垂直流人工湿地配水均匀性的研究

qi 为底,Hi 为高的矩形面积,这些面积之和等于
E1,即:
∑ E1 = ρ g qi ⋅ Hi
(1)
式中: ρ 为来水密度;g 为重力加速度;qi 为对应节
点流量;Hi 为对应压力水头;i 为节点编号.
由图 4 可见,当沿线节点流量增多,且出流量 相等时,人工湿地配水系统中的支管穿孔管泄流 管路就变成了“丰”型或半“丰”型.其对应的 能量分配见图 5.
了理论研究资料.
关键词：垂直流人工湿地；配水均匀性；配水时间；能量分配；穿孔管
中图分类号：X171.4
文献标识码：A
文章编号：1000-6923(2009)08-0828-05
Uniformity of water distribution system in vertical constructed wetland. XIE Xiao-long1,2, HE Feng1, XU Dong1, WU Zhen-bin1* (1.State Key Laboratory of Freshwater Ecology and Biotechnology, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China；2.Graduate Unviversity of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2009,29(8)：828~832 Abstract：Energy distribution and pressure head distribution of porous pipe in the vertical-flow constructed wetland were analyzed. And then two key influencing factors most two disadvantageous points and the distributing water time that affect the uniformity in the vertical-flow constructed wetland were put forward. From pressure head analysis, discharge relationship in the distribution system of porous pipe about most two disadvantageous points (a, c) was got. Finally, the distributing water time has been set up. Key words：vertical flow constructed wetland；uniformity；distributing water time；energy distribution；porous pipe
摘要：从能量分配和压力水头分布出发,阐述了垂直流人工湿地穿孔管配水系统能量分布及压力水头分布状况.在此基础上,提出了影响垂
直流人工湿地配水均匀性的 2 个关键影响因子—最不利 2 点流量关系及穿孔管布水系统内部配水间隔时间,得出了垂直流人工湿地配水系
统中最不利 2 点的孔口出流流量关系式及垂直流人工湿地穿孔管布水系统内部配水间隔时间,为采用穿孔管配水的垂直流人工湿地提供
本研究认为在垂直流人工湿地中,当前端干 管停止进水时,湿地内部支管还在继续对湿地配 水直至支管中最不利点的水流流至穿孔管孔口 之下,因此在计算湿地穿孔管型配水系统配水时 间时,应添加一个时间Δt(干管停止进水到最不利 点水流流至对应穿孔口之下的时间),由图 1 可见, 湿地配水系统中配水时间计算最不利点为图 1 中所示的 a 点.
在纵坐标上再绘出各管段的水头损失
h0-1,h1-2,h2-3,同时计算出各个管段的管段流量(沿
线流量)q0-1,q1-2,q2-3,则每一管段的流量 qi-j 和其
Baidu Nhomakorabea
对应的水头损失 hi-j 所形成的矩形面积,即为克
服水管沿程摩擦所需的能量 E2,即:
∑ E2 = ρ g qi−j ⋅ hi−j
(2)
图 3 穿孔管能量分配示意 Fig.3 Distribution of energy in porous pipe
图 3 为图 2 所示管道的能量分配图(管壁摩
擦阻力忽略不计):以流出的节点流量 q1、q2、q3
等值或者按统一比例绘在横坐标上,在纵坐标
上绘制各点压力水头 H1、H2、H3,从而得到以
在湿地干管停止进水后,a 点所在穿孔支管 孔口的出流水头 H 不断变化, H = H (t) (表示穿 孔管内水深随时间的变化函数),如图 6 所示,此 时孔口出流过程为非恒定出流[10].但是,由于支 管内管道水面积比该管段上孔口总面积大得多,
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所以 H 随时间变化非常缓慢,因此可将孔口整个 非恒定出流过程划分成许多微小时段,将各微小 时段 dt 内的流动近似看作恒定出流,然后进行叠
人工湿地污水处理系统具有建造、运行费用 低廉、处理效果稳定、适用面广等优点,得到国 内外众多专家和学者的认可[1-7].人工湿地分为 表面流和潜流人工湿地,而潜流湿地又可分为水 平流和垂直流湿地.其中,垂直流湿地由于其占地 面积较小,对有机物和氮有更高的净化效果,成为 湿地应用中的首选[7].除了基质、植物和微生物是 其基本组成外,配水系统也是其重要组成部分.为 了实现高质量、低能耗、稳定可靠的工程运行, 可编程逻辑控制器(PLC)已被大量应用到各种各 样的污水处理工程中, PLC 的应用显著降低了该 类工程的运行和维护成本,但也给污水处理系统 提出了新的问题,即怎样合理而高效地安排 PLC 的运行工况[8].
construction wetlands
0-1 为干管管道, a, b, c 为干管中的支管不利点 Q、V 分别为进水总流量和流速
图 2 为一沿流有节点流量流出的干、支管布 水系统.其进口流量 Q、流速 V 及压力水头 H,各 节点(i=1,2,3)、节点流量 (qi ,i = 1, 2,3) 、沿线流量 (q0−1, q1−2 , q2−3 ) 及沿程水头损失 (h0−1, h1−2 , h2−3 ) 均如图 2 所示.
Q = μ A 2gh
(4)
式中: Q 为孔口出流流量; μ 为孔口流量系数; A 为孔口面积;h 为孔口总水头;其他与前面相一致.
由式(4)可知,孔口 a 和 c 点的出流流量分 别为:
Qa = μ Aa 2gha
Qc = μ Ac 2ghc 由于湿地配水系统支管中各孔口面积均相等,故 两孔口流量之比:
加得到非恒定出流的整个时间 +t ,下面为 +t 的
计算过程. 设在某 t 时刻,a 点所在的孔口总水头为 h,
容器内水表面积为Ω,孔口面积为 A,则该时刻孔 口出流的流量为:
Q = μ A 2gh
(7)
在 dt 时段内经孔口流出的水体积为:
Qdt = μA 2gh ⋅ dt
H0
E3
q0-1
q1-2
q2-3
E2
h0-1 h1-2 h2-3
V、H
h0-1
q1
h1-2 q2
h2-3 q3
E1 H2
H3
H1
Q
q0-1
1
2
3
图 2 穿孔管配水示意
Fig.2 Configuration of water distribution system in
porous pipe
q1
q2
q3
1 湿地配水系统管道能量分配和作用水头分布
在已报道的垂直流人工湿地中,其配水系统 一般采用“丰”型或半“丰”型布水形式[6],如图 1 所示.图 1 中“丰”型的各个分支管路穿孔大小
收稿日期：2008-12-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808172);国家“十一五”水 专项(2008ZX07106-2-4);湖北省科技攻关重大项目(2006AA305A03) * 责任作者, 研究员, wuzb@ihb.ac.cn
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及孔间距均一致.由水力学可知,对于这种穿孔 管布水系统来说,若其支管中穿孔比较多,均可 以看作是沿途均匀泄流[1,9].因此,为了更详细地 阐述这种布水系统的合理及均匀性,首先研究 其能量分配及水头分布.
Q、V 0
1
a
b
c
图 1 湿地配水系统示意 Fig.1 Configuration of distribution system in
由图 4 还可见,其总水头和压力水头的变化 趋势是不一致的,对总水头来说,沿水流方向逐渐 减少,即最末端总水头低于起端总水头;而对于压 力水头来说,沿程是逐渐增加的,即最末端压力水 头大于起端压力水头.由图 5 可见,进口总能量 E 共包括 3 部分能量:水头具有的压力水头之和 E1;
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中国环境科学
Qa = ha
(5)
Qc hc
由前面能量分布和水头分布分析得出,ha>hc, 所以由式(5)可知,Qa>Qc,即 Qa/Qc>1.
因此,要实现配水均匀,必须采取措施使 Qa 和 Qc 相互接近.根据文献[9],一般认为当均匀性 达到 95%,即认为该配水系统设计合理且满足使 用要求,即 Qc/Qa≥0.95,同时由 Qa/Qc>1 可知:
由图 3 可见,除了 E1 和 E2 外,还有一部分能
量,它等于以
qi
为底,流速水头
α
v2 i
/2g
为高的矩
形面积,这些面积之和等于 E3,即:
∑ E3 = ρ g
q
⋅α
v2 i
i 2g
(3)
式中:vi 为对应管中流速;α 为流量系数. 由图 3 还可见,进口总能量为 q0-1 和 H0 乘
积的矩形面积(H0 为进口总水头),即 E1+E2+ E3 之和.
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垂直流人工湿地配水均匀性的研究
谢小龙 1,2,贺 锋 1,徐 栋 1,吴振斌 1* (1.中国科学院水生生物研究所,淡水生态与生物技术国家重点实验室,
湖北 武汉 430072；2.中国科学院研究生院,北京 100049)
良好的配水系统能合理地分配 PLC 的运行 参数、最大化地利用人工湿地净化功能及能实现
来水快速均匀地分布到整个人工湿地表面,保证 湿地高效运行.因此,垂直流人工湿地配水系统的 均匀性问题是关系到该类型湿地能否成功发挥 其应有功效和安全推广应用的重要问题.目前国 内外对此方面的研究鲜见报道.本研究主要从水 力学角度来探讨垂直流人工湿地中配水均匀性 问题.
Hn 为总压力水头
αν2/2g
E3
H0
E2
h
E1 Hn
L
V q
图 5 湿地穿孔管能量分配 Fig.5 Distribution of energy in constructed wetlands of
porous pipe
2 湿地配水均匀性
由以上湿地配水系统管道能量分配可知,对 于湿地配水系统来说,为实现均匀配水,必须使图 1 中最不利点 a 和点 c 的出流流量相互接近,由水 力学知识可知[9],孔口出流流量计算式为:
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用以克服沿程阻力所需的能量之和 E2;水流所具 有的流速水头之和 E3;即 E=E1+E2+E3.
αν2/2g
总水头线
h
压力水头线
Hn H0
V
图 4 湿地穿孔管管内水头变化 Fig.4 Distribution of hydraulic head in constructed
wetlands of porous pipe
1<Qa/Qc≤20/19
(6)
由式(6)可知,要实现垂直流人工湿地布水
系统对来水流量的均匀分配,就必须使湿地表
层穿孔管布水管道中最不利的 2 点的流量满足
1<Qmax/Qmin≤20/19.
3 湿地配水系统配水时间的确定
一般工程都认为一个完整系统从开始进水 到停止进水时间间隔段 t 称为配水时间,也称灌 溉时间或抽水时间.t 的确定对湿地系统的 PLC 控制具有非常明确的指导性及服务性,它的确定 能非常方便及时地指导 PLC 运行工况的确定,最 终服务于垂直流人工湿地的配水均匀性.