مدل‌سازی نوع توزیع‌ جریان ورودی بر رفتار هیدرولیکی داخلی سامانه تالاب مصنوعی زیرسطحی افقی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی سازه‌های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشجوی دکترای مهندسی سازه‌های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان

2 استاد گروه آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان

3 دانشیار گروه اکتشاف معدن، دانشکده مهندسی معدن، دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

درک رفتار هیدرولیکی داخلی سامانه تالاب مصنوعی به منظور افزایش راندمان تصفیه سامانه از به روزترین مباحث در میان محققین مربوطه می‌باشد. در این پژوهش به مدل‌سازی نحوه توزیع جریان بر رفتار هیدرولیکی داخلی سامانه تالاب مصنوعی زیرسطحی افقی در سه آرایش ورودی جریان پرداخته شد. این آرایش‌های تحت مطالعه عبارت بودند از: ورودی وسط (۱)، ورودی گوشه (۲) و ورودی یکنواخت (۳). در تمامی حالات، خروجی در وسط ثابت بوده است. مدل‌سازی بر پایه معادله دیفرانسیلی جریان زیرسطحی در محیط‌های متخلخل (دارسی) در نرم‌افزار کامسول انجام شد. پهنه‌بندی بار هیدرولیکی در سامانه حاکی از توزیع همگون جریان به‌صورت خطوط موازی از ورودی به سمت خروجی در آرایش 3 می‌باشد؛ در حالی که میزان اختلاف مناطق پرفشار و کم‌فشار و مسیرهای میان‌بر در آرایش 1 و به‌خصوص در آرایش 2 بیشتر بوده است. مسیرهای جریان ترسیمی و خطوط هم‌فشار در طول سامانه نیز گواه این ادعاست. دامنه تغییرات بار هیدرولیکی در هر آرایش به ترتیب برابر با 35/14، 25/15و 05/13 سانتی‌متر بود. تغییرات فشار در مقاطع طولی و عرضی سامانه به‌منظور تحلیل پخشیدگی جریان ترسیم شد و معادلاتی برای محاسبه بار هیدرولیکی در هر نقطه از سامانه مذکور و در آرایش‌های مختلف ورودی جریان برازش داده شد. نتایج مدل‌سازی حاکی از عملکرد هیدرولیکی مناسب آرایش ورودی یکنواخت به‌منظور استفاده از کل فضای محیط برای فرایند تصفیه می‌باشد. آرایش ورودی وسط نیز با رعایت نکاتی به‌منظور کاهش حجم مرده و میزان مسیرهای میان‌بر دارای عملکرد مناسبی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling of the Effect of Inflow Distribution on Internal Hydraulic Behavior of Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland

نویسندگان [English]

  • Saeid Okhravi 1
  • Saeid Eslamian 2
  • Nader Fathianpour 3
1 MSc, Dept. of Water Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran; and PhD Student of Hydraulic Structure, College of Agricultures, Hamadan Bu-Ali Sina University, Hamadan, Iran
2 Prof., Dept. of Water Engineering, Isfahan University of Technology, 8415683111, Isfahan, Iran
3 Assoc. Prof., Dept. of Mining Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Treatment capability of a constructed wetland is heavily dependent on the uniformity of flow moving inside the wetland. This modeling study was performed to evaluate the effect of flow distribution on internal hydraulic behavior of horizontal subsurface flow constructed wetland. To accomplish this objective of the study, three different inlet flow configurations including (1) midpoint, (2) corner and (3) uniform while keeping a fixed midpoint outlet flow for all configurations. The model used in this study was based on COMSOL Multiphysics platform for subsurface flow differential equation in porous mediums (Darcy law). Hydraulic head zoning indicated uniform flow distribution in form of parallel streamlines from inlet to outlet in configuration 3   while substantial number of shortcuts and a noticiable difference between high and low pressure areas were observed in configuration 1 and 2. Results obtained from the simulated streamlines and pressure contours throughout the wetland confirmed the field observation results. Hydraulic head range at each configuration is 14.35, 15.25 and 13.05 cm, respectively. Results indicated an appropriate hydraulic performance of the uniform inflow configuration to use the whole capacity of constructed wetland for treatment process. Meanwhile, midpoint inlet configuration had a proper performance by considering some criteria to reduce dead volume and shortcuts.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Inlet Flow Configuration
  • Constructed Wetland
  • Flow Modeling
  • Short-circuiting
 Deblina, G.H. & Gopal, B., 2010, "Effect of hydraulic retention time on the treatment of secondary effluent in a subsurface flow constructed wetland", Ecological Engineering, 3, 1044-1051.

Galvão, A.F., Matos, J.S., Ferreira, F.S. & Correia, F.N., 2010, "Simulating flows in horizontal subsurface flow constructed wetlands operating in Portugal", Ecological Engineering, 36, 596-600.

Giraldi, D., Vitturi, M.D.M. & Iannelli, R., 2010, "FITOVERT: A dynamic numerical model of subsurface vertical flow constructed wetlands", Environmental Modeling & Software, 25, 633-640.

Jafet Rodríguez, D., Giácoman Vallejos, G. & Champagne P., 2012, "Assessment of the plug flow and dead volume ratios in a sub-surface horizontal-flow packed-bed reactor as a representative model of a sub-surface horizontal constructed wetland", Ecological Engineering, 40, 18-26.

Kadlec, R.H., Pries, J. & Lee, K., 2012, "The Brighton treatment wetlands", Ecological Engineering, 47, 56-70.

Kargar Bideh, R., Doosti, M.R. & Sayyadi, M.h., 2013, "The use of horizontal subsurface flow constructed wetland for nitrogen components removal in cold and dry climate: A case Study of Birjand, Iran", Journal of Water and Wastewater, 25(3), 38-47. (In Persian)

Liolios, K.A., Moutsopoulos, K.N. & Tsihrintzis, V.A., 2012, "Modeling of flow and BOD fate in horizontal subsurface flow constructed wetlands", Chemical Engineering Journal, 200, 681-693.

Mæhlum, T. & Jenssen, P.D., 2003, "Design and performance of integrated subsurface flow wetlands in a cold climate, WIT Press, Southampton, UK.

Okhravi, S.S., Eslamian,S.S. & Mohammadzade Miyab, N., 2015, "Investigation and comparison between applications of different type of constructed wetland for wastewater treatment", Water Engineering Conference and Exhibition, Tehran, Iran. (In Persian)

Persson, J. & Wittgren, H.B., 2004, "How hydrological and hydraulic conditions affect performance of ponds", Ecological Engineering, 21, 259-269.

Samsó, R. & García, J., 2013, "Bacteria distribution and dynamics in constructed wetlands based on modelling results", Science of the Total Environment, 461, 430-440.

Samsó, R. & García, J., 2014, "The Cartridge Theory: A description of the functioning of horizontal subsurface flow constructed wetlands for wastewater treatment, based on modelling results", Science of the Total Environment, 473, 653-658.

Su, T.M., Yang, Sh., Shih, S. & Lee, H., 2009, "Optimal design for hydraulic efficiency performance of free-water-surface constructed wetlands", Ecological Engineering, 35, 1200-1207.

Suliman, F., French, H., Haugen, L.E., Klove, B. & Jenssen, P., 2005, "The effect of the scale of horizontal subsurface flow constructed wetlands on flow and transport parameters", Water Science and Technology, 51(9), 259-266.

Thackston, E.L.F., Shields, Jr. & Schroeder, P.R., 1987, "Residence time distributions of shallow basins", Journal of Environmental Engineering, 113, 1319-1332.

Vorkas, C. & Lloyd, B., 2000, "The application of a diagnostic methodology for the identification of hydraulic design deficiencies affecting pathogen removal", Water Science and Technology, 42(10), 99-109.

Vymazal, J., 2009, "The use constructed wetlands with horizontal sub-surface flow for various types of wastewater", Ecological Engineering, 35, 1-17.

Wang, X., Yue, H., Liu, G. & Zhao, Z., 2011, "The application of COMSOL multiphysics in direct current method forward modeling", Procedia Earth and Planetary Science, 3, 266-272.