基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析

基于水动力模型的农田水利沟渠特性分析

为了促进农田水利沟渠能够得到畅通的排放，利用水动力模型分析了排放沟渠形态改造前后的流场变化，并通过调查探索整修先后农田水利沟渠内水流速度的快慢，证实了水动力模型在暢通农田水利沟渠中的有效作用。

标签：水动力模型；农田水利沟渠；分析

1 背景简介

在我国某市的风景区中有两个重要的雨污合流排放口，这两个排放口的水流都是依靠沟渠排入某湖的。据相关数据表明，该沟渠大致有320m长，最宽处可达到45m。沟渠呈现出蜿蜒曲折的状态，中间有一小岛。如此的形态布局，经常导致水流通道被堵塞，水流无法正常通行，渠道内部沉积的厚重的淤土泥沙长年没有得到良好的清理，其数量与日剧增。因此，淤泥成为了雨污水中最主要的沉积物，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颗粒物质。为此，为尽量减少这些固体物质对湖水水体的污染，也为了减少湖底厚重的淤泥淤积，急需动用切实可行的工程措施来对沟渠中的沉淀地进行改造、修整，以期降低颗粒类污染源对湖水的污染。为了使固体颗粒物能够顺利的在沉淀地内下沉，对该流域内的水体流速具有较高的要求。只有流速达到了一定要求，就能在较短时间内使颗粒物沉积下来，为彻底清理区域内的淤泥提供便利。

水动力模型是一种用于描述不同水体、水文特性及流场空间布局规律的数理模型。在探究湖水污染物具体布局的过程中，首先要研究不同类型水体、水文的特殊性质，掌握水体中流场的空间布局特色，为正确把握湖水污染物的具体分布特征打下基础。所以，在分析农田水利沟渠特性时，我们先要利用水动力数学模型对该区域水体特性与流场分布作一定的研究调查。

3 分析水动力学模型RAm2的建立过程

3.1 导入所需要的数据

在RAm2中，除了可以输入文本型数据外，还能输入图形文件，如CIS、CAD、TIFF、JPEG······具体而言，在实际操作中，可以将DWG等各类格式的具体地形利用CAD等图形文件转变为DXF格式的文件，并将这些文件导入到RAm2中，利用软件对其进行散点化处理，为下一步划分网格打下基础。

3.2 合理划分网格

首先，在操作过程中，可以将所要调整的区域利用map模块进行二维有限元网格的划分。接着，将划分完毕的网格切换至mesh模块项下，以便有效的纠正、整改初步划分的有限元网格。在RmA2模型中，其主要边界选用的是四边形网格，而非三角形网格。因此，在进行边界网格划分时，必须采用自动、手动

的形式，先将三角形网格转变为四边形的形式。

3.3 确定具体的边界范围和选用材料的属性

在实际处理该市湖水管制时，根据具体的地质情况，按最大限度的流量确定溢流口和机排口。同时，依据以往成功经验，RmA2中Peclet数值一般处于15-40的范围内。另外，曼宁系数对湖水水流速度的大小与方向有重要的影响作用，是一个用来反映河床具体摩擦情况的参考系数。在河床比较平坦且杂草并不茂密的地形情况，RmA2模型一般采用粗糙比率为0.015-0.020的范围。其中，这两个参考数值都无法通过直接测量得到，而是要在进行无数次反复试算的基础上获得的。在该区域中，经过多次试算，将这两个参数值分别确定为35和0.020。

3.4 水动力模型RmA2的具体施行

在全部完成水动力模型参考数值设定以后，必需严格检查RmA2模型的运行功能，及时处理自动检查网络与边界要求设置不完善等问题。上述流程是每次施行模拟功能之前都必须要认真完成的工作任务。一旦水动力模型在实际施行过程中出现了一定程度的失误，则需要依据设备所提示的错误信息，对水动力模型依次进行有关的修正与处理，然后再对RmA2模型进行细致的检查，一直到所有错误全部得到妥善解决方可进行下一个步骤的处置。如果，在一开始模型就没有出现错误，那么就可以直接运行水动力模型，使RmA2充分发挥其功能。

在上述检查全部完毕以后，则可进行RmA2模型的具体运行了。同时，要将水动力模型运行够产生的数据结果以*.sol的形式进行文件存储。一旦顺利完成该存储后，日后就可以通过直接调用该文件，来读取施行的运行结果，以便深入分析探究模型运行的具体情况。如此一来，既可以研究水动力模型对畅通农田水利沟渠的重要作用，也可以为相关农田水利沟渠特性的分析探究提供借鉴价值，用以更好的促进相关领域的技术发展。

3.5 基于水动力模型的农田水利沟渠特性的结构分析

在进行结构分析之前，首先要将原先农田水利沟渠中间高起的各类土堆搬运至排放口区域的低洼处。然后，再将溢流口与排放口的农田水利沟渠进行妥善的调整、修理，对水利沟渠做好合理的疏导工作，使其整体形成一个“胃囊”形态的沉淀地形。与此同时，还应该将若干个排放口所积聚的雨污水进行正确的疏流，尽最大限度的将这些雨污水排至沉淀池区域内。

依旧以某市某湖沟渠改造前后的变化为例，在利用水动力模型对农田水利沟渠进行大规模、全面改造之前，该流域内最大的水流速度为0.022m/s，而在完成改造、整治之后，同一区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显。这样的水流速度特别容易使固体颗粒污染物质在短期内迅速沉淀下来，从而避免了因这些固态污染物质随水流流入湖内，而使湖水发生变质等问题，有效的防止了湖水变为污染水的情况，排除了固态污染物质成为该湖最大的污染源的问题。

4 结束语

基于水动力RmA2模型基础上的模拟实验结果表明，利用该模型不仅能够很好的分析农田水利沟渠的特性，同时也为对比改造前后农田水利沟渠情况的变化提供了良好的参考依据，为改造工程提供了有利的支持方案。

裴毅（1960-），男，教授，湖南农业大学工学院。