第一章 河流水力学基本概念简介
第一节 河道水流的基本特性
河道水流是在河谷地质、地貌与水文条件的作用下而构成它的特性的，人为因素也可能给予程度不同的影响。这种基本特性可以概括为以下几点。
一、河道水流的二相性
河流一般挟带泥沙，在任何时段中都完全不携挟泥沙的天然河流几乎没有。水系比重近于1.[1]、具有粘滞性和微弱的压缩性，可以视为连续介质的液体。泥沙系比重大于1（常取2.65作为河流泥沙比重的代表值），除特殊情况外，不能视为连续介质的疏散颗粒群体。因此，挟带泥沙的河道水流属于二相流。与普通水力学中所研讨的仅以水为对象的一相流比较起来，要复杂得多，并具有它的本质的特点。
如所熟知，在普通水力学中，我们经常探讨的力可归结为重力、惯性力与阻力三类（表面张力起作用的问题相对较少）。而这三类力在一相水流和水沙二相流中所起的作用，是很不相同的。
就重力来说，在一相明渠水流中，它经常起着克服阻力而促动的作用，促成、保持或助长水流的运动状态。在水沙二相河道水流中，从水这一相来看，重力的促动作用仍然是明显的；从泥沙这一相来看，问题却不是这样简单。一方面，从总体着眼，泥沙从上游向下游运动，内部的运动依据仍在于它本身所受的趋下的一部分重力，即沿水流方向的重力分力；但从运动的局部过程看，作用于泥沙的另一部分重力，即沿垂线向下的重力分力，却常常不是以促动形式出现，而是以抗动的形式出现。虽然在某些特殊情况下，如水沙异重流、高含沙水流中的某些状态等，重力完全以促动形式出现的状态也是有的。
就惯性力来说，密度是决定物质惯性的重要因素。在水沙二相流中，由于水和泥沙的密度差别较大，在同样的外力作用下，二者将产生不同的加速度。反之，在同样的加速或减速过程中，二者将产生不同的抗拒力。因此，在河道水流中所经常具有的各式各样的规模不同、强度各异的加速或减速的运动过程中，水与泥沙常常不能保持彼此协调的同步状态，从而显示出运动外部形态及内部性质的复杂性，给深入了解问题造成困难。在水文资料中的水沙错峰，在河道演变中的洲滩演化滞后于水流条件的变易，便是经常碰到的问题。如果在分析处理中失察，就容易导致误解。
阻力问题，本来就是普通水力学中性质复杂、影响广泛而又解决得不够妥善的一个问题。在水沙二相河道水流中，这一问题的性质之复杂，影响之广泛，与一相清水顺直的棱柱体明槽流的情况比较起来，将成倍地增加。无论是在实践上或者是在理论上，它正是受到广泛注意、积极研究的问题。关于这一问题，下面将另以专节阐述。
“力”是任何一门力学中最富本质意义的物理量。水沙二相流中几种主要的力所显示出的上述特点，就必然要促使具有水沙二相的河道水流反映出它的相应的特性。
除了“力”的问题以外，河道水流二相性所导致的特点还表现在运动过程所涉及的基本物理量的多寡及其变易性的大小问题。在一相明槽中，水的一般运动过程所涉及的基本物理量可以认为下面7个是最有代表性的。它们是：流量Q；比降J（底坡、能坡或水面坡）；水力半径R（或断面平均水深H）；水面宽度B；液体的密度ρ，动力粘滞性系数μ及过流通道的阻力系数❶[2]
在水沙二相河道水流中，一般运动过程所涉及的基本物理量增至10个：挟沙水流的流量Qs；水的密度ρ；泥沙的密度ρs；单宽挟沙率qs；泥沙代表粒径d；挟沙水流的比降Js；水力半径Rs；水面宽度Bs；浑水动力粘滞性系数μs；阻力系数fs。其中qs、d、Js、Rs、Bs、μs及fs等物理量在水沙二相流运动过程中的变易性较强。
运动过程的复杂性以及分析运动的难度，是与所涉及的基本物理量的多少及其变易性的强弱直接联系的。就这一点来说，水沙二相河道水流与一相顺直明槽清水水流相比较，差异也很大。
应该提到，水沙二相流是河道水流中最常见的，但并非唯一的。在有些情况下，河道水流也可以呈单相流或多相流，或者虽呈二相流，但非由水沙二相组成。
二、河道水流的不恒定性
河道水流的不恒定性是仅次于二相性的另一重要特性，主要表现在两个方面：一是来水来沙情况随时间的推移而变异；二是河床经常处于演变之中。这两个方面的变化是彼此联系的。
我国绝大多数河流的水沙来量和沙质，主要受制于降水。而降水在一年各季度间以及各年之间的变化是相当大的。因此，各河流的水、沙变化也相当大。就变化的相对幅度及强度来说，洪水季节大于中、枯水季节，小集水面积的河流大于大集水面积的河流，植被较差的地区大于植被较好的地区，沙量的相对变化大于水量的相对变化，易形成特大暴雨中心的地区大于不易形成暴雨中心的地区。在上述几个方面都处于巨变条件下的内蒙古黄河一级支流皇甫川、陕北黄河一级支流窟野河、秃尾河、无定河等，全年沙量的95%以上可来自数十小时的一次暴雨所形成的洪水。其非恒定性之突出，令人惊心。
水流创造河床，适应河床，改造河床；河床改变水流，适应水流，受水流的改造。形成二者相互依存，相互制约，相互促使变化发展的关系。因此，上述来水来沙情况的不恒定性，必不可免地要引起河床时而剧烈、时而和缓的变化，呈现出与水沙情况相应而滞后的不恒定性。与河道中的水流一样，河床也经常处于运动变化之中。就地区说，这种运动变化的局部强度以河源区土质沟壑最为剧烈；而单项变化规模，则以冲积河流下游的情况最为盛大。就时期来说，不论上、中、下游，都以洪水季节的暴雨期的变化最大。
河道中的主流线（河段水流平面图中最大单宽流量值所在处的平顺连接线）的位置是经常变化的，通常具有“小水走弯、大水趋直”的变化规律。形成这种规律的原因是不难理解的。在洪水时期，流量大，比降大，流速大，阻力系数f又往往变小，河床对水流的制约作用减小，水流惯性力的作用处于支配地位；在枯水时期，情况与上述各点恰恰相反，惯性力的作用大幅度降低，阻力作用相对增强。这样，就形成在同一河段中不同季节的不同主流位置和洲滩形态。
上面所说的河道水流的这些从水流与河床两个方面综合形成的不恒定性，在河流水力学的研究中是至关重要的。对这种不恒定性的影响的无视或低估，对其复杂性的认识不足，就难免招致治河工程中战略或战术上的失误。
在明确前文中强调的问题以后，必须指出在以分析规则的顺直棱柱体过水通道中的一相流为主的普通水力学中，所阐述的不恒定流的情况与条件虽然远较上述河道水流中的情况与条件为简单，因而不宜简单搬用，但它提供的分析不恒定流的一些基本原理和计算方法是仍然有效和必须重视的。问题在于处理各种边界条件时，必须慎重恰当。还须指出的是，为了分析计算上的简便，在不少情况下，常把水沙、河床条件随时间连续变化的非恒定流简化为分时段的柱状多级恒定流来处理。在这样作的时候，时段与河段的适当划分，往往成为取得较好成果的重要因素，也是必须慎重对待的。
前面谈到的是水流与河床在自然状况下的不恒定特性。在我国河流动力学与治河工程学的实践与理论的发展过程中，人造非恒定流的问题逐渐受到重视。利用三门峡水库在黄河下游河道中形成人造洪峰，助长河槽冲刷的原型试验，便是突出的例子。今后，随着调水调沙问题的进一步发展，关于人造非恒定的河道水流的研究，无疑地将受到更多的重视。
三、河道水流的三维性
三维性是河道水流的又一重要特性。严格说来，在天然河流中，不仅不存在普通水力学中所探讨的各种重要的水力因素，如流速、糙率等对横向长度的偏导数均为零的理想二维流，也很少出现与顺直的棱柱体形式明槽均匀流相接近的二维流。在天然河道中大量经常出现的是具有不规则的过水断面的三维流。过水断面不规则的程度，一般以山区河流为最大，以冲积平原中的顺直河段为最小。河道水流的三维性与过水断面的宽深比往往互相关联，宽深比愈小，三维性愈强烈。在顺直的、滩槽比较明显的广阔滩面上，水流的宽深比较大，可能呈现出一定程度的二维性；而在深谷高峡、宽深比很小的山区河段中，水流的三维性可达到难以想象的程度。以某峡谷河段下口为例，在2.3km的长度内，河宽由300m增至2200m，水深由80m减至20m，形成一个接近90°的弯道，并接受一条在非常洪水下携带大量卵石及巨石的支流入汇。其三维性之突出，是惊人的。
普通水力学中所探讨的明槽流问题，以一维总流的问题居多，在某些方面接触到二维流问题。这些成果，在条件恰当的范围内，都可作为分析河道水流的基础或参考，抹煞这一成果的价值是不应该的。但是，在利用这些成果从事某些河道水流的分析计算中，必须留意到河道水流在三维性问题上的一些特点，避免不顾实际情况轻率照搬只适用于二维流或一维总流的理论成果和经验。
四、河道水流的非均匀性
均匀流的准确严格的描述是：涉及运动的各物理量沿流程的偏导数为零。因此，均匀流首先必须是恒定流。河道水流一般是非恒定的，这就去掉它在一般情况下呈均匀流的内在可能性。其次，均匀流的周界必须是与流向平行的棱柱体，否则流线不可能完全平直，不少的物理量沿流程的偏导数也就不可能为零。这一点在天然河流中自然是难于得到的。再次，沿河床推移的泥沙，在绝大多数情况下往往使床面呈现起伏不平的沙波。沿沙波的不同部位，泥沙推移的数量不同，床面升降的情况不同，近底的流态与流速不同。这就是说，即令上游来水来沙情况是恒定的，河床周界沿流向是平直的，严格地说，河道水流的某些物理量仍然是沿流程变化，即沿流程的偏导数仍然不等于零。如果这种非均匀性仅仅来自沙波所造成的床面起伏，而这种沙波在水流平面中的分布状态又基本上是均匀的，则一个合乎逻辑的归纳应该是，只有取长度等于一个或若干个沙波的河段的平均情况来考察，水流才可以近似地视为均匀流。
然而在从严格的角度论证了河道水流的非均匀性以后，不能不同时留意到事物的相对性。对于一个比较顺直的河段，来水来沙情况基本稳定，河床基本处于不冲不淤的相对平衡情况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡度、床面坡度及能坡基本平直而相互平行，我们就基本上可视之为均匀流。反之，偏离上述诸条件越远，我们就认定它的非均匀性越突出。在某些具体情况下，运用水力学中已经学过的将非均匀流长河段分割为若干可以基本上视为均匀流的短河段去处理的方式，也是常常采用的。
五、河道水流的水沙不平衡性
前文中我们已经指出，水、沙二相性是河道水流的第一个特性。在水、沙两相流中，如果呈现出水相与沙相的高度和谐，在运动过程中虽然包含着水流中的泥沙与床面上的泥沙彼此交换的现象，但来水来沙（数量与质量）保持恒定，河床的各个部分基本保持不冲不淤，没有粗化或细化的发展情况，我们把这种运动过程称之为河道水流的水沙平衡状态，或简称为平衡状态。事实表明，那种近乎绝对的，理想的平衡状态，虽然在较短的河段和较短的时段中偶尔可能出现，但总的说来是稀有的。河道水流中经常大量出现的情况是：由于自然的或人为的原因，使水流中水、沙两相的相互关系发生改变，以及在这种改变发生以后所引起的向新的相对平衡发展的变化趋势。换句话说，实际上经常大量出现的情况只有两类：一是强烈地或一般地向不平衡状态继续发展的情况；另一是各种程度不等地向新相对平衡作自我调整的状态。对这一重大问题的本质认识是很重要的。它一方面要求我们理解水、沙不平衡性是河道水流的本质特点；另一方面又提示我们，抓住相对平衡状态和自我调整趋势在河流力学和治河工程学中的重要意义。