潜流式人工湿地的数值模拟与参数率定_潘俊

潜流式人工湿地的数值模拟与参数率定潘俊1，高维春1，田海龙2，臧海洋1（1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳110168；2.吉林化工学院环境与生物工程学院，吉林吉林132022）摘要：以沈阳辉山明渠河口潜流式人工湿地为例，利用数值模拟预测了该湿地的运行效果。采用多孔介质水流与溶质运移耦合模型，通过对湿地模型的概化与处理，利用FEFLOW软件针对潜流基质层的水流和溶质扩散进行数值模拟，通过敏感度分析确定基质层的孔隙度、渗透系数、弥散系数和吸附降解系数为影响污水处理效果的敏感参数，并通过参数率定对所建立的湿地模型进行了模拟预测，结果证明所构建的湿地模型的预测值与观测值拟合程度较好。可为潜流式人工湿地设计中运行效果预测及参数设定提供一种新的有效方法。关键词：潜流式人工湿地；数值模拟；敏感度分析；参数率定中图分类号：TV131.4文献标识码：A收稿日期：2010-01-16作者简介：潘俊（1962-），男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事水污染防治研究。E-mail：hj_pj@sjzu.edu.cn水利学报SHUILIXUEBAO2010年11月第41卷第11期文章编号：0559-9350（2010）11-1280-071研究背景人工湿地是人工建造的、可控制的以及工程化的湿地系统，为保证污水在其中有良好的水力流态和较好的去除效率，需要对其水力参数和污染物吸附降解系数进行优化组合，通过数值模型实现其参数优化和运行效果的预测在湿地设计过程中十分必要。随着人工湿地处理污水的广泛应用，各种湿地模型的开发也随之出现，国内外现已有十几种湿地模型得到开发和应用［1］。廖新俤等［2］提出了基于运行温度和进水浓度的湿地出水COD预测模型。贾忠华等［3］用DRAINMOD模拟不同来水情况对西安湿地的影响。段康前等［4］对湿地水模型作了详细的论述，并结合深圳湾流域建立了多种水文模型。焦璀玲等［5］对平阴湿地示范区进行了二维流场的数值模拟。Feng等［6］在1997年开发了湿地二维扩散模型。Kadlec等［7］在1988年开发了一个动力学模型，不过其未考虑季节性变化。目前，由于潜流式人工湿地机制的复杂性，国内外开发的潜流式湿地模型还很少。在现有的湿地模型当中，水力参数的模拟较多而其他水质参数模拟的很少［8］。大多数湿地模型属于集中参数模型，没有考虑参数在空间的变化情况及季节因素。吴振斌等［9］通过对有植物湿地系统和无植物湿地系统进行了比较研究，结果表明植物湿地系统即使在冬季也存在降解能力。因此，考虑参数分区与季节因素后建立的湿地水流与溶质运移耦合模型将会使潜流式人工湿地数值模拟更加全面，使其作为探讨潜流式人工湿地水力学特性、优化潜流式人工湿地水力学设计的研究方法和设计工具具有更重要的意义。本文利用FEFLOW软件综合考虑参数分区与季节因素对潜流式人工湿地系统的水流和污染物运移进行模拟，以沈阳市辉山明渠人工湿地为例，系统阐述模型的建立与验证过程，并预估了该人工湿地基质层流场变化及溶质运移情况，为利用潜流式人工湿地处理污水的工程设计提供科学依据。2研究区域概况辉山明渠人工湿地主体工程位于辉山明渠入浑河河口旁，主体工程由预处理设施和湿地两部分组成，占地2hm2，设计污水日处理能力为3万m3/d，主要处理来自辉山明渠的污水，污水处理后经过——1280DOI:10.13243/j.cnki.slxb.2010.11.003砾石层土壤层黏土层芦苇香蒲茭白图1潜流人工湿地结构浑河河口缓冲区的后处理，最后排入浑河。该湿地为潜流式人工湿地，湿地分为3个平行单元，每个单元尺寸规格长×宽×高为85m×80m×0.9m，分别种植芦苇、香蒲、茭白水生植物；湿地垂直分为3层，上层是约为0.2m的亚砂土层，是植物生长初期固定根部所需的土壤层；中层是粒径8mm左右的砾石层，厚约0.6m，成熟植物根系大部分分布在该层，为污水处理层；底层为0.1m左右的黏土层。本工程结构示意图见图1。3潜流人工湿地数学模型的建立及其求解为了研究污水在湿地基质层中的运移规律，本文选用多孔介质模型模拟潜流人工湿地的水流分布与溶质运移情况。3.1数学模型描述3.1.1水流模型描述由于辉山明渠水的流量受季节变化影响，水流呈非稳定状态，但总体上基质中水流为层流运动，服从达西定律，根据湿地基质层条件，将湿地内水流概化为非均质各向同性二维非稳定潜水流。其数学模型表示为：ìíîïïïïïïïïïïïï∂∂xæèöøKx()H-B∂H∂x+∂∂yæèçöø÷Ky()H-B∂H∂y+W-P=μ∂H∂t()x，y∈D，t≥0H()x，y，t|t=0=H0()x，y()x，y∈DH()x，y，t||Γ1=f()x，y，t()x，y∈Γ1，t≥0∂H∂n||Γ2=0()x，y∈Γ2（1）式中：Kx、Ky分别为x、y方向的渗