模块化人工湿地水力学性能数值模拟与优化解析

摘要：人工湿地应用具有容易维护以及节能环保等方面优势，整体投资相对较少，应用前景较为理想。但由于传统人工湿地使用存在一定问题，所以需要进行改造，在此背景下模块化人工湿地模式开始出现。在对大量人工湿地进行模块化处理之后，会导致其水力效率受到影响，为解决该项问题，需要做好模块化内部水力学性能的研究，确保模块化湿地优势和价值能够得到充分发挥，以便更好地完成相关应用。以此为核心，通过对人工湿地和模块化人工湿地基本情况的介绍，以实验分析为例，对模块化人工湿地水力学性能数值模拟和优化方式方法进行深度研究，希望能够为模块化人工湿地应用提供一些助力。

关键词：基质人工湿地模块化人工湿地水力学性能数值

NumericalSimulationandOptimizationAnalysisofHydraulicPerformanceofModularConstructedWetlands

ZHANGYufengZHAOYanlin

（YanglingVocationalandTechnicalCollege，Yangling，ShaanxiProvince，712100China）

Abstract：Theapplicationofartificialwetlandshasadvantagessuchaseasymaintenanceandenergyconservationandenvironmentalprotection，withrelativelylowoverallinvestmentandidealapplicationprospects.However，duetocertainissueswiththeuseoftraditionalartificialwetlands，theyneedtoberenovated，andinthiscontext，modularartificialwetlandmodelshavebeguntoemerge.Aftermodulartreatmentofalargenumberofartificialwetlands，theirhydraulicefficiencywillbeaffected.Tosolvethisproblem，itisnecessarytoconductresearchontheinternalhydraulicperformanceofmodularwetlandstoensurethattheadvantagesandvalueofmodularwetlandscanbefullyutilized，inordertobettercompleterelatedapplications.Thearticlewilltakethisasthecore，introducethebasicsituationofartificialwetlandsandmodularartificialwetlands，anduseexperimentalanalysisasanexampletoconductin-depthresearchonthenumericalsimulationandoptimizationmethodsofthehydraulicperformanceofmodularartificialwetlands，hopingtoprovidesomeassistancefortheapplicationofmodularartificialwetlands.

Keywords：Matrix;Artificialwetlands;Modularartificialwetlands;Hydraulicperformancevalues

虽然我国人工湿地污水处理技术应用时间相对较短，但由于其具有设备简单和耗能较低等方面优势，所以该项技术在我国的发展速度极快，已经得到显著进步。在具体应用过程中，发现传统的人工湿地系统很容易出现堵塞问题，导致其净化能力无法达到预期要求，使用寿命也会随之缩短。为解决该项问题，模块化人工湿地系统开始成为业界关注的重点，并加大对其相关技术研发的力度。

1人工湿地

人工湿地属于由人工所构成的水处理生态系统，通过将煤渣、砂石、土壤等材料按照一定的比例进行科学配比，并合理选择湿地植物与附着植物根系微生物，配合其他生物完成整体生态系统的建设。该水处理生态系统能够实现对污水的有效过滤和沉淀，可以对污水中污染物进行有效分解，能够达到去除污水中各种污染物的目标。人工湿地在建成之后，一直是我国污水处理的主要技术手段。但在对其进行一段时间的使用之后发现，传统人工湿地使用易出现堵塞等方面问题，整体人工湿地处理技术应用还存在提升空间。为解决该项问题，模块化人工湿地开始得到应用，实现了对传统人工湿地的有效升级和改进，为污水相关处理提供了可靠技术支持。

2模块化人工湿地

为解决传统人工湿地所存在的各项问题，技术人员开始在传统人工湿地基础上，通过对湿地进行等比例缩放处理的方式，展开模块化人工湿地处理。该种类型湿地内部填充材料会按照最佳比例进行填放，植物选择会根据因地制宜原则，对植物以及相关微生物进行挑选。通过将所有品类制作成完整单元的方式，将不同单元并联或串联在一起，进而组合成任何形状对其进行应用，达到对相关污水进行有效治理的目标，整体应用相对较为灵活。

模块化处理方式，能够有效提高湿地装配效率，解决基质堵塞更换各项问题。通过对两个及以上单元模块化湿地的应用，达到轮休处理效果，能够保证对污水进行持续性净化处理。可以通过及时进行湿地轮休操作的方式，对堵塞模块进行清理，做好植物修剪和基质替换等各项处理，可以保证湿地能够始终处于较为理想的污水净化处理状态。

较为常见的模块化人工湿地类型主要有以下3种。（1）一体式模块化人工湿地。通过将人工湿地作为整体单元进行生产和装配处理的方式，完成后续使用。（2）基质模块化人工湿地。按照模块化使用的具体要求，展开基质生产，方便后续进行替换和装配操作。（3）快速装配式模块化人工湿地。此种湿地处理方式更加便于拆卸，池壁和池体拆卸相对较为简单。

3模块化人工湿地水力学性能数值模拟与优化

3.1研究基本思路

在对人工湿地进行模块化处理之后，湿地水力效率会出现相应波动，此时需要保证模块内部水力学性能可以达到相关标准要求，才可以实现对污水问题的有效处理。鉴于此，将通过对数值模拟方法的运用，对尺度相对较小湿地模块基质铺设顺序以及铺设厚度等各项信息展开研究，确保能够制订出更加完善的湿地制造方案，保证模块化湿地建设与使用效果，确保能够为后续模块化湿地设计以及建设的各项工作开展提供可靠参考。同时，需要对尺度相对较小非模块化人工湿地水力性能进行研究，确定性能优化方案，以便更好的完成湿地应用。

3.2水力学性能数值模拟与优化实验分析

3.2.1模型设置

将模块化人工湿地系统，作为单个湿地模块展开研究，通过构建简化二维模型，对不同基质分层结构以及导流板设置方式进行研究。在模型之中，按照上、中、下3层分别完成基质铺设，并且合理设置铺设厚度。每一层基质的阻力系数并不相同，会在底部位置完成导流板设置。

技术人员需要详细对基质参数以及二维模型尺寸等各项内容进行详细记录，做好各项数据分析。掌握模型尺寸、初始条件、大阻力基质、中阻力基质以及小阻力基质信息，做好进口速度以及出口绝对压力等各项参数的设计。根据各项参数以及数据信息，完成多孔介质模型和离b195ed2f0e9b902de87dea14da0927cb7633c26c906996c1055bc48743362435散相模型等各项模型建设。

在进行多孔介质模型的建设过程中，对基质进行简化处理，使用带有大量孔隙固体材料进行铺设，保证孔隙连通性以及分布均匀程度。通过在动量方程中叠加动量损失源相方法，对多孔材料在流体阻碍中的效果进行分析，以便明确材料具体使用情况，确定后续湿地建设是否需要对多孔材料进行应用以及确定正确的应用比例。

在进行离散相亲模型的建设过程中，通过对欧拉法的运用，完成湿地进水描述操作。同时，借助拉格朗日法，对水流体质点进行描述。在模型建设之后，通过对非耦合方式的运用，展开进水指定流体质点追踪操作，做好分布和停留时间迭代计算，对污水在湿地中的停留地点以及停留时间等各项内容进行详细描述，明确湿地设置是否合理，污水处理效果是否达到相关要求，及时对相关湿地设置进行调整。

3.2.2模型网格设置与水力性能评价

通过对相关软件的应用，完成模型网格文件设置，做好四边形网格划分处理。将进口和出口，作为压力出口与速度入口。将内部导流板和四周作为壁面边界条件，并且将基质区作为流体边界条件。在进行模型求解过程中，可以忽略反应放热以及其他相关影响因素，假设流体在多孔介质中流动，将其作为层流进行计算处理。按照标准压力，使用二维定常层流分离解算器进行计算。通过对模型内部水流情况进行模拟分析的方式，掌握水流速度以及平均停留时间等各项数据，以此为依据展开水力学性能评价。

3.2.3结果分析和研究

（1）基质铺设顺序。

为明确铺设顺序对水力学性能的具体影响，通过对各种阻力系数进行分析研究，按照不同排列方式进行铺设，以便通过数值模拟分析的方法，明确各铺设顺序中的水力学性能情况。通过对数值进行模拟分析，在对水力停留时间以及水流均匀程度等各项因素进行充分分析之后，便可以获得最佳铺设顺序。

（2）基质层厚比。

在确定铺设顺序之后，需要固定铺设顺序，但通过对各层铺设厚度进行适当调整，研究基质层厚比对水力学性能的影响。按照最终数据结果分析情况来看，下层基质厚度会对水力停留时间产生直接影响。当下层基质厚度相对较小时，水力停留时间也会相对较长。当其厚度逐渐增加之后，进水口端水流分布会变得更加集中，会在基质中层到下层之间，汇聚成短流，导致水力停留时间出现减小情况。上层基质厚度会对水流散度产生直接影响，厚度越小，水分布均匀性也会更加理想。上层基质厚度如果出现不断降低的情况，中层厚度会随之增加，水流分布均匀程度会得到明显提高，在中层基质内部分布会变得更加理想。在进行湿地的设置过程中，需要根据水力停留时间以及布水均匀性具体要求，对各层厚度进行合理设置，以便保证湿地内部整体处理效率可以达到理想状态。

（3）导流板设置。

导流板作为模块化湿地中的重要组成，其设置方法也会对模型水力学性能产生相应影响。在完成基质类型、铺设顺序以及铺设厚度的设置之后，需要通过对导流板设置方式进行调整的方法，确定导流板设置是否会对水力学性能产生影响。按照数据模拟分析结果，在模型下层设置导流板，会对其整体内部水力效率产生较大影响。可通过对导流板进行设置，完成对水流散度的调节。其中，将导流板设置在200mm位置时，其对于水力效率的影响相对较小，会因为位置设置的调整，导致在上部位置形成水流死角区域，进而减小导流板高度变化相关影响。在400mm位置设置导流板，会因为导流板高度的不断增加，而使水力效率出现先减小后增加的趋势。在600mm及以上位置设置导流板时，会因为导流板高度的不断上升，致使水力效率出现不断减小的情况。就综合情况来看，将其设置在中间位置中的影响效果更为理想，湿地内部的水力效率也相对较高。

（4）总结分析。

通过利用数值模拟技术，对不同阻力系数铺设方式以及其他相关影响内容进行分析的方式，可以明确铺设顺序以及铺设厚度等各项影响因素，对于水力效率的具体影响。能够按照研究结果确定最佳基质铺设顺序以及铺设厚度等各项数值，通过对导流板位置进行合理调节的方式，根据湿地使用的实际需求，将模块化湿地调整到最佳应用效果，保障其能够在地区污水处理中发挥出更大的作用。在层厚比方面，建议按照1∶4∶1比例进行设计。强调需要在模型下层基质中间位置，设置导流板，确保水力效率可以得到有效提高。具体高度情况，应按照基质铺设厚度进行设置，以便保证整体设计的合理性。

4结语

鉴于传统人工湿地在使用时存在的各项问题，需要进一步加大对模块化人工湿地的应用和研究力度。应通过对模块化人工湿地水力学性能相关问题的深度研究，掌握正确模块化湿地使用方式方法，做好配套基质使用以及相关安装等各项操作，保证能够按照一定顺序合理进行基质铺设，做好相关材料配比设置，确保能够在污水处理中实现对模块化湿地的有效应用，达到理想化湿地应用效果。强调需要不断对水力学性能相关内容进行探讨和研究，以期为模块化湿地的高质量、大规模使用奠定可靠基础。

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