潛流人工濕地三維數(shù)值模型的建立與應(yīng)用.pdf

1、人工濕地逐漸被認(rèn)為是一種可行的污水處理方法。人工濕地?cái)?shù)值模型可為人工濕地的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供理論支持。本文以混合格式的Richards方程和對(duì)流彌散方程作為控制方程，采用有限體積法，建立了耦合滲流模塊和溶質(zhì)運(yùn)移模塊的潛流人工濕地三維數(shù)值模型。該模型的滲流模塊可考慮上表面的積水、蒸發(fā)以及植物根系的水分吸收。該模型的溶質(zhì)運(yùn)移模塊可考慮植物根系的溶質(zhì)吸收、填料的吸附解吸以及化學(xué)生物反應(yīng)作用。本文以含水層的抽水試驗(yàn)實(shí)例進(jìn)行了滲流模塊的驗(yàn)證，以四

2、個(gè)潛流人工濕地實(shí)例（水平、波式、梯級(jí)河岸和天津空港物流加工區(qū)潛流人工濕地）進(jìn)行了溶質(zhì)運(yùn)移模塊的驗(yàn)證。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值均吻合較好。此外，本文還進(jìn)行了以下幾方面內(nèi)容的探討。
　　 通過(guò)對(duì)三種均質(zhì)土柱（粘土、砂土、礫石）的入滲過(guò)程模擬，探討了具有等價(jià)關(guān)系的兩種土壤水分特征曲線模型(BC模型和VG模型)對(duì)滲流計(jì)算的影響。BC模型和VG模型容水度和滲透系數(shù)的差異導(dǎo)致了暫態(tài)滲流場(chǎng)的差異，并且滲流場(chǎng)的預(yù)測(cè)對(duì)于接近飽和附近的土壤水分特征曲線

3、的變化非常敏感。
　　 通過(guò)干濕兩均質(zhì)土柱的入滲模擬，探討了收斂準(zhǔn)則1（相鄰兩次迭代的壓力水頭的差）和收斂準(zhǔn)則2（相鄰兩次迭代的體積含水率的差）對(duì)滲流計(jì)算的影響。對(duì)于相同容許限度的準(zhǔn)則1和準(zhǔn)則2，由于容水度的不同，兩準(zhǔn)則的作用并不相同。因此，兩種收斂準(zhǔn)則在質(zhì)量守恒或迭代次數(shù)方面存在一定的差別。
　　 在含水層的抽水試驗(yàn)滲流模擬中，井邊界的正確處理非常重要。傳統(tǒng)方法假定濾網(wǎng)流量分布是將抽水量按與相鄰飽和單元導(dǎo)水系數(shù)成比例的

4、原則進(jìn)行分配而得。本文基于井的水量平衡方程建立了迭代方法處理井邊界。傳統(tǒng)方法在物理意義上存在明顯不足，而迭代方法可在一定程度上克服傳統(tǒng)方法的不足。
　　 在人工濕地系統(tǒng)中，水面線的設(shè)計(jì)和控制直接影響植物的生長(zhǎng)和污染物的去除環(huán)境。該數(shù)值模型可計(jì)算濕地上表面允許少量積水情況下的積水水深，具體方法是忽略積水在水平方向的流動(dòng)，通過(guò)每個(gè)上邊界單元上表面所對(duì)應(yīng)空間的水量平衡方程耦合求解。該數(shù)值模型可預(yù)測(cè)潛流人工濕地的積水情況，對(duì)于潛流人工濕

5、地的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)作用。
　　 通過(guò)鎘在均質(zhì)土柱（無(wú)植物、低吸收植物、普通植物、超富集植物土柱）的入滲模擬，探討了根系吸收和吸附解吸對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響。對(duì)于超富集植物土柱，根系的鎘吸收作用很快超過(guò)水分吸收作用，鎘濃度分布很快不再隨時(shí)間變化。對(duì)于低吸收植物土柱，根系的吸水作用超過(guò)了土壤吸附作用，鎘濃度峰值會(huì)超過(guò)污染源輸入濃度，且峰值下移。
　　 通過(guò)數(shù)值模型研究了水平和波式潛流人工濕地中相互作用的水力行為、填料和植