張宇婷，張博超，顧世祥，韓煥豪，崔遠(yuǎn)來(lái)

（1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072； 2. 云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021；3. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650559）

0 引 言

水流和植物的相互作用（包括物理、化學(xué)、生物三者協(xié)同作用）在表面流人工濕地的凈化過(guò)程中起著重要作用［1］。濕地植物可以降低風(fēng)速，有利于污染物的沉積，為細(xì)菌提供基質(zhì)，為微生物提供附著表面，吸收養(yǎng)分以及在碳限制的系統(tǒng)中為反硝化提供碳源［2，3］。濕地內(nèi)部的水流狀態(tài)則對(duì)水力停留時(shí)間和濕地有效容積率的大小有直接影響［1，4］。塘堰，是在山區(qū)或丘陵地帶修建的一種小型蓄水工程，多與灌區(qū)中的灌排系統(tǒng)連接在一起，通過(guò)生態(tài)化改造便可成為塘堰濕地。作為表面流人工濕地的一種，塘堰濕地的運(yùn)行效果受到植物種類、植物密度、水深、流量、進(jìn)出口布置等多種因素的影響。

不少研究證明有植物濕地系統(tǒng)相比于無(wú)植物濕地系統(tǒng)有更顯著的污染物去除效果［5-7］，各濕地植物去除污染物的能力有所差異，通過(guò)植物優(yōu)選可以獲得更高效的濕地凈化效果［8，9］。但Shen 等［5］通過(guò)總結(jié)來(lái)自92 項(xiàng)研究中的398 個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)溝塘的總氮去除率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同植物對(duì)總氮的去除率沒(méi)有顯著差異，Mayer 等［10］的研究結(jié)果同樣顯示不同植被類型的緩沖帶對(duì)氮的去除效果是相同的。因此，對(duì)于濕地植物種類在地區(qū)的影響差異，還需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。流量是影響濕地凈化效果和水力性能的重要因素之一，其對(duì)水力停留時(shí)間、濕地水流的短路和混合程度有直接影響［1，11，12］。一般認(rèn)為，低流量濕地中存在更多的回流區(qū)，濕地的容積利用效率更高，凈化效果和水力性能要比高流量濕地更加顯著。Holland 等［13］通過(guò)對(duì)不同水位與流量下的人工濕地進(jìn)行示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在流量范圍為1.2～3.2 L∕s 時(shí)，即流量變化因子達(dá)到2.7 時(shí)，流量大小對(duì)濕地的水力效率沒(méi)有明顯影響。Ioannidou 和Pearson 等［1］進(jìn)行了為期八個(gè)月的原位試驗(yàn)研究，表明較高的流量會(huì)導(dǎo)致較短的水力停留時(shí)間，但流量變化對(duì)水力停留時(shí)間分布（RTD）曲線的形狀影響較小。

云南省天然高原湖泊眾多，九湖流域是云南糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物的主產(chǎn)區(qū)，但目前除瀘沽湖和撫仙湖水質(zhì)尚好外，其他湖泊水質(zhì)總體上呈III 類或劣于III 類。云南高原湖泊污染的主要來(lái)源是農(nóng)業(yè)面源污染，而塘堰濕地作為一種濕地生態(tài)系統(tǒng)，在我國(guó)南方水稻灌區(qū)分布廣泛，發(fā)揮著排水和凈化雙重功效［7，14，15］。塘堰濕地對(duì)農(nóng)田排水減污的管理模式主要是蓄水減污（靜態(tài)）和非蓄水減污（動(dòng)態(tài)）兩種。因此，以大理市洱海流域?yàn)榈湫蛥^(qū)域開(kāi)展靜態(tài)和動(dòng)態(tài)去除及示蹤試驗(yàn)，研究植物種類和入塘流量對(duì)塘堰濕地氮磷凈化效果及水力性能的影響，優(yōu)選適合洱海流域的濕地植物，為地區(qū)塘堰濕地設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于大理洱海西側(cè)喜洲鎮(zhèn)作邑村的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)站（100°07'43″E，25°49'59″N，海拔1 975 m）。大理地處低緯高原，四季溫差不大，干濕季分明，以低緯高原季風(fēng)氣候?yàn)橹鳌Ｕ緝?nèi)年平均氣溫15.1 ℃，年平均降水量1 078.9 mm。

試驗(yàn)在3個(gè)規(guī)格相同的人工塘堰濕地中進(jìn)行。單個(gè)濕地長(zhǎng)邊20 m，兩端外接直徑5 m 的半圓，共長(zhǎng)25 m，面積約120 m2。塘堰濕地深度1 m，邊坡比為1∶1，底寬3 m，頂寬5 m，濕地之間田埂寬1 m。3 個(gè)濕地分別種植水蔥、再力花及梭魚(yú)草（圖1），3種濕地植物均為挺水植物，最佳生長(zhǎng)溫度分別為15～30，20～30，18～30 ℃，水蔥忌酷熱，耐霜寒，再力花和梭魚(yú)草均好溫暖水濕、陽(yáng)光充足的環(huán)境，不耐寒。在2019 年8 月和2020 年10 月開(kāi)展靜態(tài)試驗(yàn)，在2020年10月開(kāi)展動(dòng)態(tài)去除及示蹤試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)濕地結(jié)構(gòu)圖（單位：m）Fig.1 Layout of the pond wetland

1.2 靜態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，向3個(gè)塘堰濕地中輸入濃度一定的污水，2019年試驗(yàn)TN、TP 濃度分別為0.80 mg∕L 和0.15 mg∕L，2020 年試驗(yàn)TN、TP 濃度分別8.0 和1.5 mg∕L。之后封閉塘堰的進(jìn)口和出口，靜止保持，每天固定時(shí)間在3 個(gè)塘堰濕地的進(jìn)口、中部、出口3個(gè)特定位置取樣，取水樣時(shí)，用貝勒管取塘堰水層中部的水樣。2019 年連續(xù)取樣時(shí)間為8 月3-22 日，2020 年連續(xù)取樣時(shí)間為10月4-10日。

1.3 動(dòng)態(tài)去除及示蹤試驗(yàn)

考慮植物種類和入塘流量?jī)蓚€(gè)因素，植物（P）設(shè)置3 個(gè)水平，入塘流量（Q）設(shè)置2 個(gè)水平，采用完全組合的方式設(shè)置試驗(yàn)處理，不進(jìn)行重復(fù)。試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 濕地動(dòng)態(tài)去除及示蹤試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.1 Treatment design for dynamic removal and tracer tests in wetlands

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先排空塘堰濕地，之后向各塘堰中持續(xù)加入總氮濃度為10 mg∕L，總磷濃度為5 mg∕L 的氮磷濃縮液（氯化銨和磷酸二氫鉀）。試驗(yàn)取樣在2020 年10 月23-30 日完成，從投加氮磷濃縮液開(kāi)始計(jì)時(shí)，每隔30 min 在塘堰進(jìn)口和出口處取水樣，確保進(jìn)口水樣不少于5 個(gè)，出口水樣不少于10 個(gè)（為了進(jìn)一步探究濕地不同位置凈化效果和水力性能的差異，梭魚(yú)草濕地試驗(yàn)過(guò)程中另外在濕地中部加取水樣，同樣確保水樣不少于10個(gè)）。示蹤試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)去除試驗(yàn)同步進(jìn)行，本次試驗(yàn)采用羅丹明WT 作為示蹤劑，在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，于進(jìn)水處投加40 mL 示蹤劑（質(zhì)量濃度2.5%的羅丹明WT 稀釋液），施放時(shí)間控制在2 min左右，在濕地中部及出口處懸掛YSI-600 OMS 多功能水質(zhì)檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)示蹤劑的濃度。設(shè)定儀器的記錄時(shí)間步長(zhǎng)為2 min。示蹤試驗(yàn)結(jié)束后，取回儀器，利用EcoWatch 軟件導(dǎo)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪制 RTD曲線。

1.4 凈化效果及水力性能分析方法

1.4.1 凈化效果指標(biāo)

選取總氮（TN）、總磷（TP）、硝氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）的濃度去除率為凈化效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。水樣TN和NO3--N采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定（GB11894-89），TP 采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定（GB11893-89），NH4+-N 采用納氏試劑比色法測(cè)定（GB7479-87）。

靜態(tài)管理模式下，污染物去除率計(jì)算公式如下：

式中：i表示污染物；ηi為各污染物去除率，%；C0為第一次取樣時(shí)污染物i的濃度，mg∕L；Cn，i為第n天取樣時(shí)污染物i的濃度，mg∕L。

動(dòng)態(tài)管理模式下，污染物去除率計(jì)算公式如下：

式中：i表示污染物；ηi為各污染物去除率，%；Cinlet，i和Coutlet，i分別為進(jìn)、出口處污染物i的濃度，mg∕L。

1.4.2 水力性能指標(biāo)

水力停留時(shí)間是水流從濕地進(jìn)口到出口的時(shí)間，可分為理論停留時(shí)間和平均停留時(shí)間。計(jì)算公式如下：

式中：tn為理論停留時(shí)間，h；V為濕地水體容積，m3；Q為濕地進(jìn)口流量，m3∕h；tm為平均停留時(shí)間，h；t為停留時(shí)間分布函數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，h；f（t）為停留時(shí)間分布函數(shù)，h-1；c（t）為監(jiān)測(cè)點(diǎn)處示蹤劑濃度，μg∕L。

為方便不同試驗(yàn)條件下的示蹤試驗(yàn)結(jié)果相互比較，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［13，16］。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中：φ為無(wú)量綱時(shí)間標(biāo)量；t0為示蹤劑開(kāi)始投放的時(shí)間，h；t'為計(jì)算時(shí)間，h；t為積分變量，h；Q（t'）為濕地入流量，m3∕h；V（t'）為濕地容積，m3；c（φ）為示蹤劑濃度，μg∕L；V（φ）為濕地容積，m3；M為投放示蹤劑的總質(zhì)量，g。

參考前人研究［4，12，17-19］，本文從已有的水力指標(biāo)中選取4 個(gè)具有一致性、敏感性和穩(wěn)定性的水力性能指標(biāo)作為研究對(duì)象，分別為有效容積率（effective volume ratio，e）、短路指標(biāo)φ10、矩指數(shù)（Moment Index，MI）和莫里爾離散指數(shù)（Morril Dispersion Index，MDI）。

e反映了濕地短路的嚴(yán)重程度，是指濕地水體實(shí)際對(duì)污水處理起作用的部分，計(jì)算公式如下：

式中：Veffective為濕地水體的有效容積，m3；Vtotal為濕地水體的總?cè)莘e，m3。

φ10和MDI被視為評(píng)價(jià)濕地短路程度和混合程度的最佳水力指標(biāo)［17］。φ10對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化RTD 曲線與橫坐標(biāo)圍成面積占總面積10%時(shí)對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱時(shí)間。MDI的計(jì)算公式如下：

式中：φ90對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化RTD曲線累計(jì)分布曲線與橫坐標(biāo)圍成面積占總面積90%時(shí)對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱時(shí)間。

MI與e表現(xiàn)出良好的一致性，且不受尾部截?cái)嘈?yīng)的影響。計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 植物種類對(duì)塘堰濕地凈化效果的影響

2.1.1 2019年靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

2019 年試驗(yàn)期內(nèi)3 個(gè)塘堰濕地的氮磷濃度及去除率變化如圖2、圖3所示。

圖2 2019年試驗(yàn)期內(nèi)各濕地的氮磷濃度變化Fig.2 Variation in nitrogen and phosphorus concentration for each wetland during the 2019 test period

圖3 2019年試驗(yàn)期內(nèi)各濕地的氮磷濃度去除率變化Fig.3 Variation in nitrogen and phosphorus concentration removal rate for each wetland during the 2019 test period

在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，3 個(gè)濕地的ηTN隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈波動(dòng)上升，且在一周左右去除率達(dá)到峰值，此時(shí)水蔥、再力花和梭魚(yú)草濕地的ηTN分別為43.1%、33.0%、38.9%，隨后水力停留時(shí)間繼續(xù)增加，去除率不再有明顯的增加。在取樣時(shí)間12 d時(shí)（8月15日），3 個(gè)濕地的TN 和NH4+-N 濃度均有一個(gè)異常高值，主要是由于塘堰濕地未完全封閉，有外來(lái)水進(jìn)入導(dǎo)致濃度升高，隨后由于濕地的凈化能力濃度再次降低。在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水蔥、再力花和梭魚(yú)草濕地的ηTN基本穩(wěn)定在43.3%、35.6%和39.2%，3種濕地植物對(duì)TN 的凈化效果排序依次為水蔥、梭魚(yú)草、再力花。

由于初始進(jìn)水濃度較低，而塘堰濕地對(duì)氮素的去除效果本身存在限度，3 個(gè)濕地的NO3--N 和NH4+-N 濃度始終保持在較低的水平，同時(shí)，由于降水和外來(lái)水的影響，其濃度存在著波動(dòng)變化。在取樣時(shí)間4～6 d 時(shí)（8 月7-9 日），3 個(gè)濕地的NO3--N 濃度均有明顯的先增加后減小，是因?yàn)檫@幾天發(fā)生了降雨，雨水中的硝態(tài)氮隨徑流發(fā)生遷移并產(chǎn)生富集，隨后由于濕地的凈化能力濃度逐漸減小。這也在一定程度上表明塘堰濕地在凈化初始濃度較低的水體時(shí)效果并不明顯。

3 個(gè)濕地的ηTP在一周之內(nèi)穩(wěn)定增加，且增長(zhǎng)速率差異不大，隨后去除率緩慢下降，并在11～12 d 時(shí)回升至峰值，水蔥、再力花和梭魚(yú)草濕地峰值處的ηTP分別為77.4%、67.0%、71.2%，試驗(yàn)后期的平均去除率分別為63.3%、55.0%和64.2%。水蔥和梭魚(yú)草濕地對(duì)TP的去除效果相差不大，略優(yōu)于再力花濕地。

2.1.2 2020年靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

2020 年試驗(yàn)期內(nèi)3 個(gè)塘堰濕地的氮磷濃度及去除率變化如圖4、圖5所示。

圖4 2020年試驗(yàn)期內(nèi)各濕地的氮磷濃度變化Fig.4 Variation in nitrogen and phosphorus concentration for each wetland during the 2020 test period

圖5 2020年試驗(yàn)期內(nèi)各濕地的氮磷濃度去除率變化Fig.5 Variation in nitrogen and phosphorus concentration removal rate for each wetland during the 2020 test period

在取樣時(shí)間2 d 時(shí)，梭魚(yú)草濕地的TN 濃度有明顯下降，ηTN達(dá)90%以上并趨于穩(wěn)定，水蔥和再力花濕地的ηTN則持續(xù)上升并直到試驗(yàn)結(jié)束（水蔥濕地后兩次水樣TN 化驗(yàn)結(jié)果失敗，根據(jù)再力花和梭魚(yú)草濕地的濃度及去除率變化趨勢(shì)分析，在取樣時(shí)間達(dá)到第3 天時(shí)，TN 濃度已經(jīng)下降至較低點(diǎn)，去除率上升趨勢(shì)明顯變緩，因此推測(cè)水蔥濕地的去除率將在80%～90%間上下波動(dòng)）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水蔥、再力花和梭魚(yú)草濕地的ηTN分別可達(dá)80.7%、65.5%和89.0%，三種濕地植物對(duì)TN 的凈化效果排序依次為梭魚(yú)草、水蔥、再力花。

在本試驗(yàn)中，氮的形態(tài)以NH4+-N 為主，其在TN 中的平均占比為65.4%，因此NH4+-N 的濃度變化與TN 高度相似。在取樣時(shí)間接近2 d時(shí)，梭魚(yú)草濕地的ηNH+4已達(dá)95.6%，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)3個(gè)濕地的ηNH+4均達(dá)100%，考慮是由于試驗(yàn)后期的降雨導(dǎo)致濕地內(nèi)部的流態(tài)紊亂劇烈，加速了銨態(tài)氮的揮發(fā)和硝化［20］。同時(shí)，由于土壤顆粒帶負(fù)電荷，帶正電荷的NH4+比帶負(fù)電荷的NO3-更容易被吸附截留，因此ηNH+4更高。

3個(gè)濕地的ηTP均隨取樣時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，水蔥、再力花和梭魚(yú)草濕地的ηTP分別為52.0%、86.5%和85.3%，并仍有上升的趨勢(shì)，再力花和梭魚(yú)草濕地的TP 去除效果相差不大并優(yōu)于水蔥濕地。

兩年試驗(yàn)結(jié)果有所差異，水蔥濕地2019 年的ηTN最高，ηTP和梭魚(yú)草濕地接近且都優(yōu)于再力花濕地，但2020年的去除效果則較差，主要是因?yàn)?020 年試驗(yàn)在10 月份進(jìn)行，此時(shí)再力花和梭魚(yú)草尚處于開(kāi)花期，而水蔥接近枯萎期，植物出現(xiàn)衰敗，生長(zhǎng)狀態(tài)發(fā)生變化，根莖對(duì)水流的阻礙作用也有所減小，從而改變了濕地內(nèi)部的水流流態(tài)。

2.1.3 綜合分析

綜合兩年試驗(yàn)結(jié)果表明，塘堰濕地的氮磷去除率會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，但增長(zhǎng)幅度會(huì)逐漸減緩，說(shuō)明塘堰濕地的凈化能力需要一定的水力停留時(shí)間，且在本試驗(yàn)中最佳水力停留時(shí)間以一周為宜。

塘堰濕地對(duì)氮磷的去除效果與初始進(jìn)水濃度有關(guān)，去除率隨初始濃度的升高而增加。2019 年與2020 年試驗(yàn)期內(nèi)3 個(gè)濕地的實(shí)際TN、TP 平均初始濃度分別為0.80 和0.14 mg∕L，6.89 和1.48 mg∕L；ηTN、ηTP分別為40%和61%，78%和75%；后者的氮磷去除率明顯優(yōu)于前者。濕地去除不同濃度氮素的機(jī)制本身存在一定的差異。對(duì)于高氮濃度的地表水來(lái)說(shuō)，底物吸附可以獲得較高的去除率，而對(duì)于低氮濃度的地表水，吸附并不是去除氮素的有效途徑［21］。但不同濃度范圍對(duì)應(yīng)的具體去除機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

塘堰濕地對(duì)氮磷的去除效果與濕地植物的生育期和生長(zhǎng)特性有關(guān)。3種濕地植物中，再力花的氮磷去除能力表現(xiàn)最差，梭魚(yú)草的TN 去除能力與水蔥接近，TP 去除能力略優(yōu)于水蔥。一般來(lái)說(shuō)，濕地植物可以分為“根莖型”植物和“須根型植物”，“須根型”植物以細(xì)小根為主，根系更加發(fā)達(dá)，根孔隙度更高且泌氧能力更強(qiáng)，能夠擴(kuò)展?jié)竦刂参锏膬艋臻g，從而提高濕地的凈化效果［22-24］。再力花屬于根莖植物，水蔥和梭魚(yú)草則屬于須根植物，這3 種植物的根系屬性與本文中的氮磷凈化效果具有一致性。

2.2 入塘流量對(duì)塘堰濕地凈化效果的影響

圖6 為動(dòng)態(tài)去除試驗(yàn)各因素水平下的濕地氮磷濃度去除率。同一流量水平下，3 種濕地植物對(duì)TN、TP 的凈化效果從高到低依次為梭魚(yú)草、水蔥、再力花，對(duì)NH4+-N 的凈化效果優(yōu)于NO3--N，這與2.1中的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致。其中水蔥濕地的ηNO-

圖6 各因素水平下的濕地氮磷濃度去除率Fig.6 Removal rate of nitrogen and phosphorus concentration in wetlands at different factor levels

3以及大流量時(shí)的ηNH+4均略高于梭魚(yú)草濕地，但ηTN卻偏小，主要是由于濕地本身還存在其他形式的氮素。對(duì)同一種植物來(lái)說(shuō)，3 個(gè)濕地在小流量時(shí)的氮磷去除率均要高于大流量，這是因?yàn)檫^(guò)大的流量會(huì)使水流在濕地中的停留時(shí)間過(guò)短，不足以使污染物被植物充分吸收以及微生物降解，從而降低濕地的凈化效果。同時(shí)，當(dāng)進(jìn)水流量較大時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉佥^大，從而造成污染物解吸和底泥懸浮而不利于其吸附沉降［11］。

當(dāng)入塘流量從4 m3∕h 增加到11 m3∕h 時(shí)，水蔥、再力花、梭魚(yú)草濕地的ηTN分別減少了43.1%、15.1%、58.4%，ηTP分別減少了28.6%、10.9%、41.7%，說(shuō)明增大流量對(duì)梭魚(yú)草濕地的凈化效果影響更大，對(duì)再力花濕地的影響較小，入塘流量增大時(shí)，不同植物之間的氮磷去除率差異也逐漸減小。推測(cè)在小流量時(shí)，濕地內(nèi)部的水流狀態(tài)由植物主導(dǎo)，在大流量時(shí)則以流量為主導(dǎo)。

對(duì)比梭魚(yú)草濕地運(yùn)行過(guò)程中中部和出口位置的去除率（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，出口位置去除率普遍高于中部，濕地前半部分的氮磷去除率占整體的65%～87%，說(shuō)明隨著水流在濕地中通過(guò)的路徑增加，污染物的去除率逐漸提高，且去除過(guò)程主要發(fā)生在濕地的前半部分。

與2.1相比，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中塘堰濕地的ηTN和ηTP明顯要低，ηTN和ηTP分別在15.7%～48.9%、17.7%～38.5%之間。主要原因是連續(xù)進(jìn)出水在濕地內(nèi)的水力停留時(shí)間較短。另一方面，溫度會(huì)影響濕地植物的吸收速率［25］、微生物降解率［26］和基質(zhì)吸附率［27，28］，且與總氮去除率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系［5］。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期內(nèi)（2022.10.23-10.30）的平均氣溫為15 ℃，溫度較低，凈化效果略差。

2.3 濕地植物種類和入塘流量對(duì)塘堰濕地水力性能的影響

本次示蹤試驗(yàn)的實(shí)際歷時(shí)為7.5～25.8 h，所有試驗(yàn)的示蹤劑回收率均達(dá)到90%以上，滿足一次完整的示蹤試驗(yàn)要求［29］。各組試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化示蹤曲線見(jiàn)圖8。

圖8 各因素水平下的標(biāo)準(zhǔn)化示蹤曲線Fig.8 Standardized tracer curves at different factor levels

再力花濕地在入塘流量為4 m3∕h時(shí)示蹤曲線出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，之前的研究也同樣在有植物濕地中觀測(cè)到類似的結(jié)果［30，31］，可能是由于植物的存在，以及實(shí)際試驗(yàn)中進(jìn)口水流的小幅變化，使示蹤劑擴(kuò)散團(tuán)在水流中的左右運(yùn)動(dòng)情況不一樣。雙峰分布同樣反映了濕地系統(tǒng)中的水流運(yùn)動(dòng)存在著優(yōu)先路徑。

不同植物種類和入塘流量的水力性能指標(biāo)見(jiàn)表2，各因素水平下的均值見(jiàn)圖9（圖中均值為各水平下濕地出口處水力性能的均值）。

表2 各因素水平下的水力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.2 Hydraulic parameters at different factor levels

圖9 各因素水平下的水力性能指標(biāo)均值Fig.9 Average value of hydraulic parameters at different factor levels

2.3.1 植物種類對(duì)水力性能的影響

短路是導(dǎo)致濕地水力性能下降的主要因素之一，e、φ10和MI均代表濕地的短路情況，其值越大，表示濕地的水力性能越好。本次試驗(yàn)大部分的e均在0.65 以上，并出現(xiàn)了大于1 的情況，說(shuō)明其均有較好的水流狀況。濕地的設(shè)計(jì)參數(shù)是影響其水力性能的重要因素，本次試驗(yàn)的濕地長(zhǎng)寬比設(shè)置為4∶1，植物分布均勻且水深較小，這些設(shè)計(jì)都降低了濕地發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)，保證了濕地容積較高的利用率。根據(jù)圖9 中的e來(lái)看，3 個(gè)濕地的水力性能從高到低依次為水蔥濕地（0.86）、梭魚(yú)草濕地（0.67）、再力花濕地（0.53）。φ10和MI則反映了相同的試驗(yàn)結(jié)果，水蔥濕地具有最高的φ10（0.51）和MI（0.72），表明其水力性能最佳。這一結(jié)果與Ienkins 等［32］和Guo 等［8］的研究結(jié)果類似，即細(xì)莖稈、大密度和均勻分布的水生植物濕地具有更好的水力性能。另外有研究表明，水蔥濕地的孔隙率較低，即淹沒(méi)在水中的植物部分體積占濕地總體積的比重相對(duì)較大，具有更好的去除效果和水流狀況［2］。

MDI代表濕地的混合情況，其值越大，說(shuō)明濕地水流的混合程度越高，更接近完全混合流。從表2 及圖9 中可以看出，不管是小流量還是大流量，水蔥濕地（MDI=2.14）的混合程度均最小，再力花濕地（MDI=4.09）的混合程度最大，梭魚(yú)草濕地（MDI=3.84）則介于二者之間，說(shuō)明水蔥濕地的水流形態(tài)更接近于推流。以往的許多研究也表明，理想的推流狀況有利于提高濕地的水力性能。這與短路指標(biāo)得出的結(jié)論一致，水蔥濕地的水力性能優(yōu)于梭魚(yú)草濕地，優(yōu)于再力花濕地。

2.3.2 入塘流量對(duì)水力性能的影響

入塘流量對(duì)短路指標(biāo)和混合指標(biāo)的影響不同。隨著入塘流量的增加，e從0.77 下降到0.69，φ10從0.38 下降到0.31，MI從0.67 下降到0.53，濕地水力性能逐漸降低（圖9）。這一結(jié)果也可以從標(biāo)準(zhǔn)化示蹤曲線（圖8）中得到驗(yàn)證，當(dāng)入塘流量增加時(shí)，可以明顯看出水蔥濕地和再力花濕地的示蹤曲線整體向原點(diǎn)靠近，說(shuō)明其短路程度加劇，濕地的水力性能降低。這是因?yàn)楫?dāng)入塘流量較大時(shí)，植物的莖稈會(huì)傾向于彎曲或變平，表面粗糙度以及對(duì)水流的阻力會(huì)相對(duì)減少，濕地水力停留時(shí)間減少，濕地短路流出現(xiàn)的概率增加，從而降低濕地的有效容積利用率。從MDI來(lái)看，入塘流量為4 m3∕h 時(shí)的濕地水流具有更高的混合程度，說(shuō)明流量較小時(shí)，濕地水流的短路情況較少，但混合程度較高。

2.3.3 濕地不同位置的水力性能

比較濕地中部及出口位置處的e、φ10和MI發(fā)現(xiàn)，濕地前半部分的水力性能明顯優(yōu)于整體的水力性能，試驗(yàn)中的e均在0.85 以上，且大部分超過(guò)了1，說(shuō)明濕地前半部分的水體充分參與了水流運(yùn)動(dòng)，濕地容積得到了有效利用。φ10和MI的試驗(yàn)結(jié)果也可以佐證這一結(jié)論。這也可以一定程度上驗(yàn)證梭魚(yú)草濕地中污染物的去除過(guò)程主要發(fā)生在濕地的前半部分（見(jiàn)2.2）。但濕地不同位置的MDI差異不顯著，具有隨機(jī)性。當(dāng)入塘流量為11 m3∕h時(shí)，再力花濕地中部的φ10略小于出口處，但MDI卻遠(yuǎn)大于出口位置，φ10表示標(biāo)準(zhǔn)化10%示蹤劑質(zhì)量回收的時(shí)間，其值越小，表明與理論相比示蹤劑能更快到達(dá)濕地指定點(diǎn)。再力花濕地前半部分的φ10較小，主要是因?yàn)榇罅髁考涌炝耸聚檮┰跐竦厍鞍氩糠值倪\(yùn)動(dòng)速率，并且受來(lái)水的影響，前半部分的紊動(dòng)較為劇烈，混合程度較高，因此MDI值較大。Holland 等［13］在研究流量和水深對(duì)濕地水力性能影響的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，對(duì)于濕地的凈化效果和水力性能來(lái)說(shuō)，水流的混合程度是有利的或至少是中性的。因此有關(guān)濕地水流混合的影響還需要進(jìn)一步探究。

3 結(jié) 論

基于靜態(tài)去除試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)去除及示蹤試驗(yàn)結(jié)果，探究植物種類和入塘流量對(duì)塘堰濕地的氮磷凈化效果和水力性能的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

（1）塘堰濕地的凈化效果與水力停留時(shí)間、污染物濃度、溫度、濕地植物生育期等因素有關(guān)。延長(zhǎng)水力停留時(shí)間（本文中最佳時(shí)間為一周），增加污染物濃度，溫暖的氣候以及濕地植物生長(zhǎng)旺盛的時(shí)期均有利于提高塘堰濕地的凈化效果。

（2）各濕地植物的凈化效果和水力性能存在差異。梭魚(yú)草的TN去除能力與水蔥接近，TP去除能力略優(yōu)于水蔥，水蔥濕地的水力性能優(yōu)于梭魚(yú)草濕地，再力花濕地的凈化效果和水力性能均表現(xiàn)最差。綜合凈化效果和水力性能，3 種濕地植物從高到低排序?yàn)樗[、梭魚(yú)草、再力花。

（3）隨著入塘流量的減小，濕地的氮磷去除率逐漸增加，有效容積率、短路指標(biāo)、矩指數(shù)和莫里爾離散指數(shù)增大，凈化效果和水力性能逐漸提高。

（4）植物種類對(duì)短路指標(biāo)和混合指標(biāo)的影響一致，入塘流量對(duì)二者的影響不一致，當(dāng)流量減小時(shí)，濕地水流的短路情況減少，但混合程度增加。

（5）濕地污染物的去除過(guò)程主要發(fā)生在前半部分，且濕地前半部分的水力性能明顯優(yōu)于整體的水力性能。