EPANET模型在人工濕地配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王長(zhǎng)普，李慧峰，林 超，周緒申

（1.河南省安陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，河南 安陽(yáng) 455000；2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3.海河流域水資源保護(hù)局，天津 300170）

1 引言

人工濕地作為一種新型的生態(tài)污水處理技術(shù)，利用濕地生態(tài)系統(tǒng)中基質(zhì)、植物以及微生物的物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用對(duì)污染物降解和轉(zhuǎn)化，達(dá)到對(duì)污水凈化處理的目的，因其具有低耗能、小投資、高效率的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在基質(zhì)、植物確定的條件下，水力負(fù)荷對(duì)人工濕地中的氧環(huán)境及污染物的遷移影響將會(huì)很明顯，通過(guò)HLR的優(yōu)化能極大地促進(jìn)污水的凈化效果[2-3]。

EPANET是由美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的一款分析有壓管網(wǎng)中水力、水質(zhì)變化的程序軟件，它可用于模擬管道的水流軌跡、每個(gè)節(jié)點(diǎn)水壓、水塔的水位高度、管網(wǎng)中模擬時(shí)段內(nèi)的某種化學(xué)物質(zhì)濃度變化、水齡以及多水源調(diào)度等。管網(wǎng)計(jì)算方法有3種：管段方程法、節(jié)點(diǎn)方程法以及環(huán)方程法。

2 研究區(qū)概況

天津空港經(jīng)濟(jì)區(qū)位于天津?yàn)I海國(guó)際機(jī)場(chǎng)東北側(cè)，是一個(gè)集工業(yè)制造、大規(guī)模商業(yè)及居住為一體的復(fù)合型新城區(qū)，現(xiàn)有污水處理廠1座，污水廠尾水直接進(jìn)入排污河。為提升污水處理廠尾水水質(zhì)，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)尾水回收再利用提供鋪墊，空港經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)一處污水處理廠尾水深度凈化碎石床人工濕地。人工濕地位于津薊高速公路以西范圍內(nèi)，面積3.46萬(wàn)m2，采用單元模塊并聯(lián)式設(shè)計(jì)，通過(guò)有壓管網(wǎng)對(duì)人工濕地各地塊進(jìn)行均勻配水，實(shí)現(xiàn)濕地各地塊配水水量調(diào)整的靈活性。鑒于以上設(shè)計(jì)布置及配水方案，在不同的運(yùn)行環(huán)境下，本研究通過(guò)EPANET水力模型合理地調(diào)控人工濕地中的進(jìn)水量，使其達(dá)到最佳水力負(fù)荷，進(jìn)而達(dá)到高效運(yùn)行、提高污染物處理效率的目的。

3 研究方法

EPANET模型的管網(wǎng)水力計(jì)算是基于節(jié)點(diǎn)方程法，節(jié)點(diǎn)方程法為以節(jié)點(diǎn)水壓或節(jié)點(diǎn)集中輸入（或輸出）流量為未知數(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)集中流量已知與否，列出并解J-1或J個(gè)獨(dú)立方程，并根據(jù)水頭損失計(jì)算公式，求解未知數(shù)。對(duì)管網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，或已知集中流量而不知節(jié)點(diǎn)水壓，或已知節(jié)點(diǎn)水壓而不知其集中流量，所求未知數(shù)最多為J個(gè)，由于其總是存在相應(yīng)數(shù)量的獨(dú)立方程，所以可以得到唯一的解。此種方法方程階數(shù)較低，計(jì)算收斂性較好，計(jì)算準(zhǔn)備工作量少[4-5]。

EPANET模型可以采用各種公式求解水頭損失，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用適用于較光滑的圓管紊流的海曾－威廉公式計(jì)算：

式中：L為管段長(zhǎng)度（m）；D為管徑（m）；q為流量（m3/s）；C為海曾-威廉粗糙系數(shù)[6]。

EPANET模型提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸入數(shù)據(jù)編輯、水力和水質(zhì)模擬運(yùn)行以及各式的計(jì)算結(jié)果顯示的集成環(huán)境，因其具有的方便性和直觀性被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于有壓管網(wǎng)水力計(jì)算中。

4 水力模型應(yīng)用

4.1 EPANET模型建立

管網(wǎng)建模以空港經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃圖CAD電子地圖為背景，結(jié)合地圖上詳實(shí)規(guī)劃信息數(shù)據(jù)以及人工濕地實(shí)際設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)，得到人工濕地配水管網(wǎng)空間布局圖（見(jiàn)圖1），其中包括57節(jié)點(diǎn)和56管段，Pi表示管段編號(hào)、J表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)。在模擬濕地供水管網(wǎng)中，水源點(diǎn)污水廠水泵的提升以一個(gè)高位水池為模型，用R表示供水點(diǎn)編號(hào)。

4.2 管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水量的確定

圖1 天津空港經(jīng)濟(jì)區(qū)污水處理廠尾水處理人工濕地配水管網(wǎng)布局

濕地設(shè)計(jì)通常采用的是一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，一級(jí)動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)方程是由污染物穩(wěn)態(tài)時(shí)的質(zhì)量平衡得到的。其基本設(shè)計(jì)方程被澳大利亞、歐洲、美國(guó)廣泛應(yīng)用于濕地的設(shè)計(jì)和對(duì)濕地污染物去除效果的預(yù)測(cè)。雖然有許多局限性，但由于其參數(shù)的求解及計(jì)算過(guò)程都很簡(jiǎn)單，因此目前仍把它作為濕地中污染物去除的最合適的方程，廣泛應(yīng)用于BOD、營(yíng)養(yǎng)物、SS和細(xì)菌以及金屬離子的去除計(jì)算。

式中：Ci為進(jìn)水污染物濃度（mg/L）；Ce為出水污染物濃度（mg/L）；t為水力停留時(shí)間（d）；k為一元去除率常數(shù)（d-1）；HLR為水力負(fù)荷（m/d）；ε為濕地孔隙率，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中取ε=0.4；hw為濕地深度（m），在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中取hw=1.2 m[7-8]。

Crites[9]研究表明，人工濕地對(duì)于BOD的一元去除率常數(shù)取值為沙石床濕地k=0.8 d-1、碎石床濕地k=1.1d-1。根據(jù)降解污水BOD5進(jìn)行計(jì)算，基于經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)保局的要求，濕地設(shè)計(jì)中采納的污水出水廠的尾水水質(zhì)為一級(jí)A的水質(zhì)指標(biāo)。在不同的HLR（水力負(fù)荷）運(yùn)行情況下，人工濕地地塊需水量見(jiàn)表1。

表1 人工濕地單元不同的HLR下需水量

4.3 基本信息的收集

管網(wǎng)信息的采集包括節(jié)點(diǎn)信息和管道信息，其中節(jié)點(diǎn)標(biāo)高都簡(jiǎn)化為0 m，因?yàn)樵摰貐^(qū)地勢(shì)平坦，沒(méi)有起伏。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)用水量見(jiàn)表1，HLR在5種模式下分別輸入相應(yīng)模式的流量。節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)及管段信息數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2—5。

4.4 管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)計(jì)算軟件調(diào)整各個(gè)管段的管徑，使得整個(gè)管網(wǎng)最終滿足人工濕地在平均用水量下管道的設(shè)計(jì)流速在經(jīng)濟(jì)流速范圍[10]之內(nèi)，以降低管道設(shè)計(jì)投資成本?；谝?guī)范經(jīng)濟(jì)流速（見(jiàn)表5），根據(jù)各個(gè)管段的水頭損失計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由水頭，得出水源點(diǎn)提水泵的揚(yáng)程。最終調(diào)整的管段參數(shù)及管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)，見(jiàn)表4、表6。

表2 最大流量時(shí)節(jié)點(diǎn)用水量

表3 平均流量時(shí)節(jié)點(diǎn)用水量

運(yùn)用EPANET對(duì)整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算后，確定了在人工濕地單元最大用水量下管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的最小自由水頭不小于3 m，各管段直徑的選取符合經(jīng)濟(jì)流速限制范圍，結(jié)合節(jié)點(diǎn)自由水頭及人工濕地多工況運(yùn)行，可以合理地選取水源點(diǎn)提水泵的組合形式，達(dá)到人工濕地在不同的工況運(yùn)行下管網(wǎng)設(shè)計(jì)最優(yōu)化的目的。通過(guò)EPANET的計(jì)算指導(dǎo)，可以使人工濕地管網(wǎng)設(shè)計(jì)更加完善，同時(shí)降低了投資運(yùn)行成本。

表4 管段信息數(shù)據(jù)

表5 管道經(jīng)濟(jì)流速

表6 最大流量時(shí)節(jié)點(diǎn)自由水頭

5 主要結(jié)論與討論

本研究將EPANET引入了大型的人工濕地配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，建立了水力計(jì)算模型，大幅度地提高了計(jì)算效率和精度，通過(guò)對(duì)配水管網(wǎng)的水力計(jì)算結(jié)果分析完成了配水管網(wǎng)管段選擇的優(yōu)化。但是，人工濕地受到多生態(tài)因素的影響，在應(yīng)用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算處理效率和水力負(fù)荷的關(guān)系上需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行參數(shù)的校核，濕地配水管網(wǎng)管段需要做出相應(yīng)的調(diào)整。

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[3]聶志丹，年躍剛，李林鋒，等.水力負(fù)荷及季節(jié)變化對(duì)人工濕地處理效率的影響[J].給水排水，2006，11：28-30.

[4]嚴(yán)煦世，劉遂慶.給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

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