表面流人工湿地水动力数值模拟与空间形态设计研究

摘    要：表面流人工湿地作为一种典型的城市绿色基础设施，在风景园林设计中的应用场景不断增加，但当前其设计过程中存在水体净化效能与空间形态营造较难兼顾的技术瓶颈。从学科交叉融合的角度，以江苏省太仓市某人工湿地净化工程中的表流湿地为例，利用Delft3D软件，通过模拟表流湿地 12个方案中“岛屿”微地形或挡墙等不同要素组合下的水力效率(λ)和流速“死区”分布，分析不同方案的整体净化效能高低与内部水动力异质性特征，从而得到影响表流湿地水力特征与水体净化效能的关键空间形态要素，并提出相应的表流湿地空间形态优化策略，为表流湿地的设计提供循证依据。通过数字赋能有助于提高表流湿地实践的科学性与合理性。

 

随着“国土空间生态修复”“城市双修”等工作的不断推进深化，人工湿地(Constructed Wetland，CW)作为一种典型的绿色基础设施[1] 可提供水体净化、雨洪调节、生态教育、支持生物多样性等多种生态系统服务[2]，已被运用于河湖生态修复、滨水空间设计、城市雨洪调蓄及乡村水环境治理等实践领域。2021年国家生态环境部发布《人工湿地水质净化技术指南》[3]，进一步规范了人工湿地的设计与管理工作。人工湿地旨在通过模仿自然湿地功能，利用物理、化学和生物过程净化有待提升水质的水体，是一种生态、可持续的水资源保护及废水处理与管理方法，在水资源转化中发挥着重要作用。根据水流形态，人工湿地系统可分为表面流湿地与潜流湿地，其中潜流湿地又可进一步分为水平潜流和垂直潜流2种[4]。

表 面 流 人 工 湿 地 ( F r e e  W a t e r  S u r f a c e Constructed Wetland，FWSCW)，简称表流湿地，虽然在污染物净化效率方面不及潜流湿地，但它与天然湿地较为相似，造价与运行成本相对较低，在雨水径流调蓄、削减面源污染、增加生物多样性等方面[5]具有独特优势，同时其空间可塑性强、景观效果较好，深受风景园林师的青睐。

 

 

表流湿地依靠水生植物拦截吸附、微生物降解、土壤吸附过滤和污染物的自然沉降等系列物理和生化反应去除污染物[6]。除基质、植被、微生物、温度等影响反应速率外，表流湿地的净化能力主要受到反应时长的制约。环境工程专业通常使用“水力特征”来表征反应时长，水力特征是湿地内部水体的运动和滞留状态，它决定了实际水力停留时间[7]。表流湿地的水力特征受湿地设计参数影响，如进水流量、出入口位置等，其中空间形态的设计也非常重要。已有研究表明，表流湿地中设置的挡墙与种植挺水植物群落的“岛屿”①微地形对地表推流及其水力路径起到关键性作用；同时，相比水深、底坡等其他地形设计参数，挡墙和“岛屿”要素对人类视觉与空间体验的影响也十分显著。

 

通过文献与案例梳理发现，当前诸多表流湿地设计实践存在水体净化效能与空间形态营造较难兼顾的技术瓶颈。一方面，以环境工程专业为主导的设计专注于提高水体净化效能，空间形态塑造多采用规则平行挡墙或细长形态“岛屿”，对水深及挡墙数量、长度等因素[8]加以变化，但忽略了水生态系统服务综合价值的提升，存在“好用不好看”的缺陷。例如，Koskiaho发现细长形态的隔水设施能有效引导湿地水流提高水力效率(λ)从而提升其净化效能[9]，并逐渐形成经典“蛇形”挡墙方案；孔庆玲等研究了挡板的数量、长度变化对人工湿地净化效果的影响[10]；Guzman等[11]利用微缩模型与示踪剂方法，研究表流湿地中规则形态的“岛屿”数量、位置与水力效率(λ)的关系。

另一方面，在风景园林专业主导的设计实践中，倾向于采用有机形态的“岛屿”，从而得到空间形态较为丰富、能承载多种游憩功能、满足大众审美需求的表流湿地。但在重视空间形态营造时，易忽视实际水体净化效能[12]，致使湿地运行后可能无法达到预期的净化效果，存在“好看不好用”的风险。鉴于此，

本研究提出表流湿地的设计应打破学科壁垒，借鉴水环境与水生态的知识，从风景园林专业出发，在更有机、更多要素组合的空间形态设计需求下，通过水力特征指标，探讨表流湿地的“岛屿”微地形与挡墙设计，如高度、形态、位置等变量组合如何影响其净化效能。

 

 

采用Delft3D水动力数值模拟法，选取江苏省太仓市某人工湿地净化工程中的表流湿地为实证案例，假设不同表流湿地的“岛屿”微地形与挡墙设计方案，通过表流湿地中不同要素组合下的水力效率(λ)和流速“死区”分布，分析其不同的整体净化效能与内部水动力异质性特征，从而得到影响表流湿地水力特征与水体净化效能的关键空间形态要素，为表流湿地的空间形态设计与优化提供一定的科学依据与技术支撑。

 

1  研究方法

 

1.1  数值模拟法

 

在表流湿地水力特征的研究方法中，示踪剂实验法较为传统，数值模拟法较为前沿。近年来，国内外学者采用水动力模拟软件进行湿地研究，在整体水力特征评价的基础上进一步深入探究流场对污染物分布和降解的潜在影响，借助数值模拟结果遴选湿地方案[13-14]。Maurer等[13]通过Open FOAM软件模拟表流湿地中微污染物的分布和降解趋势与湿地流速分布的关系；万荻等[8]采用环境流体动力学模型(EFDC)建立表面流人工湿地水动力-水质耦合模型，研究隔板长度与湿地长度的比值对湿地水力特征及净化效能的影响规律；冯媛[4]通过MIKE软件模拟分析表流湿地内部流场和流速分布以选择更合适的湿地管理方案。因此，本研究将水动力数值模拟与示踪剂实验法相结合，使用Delft3D软件模拟示踪剂实验，从水体净化增效的角度，探讨表流湿地空间形态优化问题。

 

1.2  关键指标：水力效率(λ)与流速“死区”分布

 

对于表流湿地而言，从水力特征方面研究其净化效能通常通过整体水力特征评价或内部水动力异质性评价完成。对于整体水力特征评价而言[14]，相关全局评价指标与方法如表1所示[15]，水力效率(λ)指标可通过RTD曲线直接读数，并可忽略湿地体积因素，表征水流散度，能够更加全面地描述水力特征，因此本研究选取水力效率(λ)表征湿地整体净化效能的高低。对于内部水动力异质性评价而言，湿地内部的流速呈异质性分布，部分流速过低的“死区”和流速过高的“短路”区域的大小与位置同样影响净化效能，其中以“死区”影响更为显著[17]。因此，采用流速“死区”的空间分布结果来揭示湿地内部水动力异质性特征。2种评价方法都是基于表流湿地“反应时间”的研究，二者结合能较为全面地刻画不同要素组合下的水力特征，并且能在数值仿真模拟中较好地显示结果。

 

1)水力效率指标(λ)由Persson等[18]提出，代表湿地系统中水流均匀通过其容积的能力， λ值越大，表示水力效率越好、净化效能越高。其计算公式如下：

 

式中，Tp是实际水力停留时间，即湿地通过流动反应器脉冲法增加示踪剂时，出水口示踪剂浓度到达峰值时所花费的时间，可通过“停留时间分布(RTD)曲线”读取。Tn是表观水力停留时间，即湿地实际容积V与湿地流量Q的比值，其计算公式为：

 

2)流速“死区”指的是水动力不足、水体周转与污染交换速度过慢的区域，在RTD曲线上体现为曲线拖尾较长[19]。“死区”流速阈值的取值与湿地平均流速相关[17]。湿地流量恒定时，“死区”面积越大、分布越广，更快流出湿地的水体越多，导致污染物的平均停留时间和湿地系统水处理的有效体积减小，造成“短路”效应，削弱湿地的整体净化效能。因此，在利用空间营造措施增大湿地水力效率(λ)的同时，需要尽量避免出现“死区”。本研究通过数值模拟刻画表流湿地内部的流速变化与分布，分析“死区”情况，归纳不同空间形态方案下表流湿地内部水动力异质性特征。

 

 

本研究选取的表流湿地属于江苏省太仓市某人工湿地净化工程。整个工程的净化湿地总面积约11hm2，其中表流湿地长约200m，平均宽度约60m，水面面积约1.1hm2。其上游通过进水管道与潜流湿地相连，下游有排水暗渠将净化水体排入毗邻河道，并设溢流口控制水位。采用该工程表流湿地设计方案的外轮廓形态、进出水口位置、水深控制(0.3~0.7m)、池底纵坡(0.2%)等作为模型模拟的基础条件(图1)。湿地流量设计为0.012m3/s，即初始方案的表观停留时间约为4.5d，符合规范中2~10d的要求[3]，此流量下，空间形态设计应保持其容积不小于3 100m3。

 

现有文献表明，挡墙或“岛屿”的数量、长度通过延长表流湿地的水力路径长度提升水力效率[9]，水力路径越长，水流实际到达出口的时间越久，Tp值越大，水力效率越高。景观化的挡墙和“岛屿”微地形是丰富表流湿地空间形态的重要元素，但缺乏行之有效的针对性研究。本研究假设：在平面轮廓、进出口、流量、水深、植物等变量一致的前提下，挡墙设置的方向与角度，以及“岛屿”微地形的相对高度、与岸关系和平面形态，会成为影响表流湿地水力特征及其净化效能的主要因素。



以无岛无墙的表流湿地为初始方案(0-1方案)，以环工经典“平行等距挡墙”方案为水力效率优化方案参照(0-2方案)，以同样数量但随机分布的挡墙方案(0-3方案)为原型控制后续“岛屿”方案的位置和长度，尽量避免挡墙或“岛屿”数量和长度因素的干扰。主要考虑 4种空间形态要素(表2)：

 

1)根据“岛屿”微地形“高度”是否超出水面划分为“高岛”与“矮岛”；

 

2)根据位置是否“与岸相接”划分为“接岸”与“离岸”；

 

3)“岛屿”形态是“规则”还是“有机”；

 

4)离岸“岛屿”是否附加“挡墙”。由此组合并筛选形成9种空间形态设计方案，加上 3组参照组，最终形成12组空间形态方案(图2)。

 

出于控制变量的考虑，墙体数量与“岛屿”数量控制为5个，各组高岛与挡墙的长度、位置基本一致，挡墙宽度0.3m，I组及III组墙体与“岛屿”末端离岸距离一致，维持在约15m，过水距离约占湿地宽度的1/4~1/3；A组离岸“岛屿”由于形态原因与其他组位置略有不同。



如图3所示，岸线及“岛屿”的水下坡度都控制为1:4的缓坡；高岛高出水面30cm，矮岛在水面下10~20cm。

 

1.4  Delft3D水动力模拟试验

 

本研究采用荷兰代尔夫特大学WL Hydraulics研发的Delft3D模型。该模型基于流体力学原理，是水动力模拟领域主要的专业软件之一，以其开源和稳定优势在我国湖泊、河口、河流的富营养化治理，污染物扩散模拟，以及洪水水位预测等方面得到广泛应用[20]。

 

笔者所在研究团队曾在2021年采用Delft3D中的正交曲线网格坐标与交替计算法(ADI)，处理浅水湖泊曲折、复杂的边界与池底地形设计[21]，进一步开拓了数值模拟技术的应用场景。本研究通过水力效率(λ)与流速“死区”分布双指标，分析表流湿地整体净化效能的高低与内部水动力异质性特征。

 

 

表流湿地水动力数值模拟过程与步骤如图4所示，因湿地水深较浅不做分层模拟考虑。首先在Grid模块中制作网格，分别导入12种设计方案的高程信息，生成可供Flow模拟识别的Dep文件。然后使用Flow模块，设置模型参数(表3)。

 

 选取时间框架，即模拟时间，为11d，超过表观停留时间的2倍，便于全面观察RTD曲线形态。模拟时间步长、计算平滑时间、初始水位和重力加速度等使用常用值，糙率取值参考冯媛[4]、 鲁薇等[22]的研究，由于表流湿地池底有低矮植物覆盖，因此取值为0.04。风速假设为微风1m/s， 以避免较大风生流影响地形研究结果。湿地水体扩散系数与流速有关，流速越慢，扩散系数越小，根据梁永亮等[23]的研究，选取近似沼泽河口的扩散系数，取值为0.05。湿地上下游按图1位置与数量增设进出水口，设定流量为0.012m3/s。最后利用WAQ模块通过模拟进水浓度变化模拟示踪剂添加，主要参数与Flow模块中保持一致。在示踪剂初始浓度为0的条件下，于稳定运行的模型中，在时间框架的前10min持续加入浓度为10g/m3的示踪剂，并在出水口处设置观察点，以获取RTD曲线及不同设计方案下湿地内部的水力停留时间情况。

 

 通过Quickplot模块得到不同方案的RTD曲线，并读取Tp。利用Arc GIS软件，通过高程数据导入，得到不同方案的湿地容积V，继而计算出各方案的表观停留时间Tn。

 

 

2  结果分析

 

2.1  水力效率(λ)数值模拟结果比较

  

 

如图5所示，得到0编号参照组、A组规则形态矮岛、B组有机形态矮岛与C组有机形态高岛的RTD曲线，并读取其峰值对应的Tp值(精确至0.5h)。通过各方案的容积V与Tp值计算得到水力效率λ(图6)，其数值呈分段特征，从高到低排序分为以下4级。第1级：C-III(离岸有机高岛形态+挡墙)＞C-I(接岸有机形态高岛)＞A-III(离岸规则形态矮岛+挡墙)＞B-III(离岸有机形态矮岛+挡墙)；第2级：0-2≈0-3挡墙方案；第3级：C-II(离岸有机形态高岛)＞其他矮岛方案；第4级：0-1无岛无墙方案。

 

结果表明，处于第2级的0-2、0-3挡墙方案有效增加了Tp值及水力效率λ，与相关研究结论一致。离岸“岛屿”附加挡墙(III)与C-I接岸有机形态高岛方案水力效率λ均处于第1级，Tp值也大幅提高，即挡墙与“岛屿”微地形结合时同样有效。总结得到，表流湿地空间形态设计通过使用接岸且高于水面的地形或装置，完全改变水流方向并延长主流径长度，可大幅延长Tp值从而增大λ。无挡墙矮岛与离岸高岛的水力效率λ处于第3级，仍大于0-1无岛无墙，即表流湿地空间“岛屿”微地形的使用利于水力效率的提升。

 

  

由于表观停留时间的限制，即湿地容积V限制了可处理的水体流量②，V与λ值都越大越好，这也是已有研究集中于探究高容积挡墙方案的原因，因此表流湿地空间形态设计需要考虑湿地容积与水力效率的均衡性，对比λ与V值(图6)。同一基底的多方案比较，也可忽略由方案V值变化带来的λ变化，直接比较Tp值评价净化效能，综合分析以选择有协同优势的方案。

 

水力效率λ处于第1级的接岸高岛、墙岛结合的4个方案，相比平行挡墙方案都提升了景观的丰富性。四者水力效率λ差距并不大，Tp值C-I＜C-III＜A-III＜B-III，即忽略体积缩小带来的水力效率上升，B-III为四者中的最优解。如图6所示，λ值处于同一级别时，建议选择湿地容积更大的方案。同时，λ值位于第二的C-I的容积与Tp值皆与其他三者差距较大，相比于墙岛结合的方案略逊一筹，因此使用时更需要注意容积复核，即墙岛结合时，应注意控制“岛屿”体积，相同基底下，矮岛方案更能在丰富景观的同时获得更好的湿地净化效能。

 

水 力 效 率λ 第 3 级 的 方 案 中 ， C - I I 离 岸 有 机 形 态 高 岛 水 力 效 率λ 大于矮岛，即独立高岛虽然无法对主流径长度和方向产生根本影响，但对水流的影响比矮岛要大，仍可有效提升水力效率。矮岛方案无论形态、位置、容积，整体水力效率λ差距都不大，相比0-1提升效果不明显，因此其空间形态设计也相对自由，推荐使用有机形态获得更好的景观效果。进一步分析，湿地容积V值A-II＜B-I＜A-I＜B-II，Tp值A-II＜B-II＜A-I＜B-I。B-I、A-I、B-II的Tp值随湿地容积减小而增大，A-II却例外，可推测矮岛情况下，“岛屿”数量相同时，并非“岛屿”占地越大越好，主流径方向上“岛屿”所占宽度可能是更为关键的水力特征影响因素。 

 

 

部分空间形态设计手段虽然可以增加Tp值，但也可能由于地形交接角度或位置排布增加湿地“死区”分布。通过水动力数值模拟得到各方案的流速分 布(图7)，提前研判“死区”风险点位规律，以优化调整相应的空间形态。相关文献对“死区”阈值限定不一，本研究以规范[3]中要求的表流湿地表观停留时间2~10d为依据，流量Q等于平均流速乘过水面积，以此估算无岛无墙方案下理想的平均流速约为1.8×10-4~9×10-4m/s，据此，流速低于1.8×10-4m/s的区域为潜在“死区”范围，即图7中的红色区域。通过分布分析可得出如下结论。

 

1)该表流湿地原始方案由于上游与三角状潜流湿地相接，形成锐角区域，且不在水流主流线上，因此水动力明显不足。

 

2)无挡墙的矮岛方案中，“岛屿”微地形在水面下，矮岛区域的平均水流速度比周边区域快，因此“死区”易分布在远离水流主线的区域，说明矮岛与岸的相对距离影响“死区”分布。

 

3)对于C组高岛来说，水流从“岛屿”周边流过，高岛的形态与相对位置对“死区”影响较大。高岛凹处明显有更多的“死区”存在，且当高岛间距离较近又与主水流方向平行布置时(C-II)，高岛之间容易出现流速“死区”。

 

4)当使用接岸“岛屿”或挡墙时，与岸相交处，尤其是锐角部分或形态蜿蜒复杂的区域更容易水动力不足。可以从0-2、B-III、C-III的流速模拟图中看出，将锐角区域设置在水流上游一侧可以有效缓解这个问题。值得注意的是，墙岛结合时，C-III高岛、挡墙与岸交接部分的内凹空间易形成大量“死区”，影响Tp值，致Tp值 C-III＜B-III，其他情况下高岛的λ及Tp值均大于矮岛。

 

 

受限于试验条件，本研究采用了2种方式对结果进行验证。其一，采用文献对比方式，重点关注平行挡墙方案与无岛无墙方案水力效率的提升情况。例如，使用“平行挡墙或障碍物”方案后，相比于无岛无墙方案，王荣震[24]的湿地实测研究中水力效率提升了23%；Guzman等[11]使用微缩模型测得水力效率提升了25.1%；Su等[25]使用TABS-2模型模拟水力效率提升了27%。

可见水力效率相对提升的结论较为一致，提升范围多在20%~30%。本研究模拟得到的水力效率从无岛无墙到0-2平行墙体提升了32.7%(即从39.6%提升至72.3%)，与实测案例结果一致。其二，通过水质模拟辅助验证水动力模型。在实际方案原型C-III的水动力模型基础上，输入历史实测数据：COD进口浓度为32.0mg/L，COD降解常数一般取0.05~0.40[26]，本研究设为平均水平，取值0.1。得到出水模拟浓度为21.6mg/L，与实际出水浓度23.0mg/L的误差约6.1%。综上，相关模型基本可信。

 

 

3  讨论：表流湿地空间形态设计的关键参数与优化策略

 

基于以上研究，表流湿地空间形态设计应当考虑水动力问题，在湿地容积条件允许的情况下，可以使用一定数量的“岛屿”微地形或挡墙，通过控制其高度、形态、位置、方向等，从提升水力效率(图8b~8e)与避免流速“死区”(图8)两方面进行优化。

 

水力效率(λ)方面，首先考虑湿地容积复核问题，这就限制了“岛屿”微地形不宜过多过大，这也是“平行挡墙”受青睐的原因。其次，通过空间形态设计手段延长湿地主流径可促使水力效率提升，其提升程度与延长效果有关，即相同数量下，“岛屿”微地形或挡墙的高度是否高于水面是首要影响因素。相关文献推荐表流湿地使用深浅变化的地形[11]，本研究进一步揭示了矮岛虽净化效果不明显，但仍有利于提升水力效率。矮岛状态下，“岛屿”其他参数的变化对水力效率影响不大，因此形态设计可相对自由；高岛状态下，“岛屿”的位置是否接岸，以及形态方面主流径上的横截面宽度直接决定了其流径延长程度，从而同样成为关键性因素。再次，优化策略上，总结4种空间设计形式，并进行综合评 价(图8b~8e)，推荐顺序为：墙+矮岛＞接岸高岛＞挡墙＞离岸高岛+矮岛，具体设计中可根据空间营造与水体净化效能的综合需求灵活组合运用。图8中，净化面积主要为水生植物的种植面积，可种植挺水植物的矮岛相比高岛在这点上具有优势，而二者的取舍涉及更复杂的生化反应速率比较，因此建议高岛与矮岛结合使用。

 

流速“死区”方面，部分文献表明“死区”容易出现在“岛屿”或挡墙之后[17]，但结论较为简单。本研究进一步发现，首先，“岛屿”微地形的形态风格及面积大小、相对位置、与岸夹角等参数是影响“死区”面积与分布的关键因素。其次，策略运用上(图8f)，湿地平面形态需要避免过于内凹的边界或远离水流主方向的偏僻拐角，“岛屿”的形态则可以相对自由蜿蜒，但靠近岸边处不宜过于复杂。

 

设计独立“岛屿”时，形态内凹处应尽量处于主水流迎水方向，且以长边与水流方向垂直为宜。高岛需要注意相互间的距离关系，尽量错开设置，避免平行于水流方向密集排布。再次，墙或“岛屿”接岸时，与边界夹角的设计应尽量将锐角设置在上游一侧。最后，客观条件无法避免时，可以选择增加进水管均匀布水，在易形成“死区”的部位增加水生植物或喷泉、曝气器等水动力辅助设施。

 

 

4  结论

 

    作为一种重要的绿色基础设施，裘流湿地日益受到风景园林专业的重视。在实践应用过程中，通过学科融合与数值模拟技术的赋能，可有效避免单纯从空间美学出发的经验主义设计。本研究聚焦裘流湿地地形设计，选取实证案例，采用DeIft3D数值模拟法，探讨“岛屿”微地形和挡墙影响下不同空间形态设计方案的水力效率和流速分布，揭示其整体净化效能与内部水动力异质性特征和空间形态的关系。研究结论如下。

    

    1)Delft3。可应用于裘流湿地模拟，并帮助研判不同空间形态方案的优劣，为方案优化或多方案比选提供参考，完成“设计一分析一评价一再设计”的全过程。

    

    2)通过12个方案的研究比选，得到在水力效率(入)方面，裘流湿地“岛屿”空间形态设计的首要参数是高度，此外，高岛的位置是否接岸、形态上主流径方向的横截面宽度共同决定水力效率；流速“死区”方面，“岛屿”形态风格及面积大小、相对位置、与岸夹角等是关键性参数，“死区”参数可在水力效率参数的基础上提供细节优化。

    

    本研究总结了水力效率和流速“死区”两方面的优化设计策略，不仅打破了学科壁垒，而且有助于提高景观水文实践中的科学性，为裘流湿地设计提供技术支撑与参考，通过数字赋能为更加合理、精确的景观水文设计提供循证依据。

    

        受到模拟试验的限制，未来还可做进一步的探索:

        

        1)裘流湿地空间形态要素组合难以穷举，本研究仅采取了设计常用的3类变量加以尝试，未来可以做进一步的深化研究；

        

        2)DeIft3D水动力数值模拟还需考虑植物变量的多样性，当前模型是通过调节糙率来控制变量，未来可结合其他软件或研发相关程序，做出更精细化的讨论；

        

        3)水力效率与流速分布能够在一定程度上裘征裘流湿地的净化效能，但其实际净化效能需要通过长期的数据监测进行数理模型的研究，揭示其中的影响机理。