第一节 流水作用

一、流水的能量和基本流态

流水有能量，所以能作功。能量有两种，即势能和动能。流水由高处向低处流，在流动过程中，势能不断地转变为动能。流水动能的大小，直接决定于流速和流量，可以用下列简单的物理公式表示：

1 2

E = 2 MV

式中：E 是水流的动能，M 为流量，V 为流速。式中表明流水动能的大小与流量的一次方和流速的二次方成正比。在同一河段上，流量愈大的时候，流水动能愈大；在不同的河段上，流速愈快的地方，流水的动能愈大。流速取决于坡降，坡度愈大的地方，流速愈快，动能亦愈大。

流水的动能主要消耗于克服与床面、水分子之间的摩擦，以及搬运流水所挟带的泥沙。如果流水的动能克服摩擦、搬运泥沙而有余力，则产生流水的侵蚀作用；如果流水的动能只能消耗于克服摩擦，并保持前进而无余力搬运泥沙时，则产生流水的沉积作用。因此，流水运动过程中进行着侵蚀、搬运和沉积作用，这些统称为流水作用。

流水作用又与流态有关，水流流态有两种，即层流和紊流。层流是水的质点彼此互相平行流动，互不干扰和混掺，成为有规则的分层流动。紊流是水质点的不规则运动，当水流流速或水深增加时，层流就失去稳定性而产生漩涡运动，它使水质点互相混杂以及不同水层间的质点不断交换，使运动方向也经常变化。

由于紊流中水质点之间互相混掺和碰撞，结果使水流能量损失增大，但同时也加促各层水体和水质点之间的动量、热量和质量的传递及交换，使动量大的水质点将动量传给动量小的水质点，结果令断面的流速分布趋于均匀。在动量交换过程中，不仅把河床上的泥沙掀起（起动），卷入上层水体中，并且载运着悬浮的泥沙移动。

水流是否失去稳定性而由层流转变为紊流，主要取决于作用于水体的惯性力和粘滞力的对比关系，它常用雷诺数（Re）方程表示：

Re = 惯性力 =

粘滞力

ρVL

μ

式中：ρ是水密度，V 是平均流速，L 是某一代表长度，有时称水力半径（通常选用水深），μ是粘滞系数。

其中惯性力有使水体随扰动而脱离层流运动的趋向，而粘滞力则具有阻滞扰动，使水层保持规则运动的作用。如果惯性力增大或粘滞力减少，水流也就易于成为紊流。当水流流速或水深增加时，惯性力就会加强，层流便会失去稳定性。一般在雷诺数少于 2000 时，水体的粘性力作用大于惯性力作

用，水流呈层流状态。此时，水层厚度相当于 0.2 厘米，流速为 25 厘米/秒。当雷诺数大于 1000～12000 时，呈紊流状态。通常河流和暴流不论流速和流量都较大，故多属紊流，只有片流或含沙量大的浊水和水库水流才是层流。