CN103570137B - 一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法。该方法基于渗流场理论，以实现水流在床体各处均匀分布为目的，以三维有限差分地下水流动数学模型为设计计算依据，对影响潜流人工湿地流场分布的主要结构参数进行定量化设计，包括人工湿地单元划分、各单元池体长宽比、布水区长度、集水区长度、床体深度、主体填料区域填充层数、各层填料渗透系数，采用达西渗透试验对基质填料进行测量，筛选出各层所需粒径的填料。本发明设计方法对潜流人工湿地各结构参数进行设计计算时，结构参数的选取简单方便，切实可行，据此建造的潜流人工湿地能够大大提高***的水力效率和填料的利用率，避免沟流、短流及死区的发生，进而提高净化效果和使用年限。

Description

一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法

技术领域

本发明属于一种对潜流人工湿地基质结构的创新设计，特别是一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法。

背景技术

在水体污染及水资源短缺问题日益严峻的今天，作为生态处理方法的人工湿地技术有着广阔的发展空间。人工湿地按照水体流态可划分为潜流式人工湿地、垂直流人工湿地和表面流人工湿地，其中潜流式人工湿地应用范围最为广泛，与传统生化处理方法相比，具有处理成本低、管理简易、处理效果好、不易造成环境卫生问题等优点。

近年来，随着人工湿地工程化应用范围的逐步扩大，沟流、短流、死区等问题日益突出，基质利用率逐年下降，并由此引发处理效率低下、堵塞及服务年限缩短等一系列问题，成为人工湿地进一步推广使用的瓶颈问题。在此情况下，研究发现传统人工湿地的构建仍停留在经验化建造阶段，缺乏行之有效的设计方法，造成了沟流、短流、死区等流场分布不均匀现象的普遍发生。针对上述问题，本发明根据渗流场理论，以流场均匀分布为目的，利用常密度三维流动基本水流数学模型对潜流式人工湿地结构参数进行定量化，在设计阶段避免了基质利用率低下，水流分布不均等问题的发生，为潜流式人工湿地净化能力及服务年限的提高提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法，依据渗流理论将潜流式人工湿地床体结构参数进行定量化，解决了潜流式人工湿地在设计和建造过程中的随意性和经验化问题，以保证基质内部流场分布的均匀性。

潜流人工湿地基质结构设计方法是以流场的均匀分布为目的，设计计算依据为三维有限差分地下水流动模型，其常密度三维流动基本水流数值模型如下：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(k_{\mathrm{xx}}\frac{\∂h}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k_{\mathrm{yy}}\frac{\∂h}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k_{\mathrm{zz}}\frac{\∂h}{\∂z}\right)-w=S\frac{\∂h}{\∂t}$

式中：k_xx,k_yy,k_zz为沿x，y，z坐标轴方向上的渗透系数（LT^-1）;h为测压管水头，（L）；w为地下水的源和汇；S为孔隙介质的储水率（L^-1）；t时间（T）。

具体步骤为：

（1）建立一个潜流人工湿地：

潜流人工湿地基质结构设计方法所针对的潜流人工湿地结构包括进水口、布水区、分层填充的主体填料区、集水区、出水口；污水由进水口流入，经布水区后，水平流过主体填料区中各填料层，在主体反应区末端汇入集水区，最后由出水口流出***。

潜流人工湿地单个池体单元长度范围为1-56米，长宽比例为1:1-2:1；布水区长度与人工湿地池体总长度的适宜比例范围为1：8-1：15；集水区长度与人工湿地池体总长度的适宜比例范围为1：8-1：15；床体填料有效填充深度为0.5-1.0米；单个池体总长度小于12米时，主体填料划分为4-6层，单个池体总长度大于12米时，主体填料划分为3-6层；布水区和集水区适宜选用填料的渗透系数为500-1000m/d；若单元池体长度大于56米，则根据地形将土地划分为若干个池体单元，保证每个单元池体长度在1-56米范围内。

（2）各层填料渗透系数的设计：

潜流人工湿地主体填料区各层填料的选择与人工湿地单元池体尺度相关，不同尺度人工湿地各层填料渗透系数的具体设计如下：

①当池体长在1m-6m时，各层渗透系数计算公式如（1）所示：

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值（2，3，4，5，6）；

a-系数，其计算公式如（2）所示：

$a={0.0002k}_1^{3.0537}---\left(2\right)$

式中：k₁-第一层（表层）的渗透系数取值，取值范围为10-80m/d。

②当池体长在6m-12m时，各层渗透系数计算公式如（3）所示：

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值（2，3，4，5，6）；

a-系数，其计算公式如（4）所示：

$a={0.0009k}_1^{2.0052}---\left(4\right)$

式中：k₁-第一层（表层）的渗透系数取值，取值范围为10-120m/d。

③当池体长在12m-56m时，各层渗透系数计算公式如（5）所示：

k_n＝a[n²-(0.0998a+5.6559)n+58.653a^-0.4483]     （5）

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值（2，3，4，5，6）；

a-系数，其计算公式如（6）所示：

$a={0.0003k}_1^{2.0578}---\left(6\right)$

式中：k₁-第一层（表层）的渗透系数取值，取值范围为10-140m/d。

（3）潜流人工湿地主体填料区各层填料的选取：

采用达西渗透试验对基质填料进行测量，筛选出各层所需粒径的填料。

本发明是一种对潜流人工湿地基质结构的创新设计，是利用地下水渗流理论对不同尺度的潜流人工湿地的床体结构参数进行定量化设计，实现流场均匀分布的目的，以提升人工湿地水力效率及床体填料的利用率，充分发挥填料对污染物的截留、吸附和共沉淀作用，提升人工湿地对污染物的净化效果，解决了传统人工湿地在床体结构设计方面的随意性和经验化问题。采用该设计方法对潜流人工湿地各结构参数进行设计计算时，结构参数的选取简单方便，切实可行，据此建造的潜流人工湿地能够大大提高***的水力效率和填料的利用率，避免沟流、短流及死区的发生，进而提高净化效果和使用年限。

附图说明

图1为本发明实施例分层基质的潜流人工湿地剖面结构示意图。

图中标记：1-进水口，2-布水区，3-分层基质主体填料区，4-集水区，5-出水口，6-水生植物。

图2为本发明实施例均一基质的潜流人工湿地剖面结构示意图。

图中标记：1-进水口，2-布水区，4-集水区，5-出水口，6-水生植物，7-均一基质主体填料区。

图3为本发明实施例两个潜流人工湿地布水区、集水区及各层过水量对比图,A图为分层基质，B图为均一基质。

图中：Zone1、Zone2分别表示布水区和集水区总过水量；Zone3-Zone8是依次从上到下各层的过水量。

图4为本发明实施例两个潜流人工湿地出水示踪过程曲线图。

具体实施方式

实施例：

（1）为体现本发明的有效性，建立分层结构和均一基质两个潜流式人工湿地进行对比，两个潜流式人工湿地除主体填料区有区别外，其他结构组成均一致，如图1、2所示，潜流人工湿地结构包括进水口1、布水区2、分层基质主体填料区3、集水区4、出水口5、水生植物6和均一基质主体填料区7；污水由进水口1流入，经布水区2后，水平流过分层基质主体填料区3或均一基质主体填料区7；基质表层有水生植物6；污水通过主体反应区末端汇入集水区4；最后由出水口5流出***；进水口1口径为32毫米，出水口5口径为32毫米。水生植物6为湿生挺水植物美人蕉，种植密度为20株/平方米。

两个潜流人工湿地池体均为不锈钢板材，根据常密度三维地下水流动基本数值模型计算结果，池体长度设计为2米，宽度为1.2米，长宽比为1:0.6，布水区2与集水区4的长度都为0.2米，与池体总长度比例为1:10，布水区2与集水区4填充基质的渗透系数为500m/d，填料选取粒径为4cm-8cm的鹅卵石。床体有效填充深度为0.6m，由于池体总长度小于12米，因此分层结构人工湿地主体填料划分为6层，各层高度一致，填充基质均为石英砂，区别在于石英砂粒径不同，而各层石英砂粒径的大小是计算得出渗透系数后，利用达西实验进行确定的。

（2）潜流人工湿地主体填料区各层填料的选择与人工湿地单元池体尺度相关，不同尺度人工湿地各层填料渗透系数的具体设计如下：

①当池体长在1m-6m时，各层渗透系数计算公式如（1）所示：

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值（2，3，4，5，6）；

a-系数，其计算公式如（2）所示：

$a={0.0002k}_1^{3.0537}---\left(2\right)$

式中：k₁-第一层（表层）的渗透系数取值，取值范围为10-80m/d。

②当池体长在6m-12m时，各层渗透系数计算公式如（3）所示：

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值（2，3，4，5，6）；

a-系数，其计算公式如（4）所示：

$a={0.0009k}_1^{2.0052}---\left(4\right)$

式中：k₁-第一层（表层）的渗透系数取值，取值范围为10-120m/d。

③当池体长在12m-56m时，各层渗透系数计算公式如（5）所示：

k_n＝a[n²-(0.0998a+5.6559)n+58.653a^-0.4483]    （5）

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值（2，3，4，5，6）；

a-系数，其计算公式如（6）所示：

$a={0.0003k}_1^{2.0578}---\left(6\right)$

式中：k₁-第一层（表层）的渗透系数取值，取值范围为10-140m/d。

该模型填充渗透系数计算方法符合公式（1），根据现有的石英砂进行设计，分层基质设定表层基质渗透系数为25m/d，符合第一层取值范围为10-80m/d的要求，带入公式（2）求出a值，将得出的a代入公式（1），并对n依次取2，3，4，5，6，计算得出基质第2,3……6层的渗透系数，分层与均一模型所需基质的渗透系数如表1所示。

表1由达西渗透试验测各层基质相应填料渗透系数的汇总

（3）利用达西实验测定各层渗透系数对应的石英砂粒径，实验相对误差控制在5%以内，得出分层结构人工湿地主体填料区3从上到下各层石英砂粒径依次分别为0.2-0.6mm,0.2-0.4mm,0.2-0.8mm,0.4-0.6mm,0.4-0.9mm和1.0-2.0mm，均一基质主体填料区7为均一基质填料（为0.9-2.0mm的石英砂）。

首先，利用数值模拟方法对两种不同填充方式的过水量进行比较，结果如图3所示，A图为分层填充人工湿地进水区（zone1）、集水区（zone2）以及主体填料区从上到下六层填料区（zone3-zone8）的水流通量，可以看出主体填料区不同深度的六个填料区域（zone3-zone8）过流通量均相同，即流场分布均匀；而图3中B图为均一基质填料人工湿地，不同深度主体填料区（zone3-zone8）水流通量存在较大差异，即流场分布不均匀。

以氯化钠为示踪剂开展示踪实验对两***水力性能进行对比，流量设定为48L/h,示踪实验结果如图4所示，根据图4实验结果计算两对比***水力性能参数，如表2所示。

表2由示踪实验得到两种不同填充方式的相关参数

填充方式	有效体积比e	短路值S	水力效率λ	回收率(%)
					分层基质	0.86	0.51	64	85.08
均一基质	0.62	0.62	42	74.15

由图4及表2可知，分层基质潜流人工湿地的有效体积比、水力效率均比传统均一基质填充方式的人工湿地要高，表明分层填充方式的潜流人工湿地具有更好的水力性能。可见，根据本发明中对人工湿地基质结构的设计方法对潜流人工湿地基质的填充进行合理搭配后，能够明显减少湿地***中死区和滞水区的存在，使床体中不同深度区域水流均匀分布，有效提高基质利用率及水利性能，从而更有利于污染物的去除。

以上所述，仅是对该设计方案实施示例，并非对本设计方法作任何形式上的限制，凡是依据本设计的技术实质对以上示例所作的任何简单改变与修饰，仍属该技术设计方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法，其特征在于具体步骤为：

(1)建立一个潜流人工湿地：

潜流人工湿地基质结构设计方法所针对的潜流人工湿地结构包括进水口、布水区、分层填充的主体填料区、集水区、出水口；污水由进水口流入，经布水区后，水平流过主体填料区中各填料层，在主体反应区末端汇入集水区，最后由出水口流出***；

潜流人工湿地单个池体单元长度范围为1-56米，长宽比例为1:1-2:1；布水区长度与人工湿地池体总长度的比例范围为1：8-1：15；集水区长度与人工湿地池体总长度的比例范围为1：8-1：15；床体填料有效填充深度为0.5-1.0米；单个池体总长度小于12米时，主体填料划分为4-6层，单个池体总长度大于12米时，主体填料划分为3-6层；布水区和集水区选用填料的渗透系数为500-1000m/d；若单元池体长度大于56米，则根据地形将土地划分为若干个池体单元，保证每个单元池体长度在1-56米范围内；

(2)各层填料渗透系数的设计：

潜流人工湿地主体填料区各层填料的选择与人工湿地单元池体尺度相关，不同尺度人工湿地各层填料渗透系数的具体设计如下：

①当池体长在1m-6m时，各层渗透系数计算公式如(1)所示：

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值(2，3，4，5，6)；

a-系数，其计算公式如(2)所示：

$a={0.0002k}_1^{3.0537}---\left(2\right)$

式中：k₁-第一层(表层)的渗透系数取值，取值范围为10-80m/d；

②当池体长在6m-12m时，各层渗透系数计算公式如(3)所示：

k_n＝a[n²-(0.0762a+5.3485)n+36.927a^-0.3828]  (3)

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值(2，3，4，5，6)；

a-系数，其计算公式如(4)所示：

$a={0.0009k}_1^{2.0052}---\left(4\right)$

式中：k₁-第一层(表层)的渗透系数取值，取值范围为10-120m/d；

③当池体长在12m-56m时，各层渗透系数计算公式如(5)所示：

k_n＝a[n²-(0.0998a+5.6559)n+58.653a^-0.4483]  (5)

式中：k_n-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6；

n-从上到下的层数取值(2，3，4，5，6)；

a-系数，其计算公式如(6)所示：

$a={0.0003k}_1^{2.0578}---\left(6\right)$

式中：k₁-第一层(表层)的渗透系数取值，取值范围为10-140m/d；

(3)潜流人工湿地主体填料区各层填料的选取：

采用达西渗透试验对基质填料进行测量，筛选出各层所需粒径的填料。