人工濕地數(shù)值模擬模型參數(shù)如何獲取

【專家解說】：1 研究背景 工濕工建造、控制及工程化濕系統(tǒng)保證污水其良水力流態(tài)較除效率需要其水力參數(shù)污染物吸附降解系數(shù)進行優(yōu)化組合通數(shù)值模型實現(xiàn)其參數(shù)優(yōu)化運行效預(yù)測濕設(shè)計程十必要隨著工濕處理污水廣泛應(yīng)用各種濕模型發(fā)隨現(xiàn)內(nèi)外現(xiàn)已十幾種濕模型發(fā)應(yīng)用[1]廖新俤等[2]提基于運行溫度進水濃度濕水COD預(yù)測模型賈忠華等[3]用DRAINMOD模擬同水情況西安濕影響段康前等[4]濕水模型作詳細(xì)論述并結(jié)合深圳灣流域建立種水文模型焦璀玲等[5]平陰濕示范區(qū)進行二維流場數(shù)值模擬Feng等[6]1997發(fā)濕二維擴散模型Kadlec等[7]1988發(fā)力模型其未考慮季節(jié)性變化目前由于潛流式工濕機制復(fù)雜性內(nèi)外發(fā)潛流式濕模型少現(xiàn)濕模型水力參數(shù)模擬較其水質(zhì)參數(shù)模擬少[8]數(shù)濕模型屬于集參數(shù)模型沒考慮參數(shù)空間變化情況及季節(jié)素吳振斌等[9]通植物濕系統(tǒng)植物濕系統(tǒng)進行比較研究結(jié)表明植物濕系統(tǒng)即使冬季存降解能力考慮參數(shù)區(qū)與季節(jié)素建立濕水流與溶質(zhì)運移耦合模型使?jié)摿魇焦駭?shù)值模擬更加全面使其作探討潛流式工濕水力特性、優(yōu)化潛流式工濕水力設(shè)計研究設(shè)計工具具更重要意義 本文利用FEFLOW軟件綜合考慮參數(shù)區(qū)與季節(jié)素潛流式工濕系統(tǒng)水流污染物運移進行模擬沈陽市輝山明渠工濕例系統(tǒng)闡述模型建立與驗證程并預(yù)估該工濕基質(zhì)層流場變化及溶質(zhì)運移情況利用潛流式工濕處理污水工程設(shè)計提供科依據(jù) 2 研究區(qū)域概況 輝山明渠工濕主體工程位于輝山明渠入渾河河口旁主體工程由預(yù)處理設(shè)施濕兩部組占2hm2設(shè)計污水處理能力3萬m3/d主要處理自輝山明渠污水污水處理經(jīng)渾河河口緩沖區(qū)處理排入渾河該濕潛流式工濕濕3平行單元每單元尺寸規(guī)格×寬×高85m×80m×0.9m別種植蘆葦、香蒲、茭白水植物;濕垂直3層層約0.2m亞砂土層植物初期固定根部所需土壤層;層粒徑8mm左右礫石層厚約0.6m熟植物根系部布該層污水處理層;底層0.1m左右黏土層本工程結(jié)構(gòu)示意圖見圖1 圖1 潛流工濕結(jié)構(gòu) 3 潛流工濕數(shù)模型建立及其求解 研究污水濕基質(zhì)層運移規(guī)律本文選用孔介質(zhì)模型模擬潛流工濕水流布與溶質(zhì)運移情況 3.1 數(shù)模型描述 3.1.1水流模型描述 由于輝山明渠水流量受季節(jié)變化影響水流呈非穩(wěn)定狀態(tài)總體基質(zhì)水流層流運服達西定律根據(jù)濕基質(zhì)層條件濕內(nèi)水流概化非均質(zhì)各向同性二維非穩(wěn)定潛水流其數(shù)模型表示: 式: Kx、Ky 別x、y 向滲透系數(shù);H 濕水位;B 濕底板高度;n 邊界外線向單位向量;W 濕源項;P 濕匯項;μ給水系數(shù);Γ1、Γ2 別第、二類邊界 3.1.2溶質(zhì)運移模型描述 污染物濕基質(zhì)層運移主要包括擴散、機械彌散力衰減溶質(zhì)濕運移數(shù)模型描述: 式: Dx、Dy 別x、y向彌散系數(shù);ux、uy 別x、y向速度量;R 阻滯其值于1;f 溶質(zhì)源匯項;λ物降解數(shù);δ含水層干容重;n 效孔隙度;C *固體顆粒吸附溶液濃度 3.1.3污染物濕衰減描述 污染物濕衰減程基本符合級力程[10]污染物衰減程描述: 式:kT溫度T 反應(yīng)速率數(shù);k20溫度20℃反應(yīng)速率數(shù);T反應(yīng)溫度;α與濕狀態(tài)及季節(jié)關(guān)數(shù);C0進入濕污染物濃度 3.2 工濕數(shù)值模擬與預(yù)測 3.2.1區(qū)域剖 由于濕除進水端水端外兩側(cè)底部均防滲層整濕作模擬區(qū)域采用限單元三角剖濕進水區(qū)、水區(qū)及監(jiān)測點位置進行網(wǎng)格加密剖20 488節(jié)點29 352單元格剖圖見圖2所示圖1~6別代表蘆葦、香蒲草、茭白區(qū)3單元監(jiān)測點 圖2 監(jiān)測點及工濕限元網(wǎng)格 3.2.2模擬層確定 由于該濕垂向3 層結(jié)構(gòu)其污水處理主要發(fā)根系層(第2層)根系層作模擬層濕模型坡度2%模擬區(qū)總度255m寬80m高0.9m每層高度數(shù)據(jù)輸入水端黏土層底部作模型相0m進水端各層高程按照坡度計算間高程采用Kriging進行插值 3.2.3水質(zhì)模擬選擇 根據(jù)輝山明渠水質(zhì)監(jiān)測資料本選取CODCr 總氮(TN)作模擬 3.2.4模型參數(shù)確定 本文模型參數(shù)主要通試驗測定與經(jīng)驗公式兩種式獲取參數(shù)初始值范圍依據(jù)相關(guān)文獻給通敏性析進行調(diào)參待模型輸數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合確定參數(shù)終取值 (1)滲透系數(shù)(K)確定本文填料滲透系數(shù)通經(jīng)驗公式[11]計算獲層、模擬層、底層滲透系數(shù)初值見表1 (2)彌散系數(shù)(D)確定輝山明渠工濕填料實際粒徑約8mm本文根據(jù)Klotz[12]等縱向彌散度及其指數(shù)室內(nèi)試驗研究給定αL 0.413 6mαT 按照αT = αL /10公式計算 (3)級除率(KDE)確定根據(jù)濕同季節(jié)CODCr TN級除率(KDE)同別概化夏秋、冬春兩同段予賦值夏、秋季節(jié)污水進入濕平均溫度14.5℃冬、春季節(jié)污水進入濕平均溫度3℃ ①CODCrKDE值據(jù)關(guān)文獻實際試驗[13]本文采取CODCr級除率初始值見表1 ②總氮(TN)KDE 值Graetz 等[14]1980 發(fā)現(xiàn)佛羅達15 濕KTN 取值范圍0.008~0.63模型建議KTN范圍:0.05~0.30本文采用0.15模型其參數(shù)初始值見表1 3.2.5邊界條件處理 邊界條件水流邊界條件溶質(zhì)邊界條件濕進、水口處定具已知水位已知濃度第類邊界條件;兩側(cè)黏土層均設(shè)具零通量第二類邊界見圖3 表1 模型參數(shù)初始值 3.2.6源匯項處理 本模型降雨蒸騰綜合數(shù)值項視模型垂向源匯項賦給模型頂層 3.3 模型參數(shù)校 本文通敏度析知參數(shù)n、Kx、Ky、DL KDE 影響水濃度敏參數(shù)2007-11-1-2008-4-30與2008-5-1-2008-10-31數(shù)據(jù)別模型冬春、夏秋季節(jié)參數(shù)進行率定調(diào)整敏參數(shù)預(yù)測值與監(jiān)測值達較擬合度所確定參數(shù)值即模型終取值見表2、表3所示 表2 夏、秋季模型參數(shù) 3.4 模擬結(jié)與析 本文僅CODCr 例敘述其驗證程利用輝山明渠工濕4、5、6點2009-5-2009-10監(jiān)測數(shù)據(jù)所建立濕模型進行驗證,觀測值與模擬預(yù)測值比見表4所示其實測CODCr進水濃度175.8mg/L 表3 冬、春季模型參數(shù) 表4 觀測值與預(yù)測值比(單位:mg/L) 利用相誤差模型進行檢驗[15]計算結(jié)顯示4、5、6號值誤差別2.8%、3.9%、2.7%都于10%認(rèn)模型精度滿足需要另外利用SPSS非參數(shù)檢驗邊際致性檢驗進行檢驗檢驗結(jié)見表5圖4-7 表5 驗證結(jié) 圖4 4號監(jiān)測點驗證效 圖5 5號監(jiān)測點驗證效 經(jīng)非參數(shù)檢驗標(biāo)準(zhǔn)離差別3.05、3.57 4.27雙尾檢驗伴隨概率0.74、0.690.61若顯著性水平α0.05由于概率P 值于α接受零假設(shè)認(rèn)每觀測點預(yù)測值監(jiān)測值間沒顯著差異 4、5、6號監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)模型預(yù)測數(shù)據(jù)差異性檢驗、數(shù)據(jù)比情況看差異性檢驗伴隨概率均于0.05顯著水平接受零假設(shè)即差異顯著認(rèn)預(yù)測值實測值間誤差;比情況看比值靠近45°直線表明監(jiān)測值預(yù)測值偏離較綜所述所建模型預(yù)測值與監(jiān)測值較吻合證明所建模型及參數(shù)較準(zhǔn)確用于潛流式工濕數(shù)值模擬 圖6 6號監(jiān)測點驗證效 圖7 顯著性檢驗結(jié) 通模型預(yù)測結(jié)析發(fā)現(xiàn)夏、秋季植物迅速污染物吸收降解加快濕水污染物濃度較低;冬、春季植物枯萎甚至死亡吸收降解能力降致使?jié)袼廴疚餄舛雀哂谙?、秋?4 結(jié)語 本文利用FEFLOW軟件沈陽市輝山明渠河口潛流式工濕進行模擬通與實際比析證明利用該軟件模擬預(yù)測潛流式濕基質(zhì)層水流狀態(tài)、溶質(zhì)運移及污水處理水質(zhì)變化進潛流式工濕數(shù)值模擬與手段等面提供定參考拓展該軟件應(yīng)用范圍 通敏度析確定基質(zhì)層孔隙度、滲透系數(shù)、彌散系數(shù)吸附降解系數(shù)影響污水處理效敏參數(shù)通參數(shù)率定實現(xiàn)水力參數(shù)與吸附降解系數(shù)優(yōu)化組合進潛流式工濕設(shè)計參數(shù)設(shè)定提供參考依據(jù) 本文潛流式工濕系統(tǒng)數(shù)值模擬考慮季節(jié)素別夏秋、冬春兩同段進行參數(shù)率定今相關(guān)研究季節(jié)變化進行更細(xì)致段劃每季度單元或根據(jù)濕植物同階段進行參數(shù)率定使模型更加準(zhǔn)確合理今工濕設(shè)計避免盲目選取填料、植物防止?jié)窠苓_預(yù)期運行效等問題建議濕設(shè)計前優(yōu)化其水力參數(shù)污染物吸附降解系數(shù)利用數(shù)值模擬其進行模擬預(yù)測保證其達較運行效