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明渠水流的渠系设计

简介

明渠水流，底面和侧面为固壁而上表面与大气接触的水流。例如河道、渠道以及横断面未充满的管道中的水流等。因为自由表面上的大气压强以相对压强计为零，所以又称为无压流。由于自由表面是可动边界，明渠水流的现象与所涉及的问题均较管流复杂。明渠水流的研究内容包括分析可能发生的各种水流现象、估算输水能力及渠道纵横断面尺寸、确定水位或水深的沿程变化等。

在水利工程中经常遇到这样的流动问题。如开挖溢洪道或者泄洪道需要有一定的输水能力，以宣泄多余的洪水；为饮水灌溉或发电而修建的渠道或无压隧洞，需要确定合理的断面尺寸等等。这些问题的解决都需要掌握明渠水流的运动规律，应用明渠均匀流的水力计算方法。

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明渠水流可作如下分类:①根据水力要素(水深、流速等)是否随时间变化,明渠水流分为恒定流和非恒定流。严格意义上的恒定流极为少见，通常把水力要素随时间变化很缓慢的情况近似地作为恒定流处理，以使问题简化，例如渠道的水力设计。对于水力要素随时间变化较快的情况，例如天然河道的洪水过程、当水轮机阀门迅速启闭时在电站引水渠中引起的水流波动、入海河口段受潮汐影响的水流等，则应作为非恒定流。②根据流速是否沿程变化,明渠水流还可分为均匀流与非均匀流。前者流速沿程不变，后者则相反。非均匀流又可按流速沿程变化的情况再划分为渐变流和急变流（见明渠恒定非均匀流）。

有时，河渠中除了有沿其轴线方向的流动──主流（又称一次流）以外，在与轴线正交的横断面上还存在流动，称为副流（或二次流）。例如河道弯段的横断面上靠近水面处横向流速指向凹岸，而临近河底处指向凸岸，这样便形成断面环流。弯段上主流与环流叠加而成为螺旋式前进的水流。这对凹、凸两岸的冲刷和淤积甚为重要。

明渠水流的渠系设计

渠系规划之后就要合理地设计引水渠道，把灌溉用水从水源引到农田中来，也就是要合理地选择渠道的纵坡和横断面，以及设计相应的渠系建筑物。那时在渠道的设计方面积累了许多经验，并产生了初步的理论认识。这些初步的理论认识集中反映在《管子·度地》和《考工记·匠人》这两篇著作中。

“水可扼而使东西南北及高乎?……曰：可。夫水之性，以高走下，则疾至于溺石，而下向高，即留而不行。故高其上，领瓴之，尺有十分之，三里满四十九者，水可走也。乃迂其道而远之，以势行之。”

在这里《管子·度地》记述的是自流引水式渠道纵坡的设计。选取多大的纵坡才能保证顺利地自流引水呢?通常，水是由高处流向低处，但在渠道坡降过陡时，水流速度就会很大，甚至剥蚀石头，冲毁渠道(“至于※［左边一“氵”，右边一“剽”］石”)。而水本身是不会由低处。流往高处(“而下向高，即留而不行”)，那么又怎样利用水流向下的特性，控制水流，使之流向东西南北，甚至灌溉高处的田地呢?这就需要修筑堰坝等壅水建筑物，抬高上游水位(“高其上”)。《孟子·告子上》载有：“今夫水，搏而跃之，可使过颡，激而行之，可使在山。”所谓激而行之，大约指的是筑坝拦水，阻遏水势，开渠引水，激之使行山上的意思。水位抬高了，就为引水至“东西南北及高”创造了先决条件。

引水，首先要修建渠首取水建筑物，“领瓴之”也就是说干渠进口(“领”)，要用砖瓦等修砌(“瓴之”)。

上游水位抬高后，要顺利引水，最重要的是合理地选择渠道的坡降。坡降大了，水流速度过快，会冲坏渠道，坡降小了，水流速度过慢，又会造成渠道的淤积。那么，一般选择多大的坡降为合适呢?“尺有十分之，三里满四十九者，水可走也”。这里“有”即“又”，“尺有十分之”就是一寸。若渠道断面较均匀，在三里的距离内，渠底降落四十九寸，在这样坡降的渠道里，则“水可走也”。“三里满四十九”大约相当千分之一的坡降①［注：《史记·秦始皇本纪》记载：“六尺为步”，又《大戴礼记》载：“三百步为里”，计一里等于一千八百尺。由此换算，“三里满四十九”，相当于一千一百分之一的坡降。］。现在陕西的泾惠渠(其最早前身是秦国的郑国渠)的干渠坡降是两千分之一。相比之下，当时千分之一的坡降是嫌大了些，但考虑到那时的测量和施工水平较低，渠道不可能象今天一样顺直平整，管理也不可能有今天的完善，则采用较现代为大的坡降，是需要的。有了适宜的坡降，水流就会沿着渠道顺着地形地势绕道远去，并通过支渠、农渠等下一级渠道，把灌溉用水按需要分配到田间(“迂其道而远之，以势行之”)。这就可以作到“扼之使东西南北”。不过要使渠道控制尽可能大的灌溉面积，还应尽量使渠道走在高程较高的地面上。以上提到的明渠设计，是无压流水力学问题。