潛流人工濕地三維數(shù)值模型的建立與應用.pdf

1、人工濕地逐漸被認為是一種可行的污水處理方法。人工濕地數(shù)值模型可為人工濕地的優(yōu)化設計和運行提供理論支持。本文以混合格式的Richards方程和對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生物反應作用。本文以含水層的抽水試驗實例進行了滲流模塊的驗證，以四

2、個潛流人工濕地實例（水平、波式、梯級河岸和天津空港物流加工區(qū)潛流人工濕地）進行了溶質(zhì)運移模塊的驗證。數(shù)值模擬結(jié)果與實測值均吻合較好。此外，本文還進行了以下幾方面內(nèi)容的探討。
　　 通過對三種均質(zhì)土柱（粘土、砂土、礫石）的入滲過程模擬，探討了具有等價關(guān)系的兩種土壤水分特征曲線模型(BC模型和VG模型)對滲流計算的影響。BC模型和VG模型容水度和滲透系數(shù)的差異導致了暫態(tài)滲流場的差異，并且滲流場的預測對于接近飽和附近的土壤水分特征曲線

3、的變化非常敏感。
　　 通過干濕兩均質(zhì)土柱的入滲模擬，探討了收斂準則1（相鄰兩次迭代的壓力水頭的差）和收斂準則2（相鄰兩次迭代的體積含水率的差）對滲流計算的影響。對于相同容許限度的準則1和準則2，由于容水度的不同，兩準則的作用并不相同。因此，兩種收斂準則在質(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水系數(shù)成比例的

4、原則進行分配而得。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，水面線的設計和控制直接影響植物的生長和污染物的去除環(huán)境。該數(shù)值模型可計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，通過每個上邊界單元上表面所對應空間的水量平衡方程耦合求解。該數(shù)值模型可預測潛流人工濕地的積水情況，對于潛流人工濕

5、地的設計和運行具有一定的指導作用。
　　 通過鎘在均質(zhì)土柱（無植物、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溶質(zhì)運移的影響。對于超富集植物土柱，根系的鎘吸收作用很快超過水分吸收作用，鎘濃度分布很快不再隨時間變化。對于低吸收植物土柱，根系的吸水作用超過了土壤吸附作用，鎘濃度峰值會超過污染源輸入濃度，且峰值下移。
　　 通過數(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