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人工湿地作为一种新型污水处理技术,因其良好的水处理能力和较低的运行费用,在国内外得到认可并广泛使用。但由于对人工湿地内部水力特征和水流规律认识的缺乏,往往导致人工湿地的设计不合理,对人工湿地内部各种生化过程的理解也受到影响,人工湿地的运行效率也随之受到阻碍。因此,开展人工湿地内部水力特征和水流规律的研究十分必要。本研究中借助示踪实验和数学模型研究潜流人工湿地的水力特征,利用构建的中试潜流人工湿地,根据示踪实验得到的停留时间分布曲线描述其内部的水流状况,并计算得到表征该潜流人工湿地系统水力特征的参数,如平均停留时间、体积效率和水力效率等,以揭示系统的水力特征。同时将计算流体力学软件Fluent中的多孔介质模型用于潜流人工湿地水力特征的数值模拟,来揭示其内部水流规律。主要模拟了分层式基质结构、单一层基质结构和护管式基质结构时潜流人工湿地的水流行为,并对分层式结构不同进出水口位置和底层高度以及护管式结构不同进出水口位置对系统内部的水流行为的影响进行总结,为潜流人工湿地研究和应用提供借鉴和支持。本研究得出以下结论：
⑴该中试潜流人工湿地中的水流流态介于完全混合流和推流间,弥散过程在水流的运移过程中起主导作用。其内部存在短流现象,导致系统的平均停留时间小于理论停留时间,体积利用率为85％,水力效率为71％。
⑵通过流体动力学软件Fluent的模拟可以直观的显示潜流人工湿地内部的流场分布。该中试潜流人工湿地模拟结果表明:在该分层式潜流人工湿地中,水流多从进口端的左半部汇入下部砾石层以较快的速度出流,形成一个快速出流通道,而出口端的右上部出现滞留现象,基质层未得到充分利用,整个湿地系统的水力效率也未得到充分发挥。
⑶对于分层式潜流人工湿地,当进水口位于基质层以下使系统的水力效率进一步下降,而出水口位于基质层中上部则在一定程度上提高了右半部基质层的利用率,降低了下部出流通道的速度,进而促进水力效率的提高。
⑷对于分层式潜流人工湿地,随底部砾石层高度增加,系统的空间利用率下降,平均停留时间缩短,系统的水力效率随之下降。
⑸对于填充均匀单一层基质的潜流人工湿地,由于其内部阻力分布均匀故其内部速度分布散度小,没有出现明显的滞流区和快速流道,整个系统的空间利用效率得到提高,从而水力效率较之分层式潜流人工湿地也有提高。护管式潜流人工湿地其内部水流行为与单一层式基本相同,而护管区的存在利于湿地末端集水,防止堵塞出水管,且进出口位置对其内部水流影响不大,因而效果更佳。