环境科学  2014, Vol.35 Issue (2): 592-596   PDF    
引用本文
白少元, 宋志鑫, 丁彦礼, 游少鸿, 何珊. 潜流人工湿地基质结构与水力特性相关性研究[J]. 环境科学, 2014, (2): 592-596.  
BAI Shao-yuan, SONG Zhi-xin, DING Yan-li, YOU Shao-hong, HE Shan. Correlation of Substrate Structure and Hydraulic Characteristics in Subsurface Flow Constructed Wetlands[J]. Environmental Science, 2014, (2): 592-596.  
潜流人工湿地基质结构与水力特性相关性研究
白少元1,2, 宋志鑫1,2, 丁彦礼1,3 , 游少鸿1,2, 何珊1,2    
1. 桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心, 桂林 541004;
2. 桂林理工大学环境科学与工程学院, 桂林 541004;
3. 桂林理工大学地球科学学院, 桂林 541004
收稿日期: 2013-5-19; 修订日期: 2013-7-4.
基金项目： 广西矿冶与环境科学实验中心项目（KH2012ZD004）；广西科技厅（桂科攻1140002-1-2）；广西自然科学基金项目（2013GXNSFBA019210）
作者简介：白少元(1981~),女,博士,副教授,主要研究方向为地表水环境修复,E-mail:baisy@glut.edu.cn
通讯联系人,E-mail:dyl@glut.edu.cn
摘要：利用数值模拟方法结合实验手段，研究基质结构与系统水力特性的相关性，数值模拟结果表明，填料渗透系数对人工湿地水力效率影响很大，单层结构人工湿地系统中，填料渗透系数越大，流场分布越不均匀；由上到下填料渗透系数逐渐增加的分层填充方式能有效避免短流及死区的发生，提高系统水力效率. 根据数值模拟结果构建两个人工湿地对比小试实验系统，并开展示踪实验对模拟结果进行验证，示踪实验结果表明，分层填充结构水力特性显著优于单层结构潜流人工湿地，二者有效体积比分别为0.87和0.49. 可见，数值模拟方法能够有效应用于潜流人工湿地基质结构参数优化方面.
关键词： 潜流人工湿地     Visual Modflow     数值模拟     基质结构     示踪    
Correlation of Substrate Structure and Hydraulic Characteristics in Subsurface Flow Constructed Wetlands
BAI Shao-yuan1,2, SONG Zhi-xin1,2, DING Yan-li1,3 , YOU Shao-hong1,2, HE Shan1,2    
1. Guangxi Scientific Experiment Center of Mining, Metallurgy and Environment, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;
2. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;
3. College of Earth Sciences, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
Abstract: The correlation of substrate structure and hydraulic characteristics was studied by numerical simulation combined with experimental method. The numerical simulation results showed that the permeability coefficient of matrix had a great influence on hydraulic efficiency in subsurface flow constructed wetlands. The filler with a high permeability coefficient had a worse flow field distribution in the constructed wetland with single layer structure. The layered substrate structure with the filler permeability coefficient increased from surface to bottom could avoid the short-circuited flow and dead-zones, and thus, increased the hydraulic efficiency. Two parallel pilot-scale constructed wetlands were built according to the numerical simulation results, and tracer experiments were conducted to validate the simulation results. The tracer experiment result showed that hydraulic characteristics in the layered constructed wetland were obviously better than that in the single layer system, and the substrate effective utilization rates were 0.87 and 0.49, respectively. It was appeared that numerical simulation would be favorable for substrate structure optimization in subsurface flow constructed wetlands.
Key words: subsurface flow constructed wetlands     Visual Modflow     numerical simulation     substrate structure     tracer    

在人工湿地工程化应用过程中发现，沟流、 短流、 死区现象普遍存在，堵塞问题频发，为保证人工湿地的过水性能，加大过流通量，在后续设计建造过程中，选用的填料粒径逐步增大[1,2,3,4,5,6]. 而这种方式恰恰加剧了水流分布的不均匀性，造成局部水流过大，水流死区增多，系统水力效率降低，最终引起人工湿地净化性能的降低，如何在不牺牲净化效果的情况下提高水力效率是亟待解决的问题[7, 8]. 但目前关于人工湿地水力学性能方面的研究主要集中在布水方式、 出水位置的设置等方面[9,10,11]，根据填料的特性对人工湿地主体结构进行优化方面的研究还鲜有报道. 鉴于此，本课题组在前期研究中发现，分层填充方式能够提高净化效果[12]. 在此基础上，本研究利用三维渗流模拟系统Visual Modflow对人工湿地水力特性进行模拟，该模拟方法已被成功应用于芬兰北部人工湿地流场模拟研究中[13]，同时结合实验手段对模拟结果进行验证，对潜流人工湿地填料分层填充方法及其与系统水力特性相关性进行分析，以期为人工湿地的持久高效运行提供科学依据.

1 材料与方法
1.1 数值模拟

基于渗流场理论，利用数值模拟方法建立潜流人工湿地水流模型，研究基质结构对系统水力特性的影响. 人工湿地常采用细沙或者砾石作为填料，以渗流为主，水流流速较小且为饱和稳定流，根据达西定律，水流雷诺数R<1~10范围内，符合理想的地下水力动力学模拟的假设条件，因此本研究依托于三维地下水数值模拟系统Visual Modflow进行人工湿地基质内部的流场模拟. Visual Modflow是一个三维有限差分地下水流动模型，与有限单元法相比，它在时间步长Δt较小的情况下，不会引起个别点的水头反常. 其常密度三维流动基本水流数值模型如式(1)所示：

式中，kxx、 kyy、 kzz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(h).

利用Visual Modflow建立人工湿地小试系统数学模型，L×W×H均为2 m×1.2 m×0.6 m，其中布水区及集水区长度均为0.2 m，主体填料区长度为1.6 m. 将该模型剖分为3层，每层10行，10列(图 1). 布水区及集水区渗透系数设置为500 m ·d-1，进水端设定为补给边界，补给量为4.6 m ·d-1，出水端设定为定水头边界(0.6 m)，两侧概化为隔水边界. 两系统主体填料孔隙率均设置为0.4，总孔隙率为0.45. 在此条件下，通过调整主体填料区渗透系数进行多次计算，研究单层填充和分层填充结构的人工湿地系统水力特性.

图 1模型剖分示意Fig.1Schematic diagram of constructed wetland model
1.2 实体模型的构建

根据数学模型识别的参数构建对比人工湿地实体模型，池体尺寸相同，L×W×H均为2 m×1.2 m×0.7 m，基质填充厚度为0.6 m，左端为进水口，右端为出水口，布水区和集水区长度均为20 cm，采用渗透系数为500 m ·d-1的鹅卵石进行填充，池体一侧设置12个监测口. 两个人工湿地系统主体填料填充同一来源石英砂，其中一个主体填料区内填充粒径混合均匀的石英砂(单层人工湿地)，另一个对照人工湿地小试系统主体填料区分为3层进行填充(分层人工湿地，图 2). 床体种植美人蕉，种植密度均为20株 ·m-2.

图 2分层人工湿地结构示意Fig.2Schematic view of a layered constructed wetland
1.3 示踪实验

以NaCl为示踪剂对单层及分层人工湿地系统开展示踪实验，在两系统进水区瞬时一次性投加NaCl溶液，使其电导率上升到背景值的10倍以上，控制系统水力停留时间(HRT)为12 h，每隔10 min监测1次出口水流电导率变化情况，直至电导率恢复到背景值时为止. 两个人工湿地各进行3次示踪剂实验，选取示踪剂回收率最高的一次结果进行对比分析.

1.4 数据分析

标准差是一组数据平均值分散程度的一种度量[14]. 将潜流人工湿地床体进行分层，运用Microsoft Office Excel 2003中分析数据库，计算每个模型中各基质层水流通量平均值和标准差，作为比较不同填充结构条件下流场分布均匀性的依据.

2 结果与讨论
2.1 人工湿地水力特性数值模拟解析
2.1.1 单层填充结构人工湿地模拟结果

将单层填充方式中主体填料区的渗透系数分别设置为10、 20、 30……130 m ·d-1，并据此建立13个数学模型，分别计算每个模型上、 中、 下3层床体填料中过流通量的平均值和标准差，标准差越小说明基质中水流分布越均匀，反之则越不均匀，模拟计算结果如图 3所示. 从中可以看出，随着填料渗透系数的增大，标准差显著增加，由渗透系数为10 m ·d-1时的0.06 m3 ·d-1增加到渗透系数为130 m ·d-1时的0.44 m3 ·d-1，而此时，各模型由于尺寸及补给量相同，平均过流通量变化幅度不大. 可见，单一填料填充的人工湿地系统中，渗透系数的增加加剧了水流分布的不均匀性. 结合目前的情况，在人工湿地构建过程中，为了避免堵塞的形成，加大过流通量，所选取的填料渗透系数逐年增大，这种方式恰恰增加了水流分布的不均匀性，更容易造成局部流量过大，降低系统水力效率，最终引起人工湿地净化性能的降低.

图 3单层人工湿地系统填料渗透系数与过流量相关性Fig.3Relationship between permeability coefficient and flux in the single layer constructed wetland
2.1.2 分层填充结构人工湿地模拟结果

根据地下水动力学理论可知，水在饱和状态下的渗流流场与基质渗透系数有很大关系[15, 16]，因此，通过不断调整主体填料区的3层填料的渗透系数参数值，并进行反复模拟计算，找出满足3层填料过流通量相当时的各层填料渗透系数值(图 4). 由图 4可知，通过具有不同渗透系数填料的分层填充，能够满足主体填料区水流分布均匀的目的，并且满足各层过流通量相当的填料组合方式不只局限一种. 从趋势上来看，图 4中列出的6个满足均匀流场的模型中，填料的组合均满足由表层到底层渗透系数逐渐增大的趋势，且表层填料选择的渗透系数越大，底层填料变化的幅度相应也越大. 如模型1中，表层的渗透系数取15 m ·d-1，则底层渗透系数为23 m ·d-1，即能保证水流通量的基本均匀； 比较而言，模型6中，表层和底层填料渗透系数分别为30 m ·d-1和143 m ·d-1，才能保证水流分布均匀. 可见，建设人工湿地过程中填料选择时，可因地制宜，根据当地材料级配及渗透系数特征，选择适宜的填料组合进行分层填充，兼顾系统的过水能力及水力效率，从而保证系统的净化性能.

图 4均匀流场中各层填料渗透系数Fig.4Permeability coefficient of each layer for the uniform flow distribution

根据上述模拟结果，选择主体填料区渗透系数为65 m ·d-1的单层填充模型和渗透系数从上到下依次为26、 36和64 m ·d-1的分层填充数学模型构建潜流人工湿地实验系统，开展示踪实验研究基质结构对系统水力特性的影响，同时对该数值模拟方法的有效性进行验证. 选定的这两个数学模型中各层水流通量模拟计算结果如图 5、 6所示. 其中Zone1和Zone5分别为布水区和集水区的过流通量，Zone2、 Zone3和Zone4分别为表层、 中层和底层的过流通量. 由图 5、 6中可以看出，计算结果中，分层填充的湿地模型主体填料区3层过流通量基本相 同，而单一填料系统中，表层过流量较大，底层过流量较小，即分层填充湿地中主体填料流场分布的均匀性显著优于单层填料系统.

图 5分层填充人工湿地各层过水通量Fig.5Water fluxes in each layer of the layered constructed wetland

图 6单一填充人工湿地各层过水通量Fig.6Water fluxes of the single layer constructed wetland
2.2 示踪实验结果

示踪实验是研究人工湿地基质水力特性的有效方法[17,18,19]，在水力停留时间为12 h的条件下，以NaCl为示踪剂开展示踪实验，实验结果如图 7所示，从图中可知，分层填充与单一填充人工湿地系统示踪剂峰值分别为1029 μS ·cm-1和233 μS ·cm-1，相应的峰值出现时间为450 min和310 min，即单一填充系统峰值出现略早，到实验结束时，两系统出水中电导率基本恢复到背景值. 根据示踪实验结果，利用经验公式计算对比系统水力特性的参数如表1所示[20,21,22].

图 7对比人工湿地出水示踪剂变化情况Fig.7Tracer variability of the effluence from the parallel constructed wetland

表1 对比人工湿地系统水力特性参数 Table 1 Hydraulic parameters of parallel constructed wetlands

表1中，有效体积比e为示踪剂在系统中流动并且最终能够迁移到系统出水口的有效体积. e可以表示为水平潜流人工湿地装置体积和介质空隙率的乘积. 一般情况下有效体积比(e)值越大，表示人工湿地中用于去除污染物的有效体积也越大. 当e<1时，说明人工湿地系统中存在“滞水区”或“死区”，水流进入这部分区域后，很难再流到出水口，当e>1时，说明人工湿地中有“短路”存在，湿地系统中水流会沿优先流通道快速达到出口，而且示踪剂密度曲线出峰较早. 对比系统的e均小于1，说明这两个湿地系统中都存在一定的“死区”现象，但分层结构的人工湿地系统e值显著大于单层填充系统，说明前者死区范围明显小于后者. 从短路值S来看，两者也同样存在不同程度的短流现象，但总体说来，分层填充的人工湿地水力效率要显著优于未分层结构.

结合数值模拟结果来说，图 5中显示床体表层、 中层和底层过流量相当，示踪实验结果显示，该系统中仍存在一定的短流及死区现象，这主要是由于填料实际堆积起来后，填料孔隙连通程度的差异会形成很多微地形，加之植物根系与微生物的作用，造成各处水头差的细微差异[23,24,25]； 此外，有效体积比、 水力效率等参数的计算方法也是根据示踪实验结果概算得来的，这两者造成了实测数据与模型中的理想状况存在一定误差，但此误差在可接受的范围内(有效体积比为0.87). 因此利用数值模拟方法进行人工湿地基质结构的优化是切实可行的.

3 结论

(1)应用Visual Modflow实现了对潜流人工湿地水流模型的构建，初步模拟得出依据填料渗透系数构建的基质结构与水流分布情况的相关性，表明该数值模拟方法可用于优化潜流人工湿地基质结构参数，据此构建的人工湿地系统能显著提高系统的水力效率.

(2)填料渗透系数对人工湿地水力效率影响很大，分层填充方式能有效避免短流及死区的发生，提高系统水力效率.

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