspipeinthevertical-flowconstructedwetlandwereanalyzed.Andthentwokeyinfluencingfactorsmosttwodisadvantageouspointsandthedistributingwatertimethataffecttheuniformityinthevertical-flowconstructedwetlandwereputforward.Frompressureheadanalysis,dischargerelationshipinthedistributionsystemofporouspipeaboutmosttwodisadvantageouspoints(a,c)wasgot.Finally,thedistributingwatertimehasbeensetup.Keywords：verticalflowconstructedwetland；uniformity；distributingwatertime；energydistribution；porouspipe人工湿地污水处理系统具有建造、运行费用低廉、处理效果稳定、适用面广等优点,得到国内外众多专家和学者的认可[1-7].人工湿地分为表面流和潜流人工湿地,而潜流湿地又可分为水平流和垂直流湿地.其中,垂直流湿地由于其占地面积较小,对有机物和氮有更高的净化效果,成为湿地应用中的首选[7].除了基质、植物和微生物是其基本组成外,配水系统也是其重要组成部分.为了实现高质量、低能耗、稳定可靠的工程运行,可编程逻辑控制器(PLC)已被大量应用到各种各样的污水处理工程中,PLC的应用显著降低了该类工程的运行和维护成本,但也给污水处理系统提出了新的问题,即怎样合理而高效地安排PLC的运行工况[8].良好的配水系统能合理地分配PLC的运行参数、昀大化地利用人工湿地净化功能及能实现来水快速均匀地分布到整个人工湿地表面,保证湿地高效运行.因此,垂直流人工湿地配水系统的均匀性问题是关系到该类型湿地能否成功发挥其应有功效和安全推广应用的重要问题.目前国内外对此方面的研究鲜见报道.本研究主要从水力学角度来探讨垂直流人工湿地中配水均匀性问题.1湿地配水系统管道能量分配和作用水头分布在已报道的垂直流人工湿地中,其配水系统一般采用“丰”型或半“丰”型布水形式[6],如图1所示.图1中“丰”型的各个分支管路穿孔大小收稿日期：2008-12-29基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808172);国家“十一五”水专项(2008ZX07106-2-4);湖北省科技攻关重大项目(2006AA305A03)*责任作者,研究员,[e-mail]8期谢小龙等：垂直流人工湿地配水均匀性的研究829及孔间距均一致.由水力学可知,对于这种穿孔管布水系统来说,若其支管中穿孔比较多,均可以看作是沿途均匀泄流[1,9].因此,为了更详细地阐述这种布水系统的合理及均匀性,首先研究其能量分配及水头分布.Q、Va01bc图1湿地配水系统示意Fig.1Configurationofdistributionsysteminconstructionwetlands0-1为干管管道,a,b,c为干管中的支管不利点Q、V分别为进水总流量和流速图2为一沿流有节点流量流出的干、支管布水系统.其进口流量Q、流速V及压力水头H,各节点(i=1,2,3)、节点流量(,1,2,3)iqi=、沿线流量011223(,,)qqq−−−及沿程水头损失011223(,,)hhh−−−均如图2所示.Qq0-1123V、Hh0-1h1-2h2-3q1q2q3图2穿孔管配水示意Fig.2Configurationofwaterdistributionsysteminporouspipe图3为图2所示管道的能量分配图(管壁摩擦阻力忽略不计):以流出的节点流量q1、q2、q3等值或者按统一比例绘在横坐标上,在纵坐标上绘制各点压力水头H1、H2、H3,从而得到以qi为底,Hi为高的矩形面积,这些面积之和等于E1,即:1iiEgqHρ=⋅∑(1)式中:ρ为来水密度;g为重力加速度;qi为对应节点流量;Hi为对应压力水头;i为节点编号.在纵坐标上再绘出各管段的水头损失h0-1,h1-2,h2-3,同时计算出各个管段的管段流量(沿线流量)q0-1,q1-2,q2-3,则每一管段的流量qi-j和其对应的水头损失hi-j所形成的矩形面积,即为克服水管沿程摩擦所需的能量E2,即:2ijijEgqhρ−−=⋅∑(2)由图3可见,除了E1和E2外,还有一部分能量,它等于以qi为底,流速水头i2/2vgα为高的矩形面积,这些面积之和等于E3,即:232iivEgqgρα=⋅∑(3)式中:vi为对应管中流速;α为流量系数.由图3还可见,进口总能量为q0-1和H0乘积的矩形面积(H0为进口总水头),即E1+E2+E3之和.h1-2h2-3h0-1q0-1q1-2q2-3H3H2H1q1q2q3H0E1E2E3图3穿孔管能量分配示意Fig.3Distributionofenergyinporouspipe由图4可见,当沿线节点流量增多,且出流量相等时,人工湿地配水系统中的支管穿孔管泄流管路就变成了“丰”型或半“丰”型.其对应的能量分配见图5.由图4还可见,其总水头和压力水头的变化趋势是不一致的,对总水头来说,沿水流方向逐渐减少,即昀末端总水头低于起端总水头;而对于压力水头来说,沿程是逐渐增加的,即昀末端压力水头大于起端压力水头.由图5可见,进口总能量E共包括3部分能量:水头具有的压力水头之和E1;830中国环境科学29卷用以克服沿程阻力所需的能量之和E2;水流所具有的流速水头之和E3;即E=E1+E2+E3.hHnV压力水头线总水头线H0αν2/2g图4湿地穿孔管管内水头变化Fig.4DistributionofhydraulicheadinconstructedwetlandsofporouspipeHn为总压力水头qVHnE3E1E2H0αν2/2gLh图5湿地穿孔管能量分配Fig.5Distributionofenergyinconstructedwetlandsofporouspipe2湿地配水均匀性由以上湿地配水系统管道能量分配可知,对于湿地配水系统来说,为实现均匀配水,必须使图1中昀不利点a和点c的出流流量相互接近,由水力学知识可知[9],孔口出流流量计算式为:2QAghμ=(4)式中:Q为孔口出流流量;μ为孔口流量系数;A为孔口面积;h为孔口总水头;其他与前面相一致.由式(4)可知,孔口a和c点的出流流量分别为:aaa2QAghμ=ccc2QAghμ=由于湿地配水系统支管中各孔口面积均相等,故两孔口流量之比:aaccQhQh=(5)由前面能量分布和水头分布分析得出,hahc,所以由式(5)可知,QaQc,即Qa/Qc1.因此,要实现配水均匀,必须采取措施使Qa和Qc相互接近.根据文献[9],一般认为当均匀性达到95%,即认为该配水系统设计合理且满足使用要求,即Qc/Qa≥0.95,同时由Qa/Qc1可知:1Qa/Qc≤20/19(6)由式(6)可知,要实现垂直流人工湿地布水系统对来水流量的均匀分配,就必须使湿地表层穿孔管布水管道中昀不利的2点的流量满足1Qmax/Qmin≤20/19.3湿地配水系统配水时间的确定一般工程都认为一个完整系统从开始进水到停止进水时间间隔段t称为配水时间,也称灌溉时间或抽水时间.t的确定对湿地系统的PLC控制具有非常明确的指导性及服务性,它的确定能非常方便及时地指导PLC运行工况的确定,昀终服务于垂直流人工湿地的配水均匀性.本研究认为在垂直流人工湿地中,当前端干管停止进水时,湿地内部支管还在继续对湿地配水直至支管中昀不利点的水流流至穿孔管孔口之下,因此在计算湿地穿孔管型配水系统配水时间时,应添加一个时间Δt(干管停止进水到昀不利点水流流至对应穿孔口之下的时间),由图1可见,湿地配水系统中配水时间计算昀不利点为图1中所示的a点.在湿地干管停止进水后,a点所在穿孔支管孔口的出流水头H不断变化,()HHt=(表示穿孔管内水深随时间的变化函数),如图6所示,此时孔口出流过程为非恒定出流[10].但是,由于支管内管道水面积比该管段上孔口总面积大得多,8期谢小龙等：垂直流人工湿地配水均匀性的研究831所以H随时间变化非常缓慢,因此可将孔口整个非恒定出流过程划分成许多微小时段,将各微小时段dt内的流动近似看作恒定出流,然后进行叠加得到非恒定出流的整个时间t+,下面为t+的计算过程.设在某t时刻,a点所在的孔口总水头为h,容器内水表面积为Ω,孔口面积为A,则该时刻孔口出流的流量为:2QAghμ=(7)在dt时段内经孔口流出的水体积为:dμ2dQtAght=⋅(8)根据质量守恒定律,dt时段内孔口流出的水体积和其相对应时段内管道水量的减少dhΩ保持一致.d2ddQtAghthμΩ=⋅=−(9)由式(9)可知:ddd22hhtAghAghΩΩμμ=−=−⋅(10)设在t时段内,管道内水头由H1降到H2,对式(10)积分得:2211d1d22HHHHhhtAghAghΩΩμμΔ=−⋅=−∫∫(11)H1hH2d90°Dd图6湿地穿孔管剖面Fig.6ProfileconfigurationofconstructedwetlandsofporouspipeD为昀不利点所对应支管的管径,d为穿孔管管径在垂直流人工湿地配水管道中,其孔口位置一般如图6所示,支管上方(下方)开两排对称小孔,与中心线成45°角交错排列.2222()()24DDBLLhΩ=⋅=⋅−+(12)式中:D为孔口对应支管管径;B为支管水面的宽度;L为支管总长;h为孔口总水头.由于此阶段孔口处于自由泄流阶段,故用水深来代替其孔口总水头而忽略其流速水头(此时各个孔口流速为变速,变化速率不同,难于计算且流速水头较水深来说很小,可以忽略不计).同时由配水均匀性分析得出