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,20092)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