模塊化人工濕地水力學(xué)性能數(shù)值模擬與優(yōu)化解析

摘要：人工濕地應(yīng)用具有容易維護(hù)以及節(jié)能環(huán)保等方面優(yōu)勢，整體投資相對較少，應(yīng)用前景較為理想。但由于傳統(tǒng)人工濕地使用存在一定問題，所以需要進(jìn)行改造，在此背景下模塊化人工濕地模式開始出現(xiàn)。在對大量人工濕地進(jìn)行模塊化處理之后，會導(dǎo)致其水力效率受到影響，為解決該項(xiàng)問題，需要做好模塊化內(nèi)部水力學(xué)性能的研究，確保模塊化濕地優(yōu)勢和價(jià)值能夠得到充分發(fā)揮，以便更好地完成相關(guān)應(yīng)用。以此為核心，通過對人工濕地和模塊化人工濕地基本情況的介紹，以實(shí)驗(yàn)分析為例，對模塊化人工濕地水力學(xué)性能數(shù)值模擬和優(yōu)化方式方法進(jìn)行深度研究，希望能夠?yàn)槟K化人工濕地應(yīng)用提供一些助力。

關(guān)鍵詞：基質(zhì)人工濕地模塊化人工濕地水力學(xué)性能數(shù)值

NumericalSimulationandOptimizationAnalysisofHydraulicPerformanceofModularConstructedWetlands

ZHANGYufengZHAOYanlin

（YanglingVocationalandTechnicalCollege，Yangling，ShaanxiProvince，712100China）

Abstract：Theapplicationofartificialwetlandshasadvantagessuchaseasymaintenanceandenergyconservationandenvironmentalprotection，withrelativelylowoverallinvestmentandidealapplicationprospects.However，duetocertainissueswiththeuseoftraditionalartificialwetlands，theyneedtoberenovated，andinthiscontext，modularartificialwetlandmodelshavebeguntoemerge.Aftermodulartreatmentofalargenumberofartificialwetlands，theirhydraulicefficiencywillbeaffected.Tosolvethisproblem，itisnecessarytoconductresearchontheinternalhydraulicperformanceofmodularwetlandstoensurethattheadvantagesandvalueofmodularwetlandscanbefullyutilized，inordertobettercompleterelatedapplications.Thearticlewilltakethisasthecore，introducethebasicsituationofartificialwetlandsandmodularartificialwetlands，anduseexperimentalanalysisasanexampletoconductin-depthresearchonthenumericalsimulationandoptimizationmethodsofthehydraulicperformanceofmodularartificialwetlands，hopingtoprovidesomeassistancefortheapplicationofmodularartificialwetlands.

Keywords：Matrix;Artificialwetlands;Modularartificialwetlands;Hydraulicperformancevalues

雖然我國人工濕地污水處理技術(shù)應(yīng)用時(shí)間相對較短，但由于其具有設(shè)備簡單和耗能較低等方面優(yōu)勢，所以該項(xiàng)技術(shù)在我國的發(fā)展速度極快，已經(jīng)得到顯著進(jìn)步。在具體應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的人工濕地系統(tǒng)很容易出現(xiàn)堵塞問題，導(dǎo)致其凈化能力無法達(dá)到預(yù)期要求，使用壽命也會隨之縮短。為解決該項(xiàng)問題，模塊化人工濕地系統(tǒng)開始成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，并加大對其相關(guān)技術(shù)研發(fā)的力度。

1人工濕地

人工濕地屬于由人工所構(gòu)成的水處理生態(tài)系統(tǒng)，通過將煤渣、砂石、土壤等材料按照一定的比例進(jìn)行科學(xué)配比，并合理選擇濕地植物與附著植物根系微生物，配合其他生物完成整體生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。該水處理生態(tài)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對污水的有效過濾和沉淀，可以對污水中污染物進(jìn)行有效分解，能夠達(dá)到去除污水中各種污染物的目標(biāo)。人工濕地在建成之后，一直是我國污水處理的主要技術(shù)手段。但在對其進(jìn)行一段時(shí)間的使用之后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)人工濕地使用易出現(xiàn)堵塞等方面問題，整體人工濕地處理技術(shù)應(yīng)用還存在提升空間。為解決該項(xiàng)問題，模塊化人工濕地開始得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)人工濕地的有效升級和改進(jìn)，為污水相關(guān)處理提供了可靠技術(shù)支持。

2模塊化人工濕地

為解決傳統(tǒng)人工濕地所存在的各項(xiàng)問題，技術(shù)人員開始在傳統(tǒng)人工濕地基礎(chǔ)上，通過對濕地進(jìn)行等比例縮放處理的方式，展開模塊化人工濕地處理。該種類型濕地內(nèi)部填充材料會按照最佳比例進(jìn)行填放，植物選擇會根據(jù)因地制宜原則，對植物以及相關(guān)微生物進(jìn)行挑選。通過將所有品類制作成完整單元的方式，將不同單元并聯(lián)或串聯(lián)在一起，進(jìn)而組合成任何形狀對其進(jìn)行應(yīng)用，達(dá)到對相關(guān)污水進(jìn)行有效治理的目標(biāo)，整體應(yīng)用相對較為靈活。

模塊化處理方式，能夠有效提高濕地裝配效率，解決基質(zhì)堵塞更換各項(xiàng)問題。通過對兩個及以上單元模塊化濕地的應(yīng)用，達(dá)到輪休處理效果，能夠保證對污水進(jìn)行持續(xù)性凈化處理?？梢酝ㄟ^及時(shí)進(jìn)行濕地輪休操作的方式，對堵塞模塊進(jìn)行清理，做好植物修剪和基質(zhì)替換等各項(xiàng)處理，可以保證濕地能夠始終處于較為理想的污水凈化處理狀態(tài)。

較為常見的模塊化人工濕地類型主要有以下3種。（1）一體式模塊化人工濕地。通過將人工濕地作為整體單元進(jìn)行生產(chǎn)和裝配處理的方式，完成后續(xù)使用。（2）基質(zhì)模塊化人工濕地。按照模塊化使用的具體要求，展開基質(zhì)生產(chǎn)，方便后續(xù)進(jìn)行替換和裝配操作。（3）快速裝配式模塊化人工濕地。此種濕地處理方式更加便于拆卸，池壁和池體拆卸相對較為簡單。

3模塊化人工濕地水力學(xué)性能數(shù)值模擬與優(yōu)化

3.1研究基本思路

在對人工濕地進(jìn)行模塊化處理之后，濕地水力效率會出現(xiàn)相應(yīng)波動，此時(shí)需要保證模塊內(nèi)部水力學(xué)性能可以達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，才可以實(shí)現(xiàn)對污水問題的有效處理。鑒于此，將通過對數(shù)值模擬方法的運(yùn)用，對尺度相對較小濕地模塊基質(zhì)鋪設(shè)順序以及鋪設(shè)厚度等各項(xiàng)信息展開研究，確保能夠制訂出更加完善的濕地制造方案，保證模塊化濕地建設(shè)與使用效果，確保能夠?yàn)楹罄m(xù)模塊化濕地設(shè)計(jì)以及建設(shè)的各項(xiàng)工作開展提供可靠參考。同時(shí)，需要對尺度相對較小非模塊化人工濕地水力性能進(jìn)行研究，確定性能優(yōu)化方案，以便更好的完成濕地應(yīng)用。

3.2水力學(xué)性能數(shù)值模擬與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析

3.2.1模型設(shè)置

將模塊化人工濕地系統(tǒng)，作為單個濕地模塊展開研究，通過構(gòu)建簡化二維模型，對不同基質(zhì)分層結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)流板設(shè)置方式進(jìn)行研究。在模型之中，按照上、中、下3層分別完成基質(zhì)鋪設(shè)，并且合理設(shè)置鋪設(shè)厚度。每一層基質(zhì)的阻力系數(shù)并不相同，會在底部位置完成導(dǎo)流板設(shè)置。

技術(shù)人員需要詳細(xì)對基質(zhì)參數(shù)以及二維模型尺寸等各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)記錄，做好各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析。掌握模型尺寸、初始條件、大阻力基質(zhì)、中阻力基質(zhì)以及小阻力基質(zhì)信息，做好進(jìn)口速度以及出口絕對壓力等各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)以及數(shù)據(jù)信息，完成多孔介質(zhì)模型和離b195ed2f0e9b902de87dea14da0927cb7633c26c906996c1055bc48743362435散相模型等各項(xiàng)模型建設(shè)。

在進(jìn)行多孔介質(zhì)模型的建設(shè)過程中，對基質(zhì)進(jìn)行簡化處理，使用帶有大量孔隙固體材料進(jìn)行鋪設(shè)，保證孔隙連通性以及分布均勻程度。通過在動量方程中疊加動量損失源相方法，對多孔材料在流體阻礙中的效果進(jìn)行分析，以便明確材料具體使用情況，確定后續(xù)濕地建設(shè)是否需要對多孔材料進(jìn)行應(yīng)用以及確定正確的應(yīng)用比例。

在進(jìn)行離散相親模型的建設(shè)過程中，通過對歐拉法的運(yùn)用，完成濕地進(jìn)水描述操作。同時(shí)，借助拉格朗日法，對水流體質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行描述。在模型建設(shè)之后，通過對非耦合方式的運(yùn)用，展開進(jìn)水指定流體質(zhì)點(diǎn)追蹤操作，做好分布和停留時(shí)間迭代計(jì)算，對污水在濕地中的停留地點(diǎn)以及停留時(shí)間等各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述，明確濕地設(shè)置是否合理，污水處理效果是否達(dá)到相關(guān)要求，及時(shí)對相關(guān)濕地設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2模型網(wǎng)格設(shè)置與水力性能評價(jià)

通過對相關(guān)軟件的應(yīng)用，完成模型網(wǎng)格文件設(shè)置，做好四邊形網(wǎng)格劃分處理。將進(jìn)口和出口，作為壓力出口與速度入口。將內(nèi)部導(dǎo)流板和四周作為壁面邊界條件，并且將基質(zhì)區(qū)作為流體邊界條件。在進(jìn)行模型求解過程中，可以忽略反應(yīng)放熱以及其他相關(guān)影響因素，假設(shè)流體在多孔介質(zhì)中流動，將其作為層流進(jìn)行計(jì)算處理。按照標(biāo)準(zhǔn)壓力，使用二維定常層流分離解算器進(jìn)行計(jì)算。通過對模型內(nèi)部水流情況進(jìn)行模擬分析的方式，掌握水流速度以及平均停留時(shí)間等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)展開水力學(xué)性能評價(jià)。

3.2.3結(jié)果分析和研究

（1）基質(zhì)鋪設(shè)順序。

為明確鋪設(shè)順序?qū)λW(xué)性能的具體影響，通過對各種阻力系數(shù)進(jìn)行分析研究，按照不同排列方式進(jìn)行鋪設(shè)，以便通過數(shù)值模擬分析的方法，明確各鋪設(shè)順序中的水力學(xué)性能情況。通過對數(shù)值進(jìn)行模擬分析，在對水力停留時(shí)間以及水流均勻程度等各項(xiàng)因素進(jìn)行充分分析之后，便可以獲得最佳鋪設(shè)順序。

（2）基質(zhì)層厚比。

在確定鋪設(shè)順序之后，需要固定鋪設(shè)順序，但通過對各層鋪設(shè)厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，研究基質(zhì)層厚比對水力學(xué)性能的影響。按照最終數(shù)據(jù)結(jié)果分析情況來看，下層基質(zhì)厚度會對水力停留時(shí)間產(chǎn)生直接影響。當(dāng)下層基質(zhì)厚度相對較小時(shí)，水力停留時(shí)間也會相對較長。當(dāng)其厚度逐漸增加之后，進(jìn)水口端水流分布會變得更加集中，會在基質(zhì)中層到下層之間，匯聚成短流，導(dǎo)致水力停留時(shí)間出現(xiàn)減小情況。上層基質(zhì)厚度會對水流散度產(chǎn)生直接影響，厚度越小，水分布均勻性也會更加理想。上層基質(zhì)厚度如果出現(xiàn)不斷降低的情況，中層厚度會隨之增加，水流分布均勻程度會得到明顯提高，在中層基質(zhì)內(nèi)部分布會變得更加理想。在進(jìn)行濕地的設(shè)置過程中，需要根據(jù)水力停留時(shí)間以及布水均勻性具體要求，對各層厚度進(jìn)行合理設(shè)置，以便保證濕地內(nèi)部整體處理效率可以達(dá)到理想狀態(tài)。

（3）導(dǎo)流板設(shè)置。

導(dǎo)流板作為模塊化濕地中的重要組成，其設(shè)置方法也會對模型水力學(xué)性能產(chǎn)生相應(yīng)影響。在完成基質(zhì)類型、鋪設(shè)順序以及鋪設(shè)厚度的設(shè)置之后，需要通過對導(dǎo)流板設(shè)置方式進(jìn)行調(diào)整的方法，確定導(dǎo)流板設(shè)置是否會對水力學(xué)性能產(chǎn)生影響。按照數(shù)據(jù)模擬分析結(jié)果，在模型下層設(shè)置導(dǎo)流板，會對其整體內(nèi)部水力效率產(chǎn)生較大影響。可通過對導(dǎo)流板進(jìn)行設(shè)置，完成對水流散度的調(diào)節(jié)。其中，將導(dǎo)流板設(shè)置在200mm位置時(shí)，其對于水力效率的影響相對較小，會因?yàn)槲恢迷O(shè)置的調(diào)整，導(dǎo)致在上部位置形成水流死角區(qū)域，進(jìn)而減小導(dǎo)流板高度變化相關(guān)影響。在400mm位置設(shè)置導(dǎo)流板，會因?yàn)閷?dǎo)流板高度的不斷增加，而使水力效率出現(xiàn)先減小后增加的趨勢。在600mm及以上位置設(shè)置導(dǎo)流板時(shí)，會因?yàn)閷?dǎo)流板高度的不斷上升，致使水力效率出現(xiàn)不斷減小的情況。就綜合情況來看，將其設(shè)置在中間位置中的影響效果更為理想，濕地內(nèi)部的水力效率也相對較高。

（4）總結(jié)分析。

通過利用數(shù)值模擬技術(shù)，對不同阻力系數(shù)鋪設(shè)方式以及其他相關(guān)影響內(nèi)容進(jìn)行分析的方式，可以明確鋪設(shè)順序以及鋪設(shè)厚度等各項(xiàng)影響因素，對于水力效率的具體影響。能夠按照研究結(jié)果確定最佳基質(zhì)鋪設(shè)順序以及鋪設(shè)厚度等各項(xiàng)數(shù)值，通過對導(dǎo)流板位置進(jìn)行合理調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)濕地使用的實(shí)際需求，將模塊化濕地調(diào)整到最佳應(yīng)用效果，保障其能夠在地區(qū)污水處理中發(fā)揮出更大的作用。在層厚比方面，建議按照1∶4∶1比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)需要在模型下層基質(zhì)中間位置，設(shè)置導(dǎo)流板，確保水力效率可以得到有效提高。具體高度情況，應(yīng)按照基質(zhì)鋪設(shè)厚度進(jìn)行設(shè)置，以便保證整體設(shè)計(jì)的合理性。

4結(jié)語

鑒于傳統(tǒng)人工濕地在使用時(shí)存在的各項(xiàng)問題，需要進(jìn)一步加大對模塊化人工濕地的應(yīng)用和研究力度。應(yīng)通過對模塊化人工濕地水力學(xué)性能相關(guān)問題的深度研究，掌握正確模塊化濕地使用方式方法，做好配套基質(zhì)使用以及相關(guān)安裝等各項(xiàng)操作，保證能夠按照一定順序合理進(jìn)行基質(zhì)鋪設(shè)，做好相關(guān)材料配比設(shè)置，確保能夠在污水處理中實(shí)現(xiàn)對模塊化濕地的有效應(yīng)用，達(dá)到理想化濕地應(yīng)用效果。強(qiáng)調(diào)需要不斷對水力學(xué)性能相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行探討和研究，以期為模塊化濕地的高質(zhì)量、大規(guī)模使用奠定可靠基礎(chǔ)。

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