基于水力性能和凈化效果的表面流人工濕地設計參數優化

馬 震，崔遠來，郭長強，萬 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計參數優化

馬 震1，崔遠來1※，郭長強2，萬 荻1，劉方平3，馬林華1

（1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058；3. 江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201）

為探究表面流人工濕地設計參數對水力性能和凈化效果的影響，分析設計參數與水力性能指標和凈化效果指標之間的關系性，優選綜合考慮水力性能和凈化效果的設計參數組合，對表面流人工濕地設計參數（長寬比、水深、植物間距、流量、進出口布置、植物種類）開展正交試驗。結果表明：設計參數對凈化效果有顯著的影響，各水力性能指標之間、以及凈化效果指標之間均存在極顯著的相關性，水力性能指標與凈化效果指標之間存在一定的相關性。長寬比、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計參數，尤其以長寬比的影響最為顯著。在試驗條件下，表面流人工濕地最優設計參數組合為長寬比4∶1、水深30 cm、植物間距20 cm、流量0.55 m3/h、進出口中進中出布置、水生植物水蔥。

優化；濕地；設計；水力性能；凈化效果；正交試驗

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一步分為水平潛流濕地，垂直潛流濕地和復合潛流濕地[1-5]。濕地對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費用低，運行維護成本小等特點。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。如何優化表面流人工濕地的設計以提高土地資源利用率以及凈化效果成為當前研究的熱點。水力性能和凈化效果是表面流人工濕地2個最重要的評價性能。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部的水流狀況和初始水體參與水流運動的程度即有效容積密切相關[10-13]。

目前，對于表面流人工濕地水力性能、凈化效果以及綜合性能的優化設計研究存在著較大的空白，缺少以長寬比、水深等為代表的多因素多水平組合的表面流人工濕地現場試驗以探索水力性能、凈化效果的設計最優解，通過優選出最佳設計參數組合為實際的表面流人工濕地設計提供參考。郭長強等研究了不同水深[14]、植物種類[15]對塘堰濕地水力性能與凈化效果的影響，篩選出4個具有代表性的水力指標，又采用正交試驗設計的方法對濕地設計參數組合進行優選[16-17]。然而，通常認為長寬比是影響人工濕地水力性能最重要的因素[10,18-19]，郭長強等的試驗設計將長寬比設置為2個水平且水平間的差異較小，使得長寬比在試驗中影響的重要性沒有顯現出來[16]。為了更加全面地研究設計參數對水力性能和凈化效果的影響，優化表面流人工濕地試驗設計，在Guo等[16]的基礎上，本次試驗將長寬比設置為4水平，并適當加大了濕地進口處污染物濃度，開展多因素多水平正交試驗。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于江西省灌溉試驗中心站試驗基地。江西省灌溉試驗中心站坐落于鄱陽湖流域的贛撫平原，其地理坐標為115°49′～116°46′E，28°24′～29°46′N，屬于典型的亞熱帶濕潤季風氣候區。多年平均氣溫為18.1 ℃，多年平均降雨量為1 685 mm。

試驗在人工建造的小型濕地中開展，濕地在2018年4月底改建完工。試驗區由18個長度為6.0 m、寬度為4.7 m的小濕地和3個長度為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以防止濕地之間的側滲。濕地的進出口均由PVC管構成，通過分流配水器控制流量大小。濕地通過使用防銹蝕的鍍鋅鐵板改造成需要的形狀，并保證每個濕地的表面積相同（18 m2），鍍鋅鐵板通過角鐵固定在混凝土壁上，并通過結構膠進行密封。每個濕地的基質均由20 cm厚夯實土和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月初開始移栽，當地3—7月為雨季，對水生植物的成活和生長十分有利。經過近3個月的生長，到7月初，所有水生植物均得到了快速成長，平均莖稈直徑達到1.6 cm，平均植株高度170 cm。

試驗于2018年7月19日—8月13日開展，期間平均氣溫為34 ℃，降雨量為138 mm。位于試驗區東邊的蓄水池匯集農田排水和降雨徑流，并為各濕地供水。試驗區平面圖如圖1所示。

注：A，長寬比；B，水深；C，植物間距；D，流量；E，進出口布置；F，植物種類；G，空白列。1-4代表因素的4個水平。共16個試驗。

1.2 正交試驗設計

正交試驗可以節約試驗資源、減少試驗處理、發掘對研究對象產生重要影響的主要因素。參考濕地設計規范及前人研究[1,14-17]，對設計參數進行取值（表1），考慮試驗濕地數量，設計混合水平的正交試驗L16（44×23），見表2。正交試驗設計中必須留有空白列，以考慮未事先預料到而又會產生重要影響的因素。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。

表1 人工濕地正交試驗設計因素水平

表2 人工濕地正交試驗設計參數組合及試驗結果分析

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計算

采用示蹤試驗研究水流水力特性。所用示蹤劑為國內外廣泛運用[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和背景濃度值低的特性[20-23]，但也存在易被植物腐殖質和土壤顆粒吸附的缺點，不過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多功能水質檢測儀（美國YSI維賽公司）監測示蹤劑濃度變化。選用YSI-6130探頭，將檢測儀懸掛在濕地出口處，根據預設時間步長（2 min）自動觀測和記錄示蹤劑濃度和溫度。

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