明渠水流

明渠水流:底面和側面為固壁而上表面與大氣接觸的水流。例如河道、渠道以及橫斷面未充滿的管道中的水流等。明渠水流的研究內容包括分析可能發生的各種水流現象、估算輸水能力及渠道縱橫斷面尺寸、確定水位或水深的沿程變化等。

正文

因為自由表面上的大氣壓強以相對壓強計為零,所以又稱為無壓流。由於自由表面是可動邊界,明渠水流的現象與所涉及的問題均較管流複雜。明渠水流的研究內容包括分析可能發生的各種水流現象、估算輸水能力及渠道縱橫斷面尺寸、確定水位或水深的沿程變化等。

明渠水流可作如下分類:①根據水力要素(水深、流速等)是否隨時間變化,明渠水流分為恆定流和非恆定流。嚴格意義上的恆定流極為少見,通常把水力要素隨時間變化很緩慢的情況近似地作為恆定流處理,以使問題簡化,例如渠道的水力設計。對於水力要素隨時間變化較快的情況,例如天然河道的洪水過程、當水輪機閥門迅速啟閉時在電站引水渠中引起的水流波動、入海河口段受潮汐影響的水流等,則應作為非恆定流。②根據流速是否沿程變化,明渠水流還可分為均勻流與非均勻流。前者流速沿程不變,後者則相反。非均勻流又可按流速沿程變化的情況再劃分為漸變流和急變流(見明渠恆定非均勻流)。

有時,河渠中除了有沿其軸線方向的流動──主流(又稱一次流)以外,在與軸線正交的橫斷面上還存在流動,稱為副流(或二次流)。例如河道彎段的橫斷面上靠近水面處橫向流速指向凹岸,而臨近河底處指向凸岸,這樣便形成斷面環流。彎段上主流與環流疊加而成為螺鏇式前進的水流。這對凹、凸兩岸的沖刷和淤積甚為重要。

參考書目

清華大學水力學教研室編:《水力學》,修訂版,下冊,人民教育出版社,北京,1981。

Ven-teChow,

McGraw-Hill,New York,1959.

明渠水流的渠系設計

渠系規劃之後就要合理地設計引水渠道,把灌溉用水從水源引到農田中來,也就是要合理地選擇渠道的縱坡和橫斷面,以及設計相應的渠系建築物。那時在渠道的設計方面積累了許多經驗,並產生了初步的理論認識。這些初步的理論認識集中反映在《管子·度地》和《考工記·匠人》這兩篇著作中。

“水可扼而使東西南北及高乎?……曰:可。夫水之性,以高走下,則疾至於溺石,而下向高,即留而不行。故高其上,領瓴之,尺有十分之,三里滿四十九者,水可走也。乃迂其道而遠之,以勢行之。”

在這裡《管子·度地》記述的是自流引水式渠道縱坡的設計。選取多大的縱坡才能保證順利地自流引水呢?通常,水是由高處流向低處,但在渠道坡降過陡時,水流速度就會很大,甚至剝蝕石頭,沖毀渠道(“至於※[左邊一“氵”,右邊一“剽”]石”)。而水本身是不會由低處。流往高處(“而下向高,即留而不行”),那么又怎樣利用水流向下的特性,控制水流,使之流向東西南北,甚至灌溉高處的田地呢?這就需要修築堰壩等壅水建築物,抬高上游水位(“高其上”)。《孟子·告子上》載有:“今夫水,搏而躍之,可使過顙,激而行之,可使在山。”所謂激而行之,大約指的是築壩攔水,阻遏水勢,開渠引水,激之使行山上的意思。水位抬高了,就為引水至“東西南北及高”創造了先決條件。

引水,首先要修建渠首取水建築物,“領瓴之”也就是說乾渠進口(“領”),要用磚瓦等修砌(“瓴之”)。

上游水位抬高后,要順利引水,最重要的是合理地選擇渠道的坡降。坡降大了,水流速度過快,會沖壞渠道,坡降小了,水流速度過慢,又會造成渠道的淤積。那么,一般選擇多大的坡降為合適呢?“尺有十分之,三里滿四十九者,水可走也”。這裡“有”即“又”,“尺有十分之”就是一寸。若渠道斷面較均勻,在三里的距離內,渠底降落四十九寸,在這樣坡降的渠道里,則“水可走也”。“三里滿四十九”大約相當千分之一的坡降①[註:《史記·秦始皇本紀》記載:“六尺為步”,又《大戴禮記》載:“三百步為里”,計一里等於一千八百尺。由此換算,“三里滿四十九”,相當於一千一百分之一的坡降。]。現在陝西的涇惠渠(其最早前身是秦國的鄭國渠)的乾渠坡降是兩千分之一。相比之下,當時千分之一的坡降是嫌大了些,但考慮到那時的測量和施工水平較低,渠道不可能象今天一樣順直平整,管理也不可能有今天的完善,則採用較現代為大的坡降,是需要的。有了適宜的坡降,水流就會沿著渠道順著地形地勢繞道遠去,並通過支渠、農渠等下一級渠道,把灌溉用水按需要分配到田間(“迂其道而遠之,以勢行之”)。這就可以作到“扼之使東西南北”。不過要使渠道控制儘可能大的灌溉面積,還應儘量使渠道走在高程較高的地面上。以上提到的明渠設計,是無壓流水力學問題。

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