本试验在陕西省杨凌区西北农林科技大学北校区水工试验大厅进行。试验系统主要包括蓄水池、流量调节阀门、稳水网、矩形跌水板、可调高度支架和接收瓶等。试验装置见图1，蓄水槽边壁设置水头测量管，用来测量水槽水头H’，以保证在试验过程中水头（流量）稳定。

由于跌水宽度B、跌水末端到下游水面高差（跌水高度H）、跌水下游水池水深（下游水垫水深h）直接影响跌水水幕宽度、长度及入水深度，使得水流与空气接触的面积不同、掺气量也不同，因此，试验中跌水结构参数包括跌水宽度、跌水高度和水垫深度3个方面。跌水结构参数，见图2。

图2可见，一般跌水宽度B选择范围为6～20 cm，根据不同水头和流量，本实验共设置6、8、10、12、14和20 cm 6个跌水宽度；跌水高度H采用30、40、50、60、70和80 cm 6个水平；跌水水垫深度h设置了0、3、6、9和12 cm 5个水平。试验采用全组合设计，总计共180种结构。试验流量Q分别设置为8.7、11.4、13.8、18.5、20.8、24.3、27.6、28.4、31.6和33.8 L/min 10个水平，总计共1800组试验。试验测定一定流量范围的脱氧水通过不同结构参数跌水后水中DO值的变化过程。试验的DO值采用智能溶解氧分析仪(JPB-607A)测量，该仪器精度为0.1 mg/L。

试验前将蓄水槽注满水，用消氧剂对槽内水体进行清水脱氧处理，同时测定水温。试验准备完毕后开启阀门，水流形成跌水，在JPB-607A读数发生变化开始计时，平均每15 s记录一次。当测定仪读数趋于稳定时停止计时，记录测定仪度数。

在跌水水流充氧过程中，氧气的转移速率随着水流与空气接触面积的增加而增加，则水体中的含氧量随之增加，即影响空气中的氧气转向水体中的转移速率的主要因素是跌水水流与空气的接触面积。试验发现，无论是改变跌水宽度、高度或跌水流量，跌水水流脱离跌坎后均会由水幕状态逐渐汇集成水柱形态。跌水流量和跌水高度、宽度均对跌水空中形状有影响。当流量一定时，跌水水流呈水幕形态时与空气的接触面积大于水柱形态，通过调节跌水宽度、高度从而影响跌水水流在空中的形态，使水体与空气的接触面积增大，以提高跌水曝气效果。

在试验开始前，先对跌水结构参数进行筛选，经过系列试验发现，在高度H=35 cm，水垫深度h=0 cm（即下游水池无水），流量Q=13～34 L/min时，跌水水流呈现水幕状形态。随着跌水宽度的减小，水幕下端逐渐缩窄，当跌水宽度B接近6 cm时，在水流下跌末段出现交叉汇集现象，下跌水流汇集成水柱形态下跌，其形状见图2。

当流量Q<13 L/min时，跌水水流形态基本不发生变化，多呈现水柱形态。分别选取流量Q为18.5、24.3和28.4 L/min，根据试验观察水流形态，比较跌水宽度对跌水曝气的影响。试验发现，在跌水宽度B为8、10、12和14 cm时跌水水流不会发生汇集现象，水流始终以水幕状态下跌。但跌水水流的流态在跌水宽度B=6 cm时，会发生变化。水流在跌坎下方20～30 cm处汇集，形成水柱。当跌水高度为35 cm时，跌水宽度对跌水水流充氧效果的影响，见图3。

图3（a）可见，水中DO值先随着跌水宽度B的增加而减小，后又随着跌水宽度的增加而呈现上升趋势，但趋势逐渐减缓。图3（b）可见，当跌水水流为水幕跌水形态（即跌水宽度为8、10、12和14 cm）时，随着跌水宽度的增加跌水水体中的DO增大，增加的趋势比较稳定。其原因在于在保持跌水其它结构参数不变的情况下，改变跌水宽度，空气与水流的接触面积相应改变。对同一跌水水流而言，跌水宽度的增加使空气与水流接触的表面积增大，使得空气中的氧气向水体中转移速率增加，从而使得水中DO值逐渐增大。但该增量在单位时间内转移氧的量会逐渐减少，主要由于在跌水高度不变时，水流可以溶解的氧气量是有限的，所以随着时间的延长，水体中氧气的含量会越来越大，进而逐渐趋于饱和状态。空气中的氧气向水体中传递的阻力随着水体中氧气含量的增加而增大，使得该增量的绝对值逐渐减小。当跌水宽度B=6～10 cm时，在图3（a）中出现一个极低点，且随着跌水宽度B的减小曲线反而呈上升趋势。主要原因是在跌水宽度为6 cm时跌水水流流态发生了改变，水流已从水幕形状汇集为水柱的形式跌落。水流汇集之后，水中DO值会随着跌水宽度的变小而越来越大，这是因为水柱会加大水流的冲击和紊动性，从而导致溶解氧增大。

图3（a）还可见，当跌水水垫深度、跌水高度、宽度一定时，增大跌水流量也可使水中DO逐渐增大。这主要是因为当流量增大时，跌水水流形成的水幕底端会越来越宽，且空气中水幕厚度h’越来越厚，增加跌落水体的进水速度和击水力度，对水体冲击越来越大，导致水流紊动程度增大从而加剧空气向水中的扩散程度，因此水中DO逐渐增大。

图3（b）可知，当下游水池无水(h=0 cm)，跌水流量Q=31.6 L/min，跌水宽度B=6～14 cm时，水流下跌形态一直呈水幕形态，图中跌落后水体DO值逐渐增大，且增加的绝对值越来越小。而当Q=11.4 L/min时，水流下跌过程中保持水柱形态，跌落以后水体中DO含量逐渐增大。图3（b）可以得出水幕形态时的曝气复氧效果优于水柱形态，这主要是因为水幕形态时与水体空气接触的面积较之于水柱形态下更大，且在水幕形态时，氧气的传递集中于水流跌落中与跌落后2个过程。而水柱形态时则主要集中于跌落后过程，故水幕时充氧效果会更好。

一方面水体内部会不断的发生水分子间的运动，另一方面水体内部的分子会不断的和水体表面的分子发生交换，导致水体不断的形成新的表面，其表面更新的频率与水体在空气中停留的时间成正比。随着水体与空气的接触时间增加，使得氧气的转移速率增加。因此，可以通过改变跌水高度，改变空气与水流的接触时间来提高跌水曝气的曝气效果。

试验结果表明，随着跌水高度的增加，水幕底端会变窄。在H=80 cm左右时，下跌的末段水流出现汇集以水柱的形态下跌。为保证水流在下跌过程具备两2种水流形态，且水幕形态较明显，便于观察测量。经过多次试验对比，最终选取跌水流量Q=33.8 L/min，宽度B=20 cm。试验中设置跌水水垫深度分别为h=0、3和6 cm。图4（a）为跌水高度对跌水水流充氧效果的影响。水中DO值首先会随着跌水高度的增加逐渐增大，其后又会随跌水高度的增加而降低，在达到一个极值点后再次呈现上升的趋势。

这一现象可以从跌水过程中水流形态变化的角度来解释。水流会在跌水高度H=30～70 cm时以水幕形态跌落，其宽度在跌落过程中逐渐缩小，但不发生汇集。但水幕会在跌水高度H=70～80 cm时，由水幕汇集为水柱，水流流态发生改变。

在水幕状态下，跌水高度是30～50 cm时，水中DO值逐渐增大，且增大速率更快。由上述分析可知，跌水过程一般分为跌落中和跌落后的冲击充氧2个曝气阶段。而所测DO值是2个曝气阶段氧转移传递速度的总和。当水流在2个阶段的充氧速率达到最大综合效果时便出现极值点，随后随着水幕阶段的速率减小，DO值相应减小，且减小趋势逐渐变大。当高度达到70 cm时，水流出现汇集现象，水柱与水面接触表面近似于一个圆面，水流在水面产生的冲击力更加集中，有利于空气在水体中的扩散，使得空气中的氧气向水体中的转移速率增加。因此在H=70 cm后曲线再次出现拐点逐渐上升。

图4（b）可知，当跌水高度H=30～60 cm，跌水流量Q=33.8 L/min时，水流状态一直成水幕形态下跌，图中跌后DO值逐渐增大，当2个曝气阶段的充氧效率达到最大综合效果时出现极大点后又逐渐减小。水流在而Q=8.7 L/min的下跌过程中保持水柱形态，跌落后溶解氧值逐渐增大且增大趋势逐渐变缓。分析图4（b）可知，水幕形态时的充氧效果优于水柱形态。这主要是因为水幕形态与空气接触的面积较之于水柱形态下更大。

水流跌落后，会对水体产生冲击，在冲击作用的影响下水柱会散开与水体融合，自身逐渐变小。在上述这个过程中，水柱所携带的空气被分割成气泡，并且在水体和跌落水柱之间形成一个空气与水的混合体，从而将空气中的氧气向水体传递。水流流态会影响氧气的扩散速率，而水槽内的水深会影响水流流态，因此跌水水垫深度亦是影响跌水曝气效果的因素之一。

根据试验水流形态情况，选取具有代表性的试验工况，即在跌落过程中水流保持水幕形态。通过试验比选最终选择跌水宽度B=10 cm和跌水流量Q=13.8 L/min。试验设置跌水高度H=40、50和60 cm的情况下，测试下游水垫深度h=3、6、9和12 cm 时水中DO的变化。通过试验发现，对跌水高度进行调节的时候，随着水垫深度的增加，跌落水流对整个水体的冲击较弱，扰动较小，见图5。

跌水水垫深度对DO的影响见5（a），水中DO值会随着跌水水垫深度的增加而减小。跌水深度通过在跌水水流跌落到水体之后对跌水曝气产生影响。跌水曝气效果与跌水水垫水深有直接的联系。当水垫深度较小时，水流跌落后对水体产生的影响越大，水体与跌水水流之间的相互作用越大，有利于氧气的传递和转移。当水深逐渐增大时，跌落水流对整个水体的扰动较小，产生的气泡也相对较少，因此，DO值会随之降低。

同样，图5（b）可见，在保持其他跌水结构参数不变的条件下，改变跌水流量，跌水水体中DO亦会改变。跌落DO值会随着流量的增加而逐渐增大。尽管水体的绝对表面积在增加，但其比表面积会减小，导致氧转移效率会减小。但在水流跌落后进入承接水体时，流量的增加会导致更大的击水力度。击水力度越大，水流紊动程度越高，进入承接水体中的空气越多。由双膜理论^[7-9]可知，水气混合越充分，水流紊动程度越高，则阻碍气体进入液体的液膜厚度就会越小，使得跌水曝气效果变好。综上所述可知，由于水流跌落后氧气转移速率的增加超过了水流在跌落过程中的氧转移速率的减小，因此总体上DO会随着流量的增加而则增加。

1）跌水流量及结构参数不同时，水流存在水幕或水柱2种形状，流量相同时，水幕状跌水的曝气充氧效果优于水柱曝气。

2）在其他跌水结构参数不变的的条件下，随着跌水高度的增加，跌水曝气的DO值会先增加，后减少，直到水幕形态的跌水结束为止。且在跌水高度H达到50 cm时，出现一个极大值点。当水幕状态汇集成水柱状态曝气后，跌水曝气的DO值会随着跌水高度的增加而变大。

3）在水垫深度、跌水高度和跌水宽度不变的情况下，DO值会随着跌水流量的增加而逐渐增大，跌水曝气效果逐渐变好。

4）在保持跌水高度、水垫深度和流量不变的情况下，改变跌水宽度，在水流保持水幕形态下跌时，跌水水流的充氧效果随着跌水宽度的增加而增大，增加趋势逐渐平缓。

5）保持跌水高度、跌水宽度和跌水流量不变的条件下，增加跌水水垫深度，跌水水流的DO值越来越小，充氧效果变差，变差趋势逐渐平缓。

从试验结果分析可知，通过改变跌水结构参数可以改变跌水曝气效果，因此可选择一种优良的曝气方式改善跌水曝气系统。通过改变其结构参数能有效改变DO含量，这为一些跌水景观，污水处理等工程设计建设提供一定的参数参考。当工程流量受到限制时，可通过调节跌水高度、跌水宽度等跌水结构参数使跌水水流DO值达到设计值。从而提高复氧效率，达到大多数鱼类幼体、鱼群、好氧菌及其他微生物生存和繁殖的最佳溶解氧范围，在很多领域具有广泛的应用和推广价值，特别是改善水质、生态环境领域。