明渠水流

明渠水流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。

在水利工程中經常遇到這樣的流動問題。如開挖溢洪道或者泄洪道需要有一定的輸水能力，以宣洩多餘的洪水；為飲水灌溉或發電而修建的渠道或無壓隧洞，需要確定合理的斷面尺寸等等。這些問題的解決都需要掌握明渠水流的運動規律，應用明渠均勻流的水力計算方法。

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旋式前進的水流。這對凹、凸兩岸的沖刷和淤積甚為重要。

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，併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”)，那麼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。那麼，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，還應盡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。