植物对垂直潜流人工湿地水力学特性的影响规律与数学模型

Constructed wetlands have been gaining increasing international interest and application because of their unique purification and ecology. However, there is a lack of understanding in detail about the process of biology, hydraulics and chemistry. Conventional plug-flow hypothesis was not applied to understanding the hydraulic behaviors. The effect of plant roots and transpiration on hydraulics was still unclear. There are two problems about mathematic model in constructed wetlands, such as the limit for simple model, and the complexity for mechanism model. This study aims to investigate the effect of plant roots, transpiration and different operation on outflow, RTD, hydraulic efficiency, hydraulic conductivity and water capacity by tracer experiment. Put forward a flow pattern model which can describe retention time distributing. Establish improved mechanism model based on RTD in constructed wetland. The problem in process of design and operation will be investigated from the standpoint of oxygen. All the studies above enhance knowledge of hydraulic behaviors and removal mechanism for pollutant to promote the development of mathematical models, and to offer a support of theories and technologies and practical experiences on optimal design and optimal operation of constructed wetland.

人工湿地由于其独特的净化和生态功能在国内外得到广泛应用，但相关的生物学、水力学、化学过程等还未得到全面、细致的了解和掌握,例如常规的理想推流水力学假设不再适用，特别是植物根系和蒸腾作用对系统水力学的影响研究较少涉及。湿地数学模型存在或简单易行却应用受限、或模拟准确却计算复杂的问题，严重影响到其使用。本项目通过示踪剂实验研究植物根系、植物蒸腾作用以及不同运行方式对系统出水流量、RTD、水力效率、水力传导率、容水量的影响。提出能合理描述植物系统停留时间分布的流动特性模型，结合水质净化实验建立基于停留时间分布的人工湿地改进机理模型，从"氧"这一新的角度探讨人工湿地设计和运行过程中存在的问题。通过简化而有效的机理模型洞察湿地内部水力学规律和污染物降解机理，促进人工湿地数学模型的发展，为该类型人工湿地系统的优化设计和运行提供相应理论和技术支持。

人工湿地由于其独特的净化和生态功能在国内外得到广泛应用，但相关的生物学、水力学、化学过程等还未得到全面、细致的了解和掌握。常规的理想推流水力学假设不再适用，特别是植物对系统水力学的影响研究较少涉及。另外水动力条件对植物根系释氧以及污水净化的影响仍需进一步的理解。本研究通过示踪实验研究植物根系以及不同运行方式对系统出水流量、RTD、水力效率、水力传导率、容水量的影响，随后又探讨了水动力条件对植物根系释氧速率和污染物去除率的影响。结果表明，植物根系（即有无植物、不同种类植物）不仅使湿地系统的水力学条件得到改善—提高水力效率、延长平均停留时间和降低方差值，使湿地内部流态更接近于推流状态，而且对水流亦具有保持作用，减少系统出水流量，最终促进污染物的去除。随着水力负荷的增加，系统有效容积比和表征内部水流状态的水力效率均呈先升高再降低的趋势，间歇流对应的该水力学参数低于连续流。同时当水力负荷逐渐增加时可利用的根系释氧速率呈先增加再降低的趋势，导致系统有机物和氮的去除率呈先小幅降低再大幅升高，随后又显著降低的趋势。从本研究中可以看出，对湿地系统水力学产生显著影响的植物可以通过根系释放氧，相反地，水动力条件也对植物释氧和有机物好氧降解、氮的硝化作用产生影响，因此本研究是从“氧”这一新的角度来探讨人工湿地系统在研究和应用中存在的问题，为其优化设计和运行提供了理论和技术支持。. 本研究建立了垂直流人工湿地反应器流动特性模型，反映了湿地植物、水力条件和深度对系统停留时间分布的影响，为人工湿地对污染物去除机理模型提供了水力学模拟平台。初步建立了基于停留时间分布的改进型污染物去除模型，加深了人工湿地内部过程和机理的理解和洞察，促进人工湿地数学模型的发展。