基于渗滤试验与水力传导数据的排水场流动特性研究：毛细作用对污水处置与处理的关键影响

本研究针对传统土壤基污水处理系统设计中忽视毛细作用(α*)的问题，通过整合渗滤时间(PT)、饱和水力传导率(KFS )与吸附数(α*)的物理模型，首次量化了毛细力对排水沟渗透通量的贡献(24-72%)，建立了与USDA土壤质地分类匹配的渗透表达式，为优化污水处置与处理双重功能提供了理论依据。

　　

在全球范围内，数以千万计的土壤基污水处理系统（如化粪池）承担着家庭、农场和食品加工厂等场所的污水净化重任。这些系统的核心——排水场，既要实现污水处置（渗透），又要完成最终处理（消毒），而后者80-90%的净化效果其实发生在非饱和土壤层。然而当前设计标准主要依赖渗滤时间(PT)和饱和水力传导率(K_FS
)这两个参数，它们仅能评估土壤的污水渗透能力，却完全忽视了毛细作用(α*)对非饱和区水流的关键调控。这种认知缺口导致现有系统既可能因渗透过快而降低处理效果，又可能因渗透不足引发污水滞留。

为破解这一难题，研究人员利用爱尔兰环保署18年间积累的296组PT-K_FS
数据集，结合Reynolds(2016)提出的物理模型，首次将吸附数(α*)这一表征土壤毛细力的参数引入排水场设计体系。通过Hydrus-2D软件模拟饱和-非饱和流，并建立PT-K_FS
-α*的理论关系式，研究揭示了传统设计中被长期忽略的毛细渗透机制。

关键技术包括：(1)采用标准爱尔兰EPA渗滤试验获取PT数据；(2)基于Richards方程的Hydrus-2D数值模拟计算K_FS
；(3)通过理论模型反演α*值；(4)建立与USDA 12类土壤质地匹配的渗透通量表达式。样本来源于爱尔兰全境不同质地土壤的现场测试数据。

【PT和K_FS
数据集特征】
对数变换后的数据显示，PT^-1
与K_FS
存在显著非线性关系，验证了传统经验公式的局限性。通过引入α*参数，模型成功解释了24-72%的渗透通量实际由毛细作用驱动，这一比例在黏土质地中尤为突出。

【排水场渗透新模型】
建立的代数表达式首次将压力驱动流（2H²
项）、重力流（1/K_FS
项）和毛细流（C?r²
α*/2H?K_FS
项）三项机制定量耦合。其中形状函数C?通过Z₁
-Z₃
系数关联土壤结构与孔径分布，而α*与van Genuchten参数的实证关系实现了模型与土壤水力特性的直接对接。

【设计应用】
研究提出的HLR_D
分类与USDA土壤质地系统呈现良好一致性，特别是在6.5-102.7 cm/day的K_FS
适用范围内，α的引入使设计负荷预测误差降低40%以上。通过调控α相关参数，可主动扩大非饱和区体积以增强处理效果。

这项发表于《Journal of Hydrology》的研究，从根本上改变了仅关注饱和流的设计范式。其创新性体现在：(1)首次量化毛细力对排水场渗透的贡献；(2)建立PT-K_FS
-α的物理连接桥梁；(3)开发出可兼容现有土壤分类系统的设计工具。实际应用中，通过测量α值可定制化设计排水场结构，在砂质土壤中增强毛细效应以补偿快速渗透，或在黏土中利用重力流克服低渗透瓶颈。该成果为全球2600万套化粪池系统的升级改造提供了科学依据，对实现联合国可持续发展目标中安全卫生设施普及具有重要推动作用。