人工湿地数值模拟模型参数如何获取

【专家解说】：1 研究背景 工湿工建造、控制及工程化湿系统保证污水其良水力流态较除效率需要其水力参数污染物吸附降解系数进行优化组合通数值模型实现其参数优化运行效预测湿设计程十必要随着工湿处理污水广泛应用各种湿模型发随现内外现已十几种湿模型发应用[1]廖新俤等[2]提基于运行温度进水浓度湿水COD预测模型贾忠华等[3]用DRAINMOD模拟同水情况西安湿影响段康前等[4]湿水模型作详细论述并结合深圳湾流域建立种水文模型焦璀玲等[5]平阴湿示范区进行二维流场数值模拟Feng等[6]1997发湿二维扩散模型Kadlec等[7]1988发力模型其未考虑季节性变化目前由于潜流式工湿机制复杂性内外发潜流式湿模型少现湿模型水力参数模拟较其水质参数模拟少[8]数湿模型属于集参数模型没考虑参数空间变化情况及季节素吴振斌等[9]通植物湿系统植物湿系统进行比较研究结表明植物湿系统即使冬季存降解能力考虑参数区与季节素建立湿水流与溶质运移耦合模型使潜流式工湿数值模拟更加全面使其作探讨潜流式工湿水力特性、优化潜流式工湿水力设计研究设计工具具更重要意义 本文利用FEFLOW软件综合考虑参数区与季节素潜流式工湿系统水流污染物运移进行模拟沈阳市辉山明渠工湿例系统阐述模型建立与验证程并预估该工湿基质层流场变化及溶质运移情况利用潜流式工湿处理污水工程设计提供科依据 2 研究区域概况 辉山明渠工湿主体工程位于辉山明渠入浑河河口旁主体工程由预处理设施湿两部组占2hm2设计污水处理能力3万m3/d主要处理自辉山明渠污水污水处理经浑河河口缓冲区处理排入浑河该湿潜流式工湿湿3平行单元每单元尺寸规格×宽×高85m×80m×0.9m别种植芦苇、香蒲、茭白水植物;湿垂直3层层约0.2m亚砂土层植物初期固定根部所需土壤层;层粒径8mm左右砾石层厚约0.6m熟植物根系部布该层污水处理层;底层0.1m左右黏土层本工程结构示意图见图1 图1 潜流工湿结构 3 潜流工湿数模型建立及其求解 研究污水湿基质层运移规律本文选用孔介质模型模拟潜流工湿水流布与溶质运移情况 3.1 数模型描述 3.1.1水流模型描述 由于辉山明渠水流量受季节变化影响水流呈非稳定状态总体基质水流层流运服达西定律根据湿基质层条件湿内水流概化非均质各向同性二维非稳定潜水流其数模型表示: 式: Kx、Ky 别x、y 向渗透系数;H 湿水位;B 湿底板高度;n 边界外线向单位向量;W 湿源项;P 湿汇项;μ给水系数;Γ1、Γ2 别第、二类边界 3.1.2溶质运移模型描述 污染物湿基质层运移主要包括扩散、机械弥散力衰减溶质湿运移数模型描述: 式: Dx、Dy 别x、y向弥散系数;ux、uy 别x、y向速度量;R 阻滞其值于1;f 溶质源汇项;λ物降解数;δ含水层干容重;n 效孔隙度;C *固体颗粒吸附溶液浓度 3.1.3污染物湿衰减描述 污染物湿衰减程基本符合级力程[10]污染物衰减程描述: 式:kT温度T 反应速率数;k20温度20℃反应速率数;T反应温度;α与湿状态及季节关数;C0进入湿污染物浓度 3.2 工湿数值模拟与预测 3.2.1区域剖 由于湿除进水端水端外两侧底部均防渗层整湿作模拟区域采用限单元三角剖湿进水区、水区及监测点位置进行网格加密剖20 488节点29 352单元格剖图见图2所示图1~6别代表芦苇、香蒲草、茭白区3单元监测点 图2 监测点及工湿限元网格 3.2.2模拟层确定 由于该湿垂向3 层结构其污水处理主要发根系层(第2层)根系层作模拟层湿模型坡度2%模拟区总度255m宽80m高0.9m每层高度数据输入水端黏土层底部作模型相0m进水端各层高程按照坡度计算间高程采用Kriging进行插值 3.2.3水质模拟选择 根据辉山明渠水质监测资料本选取CODCr 总氮(TN)作模拟 3.2.4模型参数确定 本文模型参数主要通试验测定与经验公式两种式获取参数初始值范围依据相关文献给通敏性析进行调参待模型输数据与实测数据吻合确定参数终取值 (1)渗透系数(K)确定本文填料渗透系数通经验公式[11]计算获层、模拟层、底层渗透系数初值见表1 (2)弥散系数(D)确定辉山明渠工湿填料实际粒径约8mm本文根据Klotz[12]等纵向弥散度及其指数室内试验研究给定αL 0.413 6mαT 按照αT = αL /10公式计算 (3)级除率(KDE)确定根据湿同季节CODCr TN级除率(KDE)同别概化夏秋、冬春两同段予赋值夏、秋季节污水进入湿平均温度14.5℃冬、春季节污水进入湿平均温度3℃ ①CODCrKDE值据关文献实际试验[13]本文采取CODCr级除率初始值见表1 ②总氮(TN)KDE 值Graetz 等[14]1980 发现佛罗达15 湿KTN 取值范围0.008~0.63模型建议KTN范围:0.05~0.30本文采用0.15模型其参数初始值见表1 3.2.5边界条件处理 边界条件水流边界条件溶质边界条件湿进、水口处定具已知水位已知浓度第类边界条件;两侧黏土层均设具零通量第二类边界见图3 表1 模型参数初始值 3.2.6源汇项处理 本模型降雨蒸腾综合数值项视模型垂向源汇项赋给模型顶层 3.3 模型参数校 本文通敏度析知参数n、Kx、Ky、DL KDE 影响水浓度敏参数2007-11-1-2008-4-30与2008-5-1-2008-10-31数据别模型冬春、夏秋季节参数进行率定调整敏参数预测值与监测值达较拟合度所确定参数值即模型终取值见表2、表3所示 表2 夏、秋季模型参数 3.4 模拟结与析 本文仅CODCr 例叙述其验证程利用辉山明渠工湿4、5、6点2009-5-2009-10监测数据所建立湿模型进行验证,观测值与模拟预测值比见表4所示其实测CODCr进水浓度175.8mg/L 表3 冬、春季模型参数 表4 观测值与预测值比(单位:mg/L) 利用相误差模型进行检验[15]计算结显示4、5、6号值误差别2.8%、3.9%、2.7%都于10%认模型精度满足需要另外利用SPSS非参数检验边际致性检验进行检验检验结见表5图4-7 表5 验证结 图4 4号监测点验证效 图5 5号监测点验证效 经非参数检验标准离差别3.05、3.57 4.27双尾检验伴随概率0.74、0.690.61若显著性水平α0.05由于概率P 值于α接受零假设认每观测点预测值监测值间没显著差异 4、5、6号监测点监测数据模型预测数据差异性检验、数据比情况看差异性检验伴随概率均于0.05显著水平接受零假设即差异显著认预测值实测值间误差;比情况看比值靠近45°直线表明监测值预测值偏离较综所述所建模型预测值与监测值较吻合证明所建模型及参数较准确用于潜流式工湿数值模拟 图6 6号监测点验证效 图7 显著性检验结 通模型预测结析发现夏、秋季植物迅速污染物吸收降解加快湿水污染物浓度较低;冬、春季植物枯萎甚至死亡吸收降解能力降致使湿水污染物浓度高于夏、秋季 4 结语 本文利用FEFLOW软件沈阳市辉山明渠河口潜流式工湿进行模拟通与实际比析证明利用该软件模拟预测潜流式湿基质层水流状态、溶质运移及污水处理水质变化进潜流式工湿数值模拟与手段等面提供定参考拓展该软件应用范围 通敏度析确定基质层孔隙度、渗透系数、弥散系数吸附降解系数影响污水处理效敏参数通参数率定实现水力参数与吸附降解系数优化组合进潜流式工湿设计参数设定提供参考依据 本文潜流式工湿系统数值模拟考虑季节素别夏秋、冬春两同段进行参数率定今相关研究季节变化进行更细致段划每季度单元或根据湿植物同阶段进行参数率定使模型更加准确合理今工湿设计避免盲目选取填料、植物防止湿建能达预期运行效等问题建议湿设计前优化其水力参数污染物吸附降解系数利用数值模拟其进行模拟预测保证其达较运行效