不同出流方式下垂直流人工濕地數(shù)值模擬*

范思雨， 龍?zhí)煊澹?**

(1.重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045；2.重慶大學 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶 400045)

不同出流方式下垂直流人工濕地數(shù)值模擬*

范思雨1， 龍?zhí)煊?，2**

(1.重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045；2.重慶大學 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶 400045)

建立了二級垂直流人工濕地的二維非恒定微生物動力學模型，針對淹沒出流方式、不同的等間隔淹沒出流方式和定水頭出流方式，采用數(shù)值模擬的方法研究二級垂直流人工濕地處理重慶市徑流雨水的效果;結(jié)果表明：在相同工況下，間隔較大的淹沒出流方式能達到最大的有效體積比和水力效率，水流在三層填料中與各種類微生物接觸更加充分、持久，出流方式促進了溶解氧的傳質(zhì)，復氧后溶解氧濃度回升更快、濃度峰值更大、高濃度維持時間更長，因此促進了由微生物主導的生物化學降解反應，二級垂直流濕地對COD、氮和磷的去除效果也優(yōu)于其他出流方式。

人工濕地；出流方式；CW2D；數(shù)值模擬

0 前 言

人工濕地污水處理技術(shù)因其顯著的低能耗、低維護成本、處理范圍廣和良好的景觀效應而被廣泛應用[1]，又因其較強的抗沖擊負荷能力而在蓄納、處理城市徑流雨水上有很好的應用前景[2-6]。目前大多數(shù)人工濕地的設計與運行依然建立在經(jīng)驗的基礎上，對其全運行過程中復雜的物理-化學-生物協(xié)同作用認知的“黑箱”現(xiàn)象依然存在，而這一作用與人工濕地內(nèi)的水流規(guī)律密切相關(guān)[5]。在模擬研究中將濕地的出流方式抽象成邊界條件，邊界條件的設定在流體力學的計算中極大地影響了水流規(guī)律，因此對人工濕地出流方式的探討和研究對提高其處理效率、指導工程設計具有重要意義。

目前對于人工濕地進/出水方式的研究主要是兩個方面：一是討論穿孔管在進水處和出水處的配/集水的均勻性；二是討論進/出水口在垂直方向上的位置(如上、中、下)及其組合搭配對配水均勻性和處理效果的影響。張濤等[7]將潛流濕地實驗裝置的進水側(cè)從上到下安裝3個進水口，出水側(cè)從上到下安裝4個出水口，將這些進/出水口兩兩組合以示蹤劑實驗為手段考察潛流濕地的水力效率，實驗結(jié)果表明進水口和出水口都在上層是潛流濕地的水力效率和有效體積比均大于其他組合?？椎麓ǖ萚8]采用計算流體力學軟件Fluent中的多孔介質(zhì)模型對分層式潛流人工濕地內(nèi)部的流場進行模擬，并分析了不同進出口位置對濕地水力學行為的影響，結(jié)果表明當進水口置于濕地基質(zhì)表層、出水口置于基質(zhì)層的中上部時系統(tǒng)的水力效率較高。牛瑞華等[9]通過對水平潛流人工濕地9種不同進出水方式進行NaCl脈沖示蹤實驗，研究進出水位置對濕地水力效率影響，結(jié)果表明：將出口位置設置在上部，將轉(zhuǎn)角處設計為圓角有助于減小“死區(qū)”面積，提高污染物去除效率。Gunter Langergraber[10]對人工濕地的數(shù)值模擬展開了廣泛深入的研究，2002年提出人工濕地數(shù)值模擬模型(CW2D，Constructed Wetland 2D)，2005年與HYDRUS開發(fā)者Jirka Simunek合作將CW2D模型以拓展程序包的形式應用于HYDRUS-2D中。

在查閱資料的范圍內(nèi)，還未存在利用CW2D人工濕地模型系統(tǒng)研究濕地水平面出流方式對垂直流潛流人工濕地處理效果和水流規(guī)律影響的先例，而在流體數(shù)值模擬研究中出流方式(水流邊界條件)深刻地影響了水流規(guī)律。利用CW2D人工濕地模型模擬二級垂直流潛流人工濕地在不同出流方式下的運行特征及處理效果，研究探討不同出流方式對其處理效果的影響，以進一步揭示二級垂直流潛流人工濕地運行規(guī)律并為其工程設計提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 數(shù)學模型

1.1.1 水分運移模型

土壤水分運動模型，用修正的Richards方程描述：

其中，θ為土壤體積含水量；t為時間，單位視具體問題而定；x、y、z為空間坐標，z向上為正，單位視具體問題而定；K(θ)為非飽和土壤導水率；D(θ)為非飽和土壤水擴散率[11]。

采用Van Genuchten-Mualem方程來模擬土壤水分特性和滲透系數(shù)(導水率)：

其中，θ(h)為土壤體積含水量；K(h)為土壤非飽和滲透系數(shù)(導水率)；θr為土壤剩余體積含水率；θs為土壤飽和體積含水率；α和n是經(jīng)驗擬合參數(shù)(或曲線性狀參數(shù))(m= 1-1/n)；Ks為飽和導水率；Se為有效體積含水量；l為經(jīng)驗擬合參數(shù)，通常取平均值0.5[12]。

1.1.2 溶質(zhì)運移模型

溶質(zhì)在土壤中受對流和彌散兩種運動的影響，在模型中用對流-彌散方程表示溶質(zhì)的運移：

其中，ci為溶質(zhì)濃度；q為水流通量；Di為擴散度[12]；ri代表微生物的反應。

1.2 參數(shù)確定

1.2.1 水分運移參數(shù)

水分運移模型采用單孔隙模型中的Van Genuchten-Mualem模型，不考慮水分滯后效應。Van Genuchten-Mualem公式中的各項參數(shù)首先由LANGERGRABER G[10]開發(fā)的并經(jīng)過各個尺度實驗驗證的濕地模型中獲取，然后經(jīng)過多次反算優(yōu)化，濕地濾層從上到下3種材料的水力特征參數(shù)值見表1。

表1 水力特征參數(shù)

1.2.2 CW2D參數(shù)

在CW2D中包含微生物對有機污染物、氮、磷的好氧、缺氧運移轉(zhuǎn)化和降解過程。HYDRUS-CW2D中針對濕地的多種物質(zhì)反應運移模型包括了12種物質(zhì)和9個反應過程。

其中12種物質(zhì)分別是：溶解氧、易生物降解COD(CR)、難生物降解COD(CS)、生物惰性COD(CI)、非自養(yǎng)微生物、亞硝化單胞菌種、硝化菌種、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、氮氣、無機磷。

9個生物化學過程分別是：水解、非自養(yǎng)菌的好氧生長、基于亞硝態(tài)氮的反硝化、基于硝態(tài)氮反硝化、非自養(yǎng)菌的細胞溶解、基于氨氮的亞硝化單胞菌的好氧生長(硝化第一步)、亞硝化單胞菌的細胞溶解、基于亞硝態(tài)氮的硝化細菌的好氧生長(硝化第二步)、硝化細菌的細胞溶解。

CW2D模型參數(shù)首先采用軟件系統(tǒng)自帶數(shù)據(jù)，根據(jù)模擬結(jié)果再加以微調(diào)，如果沒有豐富的生物化學動力學基礎或大量實驗結(jié)果支撐，不建議大范圍或大幅度修改這些參數(shù)。

1.3 模型驗證

表2 模型驗證所使用的進水各物質(zhì)濃度

2 模擬研究

2.1 幾何模型的建立

二維的二級垂直流潛流人工濕地模型尺寸見圖2。濾料分為3層，填料尺寸從上至下分為中、細、粗，上層(4～8 mm)和下層(16～32 mm)均為碎石，中層為砂(0.06～4 mm)。進水方式為左側(cè)進，右側(cè)出，人為控制進水流量，模擬時間4 h，在最初和運行2 h后兩次進水。

圖2 濕地幾何模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the 2-stage vertical flow constructed wetlands

利用有限單元法完成以上數(shù)學模型的計算，時間采用隱式差分法離散[13]。在計算區(qū)域內(nèi)采用三角形網(wǎng)格劃分，為了實現(xiàn)準確的網(wǎng)格劃分，在繪制幾何模型時，除了給出濕地模型外輪廓線之外，還在深度方向上按照一定梯度附加一些橫線以適當加密網(wǎng)格并使網(wǎng)格劃分得更有秩序，在一、二級濕地交界處也適當加密網(wǎng)格，以提高計算精確度和準確度。

在模擬區(qū)域不同深度處設置6處觀察點，根據(jù)之前多次模擬結(jié)果的規(guī)律，觀察點設定基本按照此濕地中的水流方向及污染物的遷移方向，因而能大致反映此點處同一水平面上濃度的均值，這點處濃度的變化情況也能反映全過程污染物濃度隨時間的變化情況。觀察點情況：觀察點1,一級濕地水面0 cm處(靠近進水處)；觀察點2,一級濕地距水面以下5 cm處；觀察點3,一級濕地距水面以下15 cm處；觀察點4,一級濕地距水面以下40 cm處；觀察點5,二級濕地距水面以下10 cm處；觀察點6,二級濕地水面0 cm處(靠近濕地最遠端出口處)。

2.2 初始條件

需要設定的初始條件為上述12種物質(zhì)的濃度分布，模擬采用人工濕地處理重慶市徑流雨水。進水中各物質(zhì)濃度查閱資料獲得[14-16]，進水濃度采用雨水的EMC值，初始條件設定按劃分的網(wǎng)格點賦值，形成二維濃度分布圖。模擬中進水的各物質(zhì)濃度見表3。

表3 模擬中的進水濃度

2.3 邊界條件

2.3.1 水流邊界條件

將不同的出流方式在模擬中抽象成不同的邊界條件，主要討論水流邊界改變對濕地水流規(guī)律及處理效果的影響，按照人工濕地實際設計經(jīng)驗并結(jié)合工程實踐，在HYDRUS中采用4種邊界條件組合：進、出水兩側(cè)為大氣-滲出面邊界,沒有進行任何改進，沿寬度均勻布水的進水方式和自由淹沒出流的出水方式，進/出水兩側(cè)均暴露在大氣中；大氣-不完全滲出面邊界一,出水側(cè)間隔出水；大氣-不完全滲出面邊界二,出水側(cè)間隔增大為前者的兩倍；大氣-定水頭邊界,出水側(cè)保持水面高度不變，即一直維持最初的水位。其中大氣-滲出面邊界簡稱為A-S邊界，大氣-定水頭邊界簡稱為A-C邊界。

控制其他變量，以上各種邊界條件均對應同一進水工況：600 L/d，每2 h進水50 L；在軟件中對應的時變邊界條件(Time Variable Boundary Conditions)處設置，模擬其中4 h內(nèi)的2次進水過程。

2.3.2 溶質(zhì)運移邊界條件

溶質(zhì)運移出水進水側(cè)的邊界條件均為第三類邊界條件(third-type)，沿邊界的溶質(zhì)通量是確定時使用第三類條件。Genuchten V等[16]建議盡量調(diào)用第三類邊界條件，因為第三類邊界條件更接近現(xiàn)實情況，并且在模擬系統(tǒng)中保留了溶質(zhì)質(zhì)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同邊界條件對處理效果的影響

3.1.1 A-S邊界

在此邊界條件下的溶解氧、易生物降解COD(CR)、氨氮、硝態(tài)氮和無機磷隨時間變化曲線如圖3。

從圖3中所示可以明顯看出兩次進水這一過程，首次進水是在0.05 h處，可以看到觀察點1(第一級濕地水面0 cm處)和觀察點2(非飽和帶5 cm處)溶解氧濃度在進水后迅速升高；而觀察點3(水面下15 cm)則由于氧氣的溶解和傳遞過程，溶解氧濃度緩慢升高。

易生物降解COD也因為兩次進水而有兩次升高和下降的過程，可以看到水下15 cm處因為微生物濃度較高并且溶解氧相對充足CR濃度在進水后迅速下降。

IP濃度與溶解氧濃度變化相符，當還未進水時溶解氧濃度下降，聚磷菌釋磷IP升高，氧濃度升高后磷被聚磷菌吸收，同樣的,隨著深度增加溶解氧成為限制因素，聚磷菌吸磷作用放緩(15 cm處)。

圖3 A-S邊界條件下各組分濃度隨時間變化圖Fig.3 Simulated time series of 5 components on A-S boundary condition

通過圖4可知，在A-S邊界條件下，在兩次進水后，CR濃度顯著提高，通過濕地作用，CR濃度下降，出水面CR濃度降至50 mg/L及以下。

圖4 A-S邊界條件時CR濃度變化圖Fig.4 The concentration changing of CR on A-S boundary condition

3.1.2 A-S1和A-S2邊界

這兩個邊界是將A-S邊界的出水邊界設置成等間隔出水形式，A-S2邊界的間隔是A-S1的兩倍，這樣設計的目的是減少出水側(cè)的“死水區(qū)”，因為“死水區(qū)”主要集中在出水口一側(cè)，并且是在遠離出水口的位置[8]，這樣間隔的出水設置，是為了最大程度地調(diào)動整個出水面。圖5是A-S、A-S1、A-S23種不同邊界條件下觀察點3(第一級濕地水下15 cm處)溶解氧、易生物降解COD(CR)、氨氮、硝態(tài)氮和無機磷隨時間變化曲線的比較。

圖5 在3種邊界條件下觀察點3處各組分濃度變化對比圖Fig.5 The comparison of simulated time series of 5 components on A-S/A-S1/A-S2 boundary conditions

有效體積比(e)表示濕地中水流能夠有效通過的體積占總體積的比例，一般e越大，表示人工濕地中用于去除污染物的有效體積比例越大。其定義為

其中Veffective為有效體積，Vtotal為總體積[19]；兩種間隔設置的出水方式減少了出水一側(cè)的死水區(qū)，提升了濕地的有效面積，因此濕地的去除效率隨之提升。

如圖6所示，3種邊界條件下，顯然A-S2最大限度地利用了出水面，而A-S和A-S1邊界在此時都有“死水區(qū)”的存在，這也說明在A-S2邊界下，濕地的有效體積比最大，其用于處理污染物的體積也最大。

通過比較A-S1和A-S2可以看出，A-S2邊界在濕地處理過程中雖不明顯但還是相對優(yōu)于A-S1邊界的，這是因為出水間隔較小的A-S1邊界，仍存在“死水區(qū)”，A-S2邊界的出水口和間隔都增大了一倍，出流阻礙減少，水頭損失亦減少，進而減少了不良干擾、提高了氧氣的傳質(zhì)和污染物的去除效率。此外，在模擬計算時，A-S2邊界收斂速度最快，也說明在這個邊界條件下水流模型更加準確、穩(wěn)定。

圖6 3種邊界條件在同一時刻出水面情況對比圖Fig.6 The comparison of effluent surface of 3 boundary conditions on the same time

3.1.3 A-C邊界

滲流邊界是假設滲流面不飽和處出水流量一直保持為零，因此除了考慮出流側(cè)設定為滲流邊界外，模擬研究還采用了定水頭邊界，定水頭邊界是指設定為定水頭邊界點的壓力水頭始終不變等于初始值，即水位不變，這與滲流面邊界的假設相同。在這種條件下將A-C與A-S2邊界在同等工況下各組分濃度變化作比較，得到了一組完全重合的曲線，說明保持出流面飽和狀態(tài)，保持水位不變在CW2D模型中模擬二級垂直流潛流濕地能得到同樣的結(jié)果，但是考慮到滲流面邊界最大程度地還原了實際濕地運行情況，因此推薦使用滲流面邊界。

4 結(jié) 論

利用CW2D/HYDRUS-2D模型對不同邊界條件下二級垂直流潛流人工濕地的水分、溶質(zhì)時空運移和人工濕地中多組分生化反應進行模擬，以實驗室實測數(shù)據(jù)驗證二級垂直流模型，結(jié)果表明：模型有較好的仿真度，能夠基本正確模擬濕地中的水鹽變化和污染物降解過程，也符合污染物去除的一般規(guī)律，可以用于模擬二級垂直流潛流人工濕地流處理過程。

在不同邊界條件下，對濕地運行過程進行模擬研究，結(jié)果表明：在大氣-滲流面邊界二(A-S2)條件下，濕地中生化反應效果最佳，此邊界條件提供了最好的水流狀態(tài)，有效體積比最大，進而有相對良好的溶解氧傳遞和分布，促進好氧硝化細菌的作用，能將氨氮快速大量地轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮；此外相對優(yōu)良的水流環(huán)境和氧分布也促進了COD和磷的去除效率。

因此，在人工濕地出水面設置合理的等距間隔可以顯著提升進濕地的處理效果。等距間隔可以在實際工程中搭配景觀設計實現(xiàn)。重慶市初期雨水中COD含量較高，夏季雨水形成徑流流量較大，依靠大容量景觀化的人工濕地接納、處理雨水徑流能達到良好的處理效果，既節(jié)約了處理成本又美化了城市環(huán)境。

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Modeling Treatment Efficiency of Two-stage Subsurface Vertical Flow Constructed Wetlands with Different Ways of Effluent

FANSi-yu1,LONGTian-yu1,2

(1. Key Laboratory of Eco-Environment of Three Gorges Region of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2.National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

A two-dimension convection-dispersion-biodynamics model was given to simulate the treatment efficiency of two-stage subsurface vertical flow constructed wetlands for urban stormwater runoff of Chongqing. Focus on the following 4 types of boundary conditions: Atmospheric Boundary-Seepage Face, Atmospheric Boundary-incomplete Seepage Face 1 (uniformly-spaced effluent), Atmospheric Boundary- incomplete Seepage Face 2 (A-S2’s space is 2 times larger than A-S1’s), Atmospheric Boundary- Constant Head. The simulated results show that under the same working condition, the A-S2 boundary condition has an obviously better performance on the transportation of dissolved oxygen and the treatment efficiency of COD,nitrogen and phosphorus removal , since the specific effluent mode offers a better hydraulic characteristic of the constructed wetland.

constructed wetlands; effluent mode; CW2D; numerical simulation

X703

A

2017-03-10；

2017-04-18.

“十二五”國家科技支撐計劃重點項目(2011BAD31B03).

范思雨(1992-) ，女，四川成都市人，碩士研究生，從事人工濕地數(shù)值模擬研究.

**通訊作者：龍?zhí)煊?1960-)，女，重慶人，教授，博士生導師，從事水污染控制與水環(huán)境模擬研究.

責任編輯：田靜