CN106680326B - 一种潜流人工湿地堵塞的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潜流人工湿地堵塞的探测方法，主要应用于潜流人工湿地堵塞的探测。该发明基于潜流湿地堵塞区域所含沉积物会导致其持水能力增强的特点，利用潜流湿地排空水分后，湿地床含水率随着堵塞程度增加而增加，进而造成湿地床视电阻率随着堵塞程度增加而降低的特点，采用温纳法电阻率测量技术，测量并计算出测定区域的视电阻率，并根据视电阻率大小定位堵塞区域以及判断堵塞程度。本发明可以准确定位堵塞区域，并能判断出堵塞区域的相对堵塞程度，对潜流人工湿地的可持续运行提供了技术支撑，本发明具有精确度高、破坏性小、操作简单、实施成本低等优点。

Description

一种潜流人工湿地堵塞的探测方法

技术领域

本发明涉及一种潜流人工湿地堵塞的探测方法，属于生态环境保护技术领域。

背景技术

人工湿地系统应用在污水深度处理中具有建设和运行费用低、操作方面、处理能力强以及兼顾景观效应能优点，其在运用越来越广泛。潜流人工湿地污水处理是在微生物降解、植物吸收、填料吸附等共同作用下完成的。相比表流湿地潜流人工湿地的水流方式和结构特点提高了微生物污水净化能力，并能减少季节变化带来的影响以及蚊蝇滋生的问题，但是潜流人工湿地填料堵塞问题影响了此系统的可持续运行。

此前，人们对人工湿地堵塞的预判方法有观察法、堵塞物质测定法、渗透系数测定法、示踪剂测定法等。这些方法在推广应用过程中都存在很大的缺陷，其中观察法具有严重的滞后性；堵塞物质测定法只能进行定性分析；渗透系数法仅限于某点的测定，且操作相对复杂；示踪剂法只能对湿地进行整体评价，而且会产生二次污染。

近几年有研究利用电阻率差异进行人工湿地堵塞定位，此方法是以堵塞区域及未堵塞区域电阻率差异为基础，此前研究是在湿地运行时直接进行电阻率测量，一般认为：人工湿地的堵塞区域一般表现为相对高电阻率特征，未堵塞区域表现为相对低电阻率特征。

当前人们对人工湿地堵塞的研究还在不断完善中，其中潜流湿地堵塞区域的定位以及堵塞程度的判定至关重要，这些基础信息的掌握可以为预防区域堵塞恶化以及治理区域堵塞提供有力的技术保障。

发明内容

针对现有技术中利用电阻率差异进行人工湿地堵塞定位，而本发明研究发现潜流湿地处于水饱和状态时其堵塞和未堵塞区域电阻率无明显差异，在水体饱和状态下测量湿地床中沉积物质量比为0、10％、20％和30％的基质视电阻率分别为26.68ohm·m、28.69ohm·m、29.67ohm·m和28.52ohm·m，因此依据堵塞直接造成电阻率的差异进行定位，在具体实施时此方法的准确度不能得到保证。

相比湿地填料，堵塞沉积物有持水能力强的特征，水含量越高其电阻率相对越低，因此在湿地床水体排空后，堵塞区域表现出视电阻率低的特性，并且随着沉积物累积增加，其视电阻率逐渐降低，根据这些特点可对湿地堵塞进行定位和定量分析。经调研，依据此原理进行潜流湿地堵塞的定性及定量测定还未有报道。

根据现有技术中的不足和本发明的研究发现，本发明采用以下技术方案：

一种潜流人工湿地堵塞的探测方法，首先将潜流人工湿地水体排空，然后对水体排空后的潜流人工湿地床体进行视电阻率测量，排空后堵塞区域中所含堵塞沉积物持水能力强，进而测得此区域视电阻率低于未堵塞区域，由此能够对堵塞区域进行定位分析；堵塞程度越严重的区域其视电阻率相对越低，由此能够对堵塞程度进行定量分析。

本发明所述探测方法适用于水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。

优选的，潜流人工湿地排水系统或水位控制系统运行正常，采用潜流人工湿地排水系统进行水体排空，当人工湿地的水位显示为0，则表明水体已排空。

优选的，所述潜流人工湿地床体内填料的种类混合与粒径分布均匀，不均匀的填料易引起堵塞程度定量分析误差，填料层上无土壤覆盖表层，排空后潮湿土壤视电阻率较低，因此若有土层覆盖，易造成测定结果偏差。

优选的，人工湿地床体视电阻率的测量在排空后24小时内完成测量，研究发现，随着排空后时间的推迟，未堵塞区域以及各个程度的堵塞填料所表现出的视电阻率具有逐渐增加的趋势，各个程度的堵塞填料的含水量降低，当超过24h后，无法明显区分较轻程度的堵塞区域。

优选的，所述探测方法在秋冬季潜流湿地表面植物收割后进行，秋冬季植物收割是常用湿地堵塞的防治方法，此时进行探测可以方便测定方案的实施，并减少对系统的影响。

优选的，视电阻率测量选用温纳法。具体方法如下：潜流人工湿地填料表层沿水流方向或沿垂直于水流方向均匀布设电极，电极直径为1cm～2cm的金属棒，电极插入填料层深度为10cm～20cm，电极间距为40～100cm，相邻电极间距离相同，皆为L，经试验验证，在此参数范围内可以保证测量结果准确可靠，且测定工作量低。

进一步的，相邻两电极M、N为测量电极，测量电极连接电压表，测量电极两侧电极A、B为供电电极，供电电极连接交流电源和电流表，A、B两电极间施加交流电压为12V～36V，在此范围内测定结果较稳定，且在安全电压以内，对系统的水处理能力影响较小，根据欧姆定律计算出M、N两电极间的电阻为R_x，M与N电极间基质的视电阻率ρ_x＝2πL R_x。

进一步的，任意相邻四个电极皆可组成测量电极和供电电极系统，沿电极布置方向测量，得出电极布置方向相邻各个电极间的视电阻率ρ_x。

进一步的，在平行于电极布设方向布设其它电极组，相邻两组电极的间距为40cm～100cm。

潜流湿地水体排空后堵塞区域视电阻率低于未堵塞区域，根据此特征进行定位分析；堵塞程度越严重的区域视电阻率相对越低，根据此特征进行定量分析。

按照以上方式进行单组电极测量，即可得到潜流湿地在此电极组布设方向剖面的堵塞信息，利用此方法在平行电极组进行测量，以确定整个湿地床体内堵塞区域的分布。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明选择利用在潜流湿地水体排空后进行视电阻率测量，排空后堵塞区域中沉积物持水能力强，进而此区域视电阻率较低，并且堵塞越严重的区域其视电阻率相对越低，因此本方法不仅可以有效的对堵塞区域进行定位分析，还可以对堵塞程度进行定量分析；采用了温纳法测量电阻，不仅结果准确可靠，还便于计算，方便后续的数据分析；本发明对堵塞程度较低的堵塞区域有更高的区分能力，因此其使用性广泛，实用价值高；此方法提供了一种无损基质的堵塞定位方法，操作简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明一种潜流人工湿地堵塞的探测方法探测示意图。

图2为本发明实施例1排空后不同堵塞程度填料视电阻率随时间变化曲线图。

图3为本发明实施例2发生堵塞的潜流湿地不同区域视电阻率分布图。

其中，1-1为未堵塞区域，1-2为堵塞区域，1-3为电极，1-4为交流电源，1-5为电流表，1-6为电压表；2-1为未堵塞填料对应的视电阻率曲线，2-2为沉积物比重为2％的填料对应的视电阻率曲线，2-3为沉积物比重为5％的填料对应的视电阻率曲线，2-4为沉积物比重为10％的填料对应的视电阻率曲线，2-5为沉积物比重为15％的填料对应的视电阻率曲线，2-6为沉积物比重为20％的填料对应的视电阻率曲线，2-7为沉积物比重为30％的填料对应的视电阻率曲线；3-1为沉积物比重为15％的堵塞区域，3-2为沉积物比重为10％的堵塞区域，3-3未堵塞区域，3-4为沉积物比重为25％的堵塞区域，3-5为布设电极，3-6为对应位置的视电阻率值。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

一种潜流人工湿地堵塞的探测方法，主要应用于潜流人工湿地堵塞的探测，潜流人工湿地床体内填料的种类混合与粒径分布均匀，填料层上无土壤覆盖表层。潜流人工湿地填料表层沿水流方向或沿垂直于水流方向均匀布设电极，电极直径为1cm～2cm的金属棒，电极插入填料层深度为10cm～20cm，电极间距为40～100cm，相邻电极间距离相同，皆为L。相邻两电极M、N为测量电极，测量电极连接电压表，测量电极两侧电极A、B为供电电极，供电电极连接交流电源和电流表，A、B两电极间施加交流电压为12V～36V，根据欧姆定律计算出M、N两电极间的电阻为R_x，M与N电极间基质的视电阻率ρ_x＝2πL R_x。任意相邻四个电极皆可组成测量电极和供电电极系统，沿电极布置方向测量，得出电极布置方向相邻各个电极间的视电阻率ρ_x。在平行于电极布设方向布设其它电极组，相邻两组电极的间距为40cm～100cm。潜流湿排水系统或水位控制系统运行正常，湿地床体视电阻率的测量要在潜流湿地中水体排空后进行，且在排空后24小时内完成测量。此测量方法的实施在秋冬季潜流湿地表面植物收割后进行。潜流湿地水体排空后堵塞区域视电阻率低于未堵塞区域，根据此特征进行定位分析；堵塞程度越严重的区域视电阻率相对越低，根据此特征进行定量分析。

按照以上方式进行单组电极测量，即可得到潜流湿地在此电极组布设方向剖面的堵塞信息，利用此方法在平行电极组进行测量，以确定整个湿地床体内堵塞区域的分布。

如图1所示，本发明根据潜流湿地水体排空后未堵塞区域1-1视电阻率高于堵塞区域1-2进行定位分析；堵塞程度越严重的区域视电阻率相对越低，根据此特征进行定量分析。下面是该原理下的两个具体实施方案。

实施例1：

水体排空后不同堵塞程度填料视电阻率随时间变化规律。

该实施例的人工湿地采用人工制作的不同程度堵塞的潜流人工湿地模型，如图1所示，不同堵塞程度填料视电阻率的测定采用温纳法，电极1-3使用直径为1.5cm的铜棒，电极1-3长20cm，插入填料深度为15cm，相邻电极1-3间距离皆为40cm，相邻两电极M、N为测量电极，测量电极连接电压表1-6，测量电极两侧两电极A、B为供电电极，供电电极连接交流电源1-4和电流表1-5。

湿地床体内水体排空后开始进行视电阻率测量，测量时A、B电极间间施加交流电压为24V，同时读电流表1-5和电压表1-6所显示数值，计算M、N两电极间的电阻为R_x，M与N电极间基质的视电阻率ρ_x＝0.8πR_x。

从图2的水体排空后不同堵塞程度填料视电阻率随时间变化曲线可以得出，堵塞沉积物比重从0％-30％所对应的视电阻率曲线2-1至2-7在y轴坐标上依次排列，堵塞程度越严重，其视电阻率越低，其变化关系与填料类型、水体中离子浓度、外界环境有关，随着排空后时间的推迟，各个程度的堵塞填料所表现出的视电阻率有逐渐增加的趋势，但不同堵塞程度填料的视电阻率无交点。

实施例2：

发生堵塞的潜流湿地不同区域视电阻率分布。

该实施例的人工湿地采用人工制作的不同程度堵塞的潜流人工湿地模型，如图3所示，潜流人工湿地床前端为沉积物比重为15％堵塞区域3-1，之后是沉积物比重为10％的堵塞区域3-2，在之后是未堵塞区域3-3，此种现象为潜流湿地进水口颗粒物沉降造成的堵塞；在未堵塞区域中间为沉积物比重为25％的堵塞区域3-4，此种堵塞为潜流湿地内部水流不均匀形成的区域堵塞。

电极3-5使用直径为1.5cm的铁棒，电极3-5插入填料深度为15cm，沿着水流方向布设，电极3-5间距为40cm，湿地床体水体排空后开始进行测量，测量时供电电极施加电压为36V，同时读电流表和电压表数值，记录，计算测量电极间的视电阻率ρ_x＝0.8πR_x，得出其对应位置的视电阻率值3-6。

从图3中的潜流湿地床对应位置的视电阻率值3-6可以看出，堵塞区域3-1、3-2和3-4测量得出的视电阻率相对较低，且与未堵塞区域3-3差异显著，因此可以明确区分堵塞产生区域所在位置，另外堵塞区域3-1测量的视电阻率结果比堵塞区域3-2测量出的结果低，说明堵塞区域3-1的堵塞程度比堵塞区域3-2严重，可以实现堵塞程度的定量分析，而堵塞最严重的区域3-4视电阻率测定结果却大于区域3-1的结果，造成此现象的原因可能是测定电极布设位置在区域3-4和区域3-3交接处，故造成了一定的误差。由于真正的规模化潜流湿地基质堵塞程度是逐渐变化的，相邻区域堵塞程度相差不会特别大，因此在规模化潜流人工湿地可以避免这种现象发生。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种潜流人工湿地堵塞的探测方法，首先将潜流人工湿地水体排空，然后对水体排空后的潜流人工湿地床体进行视电阻率测量，排空后堵塞区域中所含堵塞沉积物持水能力强，进而测得此区域视电阻率低于未堵塞区域，由此能够对堵塞区域进行定位分析；堵塞程度越严重的区域其视电阻率相对越低，由此能够对堵塞程度进行定量分析；

所述潜流人工湿地床体内填料的种类混合与粒径分布均匀，填料层上无土壤覆盖表层；

人工湿地床体视电阻率的测量在排空后24小时内完成测量；

潜流人工湿地填料表层沿水流方向或沿垂直于水流方向均匀布设电极，电极直径为1cm～2cm的金属棒，电极插入填料层深度为10cm～20cm，电极间距为40～100cm，相邻电极间距离相同，皆为L；

相邻两电极M、N为测量电极，测量电极连接电压表，测量电极两侧电极A、B为供电电极，供电电极连接交流电源和电流表，A、B两电极间施加交流电压为12V～36V，根据欧姆定律计算出M、N两电极间的电阻为R_x，M与N电极间基质的视电阻率ρ_x＝2πL R_x。

2.如权利要求1所述的探测方法，其特征是：所述探测方法在秋冬季潜流湿地表面植物收割后进行。

3.如权利要求1所述的探测方法，其特征是：潜流人工湿地排水系统或水位控制系统运行正常，采用潜流人工湿地排水系统进行水体排空，当人工湿地的水位显示为0，则表明水体已排空。

4.如权利要求1所述的探测方法，其特征是：视电阻率测量选用温纳法。

5.如权利要求1所述的探测方法，其特征是：任意相邻四个电极皆可组成测量电极和供电电极系统，沿电极布置方向测量，得出电极布置方向相邻各个电极间的视电阻率ρ_x。

6.如权利要求1所述的探测方法，其特征是：在平行于电极布设方向布设其它电极组，相邻两组电极的间距为40cm～100cm。