人工湿地逐渐被认为是一种可行的污水处理方法。人工湿地数值模型可为人工湿地的优化设计和运行提供理论支持。本文以混合格式的Richards方程和对流弥散方程作为控制方程，采用有限体积法，建立了耦合渗流模块和溶质运移模块的潜流人工湿地三维数值模型。该模型的渗流模块可考虑上表面的积水、蒸发以及植物根系的水分吸收。该模型的溶质运移模块可考虑植物根系的溶质吸收、填料的吸附解吸以及化学生物反应作用。本文以含水层的抽水试验实例进行了渗流模块的验证，以四个潜流人工湿地实例（水平、波式、梯级河岸和天津空港物流加工区潜流人工湿地）进行了溶质运移模块的验证。数值模拟结果与实测值均吻合较好。此外，本文还进行了以下几方面内容的探讨。　　 通过对三种均质土柱（粘土、砂土、砾石）的入渗过程模拟，探讨了具有等价关系的两种土壤水分特征曲线模型(BC模型和VG模型)对渗流计算的影响。BC模型和VG模型容水度和渗透系数的差异导致了暂态渗流场的差异，并且渗流场的预测对于接近饱和附近的土壤水分特征曲线的变化非常敏感。　　 通过干湿两均质土柱的入渗模拟，探讨了收敛准则1（相邻两次迭代的压力水头的差）和收敛准则2（相邻两次迭代的体积含水率的差）对渗流计算的影响。对于相同容许限度的准则1和准则2，由于容水度的不同，两准则的作用并不相同。因此，两种收敛准则在质量守恒或迭代次数方面存在一定的差别。　　 在含水层的抽水试验渗流模拟中，井边界的正确处理非常重要。传统方法假定滤网流量分布是将抽水量按与相邻饱和单元导水系数成比例的原则进行分配而得。本文基于井的水量平衡方程建立了迭代方法处理井边界。传统方法在物理意义上存在明显不足，而迭代方法可在一定程度上克服传统方法的不足。　　 在人工湿地系统中，水面线的设计和控制直接影响植物的生长和污染物的去除环境。该数值模型可计算湿地上表面允许少量积水情况下的积水水深，具体方法是忽略积水在水平方向的流动，通过每个上边界单元上表面所对应空间的水量平衡方程耦合求解。该数值模型可预测潜流人工湿地的积水情况，对于潜流人工湿地的设计和运行具有一定的指导作用。　　 通过镉在均质土柱（无植物、低吸收植物、普通植物、超富集植物土柱）的入渗模拟，探讨了根系吸收和吸附解吸对溶质运移的影响。对于超富集植物土柱，根系的镉吸收作用很快超过水分吸收作用，镉浓度分布很快不再随时间变化。对于低吸收植物土柱，根系的吸水作用超过了土壤吸附作用，镉浓度峰值会超过污染源输入浓度，且峰值下移。　　 通过数值模型研究了水平和波式潜流人工湿地中相互作用的水力行为、填料和植物根系对TP去除的综合影响，探讨了波式潜流人工湿地TP去除率比水平潜流人工湿地明显提高的原因。在死区体积、短流程度、种植土层的利用率以及根系吸收方面，波式潜流人工湿地表现均优于水平潜流人工湿地。