3、水利工程中水流特性与守恒定律解析

水利工程中水流特性与守恒定律解析

1. 水流基本概念与特性

在水利工程里，对水流特性的认知极为关键。我们需要明确常用术语，依据不同标准对水流进行分类，同时掌握渠道断面的特性。

1.1 水流状态分类

• 稳定流与非稳定流 ：稳定流指水流的各项要素（如流速、流量等）不随时间变化；非稳定流则相反，各项要素会随时间改变。例如，暴雨时雨水管中的水流、下游控制闸门关闭后渠道内的水流、潮汐时河口的水流以及溃坝下游的水流都属于非稳定流；而控制闸门完全打开时渠道内的水流则为稳定流。
• 均匀流与非均匀流 ：均匀流是指水流的流速大小和方向沿程不变；非均匀流则是流速大小或方向沿程有变化。像渠道收缩或扩张处的水流、渠道入口处的水流、桥墩附近的水流以及长棱柱形渠道末端的水流都属于非均匀流。

1.2 渠道断面特性参数

对于不同形状的渠道断面，我们需要推导其相关特性参数的表达式，具体如下表所示：
| 渠道断面形状 | 流量面积 (A) | 湿周 (P) | 水力半径 (R) | 水面宽度 (B) | 水力深度 (D) |
| — | — | — | — | — | — |
| 矩形（底宽 (B_0)） | (B_0y) | (B_0 + 2y) | (\frac{B_0y}{B_0 + 2y}) | (B_0) | (y) |
| 梯形（底宽 (B_0)，边坡 (sH:1V)） | ((B_0 + sy)y) | (B_0 + 2y\sqrt{1 + s^2}) | (\frac{(B_0 + sy)y}