CN114544455A - 一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，通过在潜流人工湿地中预置渗透系数测定管，渗透系数测定管采用系统随机布点法进行分布，以涵盖不同区域和深度的湿地基质；在湿地首次通水后，利用水位仪对各渗透系数测定管逐一进行渗透系数测定，得到初始渗透系数K0；需要进行湿地堵塞程度判断时，再利用水位仪进行一次渗透系数测定，得到二次渗透系数Kn；将测定得到的初始渗透系数K0与二次渗透系数Kn进行比较，以对潜流湿地堵塞程度进行判断。采用本发明中的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，可精确测定湿地范围内不同区域和深度的渗透系数，从而判断湿地的堵塞程度，为湿地建设和运维提供有效技术支持。
Description
技术领域
本发明属于污水治理技术领域，具体涉及一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法。
背景技术
作为热门的生态处理工艺,目前人工湿地已经被广泛运用于农村污水处理、河水净化、污水厂尾水深度处理等生态处理过程。
根据相关技术规范要求，人工湿地的寿命要求一般为20～50年，实际上除工程质量外，堵塞问题成为目前影响人工湿地运行寿命的主要因素。人工湿地运行中，如出现非人为调控原因导致的表面雍水、恶臭、出水水质严重下降等现象，即可判断为堵塞。堵塞是一个物理、化学、生物共同作用的结果，湿地堵塞的过程实质上就是有效孔隙率减少的过程，孔隙率的急剧下降必然会引起湿地过流能力的降低，污水会在湿地表面形成漫流，从而降低了污水净化的功能，影响湿地的处理效果及长期运行的稳定性。导致人工湿地堵塞的原因有很多，主要包括填料级配不合理、进水悬浮物浓度偏高、有机负荷较高、植物残体堵塞、运行不当等。
目前针对潜流人工湿地的堵塞问题，首要工作就是准确地评价潜流人工湿地的堵塞程度，评价堵塞程度的方法有很多，如微生物燃料电池法、探地雷达法等，上述方法均能在一定程度上判断湿地的堵塞状况，但由于专业性较强，对操作人员和仪器的要求均较高而在实际工程中较少应用。同时由于湿地的运行年限长，电阻率法和水温感知法等需在湿地布设电极或传感器的方法很难保证后期运行的质量和信号传输问题。
因此需要开发一种简便、可靠的潜流人工湿地堵塞区域的定位以及堵塞程度的方法，以为湿地黑箱模型的搭建提供有利的技术支持，同时对预防湿地堵塞提供理论保障。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，利用渗透系数法的原位测定技术，通过在湿地预埋测定管，操作人员只需测量计算出一定时间内湿地床体的压力水头差，即可根据公式计算出渗透系数以精确反映出湿地的堵塞程度。渗透系数法操作简单，成本低，能够具体反映出采样点的堵塞程度，可直接用于湿地的建设中推广使用。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，所述方法包括如下步骤：
S1、在潜流人工湿地设置渗透系数测定管，渗透系数测定管的布设涵盖不同区域和深度的湿地基质；
S2、在所述潜流人工湿地首次通水后，利用出水阀门控制湿地液位，对不同长度的各渗透系数测定管进行液位高度测定，通过计算得到相应的不同深度湿地基质初始渗透系数K0；
S3、需要进行湿地堵塞程度判断时，再次对所述不同长度的各渗透系数测定管进行液位高度测定，通过计算得到相应的不同深度湿地基质二次渗透系数Kn；
S4、将计算得到的不同深度的初始渗透系数K0以及二次渗透系数Kn进行对比，以对所述潜流人工湿地堵塞程度进行判断。
进一步,在建设所述潜流人工湿地时，将所述渗透系数测定管预先设置于所述潜流人工湿地床体内。
进一步,所述潜流人工湿地床体内基质粒径分布和铺设方式均匀，将湿地基质在垂直方向上分为三层：上方隔离层、中间功能层以及底部承托层，所述上方隔离层厚度为b，所述中间功能层厚度为g，所述测定管的底部位于中间功能层区域内，所述测定管的顶部高出基质层的高度a≥20cm。
进一步,所述渗透系数测定管的长度l的取值为：a+b＜l＜a+b+g，所述各渗透系数测定管的长度l取值为等差数列。
进一步,所述渗透系数测定管采用所述系统随机布点法进行布置，具体包括：采用网格的方式将一块湿地划分为面积相等的几部分，每网格布设一个渗透系数测定管，所述渗透系数测定管布设在每一竖行和每一纵裂上的长度l均不相同。
进一步,所述对不同长度的各渗透系数测定管进行液位高度测定步骤为：
S21、将所述渗透系数测定管和出水阀门在垂直方向上分为若干级，通过控制出水管上不同高度的阀门，使所述潜流人工湿地液位保持在不同水平，使其刚好没过需要测量的所述渗透系数测定管底部；
S22、向所述渗透系数测定管中连续倒水至管顶下方距离M处，停止倒水，将此时的液位高度记为h1；
S23、令水位自然下降直至读数在某一值上保持不变，将此时的液位高度记为h2，将液位从h1降至h2经过的时间记为t。
进一步,所述初始渗透系数K0及所述二次渗透系数Kn中的渗透系数根据以下公式进行计算：
其中K为渗透系数，h1为0时刻液位高度，h2为t时刻液位高度，d 为管子孔径，L为管子穿孔水下长度，t为液位从h1降至h2经过的时间。
进一步,所述堵塞程度判断方法为：
对于同一潜流人工湿地，计算堵塞程度判断系数
式中：Kn为某一时段测定的渗透系数；K0为湿地首次通水时测定的基质渗透系数背景值；当0＜θ＜k1时，表示湿地轻微堵塞，当k1＜θ＜k2时，表示湿地中度堵塞，当k2＜θ＜k3时，表示湿地严重堵塞，当k3＜θ＜k4时，表示湿地完全堵塞,其中k1、k2、k3及k4均为预设阈值，k1＜k2＜k3＜k4≤100％。
进一步,所述潜流人工湿地包括垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地。
本发明的效果在于：采用本发明所公开的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，可以有效解决湿地运行过程中堵塞程度的监测问题，以便及时调整运行方式和采取有效措施预防和缓解湿地堵塞，延长湿地使用寿命，以及减少湿地堵塞带来的整修费用，即使需要整修，也可将整修区域定位到尽量小的范围内，以减少不必要的开支。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法中垂直潜流湿地渗透系数测定管分布剖面图；
图2为本发明实施例所述的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法中渗透系数测定管6与管套10的位置关系图；
图3为本发明实施例所述的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法中垂直潜流湿地渗透系数测定管分布平面图；
图4为本发明实施例所述的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法中湿地堵塞程度与测定管长度之间的关系拟合图；
图中：1-湿地进水布水管、2-湿地出水管、3-隔离层、4-中间功能层、 5-底部承托层、6-渗透系数测定管、7-压力探头、8-数据传输线、9-数据处理单元、10-管套、11-出水阀门、11-1-第一顺位出水阀门、11-2-第二顺位出水阀门、11-3-第三顺位出水阀门、11-4-第四顺位出水阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例一
在本实施例中，以北京市某处用于农村污水处理的垂直潜流人工湿地为例，对本发明所公开的方法进行举例说明，但对此不作限定，事实上本发明所公开的方法同样适用于水平潜流人工湿地。
如图1所示，在本实施例中，湿地进水布水管1从湿地基质上端布水，所述潜流人工湿地床体内基质粒径分布和铺设方式均匀，将湿地基质在垂直方向上分为三层：三层分别为上方隔离层3、中间功能层4以及底部承托层5。
上方隔离层3由8～16mm的陶粒组成，具有保温和隔离异味的作用，上方隔离层3的厚度为b，在本实施例中厚度b为0.2m，中间功能层4由1～5mm的沸石和河沙混合形成，中间功能层4的厚度为g，在本实施例中厚度g为0.8m，底部承托层5由16～32mm的石灰石组成，底部承托层5 的厚度为0.2m。湿地出水采用阀门11控制，湿地出水管2顶端高度1m，第一顺位阀门高度0.8m，第二顺位阀门0.6m，第三顺位阀门0.4m，第4 顺位阀门0.1m。
本发明所公开的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，包括以下步骤:
S1、在潜流人工湿地设置渗透系数测定管6，渗透系数测定管6的布设涵盖不同区域和深度的湿地基质。
在湿地铺设渗透系数测定管6，渗透系数测定管6为高密度聚乙烯HDPE 管或镀锌钢管或PVC管。如图2所示，渗透系数测定管6顶部设有管套 10，所述渗透系数测定管6的底部位于中间功能层4区域内，所述渗透系数测定管6的顶部高出湿地基质的高度a不小于20cm。
渗透系数测定管6内径d为80～160mm，内径d优选为110mm，壁厚 3.2～5.5mm，壁厚优选为5.3mm。为了确保所述渗透系数测定管6的底部位于中间功能层4区域内，渗透系数测定管6长度l的取值为：a+b＜l＜ a+b+g。渗透系数测定管6需要具备一定的硬度，能够承压0.8Mpa；管套 10材质为低密度聚乙烯LDPE，长80mm，内径121mm。
如图3所示，在本实施例中，渗透系数测定管6的铺设方式采用随机布点法，即采用网格的方式将一块湿地划分为面积相等的几部分，每网格布设一个测定管，测定管的布设在每一竖行和每一纵裂上的长度均不相同，渗透系数测定管6的长度l取等差数列值，以保证在湿地不同高度和平面上测定数据的广泛性，湿地划分区域大小按照每块垂直潜流湿地建设面积的5％～20％取值，优选为6.25％。在本实施例中，渗透系数测定管6的长度l依次为：1.1m、0.9m、0.7m和0.5m。
S2、在潜流人工湿地首次通水后，利用出水阀门控制湿地液位，使用水位仪对不同长度的各渗透系数测定管6进行液位高度测定，通过计算得到相应的不同深度湿地基质初始渗透系数K0。
通过对不同长度的渗透系数测定管6进行液位测量来判断不同深度湿地基质的渗透性能。
水位仪选用投入式液位计，水位仪包括压力探头7、数据传输线8和数据处理单元9，数据处理单元9可实时记录时间和水位值。水位仪测定量程大于3m，在本实施例中水位仪测定量程为5m，输出频率0.1s，测定精度0.5％。
渗透系数K的计算公式为
其中K为渗透系数，cm/min；h1为0时刻液位高度，cm；h2为t时刻液位高度，cm；d为管子孔径，cm；L为管子穿孔水下长度，cm；t为时间， min。
液位高度的测量方法为：
S21、将渗透系数测定管6和出水阀门在垂直方向上分为4级，通过控制湿地出水管2上不同高度的阀门，使液位保持在不同水平，使其刚好没过需要测定高度的渗透系数测定管6底部，即令渗透系数测定管6穿孔水下长度L＞0；
S22、将水位仪探头放入渗透系数测定管6底部，向渗透系数测定管6 中连续倒水至渗透系数测定管6顶下方5cm处，打开仪器开始读数，水位仪可以自动记录时间和液位变化情况，继续向所述渗透系数测定管中加水至管顶有少许溢流，保持2s时间后停止倒水，将此时的液位高度记为h1；
S23、令水位自然下降直至读数在某一值上保持不变，将此时的液位高度记为h2。，将液位从h1降至h2经过的时间记为t。
在本实施例中，每个点位重复测定多次，选取误差小于2％的3次测定结果的平均值用于该点位的渗透系数计算。
关闭所有出水阀门，可以测定所有点位的渗透系数；打开第一顺位阀门11-1，可以测定除0.5m外其他点位的渗透系数；打开第二顺位阀门11-2，可以测定1.1m和0.9m点位的渗透系数，打开第三顺位阀门11-3，仅能测定1.1米管长处的点位，打开第四顺位阀门11-4，可以进行湿地排空；通过调节出水阀门来控制湿地液位以满足不同运行需要。
S3、潜流人工湿地运行一段时间后，需要检查湿地堵塞情况时，使用水位仪再次对不同长度的各渗透系数测定管6进行液位高度测定，通过计算得到相应的不同深度湿地基质二次渗透系数Kn。
潜流人工湿地运行2年后，需要检查湿地堵塞情况时，利用水位仪对布设管道再次逐一进行渗透系数测定。每个点位重复测定多次，选取误差小于2％的3次测定结果的平均值用于该点位的渗透系数计算。
S4、将计算得到的各点位的初始渗透系数K0以及二次渗透系数Kn进行对比，即可对潜流人工湿地堵塞程度进行判断。
堵塞程度判断方法为：对于同一潜流人工湿地，根据以下公式计算堵塞程度判断系数：
式中：θ为堵塞程度判断系数；Kn为某一时段测定的渗透系数；K0为湿地首次通水时测定的基质渗透系数背景值；
当0＜θ＜k1时，表示湿地轻微堵塞，当k1＜θ＜k2时，表示湿地中度堵塞，当k2＜θ＜k3时，表示湿地严重堵塞，当k3＜θ＜k4时，表示湿地完全堵塞,其中k1、k2、k3及k4均为预设阈值，k1＜k2＜k3＜k4≤100％。
在本实施例中，以当0＜θ＜25％时，表示湿地轻微堵塞，当25％＜θ＜50％时，表示湿地中度堵塞，当50％＜θ＜75％时，表示湿地严重堵塞，当75％＜θ＜100％时，表示湿地完全堵塞进行举例说明，但对此不作限定。
在本实施例中，采用上述方法进行计算得到的渗透系数测定值K和堵塞程度判断系数θ如表1所示。
表1 不同点位的渗透系数值及堵塞程度判断系数
表1中第一行、第二行、第三行以及第四行分别代表与进水管平行但测定深度均不同的水平方向的行，其中第一行、第二行、第三行以及第四行依次从上往下布置，每一行布置的渗透系数测定管高出湿地基质的高度相同，测定的湿地基质深度不同，以第一行布置的渗透系数测定管测定的湿地基质深度依次增加为基准，对其他三行的渗透系数测定管进行排列组合，以保证在垂直方向的同一列上布置的渗透系数测定管的测定深度也不相同。由表1可以看出，运行两年的垂直潜流人工湿地均出现堵塞的情况，但程度较轻，同时将表1中的数据进行拟合，得到图4中所示的湿地堵塞程度与测定管长度之间的关系图，测定管的长度代表着测定湿地基质的深度，可以看出，垂直潜流人工湿地上端布水的情况下，表层基质堵塞的程度最严重，然后随着基质深度依次递减，底部基质堵塞程度较轻。
通过上述实施例可以看出，本发明公开的一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，可以有效解决实地运行过程中堵塞程度的监测问题，以便及时调整运行方式和采取有效措施预防湿地堵塞，延长湿地使用寿命，以及减少湿地堵塞带来的整修费用，即使需要整修，也可将整修区域定位到尽量小的范围内，以减少不必要的开支。
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (9)
1.一种潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，所述方法包括如下步骤：
S1、在潜流人工湿地设置渗透系数测定管，渗透系数测定管的布设涵盖不同区域和深度的湿地基质；
S2、在所述潜流人工湿地首次通水后，利用出水阀门控制湿地液位，对不同长度的各渗透系数测定管进行液位高度测定，通过计算得到相应的不同深度湿地基质初始渗透系数K0；
S3、需要进行湿地堵塞程度判断时，再次对所述不同长度的各渗透系数测定管进行液位高度测定，通过计算得到相应的不同深度湿地基质二次渗透系数Kn；
S4、将计算得到的不同深度的初始渗透系数K0以及二次渗透系数Kn进行对比，以对所述潜流人工湿地堵塞程度进行判断。
2.如权利要求1所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于：在建设所述潜流人工湿地时，将所述渗透系数测定管预先设置于所述潜流人工湿地床体内。
3.如权利要求1所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于：所述潜流人工湿地床体内基质粒径分布和铺设方式均匀，将湿地基质在垂直方向上分为三层：上方隔离层、中间功能层以及底部承托层，所述上方隔离层厚度为b，所述中间功能层厚度为g，所述测定管的底部位于中间功能层区域内，所述测定管的顶部高出基质层的高度a≥20cm。
4.如权利要求3所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于：所述渗透系数测定管的长度l的取值为：a+b＜l＜a+b+g，所述各渗透系数测定管的长度l取值为等差数列。
5.如权利要求4所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于：所述渗透系数测定管采用所述系统随机布点法进行布置，具体包括：采用网格的方式将一块湿地划分为面积相等的几部分，每网格布设一个渗透系数测定管，所述渗透系数测定管布设在每一竖行和每一纵裂上的长度l均不相同。
6.如权利要求1所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于：所述对不同长度的各渗透系数测定管进行液位高度测定步骤为：
S21、将所述渗透系数测定管和出水阀门在垂直方向上分为若干级，通过控制出水管上不同高度的阀门，使所述潜流人工湿地液位保持在不同水平，使其刚好没过需要测量的所述渗透系数测定管底部；
S22、向所述渗透系数测定管中连续倒水至管顶下方距离M处，停止倒水，将此时的液位高度记为h1；
S23、令水位自然下降直至读数在某一值上保持不变，将此时的液位高度记为h2，将液位从h1降至h2经过的时间记为t。
7.如权利要求6所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于，所述初始渗透系数K0及所述二次渗透系数Kn中的渗透系数根据以下公式进行计算：
其中K为渗透系数，h1为0时刻液位高度，h2为t时刻液位高度，d为管子孔径，L为管子穿孔水下长度，t为液位从h1降至h2经过的时间。
8.如权利要求7所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于，所述堵塞程度判断方法为：
对于同一潜流人工湿地，计算堵塞程度判断系数
式中：Kn为某一时段测定的渗透系数；K0为湿地首次通水时测定的基质渗透系数背景值；当0＜θ＜k1时，表示湿地轻微堵塞，当k1＜θ＜k2时，表示湿地中度堵塞，当k2＜θ＜k3时，表示湿地严重堵塞，当k3＜θ＜k4时，表示湿地完全堵塞,其中k1、k2、k3及k4均为预设阈值，k1＜k2＜k3＜k4≤100％。
9.如权利要求1所述的潜流人工湿地堵塞定位和堵塞程度判断方法，其特征在于：所述潜流人工湿地包括垂直潜流人工湿地和水平潜流人工湿地。
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