姚雪倩，李云禎，曾拯康，許文來

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610031；2.四川省環(huán)境保護科學研究院，四川 成都 610041；3.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院， 四川 成都 610059)

1 引沿

人工快速滲濾系統(tǒng)的濾池高度關(guān)系著污染物的降解能力，所以濾池過低，污染物濃度降解難以達標；濾池過高，建造成本會大大增加，而人工快速滲濾系統(tǒng)的濾床高度需要根據(jù)一些具體的處理目標和要求以及填料情況進行選擇判斷，目前卻大多數(shù)用經(jīng)驗來判斷大致的濾池高度。Hydrus可以較為準確的模擬污染物的運移，并科學的計算出人工快速滲濾系統(tǒng)的最適高度[1]。

2 材料和方法

2.1 實驗室模型構(gòu)建

計算機數(shù)值模擬方法研究污染物長期運移機理，并分析影響因素理論上是科學可行的。但在實際情況下，土壤結(jié)構(gòu)具有明顯的不確定性，而所建立的模型都是確定性模型，其研究結(jié)果與實際情況有較大偏差，因此無法準確真實的反應(yīng)出實際情況下的準確參數(shù)。所以，在運用計算機數(shù)值模擬方法研究污染物長期運移機理時應(yīng)添加一組真實的實驗進行模擬、校正。

由于各種條件的限制，無法使用真實的人工快速滲濾系統(tǒng)進行實驗，只有將人工快速滲濾系統(tǒng)等比例縮小，采用模擬沙柱的形式進行實驗。

所使用的模擬沙柱填料應(yīng)盡量模仿實際人工快速滲濾系統(tǒng)中自然條件下的填料。模擬沙柱上應(yīng)有較多的，均勻排布的排水孔[2]，以便取得不同高度的出水進行測量。進水時應(yīng)保證連續(xù)，均勻，保證污水流經(jīng)盡量多的填料。

本實驗所采用的模擬沙柱為150 cm高，半徑為6 cm的塑化玻璃柱。內(nèi)部填充物為模擬自然條件下的中砂，填充物填充了105 cm的高度。沙柱每隔5 cm存在一個取水口，用于取出不同高度的出水，見圖1。

圖1 實驗裝置示意

2.2 沙柱數(shù)據(jù)測量

本實驗所采用的模擬沙柱為150 cm高，半徑為6 cm的塑化玻璃柱。內(nèi)部填充物為模擬自然條件下的中砂，填充物填充了105 cm的高度。

取出部分填充物，放入坩堝中，稱量。放入馬弗爐550度烘干2 h，取出稱重。根據(jù)前后重量差，計算出殘余含水率θr。

取出全部填充物，稱量出質(zhì)量。堵住出水口，向模擬沙柱中通入水至水剛好淹沒填料且液面不再下降，記錄用水體積，算出用水質(zhì)量[3]，計算出飽和含水率θs，孔隙度n。

向沙柱中連續(xù)進水，直到出水量均勻，穩(wěn)定后，測量相關(guān)數(shù)據(jù)，計算出柱內(nèi)填充物的滲透系數(shù)。

填充物的滲透系數(shù)計算過程如下：

V=Q單/A

(1)

式(1)中，V為單位時間的流速；Q單為單位時間的流量；A為過水斷面面積。

I= (H1-H2)/L

(2)

式(2)中，I為水力梯度；H1-H2為水頭高度；L為水位高度。

K=V/I

(3)

通過對沙柱的測量，計算，再將(1)、(2)的結(jié)果帶入(3)中，Q單=260 mL/s，V=0.05 cm/s，L=85 cm，H1-H2=81 cm得出：K=0.053 cm/s。

2.3 Hydrus軟件所需CRI系統(tǒng)參數(shù)

Hydrus-1D水流模塊中的SoilCatalog項目包含12種典型土壤材料，如沙子，淤泥和粘土，以及與土壤濕度特性曲線有關(guān)的參數(shù)[4]。該軟件還提供了預(yù)測土壤中的土壤和沙子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[5]。根據(jù)實際參數(shù)，模擬沙柱水分特征曲線參數(shù)如表1所示。

表1 土壤水分特征曲線參數(shù)值

3 結(jié)果與討論

通過實驗室測試的方法得出不同濃度進水COD對應(yīng)的CRI濾池最適高度見表2Y軸，運用Hydrus軟件模擬的不同濃度進水COD對應(yīng)的CRI濾池最適高度見表2Z軸,進水濃度見表2X軸。

將表2中的數(shù)據(jù)輸入Origin中，采用曲面擬合，得到已知進水COD濃度，可對應(yīng)出實際最適濾床深度與理論濾床最適深度的曲面數(shù)學模型(圖2)。

4 結(jié)論

本研究建了這個模型，可以在上面找到任何一個點，所對應(yīng)的一個進水COD濃度就會對應(yīng)一個實際最適深度與一個理論最適深度。

表2 進水COD濃度對應(yīng)最適深度整合記錄

圖2 曲面數(shù)學模型

以X=200 mg/L為例，在曲面模型上對應(yīng)Y=83 cm，Z=81 cm。代入圖2中可算出Y′=82.7 cm，Z′=82.3 cm。對比曲面模型的數(shù)據(jù)和擬合曲線的數(shù)據(jù)，兩者結(jié)果相差不大，證明整個數(shù)學模型是準確有效的，實驗是科學。該實驗為CRI系統(tǒng)濾池高度的確定尋求了新方法。