基于水動力模型的農田水利溝渠特性分析

摘 要：為了促進農田水利溝渠能夠得到暢通的排放，利用水動力模型分析了排放溝渠形態改造前后的流場變化，并通過調查探索整修先后農田水利溝渠內水流速度的快慢，證實了水動力模型在暢通農田水利溝渠中的有效作用。

關鍵詞：水動力模型；農田水利溝渠；分析

1 背景簡介

在我國某市的風景區中有兩個重要的雨污合流排放口，這兩個排放口的水流都是依靠溝渠排入某湖的。據相關數據表明，該溝渠大致有320m長，最寬處可達到45m。溝渠呈現出蜿蜒曲折的狀態，中間有一小島。如此的形態布局，經常導致水流通道被堵塞，水流無法正常通行，渠道內部沉積的厚重的淤土泥沙長年沒有得到良好的清理，其數量與日劇增。因此，淤泥成為了雨污水中最主要的沉積物，也是湖水最主要的污染源之一。合流制雨污水中存在很大比例的小型顆粒物質。為此，為盡量減少這些固體物質對湖水水體的污染，也為了減少湖底厚重的淤泥淤積，急需動用切實可行的工程措施來對溝渠中的沉淀地進行改造、修整，以期降低顆粒類污染源對湖水的污染。為了使固體顆粒物能夠順利的在沉淀地內下沉，對該流域內的水體流速具有較高的要求。只有流速達到了一定要求，就能在較短時間內使顆粒物沉積下來，為徹底清理區域內的淤泥提供便利。

水動力模型是一種用于描述不同水體、水文特性及流場空間布局規律的數理模型。在探究湖水污染物具體布局的過程中，首先要研究不同類型水體、水文的特殊性質，掌握水體中流場的空間布局特色，為正確把握湖水污染物的具體分布特征打下基礎。所以，在分析農田水利溝渠特性時，我們先要利用水動力數學模型對該區域水體特性與流場分布作一定的研究調查。

3 分析水動力學模型RAm2的建立過程

3.1 導入所需要的數據

在RAm2中，除了可以輸入文本型數據外，還能輸入圖形文件，如CIS、CAD、TIFF、JPEG······具體而言，在實際操作中，可以將DWG等各類格式的具體地形利用CAD等圖形文件轉變為DXF格式的文件，并將這些文件導入到RAm2中，利用軟件對其進行散點化處理，為下一步劃分網格打下基礎。

3.2 合理劃分網格

首先，在操作過程中，可以將所要調整的區域利用map模塊進行二維有限元網格的劃分。接著，將劃分完畢的網格切換至mesh模塊項下，以便有效的糾正、整改初步劃分的有限元網格。在RmA2模型中，其主要邊界選用的是四邊形網格，而非三角形網格。因此，在進行邊界網格劃分時，必須采用自動、手動的形式，先將三角形網格轉變為四邊形的形式。

3.3 確定具體的邊界范圍和選用材料的屬性

在實際處理該市湖水管制時，根據具體的地質情況，按最大限度的流量確定溢流口和機排口。同時，依據以往成功經驗，RmA2中Peclet數值一般處于15-40的范圍內。另外，曼寧系數對湖水水流速度的大小與方向有重要的影響作用，是一個用來反映河床具體摩擦情況的參考系數。在河床比較平坦且雜草并不茂密的地形情況，RmA2模型一般采用粗糙比率為0.015-0.020的范圍。其中，這兩個參考數值都無法通過直接測量得到，而是要在進行無數次反復試算的基礎上獲得的。在該區域中，經過多次試算，將這兩個參數值分別確定為35和0.020。

3.4 水動力模型RmA2的具體施行

在全部完成水動力模型參考數值設定以后，必需嚴格檢查RmA2模型的運行功能，及時處理自動檢查網絡與邊界要求設置不完善等問題。上述流程是每次施行模擬功能之前都必須要認真完成的工作任務。一旦水動力模型在實際施行過程中出現了一定程度的失誤，則需要依據設備所提示的錯誤信息，對水動力模型依次進行有關的修正與處理，然后再對RmA2模型進行細致的檢查，一直到所有錯誤全部得到妥善解決方可進行下一個步驟的處置。如果，在一開始模型就沒有出現錯誤，那么就可以直接運行水動力模型，使RmA2充分發揮其功能。

在上述檢查全部完畢以后，則可進行RmA2模型的具體運行了。同時，要將水動力模型運行夠產生的數據結果以*.sol的形式進行文件存儲。一旦順利完成該存儲后，日后就可以通過直接調用該文件，來讀取施行的運行結果，以便深入分析探究模型運行的具體情況。如此一來，既可以研究水動力模型對暢通農田水利溝渠的重要作用，也可以為相關農田水利溝渠特性的分析探究提供借鑒價值，用以更好的促進相關領域的技術發展。

3.5 基于水動力模型的農田水利溝渠特性的結構分析

在進行結構分析之前，首先要將原先農田水利溝渠中間高起的各類土堆搬運至排放口區域的低洼處。然后，再將溢流口與排放口的農田水利溝渠進行妥善的調整、修理，對水利溝渠做好合理的疏導工作，使其整體形成一個“胃囊”形態的沉淀地形。與此同時，還應該將若干個排放口所積聚的雨污水進行正確的疏流，盡最大限度的將這些雨污水排至沉淀池區域內。

依舊以某市某湖溝渠改造前后的變化為例，在利用水動力模型對農田水利溝渠進行大規模、全面改造之前，該流域內最大的水流速度為0.022m/s，而在完成改造、整治之后，同一區域地段的最大水流速度立即降低到了0.008m/s，其流速的降低幅度十分明顯。這樣的水流速度特別容易使固體顆粒污染物質在短期內迅速沉淀下來，從而避免了因這些固態污染物質隨水流流入湖內，而使湖水發生變質等問題，有效的防止了湖水變為污染水的情況，排除了固態污染物質成為該湖最大的污染源的問題。

4 結束語

基于水動力RmA2模型基礎上的模擬實驗結果表明，利用該模型不僅能夠很好的分析農田水利溝渠的特性，同時也為對比改造前后農田水利溝渠情況的變化提供了良好的參考依據，為改造工程提供了有利的支持方案。

作者簡介：滕曉波（1983-），男，工程師，湖南農業大學工學院，研究農業水利工程方向。

裴毅（1960-），男，教授，湖南農業大學工學院。