《Process Safety and Environmental Protection》：Coupling effects of inlet-outlet configuration and spatial arrangement on hydraulic performance and pollutant removal in floating treatment wetlands
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•FTW 水力配置强烈控制污染物去除性能。•速度均匀性优于穿透率，作为 FTW 的关键设计指标。•一个水力 - 生态框架将流结构与氮去除联系起来。引言加速的城市化、日益加剧的农业生产以及微塑料等新污染物的出现，使得富营养化和非点源污染成为全球生态关注的焦点 (Caba?as-
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FTW 水力配置强烈控制污染物去除性能。
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速度均匀性优于穿透率，作为 FTW 的关键设计指标。
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一个水力 - 生态框架将流结构与氮去除联系起来。
引言
加速的城市化、日益加剧的农业生产以及微塑料等新污染物的出现，使得富营养化和非点源污染成为全球生态关注的焦点 (Caba?as-Mendoza et al., 2024, Vo et al., 2024)。浮式人工湿地 (FTW)，也称为人工浮岛或植被浮床，是一种原位生态修复技术，它在浮载载体上培育水生植物，利用植物根系、附着生物膜和微生物群落的协同作用来净化水质。(Masters, 2012, Arivukkarasu and Sathyanathan, 2023)。与传统的污水处理工艺相比，FTW 具有资本成本低、操作维护简便、无需占用陆地空间以及兼具生态 - 景观价值等优势，过去二十年来已被广泛用于湖泊、河流和雨水池塘的修复 (Landon et al., 2025)。
尽管具有这些优势，越来越多的证据表明，FTW 的性能不仅受植物物种、基质类型和覆盖率等生化因素控制，还与受纳水体的水力条件密切相关。数值和田间研究反复表明，流径、停留时间、速度分布和短路现象对 FTW 与污染物之间的接触效率具有决定性影响 (Nuruzzaman et al., 2023, Xavier et al., 2018)。在 Nuruzzaman 等人 (2023) 的综合 CFD 调查中，进出口配置被确定为控制 FTW 水力效率的最敏感设计参数，其灵敏度指数达到约 0.6，明显高于 FTW 位置 (0.4) 或形状 (0.3)。Landon 等人 (2025) 证明，在雨水池塘出口结构附近战略性地布置 FTW，即使覆盖率低至 1%–3.5%，也能实现总氮 (TN)、总磷 (TP) 和总悬浮固体 (TSS) 的显著减少，验证了基于流径的设计策略的潜力。
水力性能传统上通过示踪实验和停留时间分布 (RTD) 曲线进行表征，由此衍生出短路指数、矩指数、水力效率和有效体积比等指标 (Nuruzzaman et al., 2023)。尽管这些指标提供了有价值的见解，但它们整合了系统的整体行为，可能会掩盖局部水力特征，特别是控制污染物进入和穿过 FTW 根区的速度空间分布。因此，最近的研究转向了空间分辨率更高的指标。Ai 等人 (2020) 通过耦合水槽实验和三维模拟证明，作为悬浮多孔介质的 FTW 根区产生了一种特征的“上层减速 - 下层加速 - 侧向旁流”速度模式，中心线速度降低高达 53.6%。这些发现强调了在评估 FTW 设计替代方案时，解析子系统尺度速度场的必要性。
尽管取得了这些进展，但仍存在几个知识空白。(i) 现有研究主要考察了有限数量的配置（例如，Nuruzzaman 等人 (2023) 测试的四种形状，包括矩形、圆形、三角形和 L 形配置），进出口排列与 FTW 空间布局（串联与交错）的组合很少被系统地比较。(ii) 目前使用的大多数水力指标描述的是整体流态行为，但对于速度分布如何与污染物输运耦合提供的机制见解有限。(iii) 量化不同水力指标在预测处理性能中相对重要性的经验证据仍然稀缺，导致设计者在优化水力方面缺乏明确的优先级。
为了解决这些空白，本研究设计了以下目标：(1) 开发并量化一组水力指标，即几何阻塞比、有效穿透比、旁流比、接触强度系数和速度均匀性系数，共同表征 FTW 的整体和局部水力行为；(2) 通过六个实验场景（结合三种进出口配置（分布式进口 - 中心出口、中心进口 - 中心出口、对角进出口）与两种空间布置（串联、交错））系统地评估设计参数对水力性能的影响；(3) 量化每种配置下 TN、TP、NH??-N 和 TCOD 的污染物去除效率；(4) 确定哪个水力指标最能预测污染物去除性能，并基于由此产生的水力 - 生物耦合推导出设计建议。研究结果有望扩展 Nuruzzaman 等人 (2023) 建立的设计框架，并为雨水池塘和城市水体中 FTW 的改造提供定量指导。
章节摘录
实验装置
实验研究在一个矩形水槽中进行（长 10.0 米，宽 4.0 米），底部保持水平，运行期间水深恒定保持在 0.3 米。进水通过蠕动泵以 1.512 m3/h 的控制流量输送，对应于设计水力停留时间（约 8 小时）和代表性的中型雨水滞留池水力负荷率 (0.9 m/d) (Khan et al., 2013)。所有 FTW 单元均相同
不同场景下的水力性能
表 3 和图 4 总结了六个场景的水力指标，图 3 说明了由此产生的流场分布。虽然几何阻塞比保持几乎不变 (49.58%?50.42%)，这证实了所有场景共享相同的物理占用率，但有效穿透比变化剧烈，从 42.84% (测试 1) 到 77.46% (测试 5)，跨度超过两倍。这种在恒定阻塞下观察到的巨大变化表明，进出口
结论
本研究通过六个实验场景系统调查了进出口配置和空间布置对 FTW 水力性能和污染物去除的耦合效应。定义并量化了五个水力指标，包括几何阻塞比、有效穿透比、旁流比、接触强度系数和速度均匀性系数，并分析了它们与 TN、TP、NH??-N 和 TCOD 去除的关系。研究
CRediT 作者贡献声明
Zhen Gao: 写作 – 审查与编辑。Zhongwei Zhao: 验证，软件。Yupeng Zhang: 调查，形式分析。Guofen Hua: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿。Zanmei Li: 方法论。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本论文中报告的工作。
致谢
这项工作得到了 中国电建集团西北工程局有限公司 (XBY-KJ?2024–60) 平台项目的大力支持。
Guofen Hua|Zanmei Li|Zhongwei Zhao|Yupeng Zhang|Zhen Gao
