§2 河道水流的特性
在水力学中，我们了解了明渠水流的一般特性，包括水的基本特性，清水的均匀流与非均匀流、恒定流与非恒定流、层流与紊流的基本概念等等。天然河道中的水流属于明渠流，在很多情况下，可以沿用水力学中明渠流的有关结果。例如描述明渠流流速沿垂线分布的对数流速分布公式、指数流速分布公式等也经常被用来描述河道水流流速沿垂线分布；又比如明渠流中，著名的阻力公式—曼宁(R. Manning)公式在目前仍然为计算河道水流阻力规律最常用的公式。但与水力学中的清水明渠流相比，河道水流在基本持性、运动特征上有很大的差异，这些差异在很多情况下使直接使用水力学明渠流的成果会带来严重偏离。仍以曼宁公式为例，表达璧粗糙程度的糙率系数n在河道水流中就已经扩展为边壁粗糙程度和水流泥沙相互作用结果的共同体现。学习河流动力学，要了解泥沙在水流作用下的运动规律、理解并掌握河床演变的规律，弄清楚这些差异本身及其对运动规律的影响遐十分重要的。
§2-1 河道水流的基本特性
2.1.1 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。
（1）河道水流的二相特性 天然河流属于挟带泥沙的两相明渠流 （2）河道水流的三维性
过水断面不规则，宽深比越小，三维性越强 （3）河道水流的不恒定性
一是来水来沙随时空变化，二是河床演变，河道边界随时空变化，两者相互依存，制约和
相互促使变化发展。 （4）河道水流的不均匀性
河道水流的非恒定性致使不均匀性，顺直河道，河床冲淤相对平衡，水流基本稳定，过水
断面沿程变化较小时可当作均匀流处理。
§2-2 河道水流的运动结构
2.2.1 河道水流的流态
在水力学中将流体运动状态区别为紊流和层流两大类型。在紊流中又分为光滑区、粗糙区（或阻力平方区)，以及介学三者之间的两个过渡区。
河道水流普遍具有较大的雷诺数，从工程观点来看，河道水流一般居于阻力平方区。
2.2.2 河道水流的主流与副流
（1）主流（正流、元生流）——在重力作用下沿河槽总方向流动的水流，流线和流速相互开行，并且平行于河槽的轴线。
（2）副流（次生流）——由重力或其它因素作用下，在水流内部产生一种大规模的水流旋转运动。流向不限于纵向，有的具有复归性。
（3）环流——具有复归性的次生流。是造成横向输沙的主要原因。
图2-1 水流与固体边界分离时产生的环流
2.2.3 流速分布规律
一般情况下，天然河道水流具有三维性、不恒定性、不均匀性，其流速分布呈三维流速分布。但对宽深比较大的冲积河流，河道水流的流速分布接近二维明渠流流速分布，这种情况下，可以近似地用二维明渠均匀流流速分布公式来描述河道水流的流速分布。主要有以下两种：
（1） 对数型流速分布公式，卡曼—普兰特尔（Th.von.Karman-L.prandtl）公式
（2-1）
umax, u, u*分别为水面处最大流速，点流速及摩阻流速；k为常数，通常取0.4.
（2） 指数型流速分布公式，陈永宽（1984）
（2-2）
适用含沙量较高的水流。
（3） 三维河道水流流速分布的经验方法 实测、模型观测。
§2-3 河道水流中的阻力损失
重力、惯性力与阻力为水流中最重要的力。与清水水流相比，河道水流中的力要复杂得多。其所起的作用，也是很不相同的。例如清水水流的重力起着克服阻力的作用；而在河道水流中，重力来自液相的水和固相的泥沙，有克服阻力、促使运动的一面；也有抵扰运动的一面。 研究河道水流阻力损失的目的当然主要在于确定河道的泄流能力和输沙能力。对子具有一定过水断面和比降的河道，水流的流速有多大，不仅决定能通过多大流量，而且直接与泥沙运动的强度有关，因此研究水流阻力损失一直是河流动力学的基本问题。
阻力问题，本来就是普通水力学中性质复杂、影响广泛而义解决得不够妥善的一个问题。在河道水流中，这一问题更加复杂。因此，除在这里专节介绍外，在以后的相关章节里将讨论这一问题。
2.3.1 河道水流阻力损失根源
在水力学、流体力学中我们知道，水流阻力损失可以概括为两部分。即先克服流层间粘滞性剪切力的阻力损失和克服紊动剪切力的阻力损失。当水流的雷诺数很大，水流已经进入阻力平方区时，可以只考虑紊动剪切力。因此一般管道或明槽水流的阻力损失与河道水流阻力损失的差异主要来源于二者紊动的差异。
与水力学中顺直管道和棱柱体明槽水流中发生的紊动相比，河道水流的紊动在紊动尺度、紊源上要复杂得多。前者主要是粗糙边壁附近小尺度的紊动，由大、中、小尺度构成的紊动结构虽不能完全排除，但不占主导地位，而对后者，根据张瑞瑾的研究，紊源除了普通意义的粗糙边璧外，还包括河势、河相、成型淤积体、河底或河岸的大凸大凹、沙纹及沙波等，这些紊源的尺度是边壁粗糙完全不能比拟的。大尺度的紊源产生大尺度的紊动，大尺度紊动尺度大，发生的周期比较清楚，与四周水流具有一定的相对速度，一次掺混可以达到较大的距离(与河道各种特征几何尺度同数量级)，在掺混过程中发生质量扩散、动量扩散及动能扩散，涡体逐渐变小，并逐渐减弱原有的周期性与力学规律，而随机性和各向同性逐渐加大。这就是说，原有大尺度紊动的水流必然同时具有中、小尺度的紊动；而具有小尺度紊动的水流却可以不同时具备大、中尺度紊动。紊动就能的传动递来说，一般是单向的，即由大尺度紊动传递给中尺度紊动，再传递到小尺度紊动，或直接由大尺度紊动传递到小尺度紊动，最后随小尺度紊动而转化为热
能而散失。要继续维持这一具有大、中、小尺度紊动结构的持续存在的水流图形，必须经常提供一定的有效能量，通过水流的紊动能，最后转化为热能而消散。
因此对于河道水流，“糙率系数”n的内含应该是极为复杂的。作为属于阻力平方区的时均流速v的表达式中代表水流阻力效果的综合因素，它当然直接与水流中的紊源和紊动结构有关，与大至河势，小至河床床沙粒径有关。
2.3.2 河床床面水流阻力的分解
冲积河流阻力一般可作如下分解：
决定河床阻力的因素很多，主要包括河槽的沿程阻力和河势或边界突变引起的局部阻力。其中沿程阻力取决于河床表面状况（床沙组成及床面形态）、岸壁状况以及水温变化引起的阻力变化等。特殊情况下，有时需要考虑冰棱、险工阻力等对综合阻力的影响。
2.3.3 明渠二维水流的阻力损失表达方式
对于恒定、均匀的明渠流动，可以用水流的能坡、断面平均流速、水力半径和反映边壁粗糙状况的阻力系数这四个物理量建立水流的断面平均流速公式，也可以称为阻力方程。 水力学中一般常用阻力系数有达西阻力系数λ，糙率系数n，和谢才系数C表示水流阻力，其中阻力系数λ无量纲，糙率系数n和谢才系数C是有量纲的经验系数：
1775年，谢才（A.Chezy）：
（2-3）