垂直潜流人工湿地布水方式对水流运动影响探讨尹海龙

第二十届全国水动力学研讨会文集垂直潜流人工湿地布水方式对水流运动影响探讨尹海龙.徐祖信李松(同济大学环境科学与工程学院,上海,200092)摘要:通过建立三维人工湿地水流运动模型,探讨了垂直潜流人工涅地布水方式对水流运动的影响,以提出通过优化布水方式提高人工湿地处理负荷的方法.研究结论为:(1)布水系统达不到均匀配水的情况下,人工涅地内垂向上自上而下存在着不浸水的区域,人工湿地得不到完全利用;(2)进出水孔交错布里不会显著改变水力效率;(3)长度(宽度)单方向增加布水孔数目,长度(宽度)方向水流线扩展,对应宽度(长度)方向水流线收缩,但总体上沮地过水体积增加.关锐询:人工涅地;潜流;水动力;地下水l前言长期以来,人们一直开展人工湿地净化污水的机理及净化效果研究,系统研究了基质、植物等对污染物的除污性能,以及人工湿地中污染物迁移去除机理。但是,对人工湿地水流运动特性与水力设计研究很少,而这也是需要深入研究的问题:人工湿地系统中,由于基质孔隙分布不均匀、植物根系的延伸等作用,水流出现短流、死流等流态。短流情况下,水力停留时间过小,有机物生化降解时间短,净化效果差。死流情况下,水力停留时间过大,湿地系统易处于厌氧状态,抑制好氧条件下的生物降解作用,也使得净化效果差。因此,人工湿地的水流运动特征研究,对提高人工湿地的净化效果至关重要。目前,在人工湿地水流运动特征研究方面,示踪剂试验技术是最常用的技术手段,在国内外人工湿地水流特征研究中得到了广泛应用。其荃本原理是:在系统进水中加入一种示踪剂脉冲,在系统出水中观测系统对此脉冲的反应,绘出系统出水中示踪剂电导率随时间变化曲线(停留时间分布曲线,RTD曲线)。基于RTD曲线,判断湿地系统内部是否存在短流、死流以及短流、死流比例,判断湿地流态(推流、完全混合流、介于两者之间).我国学者吴振斌等针对所开发的下行流一上行流复合水流湿地系统(IVJ).利用示踪剂试验技术对人工湿地水流流态进行T系统研究;国外JeffF.Holland等、JoanGareia等、oFrrestF.oierberg等利用示踪剂试验技术,分别研究了湿地水深和流速对水力效率影响、湿地长宽比和基质粒,-Elralil:户n腼fong@阳ial.otn幼.de.u切第二十届全国水动力学研讨会文集径对水力效率影响、湿地植物对水力效率影响等。基于示踪荆试验,虽然可以分析湿地内短流、死流特征及短流、死流容积比例,但是难以分析出湿地内短流、死流的具体位!,以及湿地内各部位具体而明确的水流特征。要实现对湿地内各部位水流特征的详细描述,猫进一步借助于数学模型。目前,国外有学者(Grha胭A.eJknisn等)利用平面二维水动力数学棋型,研究了表面流湿地水动力特征,但目前尚无利用数学模型对潜流人工湿地水流运动特征进行研究的报道。为此,本研究基于地下水水流模型,开展了垂直潜流人工湿地水流运动特征研究。2模型控制方程垂直潜流人工湿地中,水流通过基质孔隙的流动可用下面的三维偏微分方程进行描述(RushtonK.R.,1979):鲜K_叫+耳.K_.叫+鲜K_叫+二=:.竺欲戈一放J即戈,,即少伪戈一击/`at(l)式中,心、K,、KzZ为x、y、,三个坐标轴方向上的水力传导系数:h为地下水水位;甲为源汇项,大于零表示流进,小于零表示流出:凡为储水系数.对应的模型初始条件和边界条件为:h(x,,,z,,)},一、(x,,,z,o),h(x,,,z,`)!r一气.(x,,,z,`)(2)2垂直下行潜流人工湿地水力设计对水流特征影响影响人工湿地水流特征的因素包括布水方式、基质组配、湿地尺寸、植物密度等.具体分析布水方式对湿地水流特征影响。2.1研究对象研究对象为垂直下行潜流人工湿地反应器,其设计参数为:平面尺寸为1.smxo.sm,池高1.物;反应器内由上至下全部填充粗砂(0~12Oc耐,距墓质表面10cm以下布设布水系统,集水系统距单池底部2.scm。反应器基质表层种植芦苇,种植密度为4根茎/.:。采用有限差分网格对反应器装置进行剖分,计算区域网格划分如图l示。第二十届全国水动力学研讨会文集2.3沮地布水方式对湿地水流运动影晌湿地布水系统设计方案见表1.裹1通地布水方式设计方案设计方案进水孔出水孔进水孔和出水孔布I方式交错布里非交错布t备注8(4X2)8(4X2)10(5X2)8(4X2)314(7X2)14(7X2)非交错布贵412(4X3)12(4X3)非交错布里521(7X3)21(7X3)非交错布t布水系统长度方向_卜进水孔间距减少1/2布水系统宽度方向上进水孔间距减少1/2布水系统在长度、宽度方向上进水孔间距减少l/2通过对5种不同的水力设计方案进行模拟,得出:(l)在湿地布水系统达不到均匀配水情况下,人工湿地自上而下处于非饱和流状态,湿地内自上而下存在着不浸水的区域,人工湿地容积得不到完全利用。这说明:尽t提高配水均匀性是提商人工湿地水力负荷的有效途径:根据不规则形状水力传导率计算公式(叶建锋)gP`,,D,127.义l一s)林(3)第二十届全国水动力学研讨会文集式中:k:为不规则形状墓质的水力传导率,声为动力猫滞系数,’e为湿地中水体积百分率,D为基质颗粒直径。提地布水系统布水均匀性增加,既增加了人工湿地过水容积,水质传导率也将同时提高,从而有助于提高湿地水力负荷。(2)方案l和方案2相比,进出水管位置交错布置与否基本不对水力效率造成影响:进出水管交错布里与否,不会改变过水体积:此外,进出水管交错布里导致的水流线变化一般局限于出水管附近区域,不会造成水流线在垂向上自上而下的改变,从而不会显著改变水力效率。图2进出水管交错布里对湿地水流线影响(3)将方案2和方案3、4、5相比,在湿地的单方向上(长度/宽度方向)增加布水孔数目,相应长度/宽度方向上水流线扩展,对应宽度/长度方向上水流线收缩,但总体上湿地体积增加,提高了水力效率和水力负荷。3结论本研究在总结分析国内外人工湿地水流运动特征研究方法的荃础上,针对垂直下行潜流人工湿地,采用地下水三维水动力模型,研究了人工湿地布水方式对水流运动特征影响,包括进出水管交错布里、单方向上(长度或宽度方向)缩小布水管间距、双方向(长度和宽度方向)上同时缩小布水管间距等。研究认为:进出水管交错布置墓本对人工湿地水力负荷不第二十届全国水动力学研讨会文集造成影响,缩小布水管间距是提高人工湿地水力负荷的重要因素。后续研究中,应进一步建立人工湿地过水体积与长度、宽度方向上布水间距的函数关系,以为人工湿地水力设计提供设计参数。d()方案5一布水孔7x3情形下的人工扭地过水体积模拟图3不同配水方案下的人工湿地过水体积模拟第二十届全国水动力学研讨会文集参考文献l吴振斌,任明迅,付贵萍等.垂直流人工湿地水力学特点对污水净化效果的形响.环境科学,2佣l,22(5):45一492付贵萍.吴振斌,任明迅等.反应器理论在复合垂直流构建湿地水流流态研究中的应用.环峨科学,2002,23(4):76一803Jeff.FoHlland,Jay.FM叭in,石mohtyG触.扭b,etal.EffeostofwetlanddCPhtandflown”eon心idecenitmcdi而butionhcaz岌众幼拓cs.EcologlcalEnginccirng,2加4,23:189一2034JoanGarCia,JodriChiva,PaulagAui能,etal.Hydaurliebehaviourofh0iroznatIsubsurfaceflowconstureedtwtC】ands刘htdiffe茂ntas脚留t而10andgranularmediumsi劝.E.logicalEngin。,ing,2以抖,23:1”一187.5Forrcst.FDie而落oJhaJ.Justo氏仆。masAcDBusKctal.RelationhsiP比WteCn勿daurliceiffciencyandhPOSPhon.传.旧丫目inaUSbme心目叫uat沁vegetation一minatcdtraC。”entwetlan止EcologialCEgnineeirn.g2005,25:卜23.6G几hI帅.AJenkinS,M城夕此tGlt男nway.仆ehy山arulice币ciencyof示n乡ngvesru`b助d目vegeattionincons。”口.dwetlands.欣。!哈calEnigneeirn.g2005,25:61一72.7Ru由otn,K.R.,R曰劝aw,S.C二See户堪eand『oundwaterflo补numeircalanalsyis妙analoganddigi回m助回5.John梢l灯andSonS,NewOYkr,1979.8叶建锋,垂直潜流人工湿地中污染物去除机理研究:I博士学位论文].同济大学,上海,2006.Theinflueneeofwastewaterdistribuitonsehemeonthehydordynamieeha邝eterisitcsofverticalsubsurafeeeonstructedwetlandYNIHia一longXUZu一xinLLSogn(oCl】egeofnEvlr。川旧.n回cSien佣andnEginceirngOTn目1Univcsriyt,Shanhgia,2以K旧2)Abstaret:OTimrPovehtehydaurlicIoadofvertiealconstrUetedwetland(VCW)byotPimizingwa眺ewaterdi而buti叽hetinnuenceofwastewaterdistributioncshemeonhtehyd代川ynamiccha住`teirstiesofVCWwasanalyeZdbasedonthere一dimensionalgroundwatermdeel.hTeconclusion15Persentdeasfollows:(l)Onconditionofun一venwaetrdiistrbutionoverhetVCWsurafeC,hetd口er乡onaP户级sr加mtoPotbottom,andhteVCWanContbefullyiutliZed:(2)htes枷明erlayoutofwas加waterdiistrbutionanddarinholescan,timPvorehydaruliceiffeiencyobviously:(3)hteina节mentof叭超IStewateralloeationholesinhteIongorwidedieretionl`川stohet882第二十届全国水动力学研讨会文集s。℃ajmlinesP传目ni加IOngorwided加涌nonadhtesrt已aI”lineocn加朗itoninhteoPOPsitedi代沦it。氏asaw加城翻沐伪即恤罗of幻茂乡no耐uecs.Keyword.:C.娜加暇扭月栩川朋氏usbus浦比enow,hydordynajmic,脚助d喇er