什么是明渠非恒定流?

[拼音]：mingqu feihengdingliu

[外文]：unsteady flow in open channel

流速、水位等随时间变化的明渠水流。它是由于某处流量、水位等随时间变化而引起的，例如河流中的洪水过程以及由于泄水建筑物闸门调节引起的渠道水流变动等(见图)。图中原恒定流时的水面为实线。设想把闸门向上迅速提起，紧靠闸门的上游水体立即由闸孔泄出，流量增加，水位下降。相反，闸门下游水位升高。虚线表示了闸门上提后各瞬时的水面。由图可见，明渠非恒定流通常表现为波，即水面壅高或降低从一处传向别处的现象。其中起决定作用的力是重力，所以称为重力波。这种波不但有波形的推进，而且伴随着水质量的输运，这是它与湖泊海洋中的波浪的根本区别。

一维非恒定流的水力要素如流速v、流量Q、水位z(水深h)、过水面积A等均为时间t和距离s的函数:Q＝Q(s，t)、A＝A(s，t)、v＝v(s，t)、z＝z(s，t)或h＝h(s，t)。根据质量守恒和动量原理可以导出这些函数所满足的微分方程，即1871年法国人A.J.C.B.de圣维南提出的圣维南方程组，它包括水流连续性方程及运动方程：

连续性方程

运动方程

对于矩形断面明渠，上式可化为：

式中


；C为谢才系数;R为水力半径；i为底坡；g为重力加速度。K、C、R均为z或h的函数。（见谢才公式）

圣维南方程组属于一阶双曲型拟线性偏微分方程组。结合初始条件和边界条件联解该方程组便可求得未知函数Q、A或v与h，但目前尚无普遍积分解。实践中常采用近似的计算方法，如特征线法、直接差分法、瞬态法、有限单元法等。应用电子数字计算机求数值解近年来发展迅速。这使明渠非恒定流理论广泛地用于防洪、灌溉、航运、发电、海涂围垦及环境保护等各项工程。其研究对象包括天然河流、人工渠道、河网、水库、湖泊、潮汐河口、港湾及城市下水道系统等 。

参考书目

K.麦赫默德、V.叶夫耶维奇编，林秉南等译：《明渠不恒定流》，第 1卷，水利电力出版社，北京，1987。(K.Mahmood andV.Yevjevich， Unsteady Flow in Open Channels，Vol.1，Water Resources Publications，FortCollins，Colorado，1975.)