潜流人工湿地水力学探究进展

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1、潜流人工湿地水力学探究进展　　摘要：人工湿地因其具有负荷率高、耐冲击负荷、处理效果可靠、占地面积小、美化环境等优点，正受到生态工程领域越来越广泛的关注和重视。在潜流人工湿地系统设计中，水力学因素直接关系到污染物的去除效果。通过系统梳理国内外对潜流人工湿地水力学的研究方法及进展，分析了潜流人工湿地水力学特征参数及其影响因素，重点探讨了湿地构造、基质、植物和运行方式等因素对水力学特征的影响及其优化途径，为完善潜流人工湿地系统水力设计，提高水力效率，提升污染物去除效果提供理论指导和技术支持。关键词：潜流人工湿地；

2、水力学；水力参数中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1672-1683（2014）01-0094-03随着人们对环境问题重视的不断加深，各种水污染治理技术相继出现，其中人工湿地（CWs）被证实是一种低成本、生态化的污水处理技术，在国内外的研究和应用十分广泛[1]。2010年，环保部发布了《人工湿地污水处理工程技术规范》，标志着CWs技术在我国水处理领域的工程化应用进入了规范阶段。13人工湿地除污效率受到多种因素影响，包括气候温度、基质微生物、植物种类、运行方式等，对此国内外相关研究颇多。另外，水力条

3、件的改变会影响人工湿地污水的停留时间、污染物与基质的有效接触面积等，从而对人工湿地除污效果起到关键作用。目前，应用广泛的潜流人工湿地的水流方式需要通过人为控制来进行调整，对其水力条件的研究显得更为重要[1-2]，也逐步受到重视。但是，关于人工湿地水力条件的影响因素及其优化方法的研究成果相对零散。因此，[HJ1.7mm]笔者着重归纳分析人工湿地水力学的研究方法和影响水力条件的主要因素，为提升人工湿地对污染物去除效果提供一定借鉴。1潜流人工湿地水力学研究方法潜流人工湿地内水的流态属于多孔介质流。但是，在人工湿地

4、基质中，错综复杂的根系导致其周围极易出现紊流，所以其水力特征很难用渗流研究中的成熟理论来描述[3]。目前，人工湿地水力学研究方法主要包括理论分析法、数值模拟法和实验法。1.1理论分析法13理论分析法是利用流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程。当潜流水的流动状态为层流时，人工湿地[JP2]的水力学方程可采用达西公式表述[4]；当渗流的雷诺数Re[HJ]>[JP]10[5]时，对水流的扰动作用已不能忽视，一般则可采用厄刚（Ergun）公式来描述[6]。随着潜流人工湿地理论研究的深入，多种水力学模型相继

5、被提出：Kadelc[7]提出了理想推流模型（PFM），Florent[8]提出了弥散推流模型（DPFM），Han[9]等人提出了多流弥散模型（MFDM），Deans[10]提出了连续完全混合反应器模型（CSTRM）。这些模型对湿地构造、运行方式、和水力学参数的选择等方面提供了一定的借鉴。1.2数值模拟法数值模拟法通过数值计算和图像显示对流场问题进行研究。随着紊流理论的发展和计算机计算能力的提高，数值模拟方法有了较大的发展。其中，计算流体力学技术将实验研究与理论分析方法联系起来，使很多简化流动模型的方法得到

6、发展和完善[2]，为人工湿地水动力模拟和数学建模分析提供了有效手段。例如，范立维[11]采用计算流体力学（CFD）对潜流人工湿集水区对水力学性能的影响进行了数值模拟研究，结果表明在平均停留时间相差不大的情况下，散度成为潜流人工湿地水力效率的主要影响因素；肖海文[12]对人工湿地水力停留时间分布进行了模拟研究，通过比较分析水力停留时间分布的早期高峰、峰值集中和尾部倾斜拖长等流态特征，结果表明活塞流反应器并联完全混合反应器模型处理效果最好。1.3实验法13实验法是人工湿地水力学研究中最常用的方法，它是利用示踪表

7、征相应的水流运动，对其分析后得到水流运动的规律性。其基本原理是在系统进水中瞬时加入示踪剂脉冲，绘出系统出水中示踪剂浓度随时间的响应曲线（RTD），以判断湿地系统短流、死区比例以及水力效率[13]。Florent[14]等将活塞流离散模型和多釜串联模型运用到潜流人工湿地水力学研究中，通过示踪剂实验指出其更适合模拟潜流人工湿地中的非理想流动。王久贤[13]对白泥坑人工湿地水力学计算进行了研究，由示踪剂试验确定了系统中水力停留时间分布（RTD），提出RTD的不同是湿地处理效率差异的主要原因。2潜流人工湿地水力学特

8、征描述潜流人工湿地水力学特征参数主要包括水深、流量、水力负荷、水力停留时间（HRT）等。水深对湿地内部的氧含量影响较大，是湿地植物生长，微生物繁殖的制约因素，溶解氧过低将使氨氧化过程受到影响，因此对水深的控制尤其重要。水力负荷是通过单位面积的水流体积。在不同的水力负荷条件下，湿地的污水处理效果差异很大：水力负荷过高，水力停留时间缩短，污水处理效果相应降低。这是因为水力负荷过高时，植物根系、微生物、基质对污染物的接