1 引言
人工湿地工程化应用过程中普遍存在沟流、短流、“死区”的现象，降低了人工湿地基质内部的水力特性，造成基质利用率低下，进而限制了人工湿地的推广应.为了提高人工湿地基质内部的水力特性，很多学者在人工湿地床体的长宽比、基质厚度、基质粒径、布水方式及出水位置与水力特性的相关性方面做了大量研究.课题组在前期研究中，依据填料渗透系数对基质结构进行优化，显著提升了系统水力性能.然而，植物是人工湿地重要的组成部分，其发达的根系同样会对系统水力特性造成影响，而有关这方面的研究却鲜有报道.因此，本研究分别以水力性能较好的多层结构人工湿地及水力性能欠佳的单层结构人工湿地为对象，在植物栽种前及成熟后开展示踪实验，研究植物根系对不同基质结构人工湿地水力学特性的影响，以期为人工湿地设计水平的提高提供科学依据.
2 材料与方法
2.1 实体模型的构建
构建对比人工湿地实体模型，池体尺寸相同，均为2 m×1.2 m×0.7 m(长×宽×高)，基质填充厚度0.6 m，左端为进水口，右端为出水口，布水区和集水区长度均为20 cm，选取渗透系数为500 m · d-1的鹅卵石进行填充，池体一侧设置12个监测口.两个人工湿地系统主体填料填充同一来源的石英砂，其中一个对照人工湿地小试系统主体填料区分3层进行填充(分层填充人工湿地)，基质渗透系数从上到下依次为26、36和64 m · d-1(图 1);另一个主体填料区内填充粒径混合均匀的石英砂(单层填充人工湿地)，基质渗透系数为65 m · d-1.两模型进水由同一配水罐提供，配水罐体积2.5 m3.床体种植美人蕉，种植密度均为20株· m-2.
图 1 分层人工湿地结构示意图
2.2 示踪实验
以均一混合的人工配水为原水，电导率背景值均为115 μS · cm-1，选取NaCl为示踪剂对人工湿地系统开展脉冲法示踪实验.在系统进水区瞬时一次性投加NaCl溶液，根据氯化钠浓度与电导率值的标准曲线，计算出投加NaCl质量为386 g，理论上为使整个池体内水质电导率上升到背景值10倍的投加量.采用蠕动泵(型号BT300-2J)控制进水量，水力停留时间(HRT)设置为12 h，水力负荷为0.6 m3 · m-2 · d-1，每隔10 min监测1次出口水流电导率，直至电导率恢复到接近背景值且趋于稳定为止.每次进行3次示踪试验，选取示踪剂回收率最高的一次进行对比分析，试验时间分别在2012年12月植物栽种前与2013年7月植株成熟后进行.
2.3 水力特性参数计算的基本公式
示踪实验是常用来研究人工湿地基质流场分布的有效方法，其相关的水力特性参数是根据流体反应器理论得出，脉冲示踪剂试验中测得的浓度相当于水力停留时间分布密度.对测得的电导率按照公式(1)进行标准化的处理.
式中，N(t)为标准化的停留时间分布密度(h-1)，E为电导率(mS · m-1)，MNaCl为NaCl摩尔质量(g · mol-1)，Ew为进水背景电导率(mS · m-1)，λNa为Na+离子的摩尔电导率(S · m2 · mol-1)，t为从示踪实验开始的时间(h)，λCl为Cl-离子的摩尔电导率(S · m-2 · mol-1)，Q为流量(m3 · h-1)，m为加入的示踪剂总量(g).
理论上潜流人工湿地水流以活塞流形式通过人工湿地主体填料，水流质点具有相同的停留时间，能够在相同时间内到达湿地出水口，即为表观停留时间tn，计算如式(2)所示，停留时间分布曲线的重心位置定义为平均水力停留时间tm(式(3)).氯化钠示踪剂最高浓度出现的时间定义为示踪剂峰值的停留时间tp.
式中，V是湿地体积(m3)，Q为流量(m3 · h-1)，其余符号同公式(1).由于人工湿地水力停留时间分布曲线是一条拖尾的曲线，而表观停留时间一般大于平均停留时间，所以，一般顺序为tp 通过研究提出了人工湿地有效体积比的概念，计算方法如下： 式中，Vtotal为总体积(m3)，Veff为通过示踪剂的有效体积(m3). 短流值S是衡量不同类型人工湿地水力效率的参数值，其计算如式(5)所示.一般情况下，S值越大，表明水力停留时间密度曲线的出峰越陡，反之，出峰则比较平缓. 有效体积比在有些情况下不能完全反映湿地系统内部的水力性能特征.所以，结合人工湿地水力效率λ能更全面反映基质内部水力性能，其计算公式如下： 示踪剂的回收率在一定程度上能够反映人工湿地系统内部“死区”的体积大小及流场分布的情况，因为出水口的示踪剂浓度呈曲线形状，回收率F(t)是对停留时间分布密度函数的积分得出，其计算公式如下： 3 结果与讨论 3.1 植物栽种前的示踪试验 模型建立起来后，栽种植物之前进行第一次示踪试验，监测记录潜流人工湿地系统出水的电导率变化情况，试验结果如图 2所示.由图可知，无植物时分层填充与单一填充人工湿地系统示踪剂电导率峰值分别为1029 μS · cm-1和233 μS · cm-1，相应的峰值出现时间为450 min和310 min，即单层填充结构系统峰值出现略早，说明存在短流通道较分层基质池体多.单层基质池体的出水电导率峰值较小，证明“死区”体积占有较大比例，导致示踪剂滞留在池体内，其基质内部水力特性较差;分层基质池体的电导率峰值较高，表明池体内部流态呈推流式，流场分布相对均匀.到实验结束时(5300 min)，两系统出水电导率基本恢复到背景值115 μS · cm-1.然而值得注意的是，两池体出水电导率值在恢复至背景值一段时间之后，又略有反弹，由此推测，两个池体均存在不同程度的“死区”. 图 2 两种基质结构人工湿地(无植物)的出水示踪剂曲线对比图 3.2 植物成熟后的示踪试验 在2013年7月进行第2次示踪试验，种植的美人蕉平均高度为1.5 m，有2/3植株已经进入花期.示踪试验操作条件如2.2节所述，试验结果如图 3所示.由图中可知，植物成熟后分层填充与单层填充人工湿地系统示踪剂峰值分别为672.5 μS · cm-1和286.8 μS · cm-1，相应的峰值出现时间为390 min和510 min.本次示踪试验分层填充结构峰值出现较早，植物的根系生长加剧了分层基质结构的短流现象，对单层基质结构的床体有所改善.到实验结束时(6500 min)，分层与单层基质结构的两系统出水中电导率分别为134.8 μS · cm-1与159.3 μS · cm-1，未恢复到背景值(115 μS · cm-1)，证明植物根系对基质结构的影响较显著. 图 3 两种基质结构人工湿地(有植物)出水示踪剂曲线对比图 3.3 讨论 利用经验公式计算两系统水力特性的参数，结果如表 1所示.对于有效体积比(e)来说，一般情况下e值越大，表示基质有效体积越大.当e<1时，说明人工湿地基质中存在“滞水区”或“死区”;当e>1时，说明人工湿地基质中有“短路”存在，且示踪剂密度曲线出峰较早.植物栽种前，两个系统的e值均小于1，分层与单层填充系统的e值分别为0.87和0.49，表示这两个湿地系统中都存在一定的“死区”，但分层基质结构人工湿地系统的“死区”范围明显小于单层填充系统.植物成熟后分层与单层填充人工湿地系统的有效体积比e值分别为0.82与0.53.通过对植物栽种前后水力特性参数的比较分析，发现植物根系提高了单一填充系统的有效体积比，分层填充系统的有效体积比却略有降低，表明植物根系对系统基质有效利用率的影响显著. 表1 两种基质结构人工湿地(无植物与有植物)水力特性参数对比 如2.3节所述，短路值S是表示池体内部短流通道多少的参数值，植物成熟后两系统短路值均减小，说明植物的存在能有效缓解短流现象的发生，且这对于单层基质结构的影响尤为显著，其S值从0.60下降到0.41，比较而言，对分层填充系统影响有限，仅降低0.04.此外，对于水力效率λ来说，植物发达的根系对两对比系统的水力效率均有明显提高作用，其中，单层结构及分层结构系统的水力效率分别提高了16%和19%，由此可见，植物的存在能有效改善系统的水力效率. 然而，植物的存在使单层结构及分层结构系统的示踪剂回收率有所降低，且植物成熟后，出水电导率接近背景值并趋于稳定的时间与植物栽种前相比延长了1200 min，也说明了植物根系对示踪剂回收具有延迟作用.分析其原因主要在于植物根系及其上生物膜对示踪剂的吸附拦截作用，而这其中单层基质结构系统的水流主要集中在表层基质，因此，回收率受植物根系的影响更为显著，回收率降低10%.分层结构湿地由于水流分布相对均匀，因而受到的影响较小，回收率仅降低2%. 综上所述，植物栽种前分层填充的人工湿地水力特性显著优于单层填充系统，植物成熟后，发达的根系会填充部分填料孔隙，影响床体水力传导率，从而对两个系统的水力特性及示踪剂回收率均产生一定影响.因此，在设计潜流人工湿地时应考虑因植物根系对系统水力性能产生的动态影响.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。 4 结论 1)栽种植物前后，两种基质结构人工湿地系统中的示踪试验对比发现，分层填充结构的潜流人工湿地系统能够提高水力特性，有效减少短流通道及“死区”的存在，改善系统水力效率;单层填充结构人工湿地系统的存在较多的短流通道和“死区”，基质利用率低下，无植物时其有效体积比为49%，远低于合理级配分层填充方式的有效体积比87%. 2)优化基质结构过程中需要考虑植物根系的影响，植物根系能够改变部分基质的渗透系数，相应改变整个池体内部的水力特性.总体上来看，植物根系对分层基质结构系统的水力特性有负面影响，如何优化分层基质结构抵消植物根系生长带来的影响还有待进一步研究.
