双阻隔结构下缓慢水体二维水动力特性试验研究

蔡君怡, 姜蕊, 龙艺, 潘龙阳, 周宏伟, 王佳美

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (3) : 94-100.
水环境与水生态

双阻隔结构下缓慢水体二维水动力特性试验研究

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Experimental Research on Two-dimensional Hydrodynamic Characteristics of Slow Water Under Double Bluff Body

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摘要

以景观湖泊、生态湿地等为主要代表的缓慢水体在城市建设中的重要性日益突出，如何增大水体交换区域，减缓水质恶化趋势，是我们面临的重要问题。基于粒子图像测速技术（PIV），研究了缓慢水体中双阻隔结构（岛屿）间距比、引水流量、形状对二维流场分布、水体置换率、流场平均速度的影响规律。试验结果表明，引水流量是缓慢水体流场强度变化的主控因素，水动力交换效率和水流的平均速度随引水流量的增大而增大；阻隔结构可明显改善流动范围，增加水体流动性。研究发现三棱柱和圆柱联合扰动下的水槽水体流动性最强，水体置换率最高，Q=6.8 L/min，G/D=6时达到最大置换率72.89%。试验结果将对优化景观湖泊内岛屿的布设有一定的借鉴。

Abstract

Slow water bodies， mainly represented by landscape lakes and ecological wetlands， are becoming more and more important in urban construction. How to increase water exchange areas and slow down the deterioration of water quality is an important problem we are faced with. Based on particle image velocimetry （PIV） technique， the effects of spacing ratio， diversion flow rate and shape of double bluff body （islands） on two-dimensional flow field distribution， water displacement rate and average velocity of the flow field in slow water are studied. The experimental results show that the diversion flow rate is the main controlling factor for the intensity of the flow field in the slow water， and the hydrodynamic exchange efficiency and the average velocity of the water flow are proportional to the diversion flow. The bluff body can obviously improve the range of flow movement and increase the fluidity of water. It is found that the fluidity of the flume water is the strongest and the displacement rate is the highest when the prism and cylinder are disturbed together. The maximum displacement rate reaches 72.89% when Q=6.8 L/min and G/D=6. The experimental results will provide some reference for optimizing the layout of islands in the landscape lake.

关键词

缓慢水体 / 阻隔结构 / PIV / 流场分析 / 水动力交换

Key words

slow water / bluff body / PIV / flow field analysis / hydrodynamic exchange

基金

国家重点研发计划项目(2018YFC1508605)

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蔡君怡 , 姜蕊 , 龙艺 , 潘龙阳 , 周宏伟 , 王佳美. 双阻隔结构下缓慢水体二维水动力特性试验研究[J].中国农村水利水电, 2022(3): 94-100
Jun-yi CAI , Rui JIANG , Yi LONG , Long-yang PAN , Hong-wei ZHOU , Jia-mei WANG. Experimental Research on Two-dimensional Hydrodynamic Characteristics of Slow Water Under Double Bluff Body[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(3): 94-100
近年来，以景观湖泊、水库池塘、生态湿地等为主要代表的缓慢水体已经成为城市水体不可缺少的重要组成部分，这类水体具有防洪除涝、景观娱乐、美化城市等功能，可为城市提供更为稳定、舒适、可持续的发展环境［1，2］。缓慢水体具有水域面积广阔，水深较浅，水体封闭，流速较慢等特性，容易发生水生态恶化甚至水体退化［3-5］，水质恶化现象在影响城市的整体形象的同时，也严重威胁了城市居民的健康，目前缓慢水体水质问题亟待解决。
利用人工水循环措施改善湖泊水质是一种常见的物理方法，引水冲污具有稀释置换被污染水体、改善水动力条件的作用，大量的研究与具体工程实例的应用已证明了引水冲污对于改善城市河湖水环境是有效的［6-9］。此外，适当的阻隔结构（岛屿）可以增强水体内的环流效应，影响区域内的水位变化，并对水流速度、方向以及水体流场的分布产生扰动，带动水体的流动置换，不合适的阻隔结构也会降低水体流速，降低水体自净能力。匡翠萍等［10］基于MIKE软件建立三维和二维潮流模型以及保守物质输运模型，分析人工岛对水体交换的影响机制，研究发现海螺岛工程起到分流、导流的作用，提升了金梦海湾的水体交换能力，水体交换率提升10.17%。李根等［11］利用Fluent软件模拟蜡烛湖流场发现湖心岛岸线的形状对整体蜡烛湖流场有较大的影响，优化的呈祥岛形状有助于改变附近区域流场，能够促进解决附近区域的“死水”问题。唐继张等［12］发现昆明池流场受人工岛及湖岸地形影响较大，近岛处流速较大。岳青华、丁聪［13］研究了围填海工程对半封闭海湾水动力环境的影响，发现工程实施会降低海域的水体自净能力，造成海湾水体半交换周期增加。
因此，缓慢水体的水动力特性的研究成果将对景观湖泊内岛屿的位置形状设计起指导作用，本文通过室内水槽示踪试验，利用粒子图像测速系统（PIV）拍摄得到槽内含有双阻隔结构的缓慢水体二维流场瞬时数据，分析二维流场变化、水体交换率和流场平均速度变化等情况，探究引水流量、间距比及结构形状对缓慢水体更新能力的影响规律。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

本试验装置为概化人工湖模型，试验在室内有机玻璃水槽中进行，主水槽尺寸为80 cm×60 cm×10 cm（长×宽×高），水槽上部边壁设宽5 cm的进出水口，进水口外接长40 cm的斜槽，斜槽上游与蓄水池出水管相接，并设置出水阀门和涡轮流量计，试验由40 cm×40 cm×60 cm（长×宽×高）蓄水池进行供水。蓄水池侧壁分别设置φ=25 mm的进出水管，进水管设置进水阀门、与水龙头相接。试验水槽出水口处设挡水板控制水槽水位，槽内水深h=5cm。流出水槽的水体通过循环泵输送至蓄水池，保证循环流动。试验装置布置图如图1所示。
图1 模型试验装置图

Fig.1 Model test device diagram

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综合考虑本概化水槽模型尺寸及进出水口尺寸，阻隔结构选用常见人工岛屿形状，试验有机玻璃阻隔结构尺寸、形状见图2。本次试验选择三棱柱、矩形柱作为一级阻隔结构，位于进出水口之间的连线上，结构形心到进水口的距离L为25 cm。选择圆柱体作为二级阻隔结构，二级结构摆放位置由距离G（G为两阻隔结构边缘的垂直距离，cm；）和偏转角度θ（偏转角度θ为偏转主流的轴线方向与进出水口轴线方向的夹角，°）确定。
图2 结构参数（单位：cm）

Fig.2 Structural parameters

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1.2 测量方法

本试验主要应用PIV系统实现对水体二维流场的测量，试验使用中空的玻璃微珠，粒子粒径 8~12 μm，中值粒径10 μm，不溶于水，密度与水相近。PIV主要测量指标为主体水槽流速分布，拍摄区域大小为80 cm×60 cm（长×宽）。

1.3 试验工况

试验工况设计如下：水槽进水流量由蓄水池水深H进行调节，预先进行无结构扰动试验作为对比分析依据。本试验流量Q设置为3.7~6.8 L/min，间距比G/D（G为两阻隔结构边缘的垂直距离，cm；D为二级结构圆柱直径，cm）设置为1.5~7.5 cm。根据预试验得出当一级结构位于L=25 cm处，主流受一级结构影响后偏转角度为：三棱柱为45°，矩形柱为75°。具体试验工况安排如表1。
表1 试验工况设计

Tab.1 Test condition design table

一级结构形状 二级结构形状 θ/（°） H/cm Q/（L·min-1） L/cm G/D
三棱柱 圆柱 45 24 3.7 25 1.5/3/4.5/6/7.5
33 4.5 1.5/3/4.5/6/7.5
39 5.3 1.5/3/4.5/6/7.5
48 6.0 1.5/3/4.5/6/7.5
58 6.8 1.5/3/4.5/6/7.5
矩形柱 圆柱 75 24 3.7 25 1.5/3/4.5/6/7.5
33 4.5 1.5/3/4.5/6/7.5
39 5.3 1.5/3/4.5/6/7.5
48 6.0 1.5/3/4.5/6/7.5
58 6.8 1.5/3/4.5/6/7.5

2 试验结果与分析

2.1 流场分布

多级结构对缓慢水体流场变化的影响与引水流量、间距比和结构形态都有关联，水域内的结构通过阻隔水流运动、增加水体绕流，进而影响水体内部流场变化，包括主流的绕流分流、环流缓流等。

2.1.1 一级结构下的流场分布

图3显示了一级结构影响下的水体流速矢量分布图，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）影响下主流受一级结构影响下的偏转角度。经三棱柱影响，主流偏转角为45°，经矩形柱影响，主流偏转角为75°。在此基础上确定二级结构坐标，以探究多级阻隔结构影响下水体流场分布。
图3 一级结构影响下的水体流速矢量分布图

Fig.3 Vector distribution of water velocity under the influence of primary structure

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2.1.2 二级结构位置影响

下文选取较为典型的两个流量Q=3.7 L/min、Q=6.8 L/min，分析引水流量、间距比对缓慢水体流场分布的影响。
图4、5分别显示了不同引水流量下，一级结构为三棱柱时，二级结构的位置变化（间距比变化）对缓慢水体流场分布的影响规律。
图4 多级阻隔结构影响下的水体流速矢量分布图（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）

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图5 多级阻隔结构影响下的水体流速矢量分布图（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）

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引水主流经三棱柱结构阻挡后，沿45°方向偏转，Q=3.7 L/min时，可见阻隔结构减少了槽内滞水区。G/D=1.5、3、4.5时，偏转主流经二级结构形成分流，一支流绕过结构径直流向水槽出口，另一支流横向运动形成小规模环流，二级结构后存在明显的滞水区；随着间距比的增加（G/D=6、7.5），二级结构的阻隔分流作用不再明显，结构背水侧存在较大面积的滞水区，水槽内的环流强度降低，高流速水体明显减少，出流效果不佳。小流量下的水体流动性不强，易受结构阻隔而发生滞流，结构附近均无明显水体紊动。
Q=6.8 L/min时，阻隔结构减少了槽内滞水区，结构的阻隔分流效果十分明显。间距比较小时（G/D=1.5），偏转主流绕过二级结构两侧发生汇流，同时受水槽边壁的作用形成整体环流，环流内部水体流速低。一级结构背水侧滞水明显，二级结构受汇流的影响，背水侧滞水区范围较小； 随着间距比的增大（G/D=3、4.5），大部分偏转主流经水流通道流出，形成出水口环流，小部分偏转主流经二级结构阻挡形成进水口环流。一级结构背水侧的低流速水体易被带动置换，二级结构背水侧的滞水区范围较广；随着间距比的进一步增大（G/D=6、7.5），二级结构对偏转主流的阻隔分流作用不明显，水槽环流数量减少，主环流范围增加，其内侧水体流动滞缓，一级结构和二级结构背水侧均存在“滞水区”。
一级结构为三棱柱，二级结构为圆柱时：流场变化主要受引水流量的影响，流量越大，水体内部流场强度越高。相同引水流量下的水体流场分布受间距比即水流通道宽度的影响，间距比较小时，二级结构的阻隔分流效果较强，偏转主流经结构绕流后发生汇流，进水口侧易于形成环流；间距比较大时，通道过流能力提高，出水口侧的环流能力增强；间距比过大时，二级结构不再发挥阻隔分流作用，整个水槽内的环流强度降低，内侧存在较大面积的滞水区。阻隔结构后的紊动能力受水体汇流的影响，当汇流作用较强时，二级结构后水流紊动能力较大，而当G/D≥6时，一级结构背水侧的紊动强度更大，水体的置换能力更强。

2.1.3 一级结构形态影响

下文选取较为典型的两个流量Q=3.7 L/min、Q=6.8 L/min，分析间距比G/D=4.5时一级结构形态对缓慢水体流场分布的影响，流速矢量分布图如图6所示。
图6 多级阻隔结构影响下的水体流速矢量分布图（G/D=4.5）

Fig.6 Vectorial distribution of water velocity under the influence of multi-barrier structure（G/D=4.5）

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当Q=3.7 L/min、G/D=4.5，一级结构为三棱柱时水槽环流特点体现在：二级结构作用后的偏转主流近似形成均匀分流，两阻隔结构背水侧都存在流动滞缓区，水槽内环流范围大、强度小；一级结构为矩形柱水槽环流特点体现在：大量偏转主流由水流通道流过，分流不均匀，一级结构背水侧的“滞水区”范围减少。
当Q=6.8 L/min、G/D=4.5，一级结构为三棱柱时水槽环流特点体现在：偏转主流经二级结构分流后，大部分偏转主流经水流通道流出，并在出水口侧形成环流，小部分偏转主流经二级结构阻挡形成进水口环流，一级结构背水侧的低流速水体易被带动置换，二级结构背水侧的滞水区范围较广；一级结构为矩形柱时水槽环流特点体现在：高流速水体多集中分布进水口侧，原因是受结构拦挡的偏转主流多分布在结构的迎流侧，受水槽侧壁影响后的偏转流多沿进水口侧发生环流。水体整体流场强度最高，流动置换能力强。
综合来看，一级结构形态对缓慢水体流场分布的影响规律可归结为：一级结构为三棱柱时，偏转主流近似被二级结构均匀分流；一级结构为矩形柱时，二级结构对偏转主流的分流作用不明显，水槽环流较为均匀但环流集中在进水口侧。

2.2 水动力特性

水动力交换能力的强弱目前常以水体交换率、水龄、更新时间、水力停留时间以及半交换时间作为评价指标。本次试验中采用水体交换效率和流场平均速度作为水体更新能力的衡量标准，其中流场平均速度为二维流场各处流速的平均值；水体交换效率的计算方法为：
η=S-S0S
式中：η为水体交换效率，无量纲；S为缓慢水体总表面积，cm2；S 0为滞水区域总面积，cm2。
水动力条件对藻类生长影响明显，低流速有利于藻类生长，藻类过度增长将导致水华爆发本，根据试验模型尺寸，选取适宜藻类生长流速1/100为临界流速，确定临界流速为0.005 m/s，表面流速低于0.005 m/s的区域称为流速小于0.005 m/s滞水区，认为该区域水体未能得到充分置换。
图7（a）显示，三棱柱和圆柱共同作用下的水动力变化，其中G/D=0时代表仅有一级结构的水动力交换效率。缓慢水体水动力交换效率与引水流量和间距比的大小都有关系，引水流量较小时（Q=3.7 L/min），水动力交换效率随结构间距的变化呈波动趋势，但交换效率始终低于最小间距比（G/D=1.5）下的效率值（η=44.00%）；当引水流量为4.5 L/min时，交换效率随间距比先增加至最大值后降低，G/D=3时，水动力交换效率达到最优（η=49.30%），但始终小于仅设一级结构时的交换效率；当Q=5.3 L/min时，水体的交换效率先降低后逐渐增大，在G/D=7.5处交换效率最大（η=61.17%）；Q=6.0、6.8 L/min时，水动力交换效率表现出相同的变化趋势，并在G/D=6处水动力交换效率最大（η=72.49%、η=72.89%）。也可以发现，间距比相同时，随着引水流量的增加，交换效率最优值增大。图7（b）表征不同结构间距影响下的水体平均流速情况，其中G/D=0时代表仅有一级结构的平均速度。相同间距比条件下，平均流速随引水的流量的增加而增加，与水动力交换效率的变化规律相同；不同间距比影响下，在结构间距较小时（G/D=1.5，3，4.5），水体的平均流速最大值基本维持在0.010 m/s附近，G/D=6和7.5时，平均流速的最大值在0.012 m/s附近，交换效率与平均流速为正相关关系。
图7 不同间距比影响下的水动力特征变化（一级结构：三棱柱；二级结构：圆柱）

Fig.7 Variation of hydrodynamic characteristics under the influence of different spacing ratios （primary structure： Triangular cylinder； Secondary structure： Circular cylinder）

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图8（a）显示，矩形柱和圆柱共同作用下的水动力变化，其中G/D=0时代表仅有一级结构的水动力交换效率。与三棱柱类似，间距比相同时，水动力交换效率随流量的增大而增大；相同引水流量下，水体交换效率随间距比的变化而变化。当引水流量较小时（Q=3.7 L/min），交换效率随距离变化呈波动趋势，并在G/D=4.5处达到最高的水动力交换效率（η=36.70%），但小于仅设一级结构时的交换效率；当Q=4.5 L/min 时，交换效率随间距比的增加先降低后增大，在G/D=4.5 处交换效率最小（η=45.89%），在G/D=7.5处交换效率最大（η=54.59%）；当Q=5.3 L/min时，交换效率随G/D的增大而增加，在G/D=7.5处交换效率最大（η=57.78%）；当Q=6.0 L/min和Q=6.8 L/min 时，交换效率随距离的增加先降低后增加，均在G/D=3 处交换效率最小（η=58.61%和 63.84%），分别在G/D=1.5和G/D=6处交换效率达到最大（η=66.22%和η=68.22%）。图8（b）则显示出间距比不同时的水体平均流速分布规律，其中G/D=0时代表仅有一级结构的平均速度。相同结构间距比下的平均流速随流量的增大而增大，不同间距比下的平均流速大小与流量相关。G/D=3和G/D=4.5处的最大平均流速值相近，基本维持在0.010 m/s附近；G/D=6和G/D=7.5处的最大平均流速值相近，基本维持在0.011 m/s附近；平均流速的分布规律证明平均流速、交换效率与引水流量的正相关关系。
图8 不同间距比影响下的水动力特征变化（一级结构：矩形柱；二级结构：圆柱）

Fig.8 Variation of hydrodynamic characteristics under the influence of different spacing ratios （primary structure： Square cylinder； Secondary structure： Circular cylinder）

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对比分析多级结构扰动下的水动力特性变化可以发现：缓慢水体的平均流速、水动力交换效率主要取决于流量的大小。在流量较小（Q≤5.3 L/min），仅有一级结构时往往能取得最大水动力交换效率，二级结构的增加效果并不明显；但当流量增大后（Q＞5.3 L/min），合理布置二级结构可以有效提高水动力交换效率，在同一流量下，一级结构不同，取得最优水动力交换效率的间距比不同。Q=6.0 L/min时，一级结构为三棱柱，当G/D=6.0取得最大水动力交换效率（η=72.49%），一级结构为矩形柱，当G/D=1.5取得最大水动力交换效率（η=66.22%）。因此在人工湖设计中，可根据不同的一级结构形态及位置，考虑起阻隔分流角度的差异，进行二级结构的位置优化，以实现水域高效的水体流动置换。

3 结 论

设计不同位置的二级阻隔结构，分析比较引水流量、一级结构形态和二级结构位置（水流通道）对缓慢水体流场分布规律和水动力变化的影响，包括水动力交换效率以及水体的平均流速，对比无结构扰动、单级阻隔结构条件的水体交换试验，主要得出以下结论。
（1）缓慢水体在多级结构扰动下的流场变化与引水流量的大小、一级结构形态和间距比（水流通道大小）有关，引水流量是缓慢水体流场强度变化的主控因素，水动力交换效率和水体的平均速度随引水流量的增大而增大。而相同流量下，增加岛屿结构可明显改善缓慢水体的水流运动范围，水体流动性更强。
（2）本文中一级结构为三棱柱、矩形柱，一级结构形态影响引水主流偏转角度，偏转角度越大，侧向流的横向运动距离越远。在流量较小（Q≤5.3 L/min）时，仅有一级结构时往往能取得最大水动力交换效率，二级结构的增加效果并不明显。流量较大时（Q＞5.3 L/min），流场分布特征揭示二级结构对45°偏转主流（三棱柱）的阻隔分流作用最强，三棱柱和圆柱联合扰动下的水槽水体流动性最强，水体置换率最高，Q=6.8 L/min，G/D=6时达到最大置换率72.89%。
（3）间距比影响主流的过流能力，进而影响水体流场的微观变化。间距比G/D=1.5、3时，结构的阻隔分流作用较强，一级结构背水侧的水体流动较弱，二级结构背水侧由于汇流水体流速较大。当间距增大到一定程度，即G/D=6、7.5，二级结构阻隔分流不明显，水体环流范围增大，强度降低，环流内侧存在大面积的滞水区。
（4）流量相同，一级结构形状不同时，实现水动力交换最优的间距比不同。Q=4.5 L/min，当一级结构为三棱柱，G/D=3时水动力交换效率最大（η=49.30%）；当一级结构为矩形柱，G/D=7.5时水动力交换效率最大（η=54.59%）。 □

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