河水運動

根據水力要素（主要指流速）是否隨時間變化，河水運動分為水力要素不隨時間變化的穩定流，也稱恆定流和水力要素隨時間變化的不穩定流，也稱非恆定流。根據水力要素是否隨流程變化，恆定流分為流速沿程不變的均勻流和流速沿程變化的非均勻流。非均勻流又分為水位和流速沿程變化比較緩慢的漸變流和在較短的河段中水流的水位和流速分佈都有急劇變化的急變流。根據水流所受慣性力與重力的相對大小，分為緩流、急流與臨界流，可用水流弗勞德數(Fr)判別。當Fr＞1時，為急流；當Fr＜1時,為緩流；Fr=1時為臨界流。

根據水流的流動形態還可區分為層流與紊流。水流質點彼此不混摻，有條不紊的線狀流動，稱層流；水流質點在運動過程中軌跡曲折混亂，互相混摻，但水流總體還是沿河槽前進的，稱為紊流。層流與紊流通常用臨界雷諾數Re判別。雷諾數是一個表示慣性力與粘滯阻力比值的水力指標，其中 ，Rh為水力半徑，A為過水斷面面積,l為過水斷面固體周界的長度,稱為濕周。v 為水流的運動粘度。從紊流轉換為層流時的雷諾數稱為臨界雷諾數，當實際水流的雷諾數大於臨界雷諾數時，水流為紊流。各國學者通過明渠試驗而推薦的臨界雷諾數值基本相同。

河水運動需要能量以克服阻力。任一過水斷面處水流的總能量等於其勢能與動能之和。水流從上游斷面流至下游斷面需要克服阻力做功，從而消耗部分能量，單位重量水體所消耗的能量稱為水頭損失。上、下游斷面的能量和河段水頭損失之間的關係可用伯努利方程描述（見水流能量方程）。

水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。沿程水頭損失是由於克服沿程摩擦力而做功的水頭損失，它隨流程的增長而增大。在層流中，水頭損失與斷面平均流速的一次方成正比，在充分發展的紊流中，水頭損失與斷面平均流速的平方成正比。在水文計算中，常採用經驗公式計算水頭損失。

天然河道一般呈紊流狀態,水流中每一點的瞬時流速，不論大小和方向都是不斷變化着的，這種現象叫做脈動。它有隨機性，可用統計理論描述。水文學中通常不直接研究脈動流速，而是研究一個時段內的平均流速,稱為時均流速。在順直河段,橫斷面上時均流速的分佈總是兩岸和河底流速小，主流和表面流速大。在紊流中,存在大小不同的漩渦,水質點（或水團）相互頻繁紊亂地交換。不同水深處流速不同，不同流速的水層之間產生剪切應力，它的大小等於流速垂向梯度與紊動粘滯係數的乘積，利用這一性質，可以推求流速沿垂線的分佈。1925年，L.普朗特得出，流速隨水深呈對數分佈。此外，有人提出拋物線和指數流速分佈。

彎曲河段的水流受重力和離心力作用，出現凹岸水面高於凸岸的現象，形成橫向水面坡度，產生表層水流指向凹岸，底層水流指向凸岸的流速分量，它們與水流縱向運動合成，使彎道流呈螺旋式運動，稱為彎道環流（圖1）。彎道環流在河道橫斷面上的投影，稱為橫向環流。水流沿着河槽總方向流速較大的部分流動稱主流。主流的流線基本上相互平行，都平行於河槽軸線。由於局部影響在水流內部產生的一種大尺度的水流旋轉運動稱副流。這種水流流線大都呈封閉曲線。副流的形式多種多樣，繞縱軸旋轉的稱縱軸副流。繞橫軸旋轉的稱橫軸副流，常呈旋滾狀，也稱滾流。繞斜軸旋轉的稱斜軸副流，繞豎軸旋轉的稱豎軸副流。

當流域內降落暴雨，地面徑流大量迅速地彙集到河槽中，使某些河段內水位、流量迅速增加，形成波動，向下遊傳播，稱為洪水波運動。在洪水波通過的河段中，對某一斷面連續進行水位、流量測定，可繪製出洪水波通過該斷面的水位過程線和流量過程線。洪水波運動屬於不穩定漸變流，其運動規律可以用聖維南方程組描述。洪水波水面比降與同水位下的穩定流水面比降之差稱為附加比降，在漲供時附加比降＞0，落洪時附加比降＜0。天然河道洪水波的附加比降值約在萬分之一以下，但因天然河道在穩定流情況下的比降一般小於千分之一，所以附加比降的作用不能忽略，它是洪水波的重要特徵值。在附加比降的影響下，洪水波在運動過程中不斷髮生變形（圖2）。由於洪水波波前（即漲洪段）的附加比降大於波後（即落洪段）的附加比降，所以波前的運動速度大於波後，使洪水波在運動過程中波長不斷加大，波高不斷減小，這種現象稱為洪水波的展開。同時，由於波峯處的運動速度大於波前的任何一點，使洪水波的波前的長度不斷減小，附加比降加大，而波後的長度不斷增加，附加比降絕對值不斷減小，這種現象稱為洪水波的扭曲。研究洪水波的運動是進行河道洪水演進計算和洪水預報的重要依據。