水中溶解氧的浓度是衡量水体自净能力的重要指标之一。而水中有机污染物的迁移、扩散和降解过程均受水体的复氧过程的直接影响,甚至还可能影响到整个水体的自净过程。解决水污染问题,恢复城市河流的生态和社会功能,已成为保证城市可持续发展的关键。在中国北方的城市河流沿岸修建了许多溢流堰来保持景观水。本文建立了阶梯式溢流堰自由表面流跌水掺气过程的二维数值模型,利用文献试验数据进行验证分析,从水流流态、空气浓度分布、流场及速度场等方面进行气-水流动特性和掺气效果的分析,并在此基础上,对阶梯式溢流堰的水力特性及复氧效率进行研究,分析不同水流条件下阶梯式溢流堰坡度、台阶个数及堰高对其复氧效率的影响。计算结果表明,阶梯式溢流堰的堰面水流可根据台阶形状以及单宽流量的不同呈现出滑行水流、过渡水流和跌落水流三种流态。当单宽流量一定时,通过改变台阶的尺寸,可以实现跌落水流和滑行水流的相互转换。阶梯式溢流堰的空气浓度分布呈现S形曲线分布,流速分布满足边界层的幂律分布和对数分布规律,并采用曲线拟合方法确定相关系数。在堰上水头一定时,距离假想底层的法向距离越大,空气浓度就越大。假想底层附近的空气浓度接近于零,即假想底层附近几乎没有空气。结合试验数据对本研究所建立的二维数值模型进行了分析论证,结果证明,该模型能较好地模拟阶梯式溢流堰自由表面流的跌水掺气过程,有助于对其水力特性进行分析研究,通过数值模型一方面可以提高水力参数获得的效率,另一方面也可以对实验形成补充,获取到更全面有效的数据。结合数值模拟研究确定了不同水流条件下阶梯式溢流堰的一些形态特征,可使得城市河流获得较高的复氧性能,为工程设计中阶梯式溢流堰的堰型优化提供依据和数据支撑。研究结果表明:跌落水流的复氧效率高于滑行水流和过渡水流;复氧效率随着流量的增加先增加后急剧减小,最终趋于稳定,且单宽流量在0.06m2/s左右时复氧效果最佳;坡度选用50度左右时阶梯式溢流堰的复氧效率最高;对于小流量区(q<0.10m2/s)而言,单宽流量越小,台阶个数越少,总堰高越大,阶梯式溢流堰复氧效率越高。对于大流量区(q>0.lOm2/s)而言,单宽流量、台阶个数和堰高对阶梯式溢流堰复氧效率的影响不大。