1 引言

　　人工濕地工程化應(yīng)用過程中普遍存在溝流、短流、“死區(qū)”的現(xiàn)象，降低了人工濕地基質(zhì)內(nèi)部的水力特性，造成基質(zhì)利用率低下，進(jìn)而限制了人工濕地的推廣應(yīng).為了提高人工濕地基質(zhì)內(nèi)部的水力特性，很多學(xué)者在人工濕地床體的長寬比、基質(zhì)厚度、基質(zhì)粒徑、布水方式及出水位置與水力特性的相關(guān)性方面做了大量研究.課題組在前期研究中，依據(jù)填料滲透系數(shù)對基質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，顯著提升了系統(tǒng)水力性能.然而，植物是人工濕地重要的組成部分，其發(fā)達(dá)的根系同樣會對系統(tǒng)水力特性造成影響，而有關(guān)這方面的研究卻鮮有報道.因此，本研究分別以水力性能較好的多層結(jié)構(gòu)人工濕地及水力性能欠佳的單層結(jié)構(gòu)人工濕地為對象，在植物栽種前及成熟后開展示蹤實驗，研究植物根系對不同基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地水力學(xué)特性的影響，以期為人工濕地設(shè)計水平的提高提供科學(xué)依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 實體模型的構(gòu)建

　　構(gòu)建對比人工濕地實體模型，池體尺寸相同，均為2 m×1.2 m×0.7 m(長×寬×高)，基質(zhì)填充厚度0.6 m，左端為進(jìn)水口，右端為出水口，布水區(qū)和集水區(qū)長度均為20 cm，選取滲透系數(shù)為500 m · d-1的鵝卵石進(jìn)行填充，池體一側(cè)設(shè)置12個監(jiān)測口.兩個人工濕地系統(tǒng)主體填料填充同一來源的石英砂，其中一個對照人工濕地小試系統(tǒng)主體填料區(qū)分3層進(jìn)行填充(分層填充人工濕地)，基質(zhì)滲透系數(shù)從上到下依次為26、36和64 m · d-1(圖 1);另一個主體填料區(qū)內(nèi)填充粒徑混合均勻的石英砂(單層填充人工濕地)，基質(zhì)滲透系數(shù)為65 m · d-1.兩模型進(jìn)水由同一配水罐提供，配水罐體積2.5 m3.床體種植美人蕉，種植密度均為20株· m-2.

　　圖 1 分層人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.2 示蹤實驗

　　以均一混合的人工配水為原水，電導(dǎo)率背景值均為115 μS · cm-1，選取NaCl為示蹤劑對人工濕地系統(tǒng)開展脈沖法示蹤實驗.在系統(tǒng)進(jìn)水區(qū)瞬時一次性投加NaCl溶液，根據(jù)氯化鈉濃度與電導(dǎo)率值的標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算出投加NaCl質(zhì)量為386 g，理論上為使整個池體內(nèi)水質(zhì)電導(dǎo)率上升到背景值10倍的投加量.采用蠕動泵(型號BT300-2J)控制進(jìn)水量，水力停留時間(HRT)設(shè)置為12 h，水力負(fù)荷為0.6 m3 · m-2 · d-1，每隔10 min監(jiān)測1次出口水流電導(dǎo)率，直至電導(dǎo)率恢復(fù)到接近背景值且趨于穩(wěn)定為止.每次進(jìn)行3次示蹤試驗，選取示蹤劑回收率最高的一次進(jìn)行對比分析，試驗時間分別在2012年12月植物栽種前與2013年7月植株成熟后進(jìn)行.

　　2.3 水力特性參數(shù)計算的基本公式

　　示蹤實驗是常用來研究人工濕地基質(zhì)流場分布的有效方法，其相關(guān)的水力特性參數(shù)是根據(jù)流體反應(yīng)器理論得出，脈沖示蹤劑試驗中測得的濃度相當(dāng)于水力停留時間分布密度.對測得的電導(dǎo)率按照公式(1)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的處理.

　　式中，N(t)為標(biāo)準(zhǔn)化的停留時間分布密度(h-1)，E為電導(dǎo)率(mS · m-1)，MNaCl為NaCl摩爾質(zhì)量(g · mol-1)，Ew為進(jìn)水背景電導(dǎo)率(mS · m-1)，λNa為Na+離子的摩爾電導(dǎo)率(S · m2 · mol-1)，t為從示蹤實驗開始的時間(h)，λCl為Cl-離子的摩爾電導(dǎo)率(S · m-2 · mol-1)，Q為流量(m3 · h-1)，m為加入的示蹤劑總量(g).

　　理論上潛流人工濕地水流以活塞流形式通過人工濕地主體填料，水流質(zhì)點具有相同的停留時間，能夠在相同時間內(nèi)到達(dá)濕地出水口，即為表觀停留時間tn，計算如式(2)所示，停留時間分布曲線的重心位置定義為平均水力停留時間tm(式(3)).氯化鈉示蹤劑最高濃度出現(xiàn)的時間定義為示蹤劑峰值的停留時間tp.

　　式中，V是濕地體積(m3)，Q為流量(m3 · h-1)，其余符號同公式(1).由于人工濕地水力停留時間分布曲線是一條拖尾的曲線，而表觀停留時間一般大于平均停留時間，所以，一般順序為tp

　　通過研究提出了人工濕地有效體積比的概念，計算方法如下：

　　式中，Vtotal為總體積(m3)，Veff為通過示蹤劑的有效體積(m3).

　　短流值S是衡量不同類型人工濕地水力效率的參數(shù)值，其計算如式(5)所示.一般情況下，S值越大，表明水力停留時間密度曲線的出峰越陡，反之，出峰則比較平緩.

　　有效體積比在有些情況下不能完全反映濕地系統(tǒng)內(nèi)部的水力性能特征.所以，結(jié)合人工濕地水力效率λ能更全面反映基質(zhì)內(nèi)部水力性能，其計算公式如下：

　　示蹤劑的回收率在一定程度上能夠反映人工濕地系統(tǒng)內(nèi)部“死區(qū)”的體積大小及流場分布的情況，因為出水口的示蹤劑濃度呈曲線形狀，回收率F(t)是對停留時間分布密度函數(shù)的積分得出，其計算公式如下：

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 植物栽種前的示蹤試驗

　　模型建立起來后，栽種植物之前進(jìn)行第一次示蹤試驗，監(jiān)測記錄潛流人工濕地系統(tǒng)出水的電導(dǎo)率變化情況，試驗結(jié)果如圖 2所示.由圖可知，無植物時分層填充與單一填充人工濕地系統(tǒng)示蹤劑電導(dǎo)率峰值分別為1029 μS · cm-1和233 μS · cm-1，相應(yīng)的峰值出現(xiàn)時間為450 min和310 min，即單層填充結(jié)構(gòu)系統(tǒng)峰值出現(xiàn)略早，說明存在短流通道較分層基質(zhì)池體多.單層基質(zhì)池體的出水電導(dǎo)率峰值較小，證明“死區(qū)”體積占有較大比例，導(dǎo)致示蹤劑滯留在池體內(nèi)，其基質(zhì)內(nèi)部水力特性較差;分層基質(zhì)池體的電導(dǎo)率峰值較高，表明池體內(nèi)部流態(tài)呈推流式，流場分布相對均勻.到實驗結(jié)束時(5300 min)，兩系統(tǒng)出水電導(dǎo)率基本恢復(fù)到背景值115 μS · cm-1.然而值得注意的是，兩池體出水電導(dǎo)率值在恢復(fù)至背景值一段時間之后，又略有反彈，由此推測，兩個池體均存在不同程度的“死區(qū)”.

　　圖 2 兩種基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地(無植物)的出水示蹤劑曲線對比圖

　　3.2 植物成熟后的示蹤試驗

　　在2013年7月進(jìn)行第2次示蹤試驗，種植的美人蕉平均高度為1.5 m，有2/3植株已經(jīng)進(jìn)入花期.示蹤試驗操作條件如2.2節(jié)所述，試驗結(jié)果如圖 3所示.由圖中可知，植物成熟后分層填充與單層填充人工濕地系統(tǒng)示蹤劑峰值分別為672.5 μS · cm-1和286.8 μS · cm-1，相應(yīng)的峰值出現(xiàn)時間為390 min和510 min.本次示蹤試驗分層填充結(jié)構(gòu)峰值出現(xiàn)較早，植物的根系生長加劇了分層基質(zhì)結(jié)構(gòu)的短流現(xiàn)象，對單層基質(zhì)結(jié)構(gòu)的床體有所改善.到實驗結(jié)束時(6500 min)，分層與單層基質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩系統(tǒng)出水中電導(dǎo)率分別為134.8 μS · cm-1與159.3 μS · cm-1，未恢復(fù)到背景值(115 μS · cm-1)，證明植物根系對基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響較顯著.

　　圖 3 兩種基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地(有植物)出水示蹤劑曲線對比圖

　　3.3 討論

　　利用經(jīng)驗公式計算兩系統(tǒng)水力特性的參數(shù)，結(jié)果如表 1所示.對于有效體積比(e)來說，一般情況下e值越大，表示基質(zhì)有效體積越大.當(dāng)e<1時，說明人工濕地基質(zhì)中存在“滯水區(qū)”或“死區(qū)”;當(dāng)e>1時，說明人工濕地基質(zhì)中有“短路”存在，且示蹤劑密度曲線出峰較早.植物栽種前，兩個系統(tǒng)的e值均小于1，分層與單層填充系統(tǒng)的e值分別為0.87和0.49，表示這兩個濕地系統(tǒng)中都存在一定的“死區(qū)”，但分層基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地系統(tǒng)的“死區(qū)”范圍明顯小于單層填充系統(tǒng).植物成熟后分層與單層填充人工濕地系統(tǒng)的有效體積比e值分別為0.82與0.53.通過對植物栽種前后水力特性參數(shù)的比較分析，發(fā)現(xiàn)植物根系提高了單一填充系統(tǒng)的有效體積比，分層填充系統(tǒng)的有效體積比卻略有降低，表明植物根系對系統(tǒng)基質(zhì)有效利用率的影響顯著.

　　表1 兩種基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地(無植物與有植物)水力特性參數(shù)對比

　　如2.3節(jié)所述，短路值S是表示池體內(nèi)部短流通道多少的參數(shù)值，植物成熟后兩系統(tǒng)短路值均減小，說明植物的存在能有效緩解短流現(xiàn)象的發(fā)生，且這對于單層基質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響尤為顯著，其S值從0.60下降到0.41，比較而言，對分層填充系統(tǒng)影響有限，僅降低0.04.此外，對于水力效率λ來說，植物發(fā)達(dá)的根系對兩對比系統(tǒng)的水力效率均有明顯提高作用，其中，單層結(jié)構(gòu)及分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水力效率分別提高了16%和19%，由此可見，植物的存在能有效改善系統(tǒng)的水力效率.

　　然而，植物的存在使單層結(jié)構(gòu)及分層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的示蹤劑回收率有所降低，且植物成熟后，出水電導(dǎo)率接近背景值并趨于穩(wěn)定的時間與植物栽種前相比延長了1200 min，也說明了植物根系對示蹤劑回收具有延遲作用.分析其原因主要在于植物根系及其上生物膜對示蹤劑的吸附攔截作用，而這其中單層基質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水流主要集中在表層基質(zhì)，因此，回收率受植物根系的影響更為顯著，回收率降低10%.分層結(jié)構(gòu)濕地由于水流分布相對均勻，因而受到的影響較小，回收率僅降低2%.

　　綜上所述，植物栽種前分層填充的人工濕地水力特性顯著優(yōu)于單層填充系統(tǒng)，植物成熟后，發(fā)達(dá)的根系會填充部分填料孔隙，影響床體水力傳導(dǎo)率，從而對兩個系統(tǒng)的水力特性及示蹤劑回收率均產(chǎn)生一定影響.因此，在設(shè)計潛流人工濕地時應(yīng)考慮因植物根系對系統(tǒng)水力性能產(chǎn)生的動態(tài)影響.具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　1)栽種植物前后，兩種基質(zhì)結(jié)構(gòu)人工濕地系統(tǒng)中的示蹤試驗對比發(fā)現(xiàn)，分層填充結(jié)構(gòu)的潛流人工濕地系統(tǒng)能夠提高水力特性，有效減少短流通道及“死區(qū)”的存在，改善系統(tǒng)水力效率;單層填充結(jié)構(gòu)人工濕地系統(tǒng)的存在較多的短流通道和“死區(qū)”，基質(zhì)利用率低下，無植物時其有效體積比為49%，遠(yuǎn)低于合理級配分層填充方式的有效體積比87%.

　　2)優(yōu)化基質(zhì)結(jié)構(gòu)過程中需要考慮植物根系的影響，植物根系能夠改變部分基質(zhì)的滲透系數(shù)，相應(yīng)改變整個池體內(nèi)部的水力特性.總體上來看，植物根系對分層基質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水力特性有負(fù)面影響，如何優(yōu)化分層基質(zhì)結(jié)構(gòu)抵消植物根系生長帶來的影響還有待進(jìn)一步研究.