EPANET模型在人工湿地配水管网设计中的应用

王长普，李慧峰，林 超，周绪申

（1.河南省安阳水文水资源勘测局，河南 安阳 455000；2.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.海河流域水资源保护局，天津 300170）

1 引言

人工湿地作为一种新型的生态污水处理技术，利用湿地生态系统中基质、植物以及微生物的物理、化学和生物的协同作用对污染物降解和转化，达到对污水净化处理的目的，因其具有低耗能、小投资、高效率的优势得到了广泛的应用[1]。在基质、植物确定的条件下，水力负荷对人工湿地中的氧环境及污染物的迁移影响将会很明显，通过HLR的优化能极大地促进污水的净化效果[2-3]。

EPANET是由美国环保署开发的一款分析有压管网中水力、水质变化的程序软件，它可用于模拟管道的水流轨迹、每个节点水压、水塔的水位高度、管网中模拟时段内的某种化学物质浓度变化、水龄以及多水源调度等。管网计算方法有3种：管段方程法、节点方程法以及环方程法。

2 研究区概况

天津空港经济区位于天津滨海国际机场东北侧，是一个集工业制造、大规模商业及居住为一体的复合型新城区，现有污水处理厂1座，污水厂尾水直接进入排污河。为提升污水处理厂尾水水质，同时也为实现尾水回收再利用提供铺垫，空港经济区建设一处污水处理厂尾水深度净化碎石床人工湿地。人工湿地位于津蓟高速公路以西范围内，面积3.46万m2，采用单元模块并联式设计，通过有压管网对人工湿地各地块进行均匀配水，实现湿地各地块配水水量调整的灵活性。鉴于以上设计布置及配水方案，在不同的运行环境下，本研究通过EPANET水力模型合理地调控人工湿地中的进水量，使其达到最佳水力负荷，进而达到高效运行、提高污染物处理效率的目的。

3 研究方法

EPANET模型的管网水力计算是基于节点方程法，节点方程法为以节点水压或节点集中输入（或输出）流量为未知数，根据节点集中流量已知与否，列出并解J-1或J个独立方程，并根据水头损失计算公式，求解未知数。对管网中的每个节点，或已知集中流量而不知节点水压，或已知节点水压而不知其集中流量，所求未知数最多为J个，由于其总是存在相应数量的独立方程，所以可以得到唯一的解。此种方法方程阶数较低，计算收敛性较好，计算准备工作量少[4-5]。

EPANET模型可以采用各种公式求解水头损失，本项目设计采用适用于较光滑的圆管紊流的海曾－威廉公式计算：

式中：L为管段长度（m）；D为管径（m）；q为流量（m3/s）；C为海曾-威廉粗糙系数[6]。

EPANET模型提供了一个网络输入数据编辑、水力和水质模拟运行以及各式的计算结果显示的集成环境，因其具有的方便性和直观性被越来越广泛地应用于有压管网水力计算中。

4 水力模型应用

4.1 EPANET模型建立

管网建模以空港经济区规划图CAD电子地图为背景，结合地图上详实规划信息数据以及人工湿地实际设计方案数据，得到人工湿地配水管网空间布局图（见图1），其中包括57节点和56管段，Pi表示管段编号、J表示节点编号。在模拟湿地供水管网中，水源点污水厂水泵的提升以一个高位水池为模型，用R表示供水点编号。

4.2 管网节点水量的确定

图1 天津空港经济区污水处理厂尾水处理人工湿地配水管网布局

湿地设计通常采用的是一级动力学模型，一级动力学的设计方程是由污染物稳态时的质量平衡得到的。其基本设计方程被澳大利亚、欧洲、美国广泛应用于湿地的设计和对湿地污染物去除效果的预测。虽然有许多局限性，但由于其参数的求解及计算过程都很简单，因此目前仍把它作为湿地中污染物去除的最合适的方程，广泛应用于BOD、营养物、SS和细菌以及金属离子的去除计算。

式中：Ci为进水污染物浓度（mg/L）；Ce为出水污染物浓度（mg/L）；t为水力停留时间（d）；k为一元去除率常数（d-1）；HLR为水力负荷（m/d）；ε为湿地孔隙率，在本设计系统中取ε=0.4；hw为湿地深度（m），在本设计系统中取hw=1.2 m[7-8]。

Crites[9]研究表明，人工湿地对于BOD的一元去除率常数取值为沙石床湿地k=0.8 d-1、碎石床湿地k=1.1d-1。根据降解污水BOD5进行计算，基于经济区环保局的要求，湿地设计中采纳的污水出水厂的尾水水质为一级A的水质指标。在不同的HLR（水力负荷）运行情况下，人工湿地地块需水量见表1。

表1 人工湿地单元不同的HLR下需水量

4.3 基本信息的收集

管网信息的采集包括节点信息和管道信息，其中节点标高都简化为0 m，因为该地区地势平坦，没有起伏。节点设计用水量见表1，HLR在5种模式下分别输入相应模式的流量。节点信息数据及管段信息数据，见表2—5。

4.4 管网水力计算结果及分析

通过计算软件调整各个管段的管径，使得整个管网最终满足人工湿地在平均用水量下管道的设计流速在经济流速范围[10]之内，以降低管道设计投资成本。基于规范经济流速（见表5），根据各个管段的水头损失计算出各个节点的自由水头，得出水源点提水泵的扬程。最终调整的管段参数及管网节点参数，见表4、表6。

表2 最大流量时节点用水量

表3 平均流量时节点用水量

运用EPANET对整个管网进行平差计算后，确定了在人工湿地单元最大用水量下管网节点的最小自由水头不小于3 m，各管段直径的选取符合经济流速限制范围，结合节点自由水头及人工湿地多工况运行，可以合理地选取水源点提水泵的组合形式，达到人工湿地在不同的工况运行下管网设计最优化的目的。通过EPANET的计算指导，可以使人工湿地管网设计更加完善，同时降低了投资运行成本。

表4 管段信息数据

表5 管道经济流速

表6 最大流量时节点自由水头

5 主要结论与讨论

本研究将EPANET引入了大型的人工湿地配水管网设计中，建立了水力计算模型，大幅度地提高了计算效率和精度，通过对配水管网的水力计算结果分析完成了配水管网管段选择的优化。但是，人工湿地受到多生态因素的影响，在应用一级动力学模型计算处理效率和水力负荷的关系上需要在实际运行中进行参数的校核，湿地配水管网管段需要做出相应的调整。

[1]Hammer D A.Constructed wetlands for wastewater treatment[M].Michigan：Lewis Pubishers Inc，1989.

[2]王鹏，董仁杰，吴树彪，等.水力负荷对潜流人工湿地净化效果和氧环境的影响[J].水处理技术，2009，35（12）：48-52.

[3]聂志丹，年跃刚，李林锋，等.水力负荷及季节变化对人工湿地处理效率的影响[J].给水排水，2006，11：28-30.

[4]严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[5]杨开.节点水压法平差多水源管网[J].红水河，1994，（2）：52-58.

[6]严煦世，范瑾初.给水工程（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[7]Kadlec R H，Knight R L.Treatment wetlands[M].Boca Raton，FL：CRCPress，1996.

[8]Kadlec R H.Deterministic and stochastic aspects of constructed wetland performance and design [J].Water Science and Technology，1997，35：149-156.

[9]Crites R W.Design criteria and practice for constructed wetlands[J].Water Scienceand Technology，1994，29（4）：1-6.

[10]严煦世，范瑾初.给水工程 （第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1995.