馬 震，崔遠(yuǎn)來(lái)，郭長(zhǎng)強(qiáng)，萬(wàn) 荻，劉方平，馬林華

基于水力性能和凈化效果的表面流人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

馬 震1，崔遠(yuǎn)來(lái)1※，郭長(zhǎng)強(qiáng)2，萬(wàn) 荻1，劉方平3，馬林華1

（1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058；3. 江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201）

為探究表面流人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水力性能和凈化效果的影響，分析設(shè)計(jì)參數(shù)與水力性能指標(biāo)和凈化效果指標(biāo)之間的關(guān)系性，優(yōu)選綜合考慮水力性能和凈化效果的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，對(duì)表面流人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)（長(zhǎng)寬比、水深、植物間距、流量、進(jìn)出口布置、植物種類(lèi)）開(kāi)展正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)凈化效果有顯著的影響，各水力性能指標(biāo)之間、以及凈化效果指標(biāo)之間均存在極顯著的相關(guān)性，水力性能指標(biāo)與凈化效果指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性。長(zhǎng)寬比、水深和植物間距是影響表面流人工濕地水力性能和凈化效果的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，尤其以長(zhǎng)寬比的影響最為顯著。在試驗(yàn)條件下，表面流人工濕地最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合為長(zhǎng)寬比4∶1、水深30 cm、植物間距20 cm、流量0.55 m3/h、進(jìn)出口中進(jìn)中出布置、水生植物水蔥。

優(yōu)化；濕地；設(shè)計(jì)；水力性能；凈化效果；正交試驗(yàn)

0 引 言

人工濕地一般分為表面流人工濕地和潛流人工濕地，潛流人工濕地又可以進(jìn)一步分為水平潛流濕地，垂直潛流濕地和復(fù)合潛流濕地[1-5]。濕地對(duì)污水具有較好的凈化作用[6-9]。相較而言，表面流人工濕地具有建設(shè)費(fèi)用低，運(yùn)行維護(hù)成本小等特點(diǎn)。然而，在相同處理效率下，表面流人工濕地需要更大的表面積，占用更多的土地資源。如何優(yōu)化表面流人工濕地的設(shè)計(jì)以提高土地資源利用率以及凈化效果成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。水力性能和凈化效果是表面流人工濕地2個(gè)最重要的評(píng)價(jià)性能。大量研究表明，在非蓄水減污模式下，表面流人工濕地的凈化效果與濕地內(nèi)部的水流狀況和初始水體參與水流運(yùn)動(dòng)的程度即有效容積密切相關(guān)[10-13]。

目前，對(duì)于表面流人工濕地水力性能、凈化效果以及綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究存在著較大的空白，缺少以長(zhǎng)寬比、水深等為代表的多因素多水平組合的表面流人工濕地現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以探索水力性能、凈化效果的設(shè)計(jì)最優(yōu)解，通過(guò)優(yōu)選出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)組合為實(shí)際的表面流人工濕地設(shè)計(jì)提供參考。郭長(zhǎng)強(qiáng)等研究了不同水深[14]、植物種類(lèi)[15]對(duì)塘堰濕地水力性能與凈化效果的影響，篩選出4個(gè)具有代表性的水力指標(biāo)，又采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)濕地設(shè)計(jì)參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)選[16-17]。然而，通常認(rèn)為長(zhǎng)寬比是影響人工濕地水力性能最重要的因素[10,18-19]，郭長(zhǎng)強(qiáng)等的試驗(yàn)設(shè)計(jì)將長(zhǎng)寬比設(shè)置為2個(gè)水平且水平間的差異較小，使得長(zhǎng)寬比在試驗(yàn)中影響的重要性沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)[16]。為了更加全面地研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)水力性能和凈化效果的影響，優(yōu)化表面流人工濕地試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在Guo等[16]的基礎(chǔ)上，本次試驗(yàn)將長(zhǎng)寬比設(shè)置為4水平，并適當(dāng)加大了濕地進(jìn)口處污染物濃度，開(kāi)展多因素多水平正交試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江西省灌溉試驗(yàn)中心站試驗(yàn)基地。江西省灌溉試驗(yàn)中心站坐落于鄱陽(yáng)湖流域的贛撫平原，其地理坐標(biāo)為115°49′～116°46′E，28°24′～29°46′N(xiāo)，屬于典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均氣溫為18.1 ℃，多年平均降雨量為1 685 mm。

試驗(yàn)在人工建造的小型濕地中開(kāi)展，濕地在2018年4月底改建完工。試驗(yàn)區(qū)由18個(gè)長(zhǎng)度為6.0 m、寬度為4.7 m的小濕地和3個(gè)長(zhǎng)度為14.7 m、寬度為6.0 m的大濕地組成。濕地由鋼筋混凝土建成，壁厚均為30 cm以防止?jié)竦刂g的側(cè)滲。濕地的進(jìn)出口均由PVC管構(gòu)成，通過(guò)分流配水器控制流量大小。濕地通過(guò)使用防銹蝕的鍍鋅鐵板改造成需要的形狀，并保證每個(gè)濕地的表面積相同（18 m2），鍍鋅鐵板通過(guò)角鐵固定在混凝土壁上，并通過(guò)結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行密封。每個(gè)濕地的基質(zhì)均由20 cm厚夯實(shí)土和20 cm厚淤泥土按次序填充，濕地土面以上深度為80 cm。水生植物水蔥和香蒲于2018年4月初開(kāi)始移栽，當(dāng)?shù)?—7月為雨季，對(duì)水生植物的成活和生長(zhǎng)十分有利。經(jīng)過(guò)近3個(gè)月的生長(zhǎng)，到7月初，所有水生植物均得到了快速成長(zhǎng)，平均莖稈直徑達(dá)到1.6 cm，平均植株高度170 cm。

試驗(yàn)于2018年7月19日—8月13日開(kāi)展，期間平均氣溫為34 ℃，降雨量為138 mm。位于試驗(yàn)區(qū)東邊的蓄水池匯集農(nóng)田排水和降雨徑流，并為各濕地供水。試驗(yàn)區(qū)平面圖如圖1所示。

注：A，長(zhǎng)寬比；B，水深；C，植物間距；D，流量；E，進(jìn)出口布置；F，植物種類(lèi)；G，空白列。1-4代表因素的4個(gè)水平。共16個(gè)試驗(yàn)。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)可以節(jié)約試驗(yàn)資源、減少試驗(yàn)處理、發(fā)掘?qū)ρ芯繉?duì)象產(chǎn)生重要影響的主要因素。參考濕地設(shè)計(jì)規(guī)范及前人研究[1,14-17]，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行取值（表1），考慮試驗(yàn)濕地?cái)?shù)量，設(shè)計(jì)混合水平的正交試驗(yàn)L16（44×23），見(jiàn)表2。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須留有空白列，以考慮未事先預(yù)料到而又會(huì)產(chǎn)生重要影響的因素。這些未知的重要影響因素可能是表1之外的因素，也可能是表1中因素的交互項(xiàng)。

表1 人工濕地正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平

表2 人工濕地正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)組合及試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3 水力性能及凈化效果研究方法

1.3.1 水力性能研究方法及指標(biāo)計(jì)算

采用示蹤試驗(yàn)研究水流水力特性。所用示蹤劑為國(guó)內(nèi)外廣泛運(yùn)用[20-21]的羅丹明WT，具有高度熒光性。同溴化物示蹤劑相比，羅丹明具有易于檢測(cè)和背景濃度值低的特性[20-23]，但也存在易被植物腐殖質(zhì)和土壤顆粒吸附的缺點(diǎn)，不過(guò)在短期和水深較大的情況下，羅丹明的示蹤作用仍然有效[21-23]。采用YSI-600 OMS多功能水質(zhì)檢測(cè)儀（美國(guó)YSI維賽公司）監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度變化。選用YSI-6130探頭，將檢測(cè)儀懸掛在濕地出口處，根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)（2 min）自動(dòng)觀測(cè)和記錄示蹤劑濃度和溫度。

水力停留時(shí)間[12]是計(jì)算各水力指標(biāo)的基礎(chǔ)，在濕地水力性能分析中具有決定性的作用。濕地水力停留時(shí)間分為理論和平均水力停留時(shí)間，即