雙阻隔結構下緩慢水體二維水動力特性試驗研究

蔡君怡，姜 蕊，龍 藝，潘龍陽，周宏偉，王佳美

（1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.中國三峽（建工）集團有限公司，成都 610094；3.四川水利職業技術學院，成都 611231）

近年來，以景觀湖泊、水庫池塘、生態濕地等為主要代表的緩慢水體已經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定、舒適、可持續的發展環境［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，容易發生水生態惡化甚至水體退化［3-5］，水質惡化現象在影響城市的整體形象的同時，也嚴重威脅了城市居民的健康，目前緩慢水體水質問題亟待解決。

利用人工水循環措施改善湖泊水質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、改善水動力條件的作用，大量的研究與具體工程實例的應用已證明了引水沖污對于改善城市河湖水環境是有效的［6-9］。此外，適當的阻隔結構（島嶼）可以增強水體內的環流效應，影響區域內的水位變化，并對水流速度、方向以及水體流場的分布產生擾動，帶動水體的流動置換，不合適的阻隔結構也會降低水體流速，降低水體自凈能力。匡翠萍等［10］基于MIKE 軟件建立三維和二維潮流模型以及保守物質輸運模型，分析人工島對水體交換的影響機制，研究發現海螺島工程起到分流、導流的作用，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現湖心島岸線的形狀對整體蠟燭湖流場有較大的影響，優化的呈祥島形狀有助于改變附近區域流場，能夠促進解決附近區域的“死水”問題。唐繼張等［12］發現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半封閉海灣水動力環境的影響，發現工程實施會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，緩慢水體的水動力特性的研究成果將對景觀湖泊內島嶼的位置形狀設計起指導作用，本文通過室內水槽示蹤試驗，利用粒子圖像測速系統（PIV）拍攝得到槽內含有雙阻隔結構的緩慢水體二維流場瞬時數據，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、間距比及結構形狀對緩慢水體更新能力的影響規律。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

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

圖1 模型試驗裝置圖Fig.1 Model test device diagram

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

圖2 結構參數（單位：cm）Fig.2 Structural parameters

1.2 測量方法

本試驗主要應用PIV 系統實現對水體二維流場的測量，試驗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 主要測量指標為主體水槽流速分布，拍攝區域大小為80 cm×60 cm（長×寬）。

1.3 試驗工況

試驗工況設計如下：水槽進水流量由蓄水池水深H進行調節，預先進行無結構擾動試驗作為對比分析依據。本試驗流量Q設置為3.7～6.8 L/min，間距比G/D（G為兩阻隔結構邊緣的垂直距離，cm；D為二級結構圓柱直徑，cm）設置為1.5～7.5 cm。根據預試驗得出當一級結構位于L=25 cm 處，主流受一級結構影響后偏轉角度為：三棱柱為45°，矩形柱為75°。具體試驗工況安排如表1。

表1 試驗工況設計Tab.1 Test condition design table

2 試驗結果與分析

2.1 流場分布

多級結構對緩慢水體流場變化的影響與引水流量、間距比和結構形態都有關聯，水域內的結構通過阻隔水流運動、增加水體繞流，進而影響水體內部流場變化，包括主流的繞流分流、環流緩流等。

2.1.1 一級結構下的流場分布

圖3 顯示了一級結構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）影響下主流受一級結構影響下的偏轉角度。經三棱柱影響，主流偏轉角為45°，經矩形柱影響，主流偏轉角為75°。在此基礎上確定二級結構坐標，以探究多級阻隔結構影響下水體流場分布。

圖3 一級結構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 二級結構位置影響

下文選取較為典型的兩個流量Q=3.7 L/min、Q=6.8 L/min，分析引水流量、間距比對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，一級結構為三棱柱時，二級結構的位置變化（間距比變化）對緩慢水體流場分布的影響規律。

圖4 多級阻隔結構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）

引水主流經三棱柱結構阻擋后，沿45°方向偏轉，Q=3.7 L/min時，可見阻隔結構減少了槽內滯水區。G/D=1.5、3、4.5時，偏轉主流經二級結構形成分流，一支流繞過結構徑直流向水槽出口，另一支流橫向運動形成小規模環流，二級結構后存在明顯的滯水區；隨著間距比的增加（G/D=6、7.5），二級結構的阻隔分流作用不再明顯，結構背水側存在較大面積的滯水區，水槽內的環流強度降低，高流速水體明顯減少，出流效果不佳。小流量下的水體流動性不強，易受結構阻隔而發生滯流，結構附近均無明顯水體紊動。

Q=6.8 L/min 時，阻隔結構減少了槽內滯水區，結構的阻隔分流效果十分明顯。間距比較小時（G/D=1.5），偏轉主流繞過二級結構兩側發生匯流，同時受水槽邊壁的作用形成整體環流，環流內部水體流速低。一級結構背水側滯水明顯，二級結構受匯流的影響，背水側滯水區范圍較小；隨著間距比的增大（G/D=3、4.5），大部分偏轉主流經水流通道流出，形成出水口環流，小部分偏轉主流經二級結構阻擋形成進水口環流。一級結構背水側的低流速水體易被帶動置換，二級結構背水側的滯水區范圍較廣；隨著間距比的進一步增大（G/D=6、7.5），二級結構對偏轉主流的阻隔分流作用不明顯，水槽環流數量減少，主環流范圍增加，其內側水體流動滯緩，一級結構和二級結構背水側均存在“滯水區”。

圖5 多級阻隔結構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）

一級結構為三棱柱，二級結構為圓柱時：流場變化主要受引水流量的影響，流量越大，水體內部流場強度越高。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，二級結構的阻隔分流效果較強，偏轉主流經結構繞流后發生匯流，進水口側易于形成環流；間距比較大時，通道過流能力提高，出水口側的環流能力增強；間距比過大時，二級結構不再發揮阻隔分流作用，整個水槽內的環流強度降低，內側存在較大面積的滯水區。阻隔結構后的紊動能力受水體匯流的影響，當匯流作用較強時，二級結構后水流紊動能力較大，而當G/D≥6 時，一級結構背水側的紊動強度更大，水體的置換能力更強。

2.1.3 一級結構形態影響

下文選取較為典型的兩個流量Q=3.7 L/min、Q=6.8 L/min，分析間距比G/D=4.5時一級結構形態對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 多級阻隔結構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Q=3.7 L/min、G/D=4.5，一級結構為三棱柱時水槽環流特點體現在：二級結構作用后的偏轉主流近似形成均勻分流，兩阻隔結構背水側都存在流動滯緩區，水槽內環流范圍大、強度小；一級結構為矩形柱水槽環流特點體現在：大量偏轉主流由水流通道流過，分流不均勻，一級結構背水側的“滯水區”范圍減少。

當Q=6.8 L/min、G/D=4.5，一級結構為三棱柱時水槽環流特點體現在：偏轉主流經二級結構分流后，大部分偏轉主流經水流通道流出，并在出水口側形成環流，小部分偏轉主流經二級結構阻擋形成進水口環流，一級結構背水側的低流速水體易被帶動置換，二級結構背水側的滯水區范圍較廣；一級結構為矩形柱時水槽環流特點體現在：高流速水體多集中分布進水口側，原因是受結構攔擋的偏轉主流多分布在結構的迎流側，受水槽側壁影響后的偏轉流多沿進水口側發生環流。水體整體流場強度最高，流動置換能力強。

綜合來看，一級結構形態對緩慢水體流場分布的影響規律可歸結為：一級結構為三棱柱時，偏轉主流近似被二級結構均勻分流；一級結構為矩形柱時，二級結構對偏轉主流的分流作用不明顯，水槽環流較為均勻但環流集中在進水口側。

2.2 水動力特性

水動力交換能力的強弱目前常以水體交換率、水齡、更新時間、水力停留時間以及半交換時間作為評價指標。本次試驗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準，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為滯水區域總面積，cm2。

水動力條件對藻類生長影響明顯，低流速有利于藻類生長，藻類過度增長將導致水華爆發本，根據試驗模型尺寸，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 的區域稱為流速小于0.005 m/s 滯水區，認為該區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力變化，其中G/D=0時代表僅有一級結構的水動力交換效率。緩慢水體水動力交換效率與引水流量和間距比的大小都有關系，引水流量較小時（Q=3.7 L/min），水動力交換效率隨結構間距的變化呈波動趨勢，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%）；當引水流量為4.5 L/min 時，交換效率隨間距比先增加至最大值后降低，G/D=3 時，水動力交換效率達到最優（η=49.30%），但始終小于僅設一級結構時的交換效率；當Q=5.3 L/min 時，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，水動力交換效率表現出相同的變化趨勢，并在G/D=6 處水動力交換效率最大（η=72.49%、η=72.89%）。也可以發現，間距比相同時，隨著引水流量的增加，交換效率最優值增大。圖7（b）表征不同結構間距影響下的水體平均流速情況，其中G/D=0 時代表僅有一級結構的平均速度。相同間距比條件下，平均流速隨引水的流量的增加而增加，與水動力交換效率的變化規律相同；不同間距比影響下，在結構間距較小時（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，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關系。

圖7 不同間距比影響下的水動力特征變化（一級結構：三棱柱；二級結構：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力變化，其中G/D=0時代表僅有一級結構的水動力交換效率。與三棱柱類似，間距比相同時，水動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。當引水流量較小時（Q=3.7 L/min），交換效率隨距離變化呈波動趨勢，并在G/D=4.5 處達到最高的水動力交換效率（η=36.70%），但小于僅設一級結構時的交換效率；當Q=4.5 L/min 時，交換效率隨間距比的增加先降低后增大，在G/D=4.5 處交換效率最小（η=45.89%），在G/D=7.5 處交換效率最大（η=54.59%）；當Q=5.3 L/min 時，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Q=6.0 L/min 和Q=6.8 L/min 時，交換效率隨距離的增加先降低后增加，均在G/D=3 處交換效率最小（η=58.61%和63.84%），分別在G/D=1.5 和G/D=6 處交換效率達到最大（η=66.22%和η=68.22%）。圖8（b）則顯示出間距比不同時的水體平均流速分布規律，其中G/D=0 時代表僅有一級結構的平均速度。相同結構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。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；平均流速的分布規律證明平均流速、交換效率與引水流量的正相關關系。

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

對比分析多級結構擾動下的水動力特性變化可以發現：緩慢水體的平均流速、水動力交換效率主要取決于流量的大小。在流量較小（Q≤5.3 L/min），僅有一級結構時往往能取得最大水動力交換效率，二級結構的增加效果并不明顯；但當流量增大后（Q＞5.3 L/min），合理布置二級結構可以有效提高水動力交換效率，在同一流量下，一級結構不同，取得最優水動力交換效率的間距比不同。Q=6.0 L/min 時，一級結構為三棱柱，當G/D=6.0 取得最大水動力交換效率（η=72.49%），一級結構為矩形柱，當G/D=1.5取得最大水動力交換效率（η=66.22%）。因此在人工湖設計中，可根據不同的一級結構形態及位置，考慮起阻隔分流角度的差異，進行二級結構的位置優化，以實現水域高效的水體流動置換。

3 結 論

設計不同位置的二級阻隔結構，分析比較引水流量、一級結構形態和二級結構位置（水流通道）對緩慢水體流場分布規律和水動力變化的影響，包括水動力交換效率以及水體的平均流速，對比無結構擾動、單級阻隔結構條件的水體交換試驗，主要得出以下結論。

（1）緩慢水體在多級結構擾動下的流場變化與引水流量的大小、一級結構形態和間距比（水流通道大小）有關，引水流量是緩慢水體流場強度變化的主控因素，水動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，增加島嶼結構可明顯改善緩慢水體的水流運動范圍，水體流動性更強。

（2）本文中一級結構為三棱柱、矩形柱，一級結構形態影響引水主流偏轉角度，偏轉角度越大，側向流的橫向運動距離越遠。在流量較小（Q≤5.3 L/min）時，僅有一級結構時往往能取得最大水動力交換效率，二級結構的增加效果并不明顯。流量較大時（Q＞5.3 L/min），流場分布特征揭示二級結構對45°偏轉主流（三棱柱）的阻隔分流作用最強，三棱柱和圓柱聯合擾動下的水槽水體流動性最強，水體置換率最高，Q=6.8 L/min，G/D=6 時達到最大置換率72.89%。

（3）間距比影響主流的過流能力，進而影響水體流場的微觀變化。間距比G/D=1.5、3時，結構的阻隔分流作用較強，一級結構背水側的水體流動較弱，二級結構背水側由于匯流水體流速較大。當間距增大到一定程度，即G/D=6、7.5，二級結構阻隔分流不明顯，水體環流范圍增大，強度降低，環流內側存在大面積的滯水區。

（4）流量相同，一級結構形狀不同時，實現水動力交換最優的間距比不同。Q=4.5 L/min，當一級結構為三棱柱，G/D=3時水動力交換效率最大（η=49.30%）；當一級結構為矩形柱，G/D=7.5時水動力交換效率最大（η=54.59%）。 □