概念

分类

流动形态

能量与阻力

水流结构与流速分布

洪水波运动

概念

河水受重力、阻力和惯性力作用而引起的运动。河水运动是河道中重要的水文现象，是河流水文学和水力学的重要内容。

分类

根据水力要素（主要指流速）是否随时间变化，河水运动分为水力要素不随时间变化的稳定流，也称恒定流和水力要素随时间变化的不稳定流，也称非恒定流。根据水力要素是否随流程变化，恒定流分为流速沿程不变的均匀流和流速沿程变化的非均匀流。非均匀流又分为水位和流速沿程变化比较缓慢的渐变流和在较短的河段中水流的水位和流速分布都有急剧变化的急变流。根据水流所受惯性力与重力的相对大小，分为缓流、急流与临界流，可用水流弗劳德数(Fr)判别。当Fr>1时，为急流；当Fr<1时,为缓流；Fr＝1时为临界流。

流动形态

根据水流的流动形态还可区分为层流与紊流。水流质点彼此不混掺，有条不紊的线状流动，称层流；水流质点在运动过程中轨迹曲折混乱，互相混掺，但水流总体还是沿河槽前进的，称为紊流。层流与紊流通常用临界雷诺数Re判别。雷诺数是一个表示惯性力与粘滞阻力比值的水力指标，其中 ，Rh为水力半径，A为过水断面面积,l为过水断面固体周界的长度,称为湿周。v 为水流的运动粘度。从紊流转换为层流时的雷诺数称为临界雷诺数，当实际水流的雷诺数大于临界雷诺数时，水流为紊流。各国学者通过明渠试验而推荐的临界雷诺数值基本相同。

能量与阻力

河水运动需要能量以克服阻力。任一过水断面处水流的总能量等于其势能与动能之和。水流从上游断面流至下游断面需要克服阻力做功，从而消耗部分能量，单位重量水体所消耗的能量称为水头损失。上、下游断面的能量和河段水头损失之间的关系可用伯努利方程描述（见水流能量方程）。

水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。沿程水头损失是由于克服沿程摩擦力而做功的水头损失，它随流程的增长而增大。在层流中，水头损失与断面平均流速的一次方成正比，在充分发展的紊流中，水头损失与断面平均流速的平方成正比。在水文计算中，常采用经验公式计算水头损失。

水流结构与流速分布

天然河道一般呈紊流状态,水流中每一点的瞬时流速，不论大小和方向都是不断变化着的，这种现象叫做脉动。它有随机性，可用统计理论描述。水文学中通常不直接研究脉动流速，而是研究一个时段内的平均流速,称为时均流速。在顺直河段,横断面上时均流速的分布总是两岸和河底流速小，主流和表面流速大。在紊流中,存在大小不同的漩涡,水质点（或水团）相互频繁紊乱地交换。不同水深处流速不同，不同流速的水层之间产生剪切应力，它的大小等于流速垂向梯度与紊动粘滞系数的乘积，利用这一性质，可以推求流速沿垂线的分布。1925年，L.普朗特得出，流速随水深呈对数分布。此外，有人提出抛物线和指数流速分布。

弯曲河段的水流受重力和离心力作用，出现凹岸水面高于凸岸的现象，形成横向水面坡度，产生表层水流指向凹岸，底层水流指向凸岸的流速分量，它们与水流纵向运动合成，使弯道流呈螺旋式运动，称为弯道环流（图1）。弯道环流在河道横断面上的投影，称为横向环流。水流沿着河槽总方向流速较大的部分流动称主流。主流的流线基本上相互平行，都平行于河槽轴线。由于局部影响在水流内部产生的一种大尺度的水流旋转运动称副流。这种水流流线大都呈封闭曲线。副流的形式多种多样，绕纵轴旋转的称纵轴副流。绕横轴旋转的称横轴副流，常呈旋滚状，也称滚流。绕斜轴旋转的称斜轴副流，绕竖轴旋转的称竖轴副流。

洪水波运动

当流域内降落暴雨，地面径流大量迅速地汇集到河槽中，使某些河段内水位、流量迅速增加，形成波动，向下游传播，称洪水波运动。在洪水波通过的河段中，对某一断面连续进行水位、流量测定，可绘制出洪水波通过该断面的水位过程线和流量过程线。洪水波运动属于不稳定渐变流，其运动规律可以用圣维南方程组描述。洪水波水面比降与同水位下的稳定流水面比降之差称为附加比降，在涨供时附加比降>0，落洪时附加比降<0。天然河道洪水波的附加比降值约在万分之一以下，但因天然河道在稳定流情况下的比降一般小于千分之一，所以附加比降的作用不能忽略，它是洪水波的重要特征值。在附加比降的影响下，洪水波在运动过程中不断发生变形（图2）。由于洪水波波前（即涨洪段）的附加比降大于波后（即落洪段）的附加比降，所以波前的运动速度大于波后，使洪水波在运动过程中波长不断加大，波高不断减小，这种现象称为洪水波的展开。同时，由于波峰处的运动速度大于波前的任何一点，使洪水波的波前的长度不断减小，附加比降加大，而波后的长度不断增加，附加比降绝对值不断减小，这种现象称为洪水波的扭曲。研究洪水波的运动是进行河道洪水演进计算和洪水预报的重要依据。