雙阻隔結(jié)構(gòu)下緩慢水體二維水動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

蔡君怡，姜 蕊，龍 藝，潘龍陽，周宏偉，王佳美

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.中國三峽（建工）集團(tuán)有限公司，成都 610094；3.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611231）

近年來，以景觀湖泊、水庫池塘、生態(tài)濕地等為主要代表的緩慢水體已經(jīng)成為城市水體不可缺少的重要組成部分，這類水體具有防洪除澇、景觀娛樂、美化城市等功能，可為城市提供更為穩(wěn)定、舒適、可持續(xù)的發(fā)展環(huán)境［1，2］。緩慢水體具有水域面積廣闊，水深較淺，水體封閉，流速較慢等特性，容易發(fā)生水生態(tài)惡化甚至水體退化［3-5］，水質(zhì)惡化現(xiàn)象在影響城市的整體形象的同時(shí)，也嚴(yán)重威脅了城市居民的健康，目前緩慢水體水質(zhì)問題亟待解決。

利用人工水循環(huán)措施改善湖泊水質(zhì)是一種常見的物理方法，引水沖污具有稀釋置換被污染水體、改善水動(dòng)力條件的作用，大量的研究與具體工程實(shí)例的應(yīng)用已證明了引水沖污對(duì)于改善城市河湖水環(huán)境是有效的［6-9］。此外，適當(dāng)?shù)淖韪艚Y(jié)構(gòu)（島嶼）可以增強(qiáng)水體內(nèi)的環(huán)流效應(yīng)，影響區(qū)域內(nèi)的水位變化，并對(duì)水流速度、方向以及水體流場的分布產(chǎn)生擾動(dòng)，帶動(dòng)水體的流動(dòng)置換，不合適的阻隔結(jié)構(gòu)也會(huì)降低水體流速，降低水體自凈能力?？锎淦嫉龋?0］基于MIKE 軟件建立三維和二維潮流模型以及保守物質(zhì)輸運(yùn)模型，分析人工島對(duì)水體交換的影響機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)海螺島工程起到分流、導(dǎo)流的作用，提升了金夢海灣的水體交換能力，水體交換率提升10.17%。李根等［11］利用Fluent軟件模擬蠟燭湖流場發(fā)現(xiàn)湖心島岸線的形狀對(duì)整體蠟燭湖流場有較大的影響，優(yōu)化的呈祥島形狀有助于改變附近區(qū)域流場，能夠促進(jìn)解決附近區(qū)域的“死水”問題。唐繼張等［12］發(fā)現(xiàn)昆明池流場受人工島及湖岸地形影響較大，近島處流速較大。岳青華、丁聰［13］研究了圍填海工程對(duì)半封閉海灣水動(dòng)力環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)工程實(shí)施會(huì)降低海域的水體自凈能力，造成海灣水體半交換周期增加。

因此，緩慢水體的水動(dòng)力特性的研究成果將對(duì)景觀湖泊內(nèi)島嶼的位置形狀設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用，本文通過室內(nèi)水槽示蹤試驗(yàn)，利用粒子圖像測速系統(tǒng)（PIV）拍攝得到槽內(nèi)含有雙阻隔結(jié)構(gòu)的緩慢水體二維流場瞬時(shí)數(shù)據(jù)，分析二維流場變化、水體交換率和流場平均速度變化等情況，探究引水流量、間距比及結(jié)構(gòu)形狀對(duì)緩慢水體更新能力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置為概化人工湖模型，試驗(yàn)在室內(nèi)有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行，主水槽尺寸為80 cm×60 cm×10 cm（長×寬×高），水槽上部邊壁設(shè)寬5 cm的進(jìn)出水口，進(jìn)水口外接長40 cm的斜槽，斜槽上游與蓄水池出水管相接，并設(shè)置出水閥門和渦輪流量計(jì)，試驗(yàn)由40 cm×40 cm×60 cm（長×寬×高）蓄水池進(jìn)行供水。蓄水池側(cè)壁分別設(shè)置φ=25 mm 的進(jìn)出水管，進(jìn)水管設(shè)置進(jìn)水閥門、與水龍頭相接。試驗(yàn)水槽出水口處設(shè)擋水板控制水槽水位，槽內(nèi)水深h=5cm。流出水槽的水體通過循環(huán)泵輸送至蓄水池，保證循環(huán)流動(dòng)。試驗(yàn)裝置布置圖如圖1所示。

圖1 模型試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Model test device diagram

綜合考慮本概化水槽模型尺寸及進(jìn)出水口尺寸，阻隔結(jié)構(gòu)選用常見人工島嶼形狀，試驗(yàn)有機(jī)玻璃阻隔結(jié)構(gòu)尺寸、形狀見圖2。本次試驗(yàn)選擇三棱柱、矩形柱作為一級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)，位于進(jìn)出水口之間的連線上，結(jié)構(gòu)形心到進(jìn)水口的距離L為25 cm。選擇圓柱體作為二級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)，二級(jí)結(jié)構(gòu)擺放位置由距離G（G為兩阻隔結(jié)構(gòu)邊緣的垂直距離，cm；）和偏轉(zhuǎn)角度θ（偏轉(zhuǎn)角度θ為偏轉(zhuǎn)主流的軸線方向與進(jìn)出水口軸線方向的夾角，°）確定。

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：cm）Fig.2 Structural parameters

1.2 測量方法

本試驗(yàn)主要應(yīng)用PIV 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水體二維流場的測量，試驗(yàn)使用中空的玻璃微珠，粒子粒徑8～12 μm，中值粒徑10 μm，不溶于水，密度與水相近。PIV 主要測量指標(biāo)為主體水槽流速分布，拍攝區(qū)域大小為80 cm×60 cm（長×寬）。

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如下：水槽進(jìn)水流量由蓄水池水深H進(jìn)行調(diào)節(jié)，預(yù)先進(jìn)行無結(jié)構(gòu)擾動(dòng)試驗(yàn)作為對(duì)比分析依據(jù)。本試驗(yàn)流量Q設(shè)置為3.7～6.8 L/min，間距比G/D（G為兩阻隔結(jié)構(gòu)邊緣的垂直距離，cm；D為二級(jí)結(jié)構(gòu)圓柱直徑，cm）設(shè)置為1.5～7.5 cm。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)得出當(dāng)一級(jí)結(jié)構(gòu)位于L=25 cm 處，主流受一級(jí)結(jié)構(gòu)影響后偏轉(zhuǎn)角度為：三棱柱為45°，矩形柱為75°。具體試驗(yàn)工況安排如表1。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Tab.1 Test condition design table

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流場分布

多級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)緩慢水體流場變化的影響與引水流量、間距比和結(jié)構(gòu)形態(tài)都有關(guān)聯(lián)，水域內(nèi)的結(jié)構(gòu)通過阻隔水流運(yùn)動(dòng)、增加水體繞流，進(jìn)而影響水體內(nèi)部流場變化，包括主流的繞流分流、環(huán)流緩流等。

2.1.1 一級(jí)結(jié)構(gòu)下的流場分布

圖3 顯示了一級(jí)結(jié)構(gòu)影響下的水體流速矢量分布圖，可以看出在小、中、大流量（Q=3.7 L/min、Q=5.3 L/min、Q=6.8 L/min）影響下主流受一級(jí)結(jié)構(gòu)影響下的偏轉(zhuǎn)角度。經(jīng)三棱柱影響，主流偏轉(zhuǎn)角為45°，經(jīng)矩形柱影響，主流偏轉(zhuǎn)角為75°。在此基礎(chǔ)上確定二級(jí)結(jié)構(gòu)坐標(biāo)，以探究多級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)影響下水體流場分布。

圖3 一級(jí)結(jié)構(gòu)影響下的水體流速矢量分布圖Fig.3 Vector distribution of water velocity under the influence of primary structure

2.1.2 二級(jí)結(jié)構(gòu)位置影響

下文選取較為典型的兩個(gè)流量Q=3.7 L/min、Q=6.8 L/min，分析引水流量、間距比對(duì)緩慢水體流場分布的影響。

圖4、5分別顯示了不同引水流量下，一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)的位置變化（間距比變化）對(duì)緩慢水體流場分布的影響規(guī)律。

圖4 多級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)影響下的水體流速矢量分布圖（Q=3.7 L/min，三棱柱）Fig.4 Vectorial distribution of water velocity under the influence of multi-barrier structure（Q=3.7 L/min，Triangular cylinder）

引水主流經(jīng)三棱柱結(jié)構(gòu)阻擋后，沿45°方向偏轉(zhuǎn)，Q=3.7 L/min時(shí)，可見阻隔結(jié)構(gòu)減少了槽內(nèi)滯水區(qū)。G/D=1.5、3、4.5時(shí)，偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)二級(jí)結(jié)構(gòu)形成分流，一支流繞過結(jié)構(gòu)徑直流向水槽出口，另一支流橫向運(yùn)動(dòng)形成小規(guī)模環(huán)流，二級(jí)結(jié)構(gòu)后存在明顯的滯水區(qū)；隨著間距比的增加（G/D=6、7.5），二級(jí)結(jié)構(gòu)的阻隔分流作用不再明顯，結(jié)構(gòu)背水側(cè)存在較大面積的滯水區(qū)，水槽內(nèi)的環(huán)流強(qiáng)度降低，高流速水體明顯減少，出流效果不佳。小流量下的水體流動(dòng)性不強(qiáng)，易受結(jié)構(gòu)阻隔而發(fā)生滯流，結(jié)構(gòu)附近均無明顯水體紊動(dòng)。

Q=6.8 L/min 時(shí)，阻隔結(jié)構(gòu)減少了槽內(nèi)滯水區(qū)，結(jié)構(gòu)的阻隔分流效果十分明顯。間距比較小時(shí)（G/D=1.5），偏轉(zhuǎn)主流繞過二級(jí)結(jié)構(gòu)兩側(cè)發(fā)生匯流，同時(shí)受水槽邊壁的作用形成整體環(huán)流，環(huán)流內(nèi)部水體流速低。一級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)滯水明顯，二級(jí)結(jié)構(gòu)受匯流的影響，背水側(cè)滯水區(qū)范圍較??；隨著間距比的增大（G/D=3、4.5），大部分偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)水流通道流出，形成出水口環(huán)流，小部分偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)二級(jí)結(jié)構(gòu)阻擋形成進(jìn)水口環(huán)流。一級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的低流速水體易被帶動(dòng)置換，二級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的滯水區(qū)范圍較廣；隨著間距比的進(jìn)一步增大（G/D=6、7.5），二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)偏轉(zhuǎn)主流的阻隔分流作用不明顯，水槽環(huán)流數(shù)量減少，主環(huán)流范圍增加，其內(nèi)側(cè)水體流動(dòng)滯緩，一級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)均存在“滯水區(qū)”。

圖5 多級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)影響下的水體流速矢量分布圖（Q=6.8 L/min，三棱柱）Fig.5 Vectorial distribution of water velocity under the influence of multi-barrier structure（Q=6.8 L/min，Triangular cylinder）

一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱，二級(jí)結(jié)構(gòu)為圓柱時(shí)：流場變化主要受引水流量的影響，流量越大，水體內(nèi)部流場強(qiáng)度越高。相同引水流量下的水體流場分布受間距比即水流通道寬度的影響，間距比較小時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)的阻隔分流效果較強(qiáng)，偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)結(jié)構(gòu)繞流后發(fā)生匯流，進(jìn)水口側(cè)易于形成環(huán)流；間距比較大時(shí)，通道過流能力提高，出水口側(cè)的環(huán)流能力增強(qiáng)；間距比過大時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)不再發(fā)揮阻隔分流作用，整個(gè)水槽內(nèi)的環(huán)流強(qiáng)度降低，內(nèi)側(cè)存在較大面積的滯水區(qū)。阻隔結(jié)構(gòu)后的紊動(dòng)能力受水體匯流的影響，當(dāng)匯流作用較強(qiáng)時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)后水流紊動(dòng)能力較大，而當(dāng)G/D≥6 時(shí)，一級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度更大，水體的置換能力更強(qiáng)。

2.1.3 一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)影響

下文選取較為典型的兩個(gè)流量Q=3.7 L/min、Q=6.8 L/min，分析間距比G/D=4.5時(shí)一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)緩慢水體流場分布的影響，流速矢量分布圖如圖6所示。

圖6 多級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)影響下的水體流速矢量分布圖（G/D=4.5）Fig.6 Vectorial distribution of water velocity under the influence of multi-barrier structure（G/D=4.5）

當(dāng)Q=3.7 L/min、G/D=4.5，一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱時(shí)水槽環(huán)流特點(diǎn)體現(xiàn)在：二級(jí)結(jié)構(gòu)作用后的偏轉(zhuǎn)主流近似形成均勻分流，兩阻隔結(jié)構(gòu)背水側(cè)都存在流動(dòng)滯緩區(qū)，水槽內(nèi)環(huán)流范圍大、強(qiáng)度小；一級(jí)結(jié)構(gòu)為矩形柱水槽環(huán)流特點(diǎn)體現(xiàn)在：大量偏轉(zhuǎn)主流由水流通道流過，分流不均勻，一級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的“滯水區(qū)”范圍減少。

當(dāng)Q=6.8 L/min、G/D=4.5，一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱時(shí)水槽環(huán)流特點(diǎn)體現(xiàn)在：偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)二級(jí)結(jié)構(gòu)分流后，大部分偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)水流通道流出，并在出水口側(cè)形成環(huán)流，小部分偏轉(zhuǎn)主流經(jīng)二級(jí)結(jié)構(gòu)阻擋形成進(jìn)水口環(huán)流，一級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的低流速水體易被帶動(dòng)置換，二級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的滯水區(qū)范圍較廣；一級(jí)結(jié)構(gòu)為矩形柱時(shí)水槽環(huán)流特點(diǎn)體現(xiàn)在：高流速水體多集中分布進(jìn)水口側(cè)，原因是受結(jié)構(gòu)攔擋的偏轉(zhuǎn)主流多分布在結(jié)構(gòu)的迎流側(cè)，受水槽側(cè)壁影響后的偏轉(zhuǎn)流多沿進(jìn)水口側(cè)發(fā)生環(huán)流。水體整體流場強(qiáng)度最高，流動(dòng)置換能力強(qiáng)。

綜合來看，一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)緩慢水體流場分布的影響規(guī)律可歸結(jié)為：一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱時(shí)，偏轉(zhuǎn)主流近似被二級(jí)結(jié)構(gòu)均勻分流；一級(jí)結(jié)構(gòu)為矩形柱時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)偏轉(zhuǎn)主流的分流作用不明顯，水槽環(huán)流較為均勻但環(huán)流集中在進(jìn)水口側(cè)。

2.2 水動(dòng)力特性

水動(dòng)力交換能力的強(qiáng)弱目前常以水體交換率、水齡、更新時(shí)間、水力停留時(shí)間以及半交換時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。本次試驗(yàn)中采用水體交換效率和流場平均速度作為水體更新能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其中流場平均速度為二維流場各處流速的平均值；水體交換效率的計(jì)算方法為：

式中：η為水體交換效率，無量綱；S為緩慢水體總表面積，cm2；S0為滯水區(qū)域總面積，cm2。

水動(dòng)力條件對(duì)藻類生長影響明顯，低流速有利于藻類生長，藻類過度增長將導(dǎo)致水華爆發(fā)本，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，選取適宜藻類生長流速1/100為臨界流速，確定臨界流速為0.005 m/s，表面流速低于0.005 m/s 的區(qū)域稱為流速小于0.005 m/s 滯水區(qū)，認(rèn)為該區(qū)域水體未能得到充分置換。

圖7（a）顯示，三棱柱和圓柱共同作用下的水動(dòng)力變化，其中G/D=0時(shí)代表僅有一級(jí)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力交換效率。緩慢水體水動(dòng)力交換效率與引水流量和間距比的大小都有關(guān)系，引水流量較小時(shí)（Q=3.7 L/min），水動(dòng)力交換效率隨結(jié)構(gòu)間距的變化呈波動(dòng)趨勢，但交換效率始終低于最小間距比（G/D=1.5）下的效率值（η=44.00%）；當(dāng)引水流量為4.5 L/min 時(shí)，交換效率隨間距比先增加至最大值后降低，G/D=3 時(shí)，水動(dòng)力交換效率達(dá)到最優(yōu)（η=49.30%），但始終小于僅設(shè)一級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)的交換效率；當(dāng)Q=5.3 L/min 時(shí)，水體的交換效率先降低后逐漸增大，在G/D=7.5 處交換效率最大（η=61.17%）；Q=6.0、6.8 L/min 時(shí)，水動(dòng)力交換效率表現(xiàn)出相同的變化趨勢，并在G/D=6 處水動(dòng)力交換效率最大（η=72.49%、η=72.89%）。也可以發(fā)現(xiàn)，間距比相同時(shí)，隨著引水流量的增加，交換效率最優(yōu)值增大。圖7（b）表征不同結(jié)構(gòu)間距影響下的水體平均流速情況，其中G/D=0 時(shí)代表僅有一級(jí)結(jié)構(gòu)的平均速度。相同間距比條件下，平均流速隨引水的流量的增加而增加，與水動(dòng)力交換效率的變化規(guī)律相同；不同間距比影響下，在結(jié)構(gòu)間距較小時(shí)（G/D=1.5，3，4.5），水體的平均流速最大值基本維持在0.010 m/s 附近，G/D=6 和7.5 時(shí)，平均流速的最大值在0.012 m/s附近，交換效率與平均流速為正相關(guān)關(guān)系。

圖7 不同間距比影響下的水動(dòng)力特征變化（一級(jí)結(jié)構(gòu)：三棱柱；二級(jí)結(jié)構(gòu)：圓柱）Fig.7 Variation of hydrodynamic characteristics under the influence of different spacing ratios（primary structure：Triangular cylinder；Secondary structure：Circular cylinder）

圖8（a）顯示，矩形柱和圓柱共同作用下的水動(dòng)力變化，其中G/D=0時(shí)代表僅有一級(jí)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力交換效率。與三棱柱類似，間距比相同時(shí)，水動(dòng)力交換效率隨流量的增大而增大；相同引水流量下，水體交換效率隨間距比的變化而變化。當(dāng)引水流量較小時(shí)（Q=3.7 L/min），交換效率隨距離變化呈波動(dòng)趨勢，并在G/D=4.5 處達(dá)到最高的水動(dòng)力交換效率（η=36.70%），但小于僅設(shè)一級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)的交換效率；當(dāng)Q=4.5 L/min 時(shí)，交換效率隨間距比的增加先降低后增大，在G/D=4.5 處交換效率最?。é?45.89%），在G/D=7.5 處交換效率最大（η=54.59%）；當(dāng)Q=5.3 L/min 時(shí)，交換效率隨G/D的增大而增加，在G/D=7.5 處交換效率最大（η=57.78%）；當(dāng)Q=6.0 L/min 和Q=6.8 L/min 時(shí)，交換效率隨距離的增加先降低后增加，均在G/D=3 處交換效率最?。é?58.61%和63.84%），分別在G/D=1.5 和G/D=6 處交換效率達(dá)到最大（η=66.22%和η=68.22%）。圖8（b）則顯示出間距比不同時(shí)的水體平均流速分布規(guī)律，其中G/D=0 時(shí)代表僅有一級(jí)結(jié)構(gòu)的平均速度。相同結(jié)構(gòu)間距比下的平均流速隨流量的增大而增大，不同間距比下的平均流速大小與流量相關(guān)。G/D=3 和G/D=4.5處的最大平均流速值相近，基本維持在0.010 m/s附近；G/D=6 和G/D=7.5 處的最大平均流速值相近，基本維持在0.011 m/s附近；平均流速的分布規(guī)律證明平均流速、交換效率與引水流量的正相關(guān)關(guān)系。

圖8 不同間距比影響下的水動(dòng)力特征變化（一級(jí)結(jié)構(gòu)：矩形柱；二級(jí)結(jié)構(gòu)：圓柱）Fig.8 Variation of hydrodynamic characteristics under the influence of different spacing ratios（primary structure：Square cylinder；Secondary structure：Circular cylinder）

對(duì)比分析多級(jí)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)下的水動(dòng)力特性變化可以發(fā)現(xiàn)：緩慢水體的平均流速、水動(dòng)力交換效率主要取決于流量的大小。在流量較?。≦≤5.3 L/min），僅有一級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)往往能取得最大水動(dòng)力交換效率，二級(jí)結(jié)構(gòu)的增加效果并不明顯；但當(dāng)流量增大后（Q＞5.3 L/min），合理布置二級(jí)結(jié)構(gòu)可以有效提高水動(dòng)力交換效率，在同一流量下，一級(jí)結(jié)構(gòu)不同，取得最優(yōu)水動(dòng)力交換效率的間距比不同。Q=6.0 L/min 時(shí)，一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱，當(dāng)G/D=6.0 取得最大水動(dòng)力交換效率（η=72.49%），一級(jí)結(jié)構(gòu)為矩形柱，當(dāng)G/D=1.5取得最大水動(dòng)力交換效率（η=66.22%）。因此在人工湖設(shè)計(jì)中，可根據(jù)不同的一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)及位置，考慮起阻隔分流角度的差異，進(jìn)行二級(jí)結(jié)構(gòu)的位置優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)水域高效的水體流動(dòng)置換。

3 結(jié) 論

設(shè)計(jì)不同位置的二級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)，分析比較引水流量、一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)和二級(jí)結(jié)構(gòu)位置（水流通道）對(duì)緩慢水體流場分布規(guī)律和水動(dòng)力變化的影響，包括水動(dòng)力交換效率以及水體的平均流速，對(duì)比無結(jié)構(gòu)擾動(dòng)、單級(jí)阻隔結(jié)構(gòu)條件的水體交換試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論。

（1）緩慢水體在多級(jí)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)下的流場變化與引水流量的大小、一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)和間距比（水流通道大?。┯嘘P(guān)，引水流量是緩慢水體流場強(qiáng)度變化的主控因素，水動(dòng)力交換效率和水體的平均速度隨引水流量的增大而增大。而相同流量下，增加島嶼結(jié)構(gòu)可明顯改善緩慢水體的水流運(yùn)動(dòng)范圍，水體流動(dòng)性更強(qiáng)。

（2）本文中一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱、矩形柱，一級(jí)結(jié)構(gòu)形態(tài)影響引水主流偏轉(zhuǎn)角度，偏轉(zhuǎn)角度越大，側(cè)向流的橫向運(yùn)動(dòng)距離越遠(yuǎn)。在流量較?。≦≤5.3 L/min）時(shí)，僅有一級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)往往能取得最大水動(dòng)力交換效率，二級(jí)結(jié)構(gòu)的增加效果并不明顯。流量較大時(shí)（Q＞5.3 L/min），流場分布特征揭示二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)45°偏轉(zhuǎn)主流（三棱柱）的阻隔分流作用最強(qiáng)，三棱柱和圓柱聯(lián)合擾動(dòng)下的水槽水體流動(dòng)性最強(qiáng)，水體置換率最高，Q=6.8 L/min，G/D=6 時(shí)達(dá)到最大置換率72.89%。

（3）間距比影響主流的過流能力，進(jìn)而影響水體流場的微觀變化。間距比G/D=1.5、3時(shí)，結(jié)構(gòu)的阻隔分流作用較強(qiáng)，一級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)的水體流動(dòng)較弱，二級(jí)結(jié)構(gòu)背水側(cè)由于匯流水體流速較大。當(dāng)間距增大到一定程度，即G/D=6、7.5，二級(jí)結(jié)構(gòu)阻隔分流不明顯，水體環(huán)流范圍增大，強(qiáng)度降低，環(huán)流內(nèi)側(cè)存在大面積的滯水區(qū)。

（4）流量相同，一級(jí)結(jié)構(gòu)形狀不同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水動(dòng)力交換最優(yōu)的間距比不同。Q=4.5 L/min，當(dāng)一級(jí)結(jié)構(gòu)為三棱柱，G/D=3時(shí)水動(dòng)力交換效率最大（η=49.30%）；當(dāng)一級(jí)結(jié)構(gòu)為矩形柱，G/D=7.5時(shí)水動(dòng)力交換效率最大（η=54.59%）。 □