评估流体力学对改造后的雨水池（即浮动处理湿地）生物效率的影响

《Journal of Environmental Management》：Evaluating the influence of hydrodynamics on the biological efficiency of Floating Treatment Wetland-retrofitted stormwater ponds

城市径流污染治理中，浮动湿地（FTW）的水力学与生物处理协同优化机制研究。基于CFD的3D数值模型，系统评估了FTW淹没深度比和覆盖面积对水动力特性及污染物去除效率的影响，揭示了局部水动力场调控对生物处理效能的关键作用，为智慧型城市NBS设计提供理论支撑。

　　在现代城市化进程中，雨水径流管理成为一项重要的环境议题。城市中的不透水表面，如道路、建筑和停车场，显著改变了自然的水文循环，增加了直接降雨径流的产生量。这一现象在气候变化的影响下进一步加剧，因为极端降雨事件的频率和强度都在上升（IPCC, 2022）。这些径流往往携带多种污染物，包括氮、磷、悬浮固体和新兴污染物，这些污染物来源于住宅、工业和农业活动对地表的冲刷。如果不能有效处理，这些径流可能会对城市排水系统和污水处理厂造成巨大压力，甚至导致其超负荷运行和功能失效。

面对这一挑战，科学家和工程师正在积极探索新的解决方案，以提升城市水管理系统的性能和可持续性。其中，基于自然的解决方案（Nature-Based Solutions, NBS）和可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems, SUDS）被认为是近年来最具前景和广泛应用的替代方案之一（Bellezoni et al., 2021; Biswal et al., 2022; Keith et al., 2021）。特别是结合浮动处理湿地（Floating Treatment Wetlands, FTW）的构建湿地系统，因其在雨水收集、处理和再利用方面的潜力而受到越来越多的关注（Colares et al., 2020; Landon et al., 2025; Schwammberger et al., 2023; Stefanatou et al., 2024）。

构建湿地系统能够有效滞留多余的雨水，从而有助于洪水控制和雨水消减（Nilsson et al., 2025; Nuruzzaman et al., 2021）。如果引入浮动处理湿地，这些系统还能够成为高效的雨水处理技术，甚至可以用于处理污水或污泥。具体而言，FTW中的植物根系提供了巨大的表面积，这不仅有助于污染物的吸附和降解，还能有效拦截沉积物和颗粒物质（Sharma et al., 2021; Stanley et al., 2022; Vo et al., 2023; Wang and Sample, 2014）。此外，多个全尺寸项目已经证明了基于FTW的系统在提升水质方面的有效性。例如，在美国的巴尔的摩内港（National Aquarium and Ayers Saint Gross）和芝加哥的Wild Mile项目（Urban Rivers），在英国的伦敦干船坞（Canary Wharf and Biomatrix），在新西兰的Rotorua湖（NIWA），在尼泊尔的Nagdaha湖（Small Earth and APN Regional Programme），以及在巴基斯坦的Chakwal区（Afzal et al., 2019）等，这些项目展示了FTW在不同环境中的适应性和效果。这些案例的详细总结可以在补充材料中找到。

尽管这些系统具有成本低廉、处理效果良好以及能够在不同水深条件下运行的优势，但其内部的流体动力学行为却极为复杂，这对系统的处理效率至关重要（Nuruzzaman et al., 2021）。多种因素都会对系统的水力性能产生显著影响，包括进水速率和流速、进水口和出水口的位置、FTW的布置、几何形状、深度或密度等。根据不同的配置，可能会出现水力短路或死区现象，这会降低整个城市基础设施的处理能力（Farjood et al., 2015; Khan et al., 2013; Khan et al., 2019; Sabokrouhiyeh et al., 2017; Shih et al., 2016）。

传统的构建湿地设计主要依赖于经验法则和工程人员的经验，对水力行为的关注相对有限（Khan et al., 2013）。虽然过去十年中，使用先进技术进行水力研究的进展迅速，但全面和深入的研究仍然较为稀缺。在水处理领域，水力建模通常基于经验或半经验方法，这些方法在已有系统的优化中表现良好，但在设计复杂和创新的工艺时却存在局限性（Andersson et al., 2012）。随着计算技术的发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）作为一种能够通过数值方法解决纳维-斯托克斯方程的计算分析工具，已经被广泛应用于水处理领域（Greenshields and Weller, 2022）。CFD能够在复杂的系统中进行耦合的生物动力学和水力分析，并实现系统的优化设计（D’ Bastiani et al., 2023; Karpinska and Bridgeman, 2016; Samstag et al., 2016）。

在构建湿地领域，已有研究通过实验和CFD模拟来探讨和优化FTW的水力行为。具体而言，以下因素已被证明对FTW的水力行为产生重要影响：FTW的位置（Khan et al., 2013）、FTW之间的间距（Machado Xavier et al., 2018）、FTW内部的植物密度（Khan et al., 2019）、进水口和出水口的配置（Khan et al., 2013; Nuruzzaman et al., 2023; Sabokrouhiyeh et al., 2017）、FTW的几何形状（Nuruzzaman et al., 2023）或挡板的影响（Chang et al., 2016; Farjood et al., 2015; Shih et al., 2016）。为了获得更全面的了解，建议参考Nuruzzaman等人（2021）的综述文章。

然而，目前的研究仍存在一些关键的空白，需要进一步探索。首先，关于FTW覆盖面积的影响尚未有明确的量化研究。尽管可以合理地假设增加FTW的覆盖面积会提升系统的水力性能和处理能力，但尚无研究系统地分析这一变量如何具体影响水力行为和处理效率。其次，关于淹没深度比（Submergence Depth Ratio, SDR）的研究也相对有限。Khan等人（2019）通过实验室实验发现，当SDR为0.5时，可以提高湿地的水力效率，但该比例为何有效，其背后的机制尚未得到充分解释。因此，Nuruzzaman等人（2021）认为，需要进一步研究以明确SDR对系统性能的具体影响。第三，关于水力行为如何影响生物处理能力的研究仍显不足。大多数现有研究假设湿地的整体水力效率与生物处理性能之间存在直接联系，但仅关注水力分析，忽略了水力行为与生物效率之间的具体关系。尽管传统污水处理反应器的研究支持这种联系（Castrillo et al., 2019; Climent et al., 2018），但在构建湿地系统中，由于植物或FTW的分布不均，这种关系可能被削弱。事实上，Nuruzzaman等人（2023）在其分析中指出，没有发现水力与污染物质量去除之间存在显著的关联，水力性能指标也无法有效反映处理能力。因此，为了优化FTW在雨水池中的设计，有必要进一步研究水力行为对处理性能的具体影响。

考虑到上述研究空白和现有研究的局限性，本研究的主要目标是双重的：一是评估新的几何参数，即FTW的覆盖面积和淹没深度比，对系统水力行为的影响；二是探讨并量化水力行为对FTW生物处理性能的具体影响。为此，本研究开发了一个经过验证的、基于计算流体动力学（CFD）的三维数值模型，该模型能够模拟并优化FTW改造后的雨水池的生物-水力性能。评估这些特征不仅有助于提升该领域的知识水平，还能为基于工程的设计和优化提供科学依据。

本研究的结构如下。在引言部分（第1节）中，介绍了研究的背景和动机。第2节详细描述了案例研究、数值模型以及用于评估FTW水力性能的无量纲指数。第3节将展示数值模拟的结果，并进行分析和讨论。最后，第4节总结了本研究的主要结论。通过本研究，我们希望为FTW在城市雨水管理中的应用提供更深入的理解，并推动更加科学和系统的优化设计。