为了将污水(或雨水)从高处输运到低处,排水系统中常常设有竖井、跌水井等跌水结构,而与其相关的最重要的两个因素是竖井或跌水井对气体的卷吸作用以及井内跌水的能量耗散。跌水结构,特别是竖井,能将大量气体卷吸入排水系统,进而造成排水系统的臭气外逸,以至于困扰周围居民的生活。另一方面,当水流通过跌水井时,若能量未能充分耗散,会引起管内水流流速过快,而该高速水流不但会在排水系统内形成不良的水力条件,甚至还会导致管道磨损等问题。因此,研究排水系统中跌水结构对气体的卷吸能力以及井内的能量耗散问题具有重要的现实意义。本文首先对水、气的相互作用进行了研究,实验观察了圆柱形水箱中箱底管嘴出流引起的漩涡气核对管嘴出流特性的影响。实验表明,箱底管嘴出流的形态与水箱中的漩涡气核有着密切的关系。当水箱中存在漩涡气核时,出流将在较短的下落距离之后发生破碎。管嘴出流形状呈现出扩散状、光滑的中空梭子状、串珠状等系列形态。此外,贯通水箱水体水面与出水口的气核减小了出水口的有效出流面积,极大的减小了出流流量,且管嘴出流流量系数随着出水口直径的增加而减小。本文接着研究了圆形紊动射流在静止空气中的形态特性及其破碎状况。通过对高速相机拍摄的图像分析发现,射流水柱在自由下落过程中会逐渐弯曲成螺旋状,其表面的扰动幅度近似于以指数增长。射流水柱的破碎首先出现在距管嘴出口下方约一百倍管嘴直径处,其破碎形式主要为袋状破碎,即由于周围空气作用在水柱表面的动压力大于水柱的表面张力而引起的破碎。据此,本文提出了射流初始破碎位置的理论预测模型,其预测值与实测值吻合良好。再次,本文通过一个大比尺的物理模型,实验研究了竖井内产生气体卷吸的机理。实验中观察到,在接近竖井底部时水流几乎都破碎成了水滴,因此,这个区域被称为“似雨区”。在“似雨区”中,水流破碎后形成的大量水滴大幅增加了水流对气体的拖拽力,因此造成大量气体被卷吸入竖井。竖井内气压上部最小,然后向底部递增,且最大的气压梯度发生在“似雨区”。基于水滴向气体的动量传输过程,本文提出了“似雨区”的气压梯度计算模型。在较小流量下,该模型计算得到的气压梯度与实测值较为接近,而由于受到边界条件的限制,在大流量下模型的计算值大于实测值。此外,通过在出流管道中添加挡板改变下游边界的实验表明,该挡板明显阻碍了气流通道,导致竖井内气压增大,甚至形成正压区,从而大大减少竖井的气体卷吸量。本文还通过模型实验研究了加装气体循环系统后竖井对气体的卷吸作用。实验结果表明,在大流量下,气体循环系统对竖井的改善效果明显：竖井内的平均气压明显上升,气压梯度减小,竖井卷吸的气量显著减小。但是,在小流量下,改进后的竖井与原始竖井相比几乎没有改善。此外,基于实验室研究结果,结合实地监测数据,文中还建立了加装气体循环系统后,实地竖井内空气流通情况的理论预测模型。本文最后对跌水井(包括竖井)的能量耗散问题进行了总结,将跌水井内的水流流态分为四类：自由跌流、孔口出流、满管出流以及完全淹没出流,并建立了不同流态下跌水井能量耗散的理论预测方法,且预测值与实测值较为接近。此外,基于使跌水井的出流为缓流的目的,本文给出了跌水井设计准则的建议,以及设计案例。