人工湿地设计中的水力学问题研究_胡康萍

第4卷第5期19引年10月20日环境科学研究ResearehofF飞飞vironlnellta1S《二ieneesVol.4,0et.20No.51991人工湿地设计中的水力学问题研究胡康萍(华南环境科学研究所,广州)提要本文结合深圳自泥坑人上湿地污水处理卜程的设计和试验研究.探讨了人工湿地污水处理系统中的水力学问题.指出用Erg朋公式描述碎石休中的流动较Darcy公式更为合适。文中给出的E。只un公式数值解法以及水面线设计和控制方法将有助于在设计过程中确定处理系统的水力学参数。关键词人!_湿地呀亏水处理:渗流水力学言人工涅地污水处理技术曰引入我国以后.引起了环境」__程界越来越广泛的兴趣。在实用型人工湿地污水处理系统的设计中,非常重要的是其中所涉及的水力学因素,因为这直接关系到污水在系统中的流速、流态、停留时间以及与作物生长关系密切的水面线控制等重要问题。尤其对于潜流型人L湿地’,2,这些因素显得更为重要。潜流型人工湿地较之于表面流型人L湿地更具有负荷率高,占地面积小,处理效果可靠,耐冲击负荷和不滋生蚊蝇等优点〔’〕。但是水力学设计参数的确定更难一些,因此本文仅限于对潜流型人工湿地的讨论。本文中也将这种人工湿地称为植物碎石床或碎石床。潜流型人工湿地中的水流实际上是一种多孔介质流。虽然这种流动与渗流有相似之处,但由于人工湿地中的介质多选用粒径较粗的砾石或碎石,流动的雷诺数一般又大大超过了层流的范围,因此水流运动特征很难用目前渗流研究中比较成熟的理论来描述。有关这方面的研究成果目前并不多〔3,4),这是目前影响人工湿地设计中水力学参数确定的一个重要原因。本文就在深圳白泥坑设计建造的我国第一座实用型人工湿地的设计情况,对其中的水力学问题进行深入的研究和讨论,以期有助于今后的人工湿地设计工作。制直接影响植物的生长和污染物的降解环境。在渗流中,水流运动一般用达西定律描述:万元5〔1,式中.v—渗流平粉流速;S—水力坡度;k—渗流系数。但是一般认为,,当渗流的雷诺数大于l一川后〔1)式就不适用了。此外,当介质的粒径较大时,对水流的挠动作用已经不能忽视在有挠动流的情况卜,一般用以卜‘形式描述流速与水力坡度的关系彭”〕:s=av+夕vZ(2)可见其既非渗流中的线性关系,亦非明渠流动中的二次方关系。(2)式中的系数a和口依赖于介质的粒径、孔隙率、水温等因素,一般要由实验确定。如果取下式代入(2)式:a二二月=150产产g上二乓一)2D,￡(31.75(1一￡)Dp‘g但数值却很容易。二、水面线及其控制式中,严—动力粘滞系数;尸--一水的密度;g-—重力加速度;￡-一一介质孔隙率;Dp-一平均粒径。则(2)式称为E馆“n公式。(2)式的解析解很难求出,将dhs=‘一蔽~代入Er只un公式,经整理后得到:(4)在人工湿地系统中,碎石床的水面线设计和控DOI：10.13198/j.res.1991.05.10.hukp.002第5期胡康萍:人工湿地设计中的水力学问题研究登一*一邻益黯荞笋土蛋分云多三介几)ABC式中,i—碎石床底坡;Q—污水流量;B—碎石床宽度;h—水深;其余符号同(2夕,(3)式。(5)式的修正差分近似解为:么x二,,,。,_,、_二二、、探杏+1=概个一只一~L/、儿k,了j、Itk下Q习、“kZJ、‘u产乙用(6)式可很方便地求出不同底坡,碎石粒径,以及控制水位条件下的水面线。由于碎石床中不可能出现急流,没有临界水深,因此水面线只有奎水和降水两种形式,如图1所示。其中井入钱为相应的均匀流动水面线。无论是塞水线还是降水线,其上端都是以正常水深线为渐近线。图2出水端水位控制水面线示意潺护三三泛止迁囊“今图l石心“,/厂,甲碎石床中的水面线形式显然,碎石床系统中最理想的流态是均匀或近似均匀的流动,因为均匀流动最接近于推流模式〔5二,减少短流,提高系统效率。同时.从工程上来说,水面线(同时也是介质面)与底坡平行,也是最经济的结构。然而,这种理想的状态在实际上却是达不到的。这主要是因为污水的流量在通常情况下都不会是恒定的,正常水深有一个变动范围,而工程设施和植物对水深的要求一般又是不可变的。此外.碎石床系统中介质的渗透率也不是一个常数,而随着植物根系的发育而改变,这也妨碍了在一个固定的工程结构中保持均匀流动。由于一般碎石床的进水水位是固定的,因此为了保持水流在床体中以最接近推流的形式流动,则必须依靠其出水水位的控制。水位控制的基本要求是:1.当系统接纳最大设计流量时,其进水端不能出现雍水现象而导致表面流;2.当系统接纳最小设计流量时,出水端不能出现碎石床面淹没而导致表面流;3.为有利于床内作物的生长,水面浸没作物根系的深度应尽可能均匀。如图2所示,假定进水水位高程位于A点,则当最大流量出现时,为了使进水端不出现表面流,出水端水位必须低于