用环形断面管流模拟多年生植物的人工湿地的水头损失_孙小利

水利学报SHUILIXUEBAO2011年8月第42卷第8期文章编号：0559-9350（2011）08-0934-07收稿日期：2009-08-10项目基金：美国内务部地质调察局，密苏里水资源研究中心（USDIGeologicalSurvey，MissouriWaterResourcesResearchCenter）（Grant96-2）作者简介：孙小利（1954-），北京人，博士，主要从事环境水力学研究。E-mail：Xiaoli_s@hotmail.com用环形断面管流模拟多年生植物的人工湿地的水头损失孙小利1，王建跃2，AllenThompson2（1.中国水利水电科学研究院，北京100048；2.密苏里大学生物农业工程系，ColumbiaMo，USA65201）摘要：此项研究对填有石质介质和生长植物根系的两个水槽进行了连续4年的露天水流和孔隙率实验研究。石质介质分别为大颗粒的卵石和小颗粒豆粒砾石。为了更准确计算成熟人工湿地渗流的水头损失，利用环形断面管流的假设来改进欧根（Ergun）方程紊流项，再对人工湿地的石质介质和植物根系的水流水头损失进行模拟。研究结果表明：不考虑植物根系影响，只考虑孔隙率变化，Ergun方程的计算结果明显低于实测结果。改进后的欧根方程（M-E-pl）的计算结果可以较为准确预测水槽中石质介质的水头损失。其中豆粒砾石介质的预测结果较为理想，卵石介质的模拟结果略低于实验结果。关键词：环形断面管流；植物根系；水头损失；石质介质；孔隙率中图分类号：TV134文献标识码：A1研究背景人工湿地目前正在广泛的应用于废水处理系统。人工湿地的滤池一般由砾石或卵石大孔隙介质和水生植物组成。废水流过石质介质，并且在与石粒和植物根系接触的过程中得到净化。使用人工湿地遇到的问题之一是，当人工湿地运行数年后，随着水生植物的生长，植物的根系已经占据了介质间的部分空隙，往往不能满足最初的污水处理的流量负荷，造成某些部位污水溢出，从而产生蚊蝇滋生和恶臭［1］。各种水力模型曾经被用于计算流体通过由大颗粒物质组成的多孔介质（porousmedia）的水头损失。这些方法可归类为：管流的计算方式，最为流行的是（Kozent-Carman）模型和解Navie-Stokes方程的模型。为了确定渗透率，一些模型主要考虑层流流态。在完全饱和与层流的条件下，达西定律可以表达介质中流速和水头损失的关系。但对于包括层流和紊流较大范围雷诺数的多孔介质流动，一般可以用Ergun方程来表达［2］，具体形式为：ρgS=Aμ()1-ε2V0ε3D2p+Bρ()1-εV20εDp（1）式中：S为自由水面坡度，一般等于水力坡度（dHdL-1）；A为层流系数，为36T，T为扭曲系数（常用值为25/6［3］）；B为紊流系数，一般为1.75；ε为孔隙率；Dp为颗粒直径；ρ为液体密度；μ为动力黏性系数（0.01~0.011Pa·s）；g为重力加速度。过去有一些研究涉及到由大小均匀球形颗粒构成多孔介质的水头损失，但对非均匀颗粒形状对于水头损失影响的研究较少，Chhabra［4］利用球度Φ来考虑非球体颗粒介质的影响。Grant［5］假设在式（1）中颗粒的直径为ΦDp，引入球度的概念。使用修正后的M-Ergun方程的计算结果非常吻合在净床大颗粒多孔介质水槽水流试验中的试验结果。在后来的研究中，为了解决大颗粒多孔介质流动的水——934DOI:10.13243/j.cnki.slxb.2011.08.004头损失问题，分别对于不同大小颗粒介质和流体进行了实验研究［5-8］。但各种形式的非达西定律的公式对于有植物根系生长的颗粒介质的模拟与实际测量结果比较，误差较大［9］。1998年的研究文献［10，11］在修正后的M-Ergun方程中，考虑了植物根系生长两年后对石质多孔介质的水头损失的影响，假设水流是通过一束互相缠绕的导管，导管的横断面为环形，但考虑紊流影响时，最基本的假设还是圆形断面管束流动。本项研究的目的是：（1）对Ergun方程的紊流项，通过环形断面管流假设，做出进一步改进，对改进后考虑植物根系影响的M-Ergun方程进行验证；（2）对植物生长4年后的人工湿地进行的水力测量，与2年前人工湿地的孔隙率和水头损失进行比较。2试验设施和方法水力学的特性测量是在长7.62m、深0.457m、与宽分别为0.310m和0.295m的两个室外水槽中进行的。Grant［5］确定豆粒砾石和卵石的球度分别为0.67和0.71，平均直径分别为0.638cm和2.02cm。两个水槽中石质介质豆粒砾石（peagravel）和卵石分别填满到37.9cm和34.2cm深。豆粒砾石和卵石空床孔隙率分别为37.6％和38.8％。在水槽的侧面装有31支长40.6cm和直径0.9cm玻璃测管，按照安装不同间距进行安