人工濕地流場(chǎng)數(shù)值模擬分析范文

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1材料與方法

1．1實(shí)體模型的構(gòu)建根據(jù)模擬結(jié)果所確定的參數(shù)構(gòu)建對(duì)比人工濕地實(shí)體模型，2個(gè)床體尺寸相同，L×W×H均為2m×1．2m×0．7m，基質(zhì)填充厚度0．6m，左端為進(jìn)水口，右端為出水口，布水和集水區(qū)域長(zhǎng)度均為20cm，選取滲透系數(shù)為500m/d的鵝卵石進(jìn)行填充。潛流人工濕地系統(tǒng)主體填料填充同一來(lái)源石英砂，一個(gè)主體填料區(qū)內(nèi)填充與分層基質(zhì)相當(dāng)粒徑混合均勻的石英砂(單層基質(zhì))，測(cè)得滲透系數(shù)為65m/d;另一個(gè)對(duì)照人工濕地小試系統(tǒng)主體填料區(qū)分為6層進(jìn)行填充(分層基質(zhì))(見(jiàn)圖1)，滲透系數(shù)從上到下依次38、36、43、55、75和176m/d，其滲透系數(shù)數(shù)值根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)置。床體植物為美人蕉，密度均為20株/m2。

1．2實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)在桂林理工大學(xué)污水處理站進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)用水為該處理站初沉池出水，2個(gè)模型放在處理站室外，光照充沛，運(yùn)行期間水溫13～28℃，進(jìn)水水質(zhì)COD、TP和TN含量波動(dòng)范圍分別為108～192mg/L、0．8～5mg/L、5～52mg/L。1．4水質(zhì)分析方法與數(shù)據(jù)分析2013年3月—2013年12月對(duì)潛流人工濕地模型的進(jìn)水、出水進(jìn)行連續(xù)采樣，每月取樣4次，每次在當(dāng)天早上9:00與下午4:00各取一次后混合，監(jiān)測(cè)混合水樣。總磷采用鉬銻抗分光光度法，總氮采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法［18］。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MicrosoftOfficeExcel2003進(jìn)行分析。

2結(jié)果與討論

2．1潛流人工濕地數(shù)值模擬解析

2．1．1床體長(zhǎng)寬比例及厚度的優(yōu)化目前水平潛流人工濕地沒(méi)有規(guī)范的長(zhǎng)寬比，在統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)寬比一般設(shè)置在1∶1～3∶1之間，很多學(xué)者建議長(zhǎng)寬比應(yīng)該小于3∶1。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)理論得知當(dāng)長(zhǎng)寬比小于1∶1時(shí)，濕地整個(gè)寬度上均勻布水和集水難度都增大，同時(shí)基質(zhì)內(nèi)部水流不均勻［19，20］。首先，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，設(shè)置影響參數(shù)有Kd(滲透系數(shù))、長(zhǎng)寬值和補(bǔ)給量m/d，各因素取3個(gè)水平，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寬比例最佳范圍在1∶1～2∶1間，補(bǔ)給量和滲透系數(shù)影響作用較小。為探索最優(yōu)比例，進(jìn)一步進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，長(zhǎng)寬比例設(shè)置為5∶3、5∶4、1∶1，每個(gè)比例選取4種長(zhǎng)度分別為2、8、16和32m，基質(zhì)厚度為0．6m，補(bǔ)給量為6．4m/d，各層基質(zhì)滲透系數(shù)都為65m/d，將數(shù)值模型網(wǎng)格設(shè)置為6層。數(shù)值模型的進(jìn)水補(bǔ)給量按照布水區(qū)面積補(bǔ)給，因此不同尺寸模型的層平均過(guò)流通量與標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，說(shuō)明基質(zhì)內(nèi)部流場(chǎng)分布越均勻，就越有利于提高基質(zhì)的有效利用率;反之則越不均勻。通過(guò)比較層流量平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差值發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寬比例為5∶3組的層流量最均勻，標(biāo)準(zhǔn)差小說(shuō)明在不同條件下模擬的層流量穩(wěn)定。特別在長(zhǎng)度大于16m之后，長(zhǎng)寬比例為5∶4和1∶1兩組模型的層平均過(guò)流通量的差異急劇增大。另外，此比例接近工程中經(jīng)常用到的黃金分割比例。所以，水平潛流人工濕地的長(zhǎng)寬比設(shè)置在5∶3左右比較合理。在上述模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取0．4～0．8m5組基質(zhì)厚度的數(shù)值模型，采用單一變量法。將模型網(wǎng)格設(shè)置為6層，長(zhǎng)寬比例為5∶3，數(shù)值模型補(bǔ)給量為6．4m/d，主體填料各層滲透系數(shù)都為65m/d，模擬結(jié)果列出長(zhǎng)2m，寬1．2m的一組數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)。因?yàn)楦鹘M模擬中的進(jìn)水補(bǔ)給量相同，所以層平均過(guò)流通量越大，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小對(duì)應(yīng)的模型流場(chǎng)分布就越均勻，基質(zhì)利用率越高。由圖2可以看出，0．6m厚度的填充方式層流量平均值最大為0．447m3/d，其次是0．5m厚度的模型0．445m3/d，而標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著基質(zhì)厚度增大逐漸增大，說(shuō)明基質(zhì)厚度增加各層過(guò)流通量差異越大，流場(chǎng)分布不均。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，水平潛流人工濕地的基質(zhì)厚度在0．4～1．0m間，植物根系分布深度在0．4m以上，過(guò)淺影響植物生長(zhǎng)。有研究表明，設(shè)置0．2、0．4和0．6m深度的模型，并比較SS、COD、TP和NH+4N的去除率，0．6m時(shí)的處理效果最佳［21-23］。LightbodyA．F．等［24］實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較深的基質(zhì)層能夠提高濕地運(yùn)行能力，減少短流通道，但是對(duì)污染物去除率沒(méi)有明顯提高。綜上所述，水平潛流人工濕地基質(zhì)厚度設(shè)計(jì)為0．6m左右較合適。

2．1．2主體填料的配置在對(duì)單層填充方式的模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著填料滲透系數(shù)的增大，層流量平均值逐漸增大，標(biāo)準(zhǔn)差值增大，流場(chǎng)分布就越不均勻。而目前在水平潛流人工濕地構(gòu)建過(guò)程中，為了避免堵塞現(xiàn)象，選取填料的滲透系數(shù)逐年增大，這種方式恰恰加劇了水流分布的不均勻性，容易造成局部流量過(guò)大，引起人工濕地凈化性能的降低。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)理論可知，飽和狀態(tài)下的滲流流場(chǎng)與基質(zhì)滲透系數(shù)有很大關(guān)系［25］，通過(guò)不斷調(diào)整主體填料區(qū)每層填料的滲透系數(shù)值，反復(fù)模擬計(jì)算，能夠找出滿(mǎn)足6層填料過(guò)流通量相當(dāng)?shù)母鲗犹盍蠞B透系數(shù)值。因此，對(duì)主體填料進(jìn)行合理的級(jí)配，能夠改善流場(chǎng)分布的均勻性，提高基質(zhì)利用率。以構(gòu)建實(shí)體模型的基質(zhì)級(jí)配為例，各層水流通量模擬結(jié)果如圖3所示。圖中zone1和zone8分別為布水區(qū)和集水區(qū)的過(guò)流通量，zone2-zone7分別為從上到下依次6層的過(guò)流通量。由圖所示，分層填充的濕地模型主體填料區(qū)6層過(guò)流通量基本相同;而單一填料系統(tǒng)中，表層過(guò)流量較大，底層較小，流場(chǎng)分布的均勻性明顯較差。由于各層過(guò)流通量相當(dāng)?shù)奶盍霞?jí)配組合方式不局限一種，在上述長(zhǎng)寬比例和基質(zhì)厚度的條件下，通過(guò)大量模擬發(fā)現(xiàn)，不同床體尺寸的滲透系數(shù)級(jí)配有一定的規(guī)律性，通過(guò)歸納擬合得到相關(guān)的基質(zhì)基配通用公式。為了方便根據(jù)不同床體尺度選取相應(yīng)滲透系數(shù)的填充材料，歸納出以下3組經(jīng)驗(yàn)公式:(1)當(dāng)池體長(zhǎng)在1～6m時(shí)，經(jīng)驗(yàn)公式如下:Kd1為第1層滲透系數(shù)取值，取值范圍(10～80m/d)，n為從上到下的層數(shù)取值(2、3、4、5和6)。另外，按照達(dá)西公式進(jìn)行理論計(jì)算，床體長(zhǎng)度最大不超過(guò)61m，床體長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，基質(zhì)的利用率會(huì)明顯下降，對(duì)于大型人工濕地最好分割成若干單元進(jìn)行設(shè)計(jì)［16］。利用上面的通用公式，可根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧系臐B透系數(shù)特征，選擇適宜的填料組合進(jìn)行分層填充，兼顧系統(tǒng)的過(guò)水能力及水力效率，提高系統(tǒng)的凈化性能［26-28］。

2．2實(shí)體模型凈化結(jié)果根據(jù)上述模擬結(jié)果，構(gòu)建如1．2所述的2個(gè)小型水平潛流人工濕地實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展以基質(zhì)構(gòu)造為主要因素對(duì)污水凈化效果的研究，對(duì)該數(shù)值模擬方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。水力停留時(shí)間設(shè)置為36h時(shí)，經(jīng)過(guò)9個(gè)月的運(yùn)行，對(duì)2種不同填充方式模型的凈化效果進(jìn)行分析。以COD、TP和TN的去除率為參考指標(biāo)，水力停留時(shí)間為36h，由圖4數(shù)據(jù)所示，分層填充基質(zhì)模型對(duì)COD、TP和NH+4-N去除率最高分別能夠達(dá)到75．56%、94．92%和80．78%，相應(yīng)單層模型三指標(biāo)最高去除率分別為54．51%、68.78%和55．37%。分層基質(zhì)模型的去除率明顯高于單層基質(zhì)模型，而且去除效果更穩(wěn)定，平均去除率及標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)圖4。分層填充與單層填充方式的模型對(duì)COD、TP、TN的平均去除率分別為64．89%、82．72%、69．69%和29．84%、39．15%、31．83%，分層填充模型對(duì)COD、TP和TN去除率最高分別能夠達(dá)到75．56%、94．92%和80．78%，平均去除率及標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。方差分析顯示，潛流人工濕地床體結(jié)構(gòu)分層填充后對(duì)COD、TP和TN去除率均影響顯著(p＜0．05)。同樣的填充基質(zhì)材料，按照地下水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行級(jí)配分層填充的模型凈化效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混合基質(zhì)單層填充的模型，而且凈化效果相對(duì)穩(wěn)定。雖然影響水平潛流人工濕地流場(chǎng)分布的因素較多，如植物根系、微生物分布等，但依據(jù)基質(zhì)滲透系數(shù)合理分層仍然有較高的去除率，可見(jiàn)利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行人工濕地基質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化切實(shí)可行。

3結(jié)論

利用數(shù)值模擬系統(tǒng)ModFlow對(duì)潛流人工濕地床體各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬，基于基質(zhì)內(nèi)部流場(chǎng)分布，將床體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量，優(yōu)化了基質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時(shí)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果構(gòu)建潛流人工濕地物理模型，針對(duì)不同填充方式展小試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:(1)根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)人工濕地床體的長(zhǎng)寬比例、基質(zhì)填充厚度進(jìn)行規(guī)范，優(yōu)化了潛流人工濕地的設(shè)計(jì)方案。按照基質(zhì)填料的滲透系數(shù)進(jìn)行合理的分層填充能夠改善流場(chǎng)分布，在大量模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)出來(lái)相應(yīng)的基質(zhì)級(jí)配通用公式，根據(jù)實(shí)際需要可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的填充方案，便于潛流人工濕地的推廣應(yīng)用。(2)通過(guò)凈化效果對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)HRT為36h時(shí)，分層填充方式的模型對(duì)COD、TP和TN的平均去除率分別為64．89%、82．72%和69.69%，去除率遠(yuǎn)高傳統(tǒng)填充方式及隨機(jī)的分層填充方式。證明了ModFlow數(shù)值模擬對(duì)潛流人工濕地工藝的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，7、8月份期間因植物生長(zhǎng)茂盛，植株間距過(guò)小，需要進(jìn)行部分收割處理。但是該實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行了小試實(shí)驗(yàn)，對(duì)于大型潛流人工濕地的應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。

作者：丁彥禮 何珊 宋志鑫 白少元 解慶林 游少鴻 單位：桂林理工大學(xué) 廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室