一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法。该方法基于渗流场理论，以实现水流在床体各处均匀分布为目的，以三维有限差分地下水流动数学模型为设计计算依据，对影响潜流人工湿地流场分布的主要结构参数进行定量化设计，包括人工湿地单元划分、各单元池体长宽比、布水区长度、集水区长度、床体深度、主体填料区域填充层数、各层填料渗透系数，采用达西渗透试验对基质填料进行测量，筛选出各层所需粒径的填料。本发明设计方法对潜流人工湿地各结构参数进行设计计算时，结构参数的选取简单方便，切实可行，据此建造的潜流人工湿地能够大大提高系统的水力效率和填料的利用率，避免沟流、短流及死区的发生，进而提高净化效果和使用年限。
【专利说明】一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于一种对潜流人工湿地基质结构的创新设计，特别是一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法。
【背景技术】
[0002]在水体污染及水资源短缺问题日益严峻的今天，作为生态处理方法的人工湿地技术有着广阔的发展空间。人工湿地按照水体流态可划分为潜流式人工湿地、垂直流人工湿地和表面流人工湿地，其中潜流式人工湿地应用范围最为广泛，与传统生化处理方法相比，具有处理成本低、管理简易、处理效果好、不易造成环境卫生问题等优点。
[0003]近年来，随着人工湿地工程化应用范围的逐步扩大，沟流、短流、死区等问题日益突出，基质利用率逐年下降，并由此引发处理效率低下、堵塞及服务年限缩短等一系列问题，成为人工湿地进一步推广使用的瓶颈问题。在此情况下，研究发现传统人工湿地的构建仍停留在经验化建造阶段，缺乏行之有效的设计方法，造成了沟流、短流、死区等流场分布不均匀现象的普遍发生。针 对上述问题，本发明根据渗流场理论，以流场均匀分布为目的，利用常密度三维流动基本水流数学模型对潜流式人工湿地结构参数进行定量化，在设计阶段避免了基质利用率低下，水流分布不均等问题的发生，为潜流式人工湿地净化能力及服务年限的提闻提供技术支持。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法，依据渗流理论将潜流式人工湿地床体结构参数进行定量化，解决了潜流式人工湿地在设计和建造过程中的随意性和经验化问题，以保证基质内部流场分布的均匀性。
[0005]潜流人工湿地基质结构设计方法是以流场的均匀分布为目的，设计计算依据为三维有限差分地下水流动模型，其常密度三维流动基本水流数值模型如下:
【权利要求】
1.一种基于流场分布的潜流人工湿地基质结构设计方法，其特征在于具体步骤为: (1)建立一个潜流人工湿地: 潜流人工湿地基质结构设计方法所针对的潜流人工湿地结构包括进水口、布水区、分层填充的主体填料区、集水区、出水口 ；污水由进水口流入，经布水区后，水平流过主体填料区中各填料层，在主体反应区末端汇入集水区，最后由出水口流出系统； 潜流人工湿地单个池体单元长度范围为1-56米，长宽比例为1:1-2:1 ;布水区长度与人工湿地池体总长度的适宜比例范围为1:8-1:15 ;集水区长度与人工湿地池体总长度的适宜比例范围为1:8-1:15 ;床体填料有效填充深度为0.5-1.0米；单个池体总长度小于12米时,主体填料划分为4-6层，单个池体总长度大于12米时，主体填料划分为3-6层；布水区和集水区适宜选用填料的渗透系数为500-1000m/d ;若单元池体长度大于56米，则根据地形将土地划分为若干个池体单元，保证每个单元池体长度在1-56米范围内； (2)各层填料渗透系数的设计: 潜流人工湿地主体填料区各层填料的选择与人工湿地单元池体尺度相关，不同尺度人工湿地各层填料渗透系数的具体设计如下: ①当池体长在lm-6m时，各层渗透系数计算公式如(I)所示:kn = a [η 2 - (0.0822 a + 3.8801 )n + 16.905 a—0 3154 J( I ) 式中:kn-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6 ； η-从上到下的层数取值(2，3，4，5，6)； a-系数，其计算公式如(2)所示: a = 0.0002/c；0537(2) 式中A1-第一层(表层)的渗透系数取值，取值范围为10-80m/d ； ②当池体长在6m-12m时，各层渗透系数计算公式如(3)所示: kn = a [η2- (0.0762a+5.3485) n+36.927a-0.3828] (3 ) 式中:kn-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6 ； η-从上到下的层数取值(2，3，4，5，6)； a-系数，其计算公式如(4)所示: a = 0.0009^,2 0052( 4) 式中A1-第一层(表层)的渗透系数取值，取值范围为10-120m/d ； ③当池体长在12m-56m时，各层渗透系数计算公式如(5)所示: kn = a [η2- (0.0998a+5.6559) n+58.653a-0.4483] (5 ) 式中:kn-第n层填料的渗透系数，n为2，3，4，5，6 ； η-从上到下的层数取值(2，3，4，5，6)； a-系数，其计算公式如(6)所示: a = 0.0003^,2 0578(6) 式中A1-第一层(表层)的渗透系数取值，取值范围为10-140m/d ； (3)潜流人工湿地 主体填料区各层填料的选取:采用达西渗透试验 对基质填料进行测量，筛选出各层所需粒径的填料。
【文档编号】C02F3/32GK103570137SQ201310595315
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】白少元, 宋志鑫, 解庆林, 王敦球, 游少鸿 申请人:桂林理工大学