環境流體動力學模擬優選人工濕地設計中隔板濕地長度比

萬 荻，崔遠來，郭長強，馬 震

環境流體動力學模擬優選人工濕地設計中隔板濕地長度比

萬 荻1，崔遠來1※，郭長強2，馬 震1

（1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058）

采用環境流體動力學模型（environmental fluid dynamics code，EFDC）建立表面流人工濕地水動力-水質耦合模型，研究隔板長度與濕地長度比值（簡稱隔長比）對表面流人工濕地水力性能及凈化效果的影響規律，優選適宜的隔長比。結果表明：1）率定和驗證的12組結果中，水動力模型模擬評價結果為中等及以上，即相關系數>0.7、納什系數>0.4、相對誤差<20%，的有7組，水質模型模擬評價結果為中等及以上，即相對誤差<20%，的有10組。2）表面流人工濕地適宜隔長比隨長寬比的增加而增大，當長寬比由1、2、4變為4、8、16時，對應的適宜隔長比分別為0.675、0.850、0.938。3）表面流人工濕地主要水力指標隨適宜隔長比的增大而增加，對凈化效果指標的提升不明顯。4）在適宜隔長比不變的情況下增加濕地的表面積能明顯提升水質凈化效果（>50%）。研究可為表面流人工濕地實際工程設計提供依據。

水力性能；凈化效果；優化；表面流人工濕地；隔長比；長寬比；EFDC模型

0 引 言

影響表面流人工濕地水力性能和凈化效果的主要設計參數有長寬比、水深、流量、進出口布置、水力負荷、植物和隔板設置等[1-6]。目前國內外已有不少針對長寬比對水力性能及凈化效果影響的研究。Thackston等[7]研究表明窄長的濕地具有較高的水力性能，隨著長寬比增大，濕地的水力性能呈指數級增長。Koskiaho[8]發現隔板能有效地引導主流對濕地面積進行優化利用，大大提高了濕地的水力效率。朱永青[9]通過試驗表明，增大長寬比對總磷的去除效率略有提升。蒲紅杰等[10-11]均認為增大長寬比能有效提升濕地對污染物的凈化效果。

開展表面流人工濕地水力性能和凈化效果試驗時，由于試驗場地的限制，常常通過設置隔板來達到增大長寬比的效果[12]。Su等[13]通過增設隔板對濕地的水力效率進行了優化設計。Cui等[14]認為擁有隔板的濕地系統具有較好的混合流動方向和內部供氧能力，能有效去除化糞池廢水中的氮和磷。實際工程設計中，對于較大長寬比的處理，往往基于較小長寬比的濕地通過在濕地寬邊中部設置隔板來達到寬度（width，）減小一半，長度（length，）增大1倍，長寬比（aspect ratio，/）增至4倍的效果[15]。然而，目前鮮有研究針對濕地實際工程設計提出具體隔板設置方案。因此，確定合理的隔板長度或隔長比，使得通過隔板設置形成的較大長寬比的濕地（簡稱模型濕地）與實際長寬比濕地（簡稱實際濕地）水力性能和凈化效果相近對實際工程設計具有重要意義。由于通過試驗更改隔板長度工程量巨大，因此數值模擬是有效途徑。

在眾多數值模型中，環境流體動力學模型（environmental fluid dynamics code，EFDC）在水動力模擬方面具有較強的優勢，在水質模擬方面，能夠模擬藻、碳、氮、磷的轉化過程[16]，已被廣泛用于濕地[17-18]、湖泊[19-20]以及小型生態溝[21]等地表水的模擬及研究。

綜上，本文基于表面流人工濕地示蹤試驗及水質凈化效果試驗的數據，率定和驗證EFDC模型，開展不同長寬比條件下模型濕地與實際濕地的水動力及水質過程模擬分析，優選出不同情況下的隔長比，為表面流人工濕地優化設計和提升改造提供依據。

1 材料與方法

1.1 表面流人工濕地試驗

試驗區位于江西省贛撫平原區的江西省灌溉試驗中心站表面流人工濕地試驗基地內，試驗小區由18個長6 m、寬4.7 m的小型試驗池和2個長14.7 m、寬6.0 m的中型試驗池及1個長14.7 m、寬6.0 m的蓄水池組成。本次試驗基于混合水平的正交試驗L16（44×23）設計，即4個四水平因素和3個二水平因素，共計16次試驗，各設計因素水平分布見表1。根據試驗設計方案對試驗池進行形狀改造，使其成為16個表面積均為18 m2的表面流人工濕地試驗池（編號分別為1、2、…16），試驗具體設計及處理參考文獻[15]。

表1 表面流人工濕地正交試驗設計因素水平

1.2 表面流人工濕地水力指標及水質指標

已有研究從眾多的水力指標中篩選出了4個具有代表性、敏感性和穩定性的水力指標，分別為有效容積率（effective volume ratio，）、短路指標10、莫里爾離散指數（Morril dispersion index，MDI）和矩指數（moment index，MI）[22-24]。

根據試驗方案，測定的水質指標包含總氮（total nitrogen，TN）和總磷（total phosphorus，TP）。因此，選取總磷濃度去除率TP和總氮濃度去除率TN為濕地凈化效果指標[15]。

中值誤差0.5（見式（1））用來評價2濕地各個指標之間的吻合程度，即水力性能和凈化效果之間的接近程度[25]。

式中代表指標個數；，′（=1,2,…,）分別表示一組模型濕地的各水力、凈化效果指標值和實際濕地的各水力、凈化效果指標值。

1.3 模型評價標準

對于水動力模型，選取相關系數（correlation coefficient，）、納氏系數（Nash-Suttcliffe coefficient）和相對誤差（relative error，）為效率評價指標，根據系數的取值劃分為4個評價標準：優、良、中、差[26]，見表2。

對于水質模型，由于水質凈化效果試驗采用每間隔一段時間取樣監測的方式，不能獲取類似示蹤劑濃度自動監測的結果，數據點分散且不多，因此采用相對誤差為判別標準。

表2 水動力模型模擬效率評價標準

1.4 EFDC模型及參數率定方法

1.4.1 模型簡介

環境流體動力學模型（EFDC）是一個開源的地表水模型，其由FORTRAN語言編寫而成，在單一源代碼框架下，耦合了水動力、水質與富營養化、泥沙輸運、有毒化學物質輸運與轉化等子模塊[16]。目前，EFDC已經在100多個地表水系統中得到廣泛驗證。EFDC模型水動力模塊在水平方向和垂直方向分別采用曲線正交坐標變換和坐標變換。其基本方程是基于湍流方程的垂直流體靜力邊界層形式變換，利用變密度的Boussinesq近似得到，包含動量方程、連續性方程、狀態方程、物質傳輸方程[27]。EFDC水質模塊基于求解21個狀態變量的質量平衡方程，用于模擬3組藻類、碳循環、氮循環、磷循環和硅循環、溶解氧和糞大腸菌群。本文采用該模型的水動力和水質模塊來模擬表面流人工濕地的水動力及水質過程。

1.4.2 表面流人工濕地水動力-水質耦合模型構建

結合試驗濕地尺寸，本次模型構建采用0.1 m × 0.1 m的矩形網格，為使模型運行穩定且不發生水流邊界溢出，時間步長經多次調試取為0.1 s。模型的輸入數據中水深、流量和植物資料等均來源于實測值，初始時刻水深即為設計水深。設置2種入流邊界：與濕地同寬度的均勻進水入流邊界，進水高度10 cm；在濕地寬邊中間進水的入流邊界，進水口寬20 cm，進水高度10 cm。出流邊界位于濕地進水邊對面的寬邊中部，寬20 cm，高10 cm。模型通過調整分配系數對流量在寬度網格上的分配來設置兩種入流邊界。對于設置有隔板的濕地，將已修改格式的EFDC網格文件導入Delft-3D軟件中，調整網格疏密使隔板區域網格寬度與隔板實際寬度相同（0.01 m），然后將從Delft-3D軟件中導出的網格文件導入到EFDC模型中，通過修改dxdy文件，設置隔板高度為1 m。

1.4.3 模型參數率定和驗證

通過表面流人工濕地的示蹤試驗數據及水質凈化數據進行模型參數的率定和驗證。進行參數率定時，根據經典案例及相關文獻[28-32]先確定模型參數的初始值。通過敏感性分析，得到背景值/常數的渦流黏度、無量綱水平擴散系數、邊壁糙率、底部粗糙度、最大硝化反應速率、硝化作用最適溫度和底泥對磷酸根的吸收/釋放通量為影響表面流人工濕地水動力及水質過程的敏感參數[33-34]。在此基礎上，對敏感參數進行手動微調，當率定組濕地的模擬與實測過程總體吻合較好時確定參數取值，然后用驗證組濕地數據驗證模型。

1.5 模擬方案設置

本次模擬方案設置模型濕地和實際濕地2種濕地各6個，長和寬的設置見表3。均采用中進中出的流量邊界，流量為0.85 m3/h，初始水深0.2 m。

表3 模擬方案設置

模型濕地設置隔板，實際濕地無隔板，實際濕地與模型濕地一一對應，即模型濕地1對應實際濕地7，模型濕地2對應實際濕地8，依此類推，其中實際濕地的長寬比為對應模型濕地的4倍。方案模擬的目的是通過對比模型濕地與實際濕地（見圖1），找到使模型濕地的長寬比增至4倍的適宜隔長比。即對模型濕地進行多個隔長比的模擬，得到多組結果，并分別與實際濕地的模擬結果對比，其中與實際濕地的模擬結果最為接近的模型濕地對應的隔長比為適宜隔長比。

注：通過在模型濕地（長寬比1:1）中設置隔板達到與實際濕地（長寬比4:1）等效的目的。

2 結果與分析

2.1 水動力模塊率定及驗證結果

由于9～12號濕地由2個中型試驗池改造得來，每個中型試驗池里分隔出2個特定尺寸的濕地試驗池，進行9～12號濕地試驗時，位于同一個中型試驗池里的2個試驗濕地相互影響，使水深觀測數據不準確。故本次模型研究僅利用另外12個單獨濕地（1～8號和13～16號）的試驗數據進行模型參數的率定及驗證，其中1～8號濕地數據用于率定模型參數，13～16號濕地數據用于驗證模型。水動力模塊模型參數率定值如表4所示，率定組濕地的模擬和實測值的評價結果見表5，示蹤曲線對比見圖2。由率定組結果（表5）可知，4個評價結果為優或良（1、3、5、8號濕地），1個評價結果為中（2號濕地），3個評價結果為差（4、6、7號濕地）。評價結果為中的2號濕地的相關系數和納氏系數均符合良好標準，僅相對誤差較大。

表4 水動力模塊模型參數率定值

注：本文研究對象為層流，雷諾數很小，相較于江河湖海等一般紊流水體，其AHO和AHD取值要小。

Note: Research object of this paper is laminar flow, and the Reynolds number is very small. Compared with general turbulent water bodies such as rivers, lakes and seas, the AHO and AHD values are smaller.

表5 水動力模塊率定和驗證結果

進一步分析率定期示蹤劑濃度模擬結果（圖2）可知，評價結果為優或良的濕地在曲線上升段、下降段、上升段起始點、下降段穩定點、峰值點均擬合的很好。評價結果為中的2號濕地僅僅是在上升段擬合不佳，且模擬值比試驗值整體偏大，這可能是由于試驗過程中示蹤劑被濕地植物或基質截留導致回收率偏差，體現在評價結果上即顯示相對誤差值較大。評價結果為差的3個濕地中，有2個濕地（4號和6號）的試驗示蹤曲線都表現為上升段起始時間很小，上升段十分陡峭，斜率接近90°。這說明示蹤劑在濕地中存在短路，即有1個快速通道使得示蹤劑團很快到達出口，并使濃度快速到達峰值。而造成短路現象的原因很多，例如風的影響，中部植物種植疏于兩側植物等[35-37]。

圖2 率定和驗證組濕地示蹤劑濃度模擬結果

由表5知，水動力模型模擬評價結果為中等及以上，即相關系數>0.7、納什系數>0.4、相對誤差<20%，的有7組，僅1組評價結果為差，且評價結果為差的主要原因是相對誤差值較大。驗證期示蹤劑濃度模擬結果（圖2i～圖2l）顯示，評價結果為差的15號濕地，其示蹤曲線出現了濃度異常升高和降低且存在雙峰的現象，這與試驗常識不符，分析可能的原因是YSI水質監測儀在試驗過程中發生了位移，造成示蹤劑濃度監測不靈敏，試驗數據有誤。

以上結果表明，構建的水動力模型可以用于表面流人工濕地水動力過程模擬。

2.2 水質模塊率定及驗證結果

水質模塊模型參數率定值如表6所示，率定組濕地的模擬和實測值的評價結果見表7。

表6 水質模塊模型參數率定值

同水動力模塊一樣，用1～8號濕地的水質數據率定，13～16號濕地水質數據驗證模型。從表7可見，水質模型模擬評價結果為中等及以上有10組，即相對誤差<20%。評價結果為差的濕地是4號及7號。其中4號濕地的實測去除率比模擬去除率高，且誤差較大。這可能是由于濕地水流短路造成進入人工濕地的污染物快速到達出口，沒有足夠的時間被藻類或植物吸收、截留，或沉積到底部。而7號濕地的實測進出口去除率為負值，明顯偏離實際情況，故將7號濕地的率定結果排除。參考前面的結果，4、7號濕地在水動力模塊的率定中表現也很差，可能的原因也是由于短路造成水動力條件與預想的不符。這說明水動力模塊率定結果中表現不佳的4、7號濕地在水質模塊的率定中表現也很差，進一步證實了模擬值與實測值產生偏差是由于水流短路造成的。

綜上，率定和驗證的12組結果中，水動力模型模擬評價結果為中等及以上的有7組，水質模型模擬評價結果為中等及以上有10組，滿足精度要求，故環境流體動力學模型可以用于表面流人工濕地水動力過程和水質過程的模擬。

2.3 不同情景的模擬分析

以模型濕地1為例闡述得到適宜隔長比的過程，4個水力指標有效容積率、短路指標10、莫里爾離散指數和矩指數和2個凈化效果指標總氮濃度去除率TN和總磷濃度去除率TP作為模擬結果，模型濕地1共設置了14種不同的隔長比，根據每種隔長比下的模擬結果得到了14組模擬結果，見表8。

表7 水質模塊率定和驗證結果

實際濕地7的模擬結果為：=0.895、10=0.512、 MDI=2.669、MI=0.789、TP=33.59%、TN=35.56%。其中使得0.5最小的隔長比為適宜隔長比，即0.675（表8）。隨著隔長比增大，有效容積率逐漸增大，并逐漸趨于穩定；10和MI逐漸增大，MDI逐漸減小。這說明4個指標具有較好的一致性，均反映了隔長比的增大能促進濕地水力性能的提升。此外，隨著隔長比的增大，TP和TN逐漸增大，但是增幅很小，說明增大隔板長度對于提高濕地凈化能力的效果不明顯。對比1號濕地（長寬比1，面積16 m2）和5號濕地（長寬比4，面積16 m2）的水質指標也可得，改變長寬比對凈化效果無明顯影響。同樣，郭長強等認為長寬比對濕地凈化效果無顯著影響[38]。Jong-Hwa等的試驗也表明2:1和0.8:1長寬比的濕地對去除污染物磷的效果無明顯差異[39]。

表8 模型濕地1不同隔長比下的水力及水質指標

注：由于各指標值不存在拐點，因此省去隔長比小于0.425和大于0.75的情況。

Note: Since there is no inflection point in each index value, we omitted results of obstruction length-to-wetland length ratio less than 0.425 and greater than 0.75.

同理得到其他5種模型濕地的適宜隔長比及適宜隔長比下的水力指標及水質指標值，見表9。

表9 各模型濕地的適宜隔長比及水力及水質指標值

對于相同長寬比不同面積的濕地（情景1、2，情景3、4，情景5、6），觀察水力指標可得，面積對濕地水力性能的影響不大；觀察凈化效果指標可得，隨著濕地面積增大，凈化效果有著顯著提升，這主要是由于面積的增大提高了濕地的水力停留時間，而足夠的水力停留時間使得污染物能在水體中充分混合、反應、被吸收和利用。

傳統試驗設計或工程應用中，常常通過在濕地寬邊中部設置長度為-0.5的隔板，來達到寬減小一半，長增大一倍，長寬比/增至4倍的效果。按照這樣的設計方法，長寬比為1、2、4的濕地分別應設置的隔長比為0.5，0.75，0.875。而由表9知長寬比1、2、4下適宜隔長比分別為0.675、0.850、0.938，均比傳統設計方法的取值要大，這說明采用長度為-0.5的隔板還不足以充分調動濕地的有效容積，使短路和混合處于較低值，從而達到長寬比增至4倍的效果。由表9可得，隨著長寬比增大，適宜隔長比也增大，而相同長寬比不同面積的濕地的適宜隔長比差異很小，幾乎可以忽略。故可得適宜隔長比的大小與長寬比有關，與面積無關，且適宜隔長比隨著濕地邊界長寬比的增大而增大。

3 結 論

在試驗場地限制無法增大長寬比的情況下，通過增加隔板長度也能達到類似的效果。本文將環境流體動力學模型（environmental fluid dynamics code，EFDC）模型用于表面流人工濕地水動力過程及水質過程的模擬，通過示蹤試驗及水質凈化效果試驗的數據對模型參數進行率定和驗證，在此基礎上探究了不同邊界長寬比的表面流人工濕地的適宜隔長比，得到以下結論：

1）影響表面流人工濕地水力性能的敏感參數為背景值/常數的渦流黏度、無量綱水平擴散系數、邊壁糙率和底部粗糙度；影響表面流人工濕地水質凈化效果的敏感參數為最大硝化反應速率、硝化作用最適溫度和底泥對磷酸根的吸收/釋放通量。率定和驗證的12組結果中，水動力模型模擬評價結果為中等及以上，即相關系數>0.7、納什系數>0.4、相對誤差<20%，的有7組，水質模型模擬評價結果為中等及以上有10組，即相對誤差<20%，滿足精度要求，故環境流體動力學模型可以用于表面流人工濕地水動力過程和水質過程的模擬。本文研究對象為層流，故模型參數背景值/常數的渦流黏度和無量綱水平擴散系數的取值相較于江河湖海等一般紊流水體要小。

2）在表面流人工濕地中，隨著隔長比的增大，有效容積率、短路指標和矩指數增大，莫里爾離散指數減小，即濕地的水力性能隨著隔長比的增大而提升。

3）在濕地表面積相同時，增加隔長比并不能明顯提升凈化效果指標總磷濃度去除率和總氮濃度去除率。

4）增大面積對表面流人工濕地的水力性能幾乎沒有影響，但卻能顯著提升濕地的凈化效果。

5）適宜隔長比的大小隨邊界長寬比的增大而增大，且與表面流人工濕地的面積無關。從長寬比1、2、4的濕地變為長寬比4、8、16的濕地時，適宜隔長比分別為0.675、0.850和0.938，均比傳統試驗設計或工程應用中取值0.5、0.75、0.875偏大，這說明傳統的設計方法還不足以充分調動濕地的有效容積，使短路和混合處于較低值，從而達到長寬比增至4倍的效果。

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Appropriate design for obstruction length-to-wetland length ratio in free-water-surface constructed wetlands based on environmental fluid dynamics code

Wan Di1, Cui Yuanlai1※, Guo Changqiang2, Ma Zhen1

(1.,,430072,; 2.,,310058,)

In practical engineering design, obstruction baffles are usually used in free-water-surface constructed wetlands (FWS CWs) to cut the width in half and double the length, thus the aspect ratio (length/width) increased fourfold. The length of the obstruction is often set to difference between boundary length and half the boundary width. In order to explore the design method’s reasonability and get an optimal value, the tests of FWS CWs under different aspect ratios are needed. In this study, we explored the influence of obstruction length-to-wetland length ratio (OL/WL) and aspect ratio on the hydraulic performance of FWS CWs. The environmental fluid dynamics code (EFDC) was used to establish the hydrodynamic model and water quality model of FWS CWs. Based on the tracer data and pollutant data of 12 FWS CWs, the calibration and verification of model parameters were carried out through sensitivity analysis and manual parameter adjustment. 2 kinds of wetlands named model wetlands and actual wetlands were established. 6 different areas and aspect ratios were set for the model wetlands, and the same as the actual wetlands. Each model wetland was provided with an obstruction, while the actual wetlands had no obstruction. The actual wetland corresponded to the model wetland one by one, that was, the aspect ratio of actual wetland was 4 times of the corresponding model wetland. The purpose of the simulation was to find an appropriate OL/WL that increased the aspect ratio of the model wetland to 4 times by comparing the hydraulic and treatment performance of the model wetlands and actual wetlands. The model wetland was simulated with multiple OL/WL to find the ratio that could make the model wetland and the actual wetland had the closest hydraulic and treatment performance. In addition, the hydraulic index,namelyeffective volume ratio, short circuit indicator, Morril dispersion index and moment index, were used to evaluate the similarity between the hydraulic performance of the 2 kinds wetlands. Similarly, the removal rates of total nitrogen and total phosphorous were used to evaluate the treatment performance’s similarity. The results showed that: 1) The sensitive parameters affecting the hydraulic performance were background horizontal eddy viscosity, dimensionless horizontal momentum diffusion, wall roughness and bottom roughness, and those affecting the treatment performance were maximum nitrification rate, reference temperature for nitrification and constant benthic flux rate of phosphorous. Among the 12 groups, 7 groups were satisfactory or better in hydrodynamic model with correlation coefficient higher than 0.7, Nash-Suttcliffe higher than 0.4, and relative error smaller than 20%; and 10 groups were satisfactory or better in water quality model. The calibrated and verified EFDC model could be used to simulate the hydrodynamic process and purification process of FWS CWs. 2) The 4 hydraulic index had good consistencies. As the increase of OL/WL, effective volume ratio, short circuit indicator and moment index increased and Morril dispersion index decreased. The larger the effective volume ratio, short circuit indicator and moment index would lead to smaller morril dispersion index and better hydraulic performance, which indicated the hydraulic performance increased with the increase of OL/WL. 3) The removal rate of total nitrogen and the phosphorous didn’t change greatly as the OL/WL increased. 4) Changing the area had great impact on the treatment performance. 5) When the aspect ratio ranged from 1, 2, 4 to 4, 8, 16, the appropriate OL/WL was 0.675, 0.850, 0.938, which was different from the values of 0.5, 0.75, 0.875 in the traditional test design or engineering application.

hydraulic performance; treatment effects; optimization; free-water-surface constructed wetlands; obstruction length-to-wetland length ratio; aspect ratio; EFDC model

萬 荻，崔遠來，郭長強，馬 震. 環境流體動力學模擬優選人工濕地設計中隔板濕地長度比[J]. 農業工程學報，2019，35(18)：62－69.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.008 http://www.tcsae.org

Wan Di, Cui Yuanlai, Guo Changqiang, Ma Zhen. Appropriate design for obstruction length-to-wetland length ratio in free-water-surface constructed wetlands based on environmental fluid dynamics code[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 62－69. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.008 http://www.tcsae.org

2019-03-27

2019-08-10

國家自然科學基金項目（51779181）；江西省水利科技項目（KT201737）

萬 荻，主要從事農田水環境修復技術模擬研究。Email：DiWan1995@whu.edu.cn

崔遠來，教授，博士，主要從事節水灌溉和農業面源污染治理研究。Email：YLCui@whu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.008

S156.8

A

1002-6819(2019)-18-0062-08