基于水力性能和净化效果的表面流人工湿地设计参数优化

马 震，崔远来，郭长强，万 荻，刘方平，马林华

基于水力性能和净化效果的表面流人工湿地设计参数优化

马 震1，崔远来1※，郭长强2，万 荻1，刘方平3，马林华1

（1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州 310058；3. 江西省灌溉试验中心站，南昌 330201）

为探究表面流人工湿地设计参数对水力性能和净化效果的影响，分析设计参数与水力性能指标和净化效果指标之间的关系性，优选综合考虑水力性能和净化效果的设计参数组合，对表面流人工湿地设计参数（长宽比、水深、植物间距、流量、进出口布置、植物种类）开展正交试验。结果表明：设计参数对净化效果有显著的影响，各水力性能指标之间、以及净化效果指标之间均存在极显著的相关性，水力性能指标与净化效果指标之间存在一定的相关性。长宽比、水深和植物间距是影响表面流人工湿地水力性能和净化效果的主要设计参数，尤其以长宽比的影响最为显著。在试验条件下，表面流人工湿地最优设计参数组合为长宽比4∶1、水深30 cm、植物间距20 cm、流量0.55 m3/h、进出口中进中出布置、水生植物水葱。

优化；湿地；设计；水力性能；净化效果；正交试验

0 引 言

人工湿地一般分为表面流人工湿地和潜流人工湿地，潜流人工湿地又可以进一步分为水平潜流湿地，垂直潜流湿地和复合潜流湿地[1-5]。湿地对污水具有较好的净化作用[6-9]。相较而言，表面流人工湿地具有建设费用低，运行维护成本小等特点。然而，在相同处理效率下，表面流人工湿地需要更大的表面积，占用更多的土地资源。如何优化表面流人工湿地的设计以提高土地资源利用率以及净化效果成为当前研究的热点。水力性能和净化效果是表面流人工湿地2个最重要的评价性能。大量研究表明，在非蓄水减污模式下，表面流人工湿地的净化效果与湿地内部的水流状况和初始水体参与水流运动的程度即有效容积密切相关[10-13]。

目前，对于表面流人工湿地水力性能、净化效果以及综合性能的优化设计研究存在着较大的空白，缺少以长宽比、水深等为代表的多因素多水平组合的表面流人工湿地现场试验以探索水力性能、净化效果的设计最优解，通过优选出最佳设计参数组合为实际的表面流人工湿地设计提供参考。郭长强等研究了不同水深[14]、植物种类[15]对塘堰湿地水力性能与净化效果的影响，筛选出4个具有代表性的水力指标，又采用正交试验设计的方法对湿地设计参数组合进行优选[16-17]。然而，通常认为长宽比是影响人工湿地水力性能最重要的因素[10,18-19]，郭长强等的试验设计将长宽比设置为2个水平且水平间的差异较小，使得长宽比在试验中影响的重要性没有显现出来[16]。为了更加全面地研究设计参数对水力性能和净化效果的影响，优化表面流人工湿地试验设计，在Guo等[16]的基础上，本次试验将长宽比设置为4水平，并适当加大了湿地进口处污染物浓度，开展多因素多水平正交试验。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于江西省灌溉试验中心站试验基地。江西省灌溉试验中心站坐落于鄱阳湖流域的赣抚平原，其地理坐标为115°49′～116°46′E，28°24′～29°46′N，属于典型的亚热带湿润季风气候区。多年平均气温为18.1 ℃，多年平均降雨量为1 685 mm。

试验在人工建造的小型湿地中开展，湿地在2018年4月底改建完工。试验区由18个长度为6.0 m、宽度为4.7 m的小湿地和3个长度为14.7 m、宽度为6.0 m的大湿地组成。湿地由钢筋混凝土建成，壁厚均为30 cm以防止湿地之间的侧渗。湿地的进出口均由PVC管构成，通过分流配水器控制流量大小。湿地通过使用防锈蚀的镀锌铁板改造成需要的形状，并保证每个湿地的表面积相同（18 m2），镀锌铁板通过角铁固定在混凝土壁上，并通过结构胶进行密封。每个湿地的基质均由20 cm厚夯实土和20 cm厚淤泥土按次序填充，湿地土面以上深度为80 cm。水生植物水葱和香蒲于2018年4月初开始移栽，当地3—7月为雨季，对水生植物的成活和生长十分有利。经过近3个月的生长，到7月初，所有水生植物均得到了快速成长，平均茎秆直径达到1.6 cm，平均植株高度170 cm。

试验于2018年7月19日—8月13日开展，期间平均气温为34 ℃，降雨量为138 mm。位于试验区东边的蓄水池汇集农田排水和降雨径流，并为各湿地供水。试验区平面图如图1所示。

注：A，长宽比；B，水深；C，植物间距；D，流量；E，进出口布置；F，植物种类；G，空白列。1-4代表因素的4个水平。共16个试验。

1.2 正交试验设计

正交试验可以节约试验资源、减少试验处理、发掘对研究对象产生重要影响的主要因素。参考湿地设计规范及前人研究[1,14-17]，对设计参数进行取值（表1），考虑试验湿地数量，设计混合水平的正交试验L16（44×23），见表2。正交试验设计中必须留有空白列，以考虑未事先预料到而又会产生重要影响的因素。这些未知的重要影响因素可能是表1之外的因素，也可能是表1中因素的交互项。

表1 人工湿地正交试验设计因素水平

表2 人工湿地正交试验设计参数组合及试验结果分析

1.3 水力性能及净化效果研究方法

1.3.1 水力性能研究方法及指标计算

采用示踪试验研究水流水力特性。所用示踪剂为国内外广泛运用[20-21]的罗丹明WT，具有高度荧光性。同溴化物示踪剂相比，罗丹明具有易于检测和背景浓度值低的特性[20-23]，但也存在易被植物腐殖质和土壤颗粒吸附的缺点，不过在短期和水深较大的情况下，罗丹明的示踪作用仍然有效[21-23]。采用YSI-600 OMS多功能水质检测仪（美国YSI维赛公司）监测示踪剂浓度变化。选用YSI-6130探头，将检测仪悬挂在湿地出口处，根据预设时间步长（2 min）自动观测和记录示踪剂浓度和温度。

水力停留时间[12]是计算各水力指标的基础，在湿地水力性能分析中具有决定性的作用。湿地水力停留时间分为理论和平均水力停留时间，即