基于水動(dòng)力模型的農(nóng)田水利溝渠特性分析

摘 要：為了促進(jìn)農(nóng)田水利溝渠能夠得到暢通的排放，利用水動(dòng)力模型分析了排放溝渠形態(tài)改造前后的流場(chǎng)變化，并通過(guò)調(diào)查探索整修先后農(nóng)田水利溝渠內(nèi)水流速度的快慢，證實(shí)了水動(dòng)力模型在暢通農(nóng)田水利溝渠中的有效作用。

關(guān)鍵詞：水動(dòng)力模型；農(nóng)田水利溝渠；分析

1 背景簡(jiǎn)介

在我國(guó)某市的風(fēng)景區(qū)中有兩個(gè)重要的雨污合流排放口，這兩個(gè)排放口的水流都是依靠溝渠排入某湖的。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，該溝渠大致有320m長(zhǎng)，最寬處可達(dá)到45m。溝渠呈現(xiàn)出蜿蜒曲折的狀態(tài)，中間有一小島。如此的形態(tài)布局，經(jīng)常導(dǎo)致水流通道被堵塞，水流無(wú)法正常通行，渠道內(nèi)部沉積的厚重的淤土泥沙長(zhǎng)年沒(méi)有得到良好的清理，其數(shù)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(zhì)。為此，為盡量減少這些固體物質(zhì)對(duì)湖水水體的污染，也為了減少湖底厚重的淤泥淤積，急需動(dòng)用切實(shí)可行的工程措施來(lái)對(duì)溝渠中的沉淀地進(jìn)行改造、修整，以期降低顆粒類(lèi)污染源對(duì)湖水的污染。為了使固體顆粒物能夠順利的在沉淀地內(nèi)下沉，對(duì)該流域內(nèi)的水體流速具有較高的要求。只有流速達(dá)到了一定要求，就能在較短時(shí)間內(nèi)使顆粒物沉積下來(lái)，為徹底清理區(qū)域內(nèi)的淤泥提供便利。

水動(dòng)力模型是一種用于描述不同水體、水文特性及流場(chǎng)空間布局規(guī)律的數(shù)理模型。在探究湖水污染物具體布局的過(guò)程中，首先要研究不同類(lèi)型水體、水文的特殊性質(zhì)，掌握水體中流場(chǎng)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(chǔ)。所以，在分析農(nóng)田水利溝渠特性時(shí)，我們先要利用水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型對(duì)該區(qū)域水體特性與流場(chǎng)分布作一定的研究調(diào)查。

3 分析水動(dòng)力學(xué)模型RAm2的建立過(guò)程

3.1 導(dǎo)入所需要的數(shù)據(jù)

在RAm2中，除了可以輸入文本型數(shù)據(jù)外，還能輸入圖形文件，如CIS、CAD、TIFF、JPEG······具體而言，在實(shí)際操作中，可以將DWG等各類(lèi)格式的具體地形利用CAD等圖形文件轉(zhuǎn)變?yōu)镈XF格式的文件，并將這些文件導(dǎo)入到RAm2中，利用軟件對(duì)其進(jìn)行散點(diǎn)化處理，為下一步劃分網(wǎng)格打下基礎(chǔ)。

3.2 合理劃分網(wǎng)格

首先，在操作過(guò)程中，可以將所要調(diào)整的區(qū)域利用map模塊進(jìn)行二維有限元網(wǎng)格的劃分。接著，將劃分完畢的網(wǎng)格切換至mesh模塊項(xiàng)下，以便有效的糾正、整改初步劃分的有限元網(wǎng)格。在RmA2模型中，其主要邊界選用的是四邊形網(wǎng)格，而非三角形網(wǎng)格。因此，在進(jìn)行邊界網(wǎng)格劃分時(shí)，必須采用自動(dòng)、手動(dòng)的形式，先將三角形網(wǎng)格轉(zhuǎn)變?yōu)樗倪呅蔚男问健?/p>

3.3 確定具體的邊界范圍和選用材料的屬性

在實(shí)際處理該市湖水管制時(shí)，根據(jù)具體的地質(zhì)情況，按最大限度的流量確定溢流口和機(jī)排口。同時(shí)，依據(jù)以往成功經(jīng)驗(yàn)，RmA2中Peclet數(shù)值一般處于15-40的范圍內(nèi)。另外，曼寧系數(shù)對(duì)湖水水流速度的大小與方向有重要的影響作用，是一個(gè)用來(lái)反映河床具體摩擦情況的參考系數(shù)。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(gè)參考數(shù)值都無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量得到，而是要在進(jìn)行無(wú)數(shù)次反復(fù)試算的基礎(chǔ)上獲得的。在該區(qū)域中，經(jīng)過(guò)多次試算，將這兩個(gè)參數(shù)值分別確定為35和0.020。

3.4 水動(dòng)力模型RmA2的具體施行

在全部完成水動(dòng)力模型參考數(shù)值設(shè)定以后，必需嚴(yán)格檢查RmA2模型的運(yùn)行功能，及時(shí)處理自動(dòng)檢查網(wǎng)絡(luò)與邊界要求設(shè)置不完善等問(wèn)題。上述流程是每次施行模擬功能之前都必須要認(rèn)真完成的工作任務(wù)。一旦水動(dòng)力模型在實(shí)際施行過(guò)程中出現(xiàn)了一定程度的失誤，則需要依據(jù)設(shè)備所提示的錯(cuò)誤信息，對(duì)水動(dòng)力模型依次進(jìn)行有關(guān)的修正與處理，然后再對(duì)RmA2模型進(jìn)行細(xì)致的檢查，一直到所有錯(cuò)誤全部得到妥善解決方可進(jìn)行下一個(gè)步驟的處置。如果，在一開(kāi)始模型就沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么就可以直接運(yùn)行水動(dòng)力模型，使RmA2充分發(fā)揮其功能。

在上述檢查全部完畢以后，則可進(jìn)行RmA2模型的具體運(yùn)行了。同時(shí)，要將水動(dòng)力模型運(yùn)行夠產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果以*.sol的形式進(jìn)行文件存儲(chǔ)。一旦順利完成該存儲(chǔ)后，日后就可以通過(guò)直接調(diào)用該文件，來(lái)讀取施行的運(yùn)行結(jié)果，以便深入分析探究模型運(yùn)行的具體情況。如此一來(lái)，既可以研究水動(dòng)力模型對(duì)暢通農(nóng)田水利溝渠的重要作用，也可以為相關(guān)農(nóng)田水利溝渠特性的分析探究提供借鑒價(jià)值，用以更好的促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

3.5 基于水動(dòng)力模型的農(nóng)田水利溝渠特性的結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析之前，首先要將原先農(nóng)田水利溝渠中間高起的各類(lèi)土堆搬運(yùn)至排放口區(qū)域的低洼處。然后，再將溢流口與排放口的農(nóng)田水利溝渠進(jìn)行妥善的調(diào)整、修理，對(duì)水利溝渠做好合理的疏導(dǎo)工作，使其整體形成一個(gè)“胃囊”形態(tài)的沉淀地形。與此同時(shí)，還應(yīng)該將若干個(gè)排放口所積聚的雨污水進(jìn)行正確的疏流，盡最大限度的將這些雨污水排至沉淀池區(qū)域內(nèi)。

依舊以某市某湖溝渠改造前后的變化為例，在利用水動(dòng)力模型對(duì)農(nóng)田水利溝渠進(jìn)行大規(guī)模、全面改造之前，該流域內(nèi)最大的水流速度為0.022m/s，而在完成改造、整治之后，同一區(qū)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(zhì)在短期內(nèi)迅速沉淀下來(lái)，從而避免了因這些固態(tài)污染物質(zhì)隨水流流入湖內(nèi)，而使湖水發(fā)生變質(zhì)等問(wèn)題，有效的防止了湖水變?yōu)槲廴舅那闆r，排除了固態(tài)污染物質(zhì)成為該湖最大的污染源的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于水動(dòng)力RmA2模型基礎(chǔ)上的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該模型不僅能夠很好的分析農(nóng)田水利溝渠的特性，同時(shí)也為對(duì)比改造前后農(nóng)田水利溝渠情況的變化提供了良好的參考依據(jù)，為改造工程提供了有利的支持方案。

作者簡(jiǎn)介：滕曉波（1983-），男，工程師，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，研究農(nóng)業(yè)水利工程方向。

裴毅（1960-），男，教授，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院。