隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題重視的不斷加深，各種水污染治理技術(shù)相繼出現(xiàn)，其中人工濕地（CWs）被證實(shí)是一種低成本、生態(tài)化的污水處理技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用十分廣泛。2010年，環(huán)保部發(fā)布了《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》，標(biāo)志著CWs技術(shù)在我國(guó)水處理領(lǐng)域的工程化應(yīng)用進(jìn)入了規(guī)范階段。

人工濕地除污效率受到多種因素影響，包括氣候溫度、基質(zhì)微生物、植物種類(lèi)、運(yùn)行方式等，對(duì)此國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究頗多。另外，水力條件的改變會(huì)影響人工濕地污水的停留時(shí)間、污染物與基質(zhì)的有效接觸面積等，從而對(duì)人工濕地除污效果起到關(guān)鍵作用。目前，應(yīng)用廣泛的潛流人工濕地的水流方式需要通過(guò)人為控制來(lái)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)其水力條件的研究顯得更為重要，也逐步受到重視。但是，關(guān)于人工濕地水力條件的影響因素及其優(yōu)化方法的研究成果相對(duì)零散。因此，筆者著重歸納分析人工濕地水力學(xué)的研究方法和影響水力條件的主要因素，為提升人工濕地對(duì)污染物去除效果提供一定借鑒。

1 潛流人工濕地水力學(xué)研究方法

潛流人工濕地內(nèi)水的流態(tài)屬于多孔介質(zhì)流。但是，在人工濕地基質(zhì)中，錯(cuò)綜復(fù)雜的根系導(dǎo)致其周?chē)鷺O易出現(xiàn)紊流，所以其水力特征很難用滲流研究中的成熟理論來(lái)描述。目前，人工濕地水力學(xué)研究方法主要包括理論分析法、數(shù)值模擬法和實(shí)驗(yàn)法。

1．1 理論分析法

理論分析法是利用流動(dòng)模型假設(shè)，給出所研究問(wèn)題的解析解或簡(jiǎn)化方程。當(dāng)潛流水的流動(dòng)狀態(tài)為層流時(shí)，人工濕地的水力學(xué)方程可采用達(dá)西公式表述；當(dāng)滲流的雷諾數(shù)Re＞10時(shí)，對(duì)水流的擾動(dòng)作用已不能忽視，一般則可采用厄剛（Ergun）公式來(lái)描述。隨著潛流人工濕地理論研究的深入，多種水力學(xué)模型相繼被提出：Kadelc提出了理想推流模型（PFM），F(xiàn)lorent提出了彌散推流模型（DPFM），Han等人提出了多流彌散模型（MFDM），Deans提出了連續(xù)完全混合反應(yīng)器模型（CSTRM）。這些模型對(duì)濕地構(gòu)造、運(yùn)行方式、和水力學(xué)參數(shù)的選擇等方面提供了一定的借鑒。1．2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示對(duì)流場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究。隨著紊流理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，數(shù)值模擬方法有了較大的發(fā)展。其中，計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)將實(shí)驗(yàn)研究與理論分析方法聯(lián)系起來(lái)，使很多簡(jiǎn)化流動(dòng)模型的方法得到發(fā)展和完善，為人工濕地水動(dòng)力模擬和數(shù)學(xué)建模分析提供了有效手段。例如，范立維采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）對(duì)潛流人工濕集水區(qū)對(duì)水力學(xué)性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明在平均停留時(shí)間相差不大的情況下，散度成為潛流人工濕地水力效率的主要影響因素；肖海文對(duì)人工濕地水力停留時(shí)間分布進(jìn)行了模擬研究，通過(guò)比較分析水力停留時(shí)間分布的早期高峰、峰值集中和尾部?jī)A斜拖長(zhǎng)等流態(tài)特征，結(jié)果表明活塞流反應(yīng)器并聯(lián)完全混合反應(yīng)器模型處理效果最好。

1．3 實(shí)驗(yàn)法

實(shí)驗(yàn)法是人工濕地水力學(xué)研究中最常用的方法，它是利用示蹤表征相應(yīng)的水流運(yùn)動(dòng)，對(duì)其分析后得到水流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性。其基本原理是在系統(tǒng)進(jìn)水中瞬時(shí)加入示蹤劑脈沖，繪出系統(tǒng)出水中示蹤劑濃度隨時(shí)間的響應(yīng)曲線（RTD），以判斷濕地系統(tǒng)短流、死區(qū)比例以及水力效率。Florent等將活塞流離散模型和多釜串聯(lián)模型運(yùn)用到潛流人工濕地水力學(xué)研究中，通過(guò)示蹤劑實(shí)驗(yàn)指出其更適合模擬潛流人工濕地中的非理想流動(dòng)。王久賢對(duì)白泥坑人工濕地水力學(xué)計(jì)算進(jìn)行了研究，由示蹤劑試驗(yàn)確定了系統(tǒng)中水力停留時(shí)間分布（RTD），提出RTD的不同是濕地處理效率差異的主要原因。

2 潛流人工濕地水力學(xué)特征描述

潛流人工濕地水力學(xué)特征參數(shù)主要包括水深、流量、水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間（HRT）等。

水深對(duì)濕地內(nèi)部的氧含量影響較大，是濕地植物生長(zhǎng)，微生物繁殖的制約因素，溶解氧過(guò)低將使氨氧化過(guò)程受到影響，因此對(duì)水深的控制尤其重要。

水力負(fù)荷是通過(guò)單位面積的水流體積。在不同的水力負(fù)荷條件下，濕地的污水處理效果差異很大：水力負(fù)荷過(guò)高，水力停留時(shí)間縮短，污水處理效果相應(yīng)降低。這是因?yàn)樗�力�?fù)荷過(guò)高時(shí)，植物根系、微生物、基質(zhì)對(duì)污染物的接觸面積過(guò)低，不能充分發(fā)揮濕地系統(tǒng)的去污能力。

HRT與人工濕地處理效率密切相關(guān)。HRT時(shí)間過(guò)短，污染物與植物、微生物和基質(zhì)的接觸時(shí)間較短，生化反應(yīng)不充分，從而導(dǎo)致處理效果不佳。反之，HRT過(guò)長(zhǎng)，容易引起污水滯留、厭氧區(qū)域擴(kuò)大以及基質(zhì)堵塞等問(wèn)題。因此，HRT是影響人工濕地污染物去除效率的重要因素。

此外，水力條件還能直接或間接改變?nèi)斯�濕地的物理化學(xué)性質(zhì)，如氧化還原電位、pH值等。

根據(jù)上述水力指標(biāo)對(duì)人工濕地的影響，人們提出了能綜合分析影響人工濕地污染物去除效率的指標(biāo)——水力效率，例如，王世和等研究了水力條件對(duì)人工濕地處理效果的影響，通過(guò)測(cè)定分析水深、水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間等對(duì)人工濕地中的COD、懸浮物、氨氮等去除效果的影響及其規(guī)律，探明了各自凈化機(jī)理。國(guó)外也有很多學(xué)者提出了衡量人工濕地水力效率的指標(biāo)，如Tact提出的短路值，Thackston提出的有效體積比等。

3 潛流人工濕地水力學(xué)特征的影響因素

3．1 濕地構(gòu)造

濕地結(jié)構(gòu)是影響潛流人工濕地水力學(xué)特征的一大因素。Garcia等通過(guò)示蹤劑實(shí)驗(yàn)研究了長(zhǎng)寬比對(duì)潛流人工濕地水流運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果表明長(zhǎng)寬比增加，會(huì)導(dǎo)致水力停留時(shí)間增加、活塞流比例升高、死區(qū)率降低。Alcocer等研究了長(zhǎng)寬比對(duì)潛流人工濕地水力效率的影響，發(fā)現(xiàn)較大的長(zhǎng)寬比可以降低短流影響，提高水力效率。Holland［22］等通過(guò)染料示蹤劑實(shí)驗(yàn)研究了水深對(duì)潛流人工濕地水力效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增大水深有助于提高水力效率。

3．2 基質(zhì)

基質(zhì)種類(lèi)、尺寸以及填充方式對(duì)潛流人工濕地水力特征均有影響。William等研究了粗礫、豆礫以及砂三種填料的蘆葦潛流人工濕地水力傳導(dǎo)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明豆礫是潛流人工濕地填料較好的選擇，其水力傳導(dǎo)性較好，不易堵塞。Alcocer等通過(guò)示蹤劑實(shí)驗(yàn)研究了基質(zhì)粒徑等對(duì)潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，較小的粒徑可以增加水力停留時(shí)間，減少短流，但會(huì)降低活塞流比例。Suliman等研究了基質(zhì)裝填方式對(duì)潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示填料分層裝填可以提高濕地除污效率。

3．3 濕地植物

King等研究了植物根部結(jié)構(gòu)和微生物膜對(duì)人工濕地水體流態(tài)的影響，結(jié)果顯示單一因素并不能完全表征其對(duì)人工濕地水流的影響。Grismer等通過(guò)示蹤劑實(shí)驗(yàn)研究了植物對(duì)潛流人工濕地水流彌散的影響，認(rèn)為植物加深了水流彌散程度。Eva等研究了植物根區(qū)對(duì)潛流人工濕地水流運(yùn)動(dòng)的影響，認(rèn)為植物的蒸發(fā)作用對(duì)水流運(yùn)動(dòng)有著較大影響。具體參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3．4 運(yùn)行方式

Suliman等研究了進(jìn)出水位置對(duì)潛流人工濕地水力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示不同進(jìn)出水方式使得水力停留時(shí)間不同，導(dǎo)致濕地處理效果迥異。宋新山等研究了不同布水方式對(duì)水平潛流人工濕地水力效率的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)流擴(kuò)散模型能夠較好模擬一般推流、波流、對(duì)角流，基于對(duì)流擴(kuò)散機(jī)制的疊加模型能夠較好模擬多向入流、多點(diǎn)進(jìn)水類(lèi)型的人工濕地。

4 存在的問(wèn)題

目前，潛流人工濕地水力學(xué)特性的研究中普遍采用示蹤劑模擬實(shí)驗(yàn)方法分析水流規(guī)律，但是該方法存在一定缺陷，涉及到示蹤劑及其注入方法的選擇等諸多問(wèn)題，有必要利用更先進(jìn)的研究方法來(lái)探討潛流人工濕地水力學(xué)特性。

潛流人工濕地水力學(xué)性能影響因素，如濕地構(gòu)造、基質(zhì)類(lèi)型及尺寸、濕地植物和運(yùn)行方式等對(duì)水力停留時(shí)間的影響，是目前主要的研究?jī)?nèi)容，但大部分研究都停留在觀測(cè)分析各因素對(duì)水力停留時(shí)間分布（RTD）曲線形狀的影響方面，鮮有根據(jù)RTD擬合模型進(jìn)行模擬計(jì)算。此外，在人工濕地實(shí)際工程應(yīng)用中，濕地基質(zhì)堵塞是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)題，而上述水力因素與基質(zhì)堵塞之間的關(guān)系也鮮有研究。