1.1 水力學的研究任務及其發展概況
1.1.1 水力學的研究任務
水力學主要研究液體在平衡或運動時所遵循的基本規律及其在實際工程中的應用。水力學屬于力學的一個重要分支，它是專門研究水流運動的一門技術學科。近幾十年來，隨著科技生產的迅速發展，水力學學科發展快速，現代水力學已派生出計算水力學、環境水力學、滲流水力學（或地下水動力學）等新分支。
力學是研究物質受力和運動規律的學科。自然界的物質一般以固體、液體和氣體3種形式存在。宏觀地看，固體有一定的體積和形狀，不易變形；液體有一定的體積而無一定的形狀，不易壓縮，形狀隨容器形狀而變，可有自由表面；氣體則既無一定的體積又無一定的形狀，容易壓縮，氣體將充滿整個容器，沒有自由表面。液體和氣體統稱為流體。水作為一種流體，在運動過程中表現出與固體不同的特點，其主要差別在于它們對外力的抵抗能力不同。固體由于其分子間距離很小，內聚力很大，能抵抗一定的拉力、壓力和剪切力。而流體則不同，由于其分子間距離較大，內聚力較小，幾乎不能承受拉力，抵抗拉伸變形，運動的流體具有一定抗剪切的能力，但靜止的流體則不能抵抗剪切力，即使在很小的剪切力作用下，靜止流體都很容易發生變形或流動，這種特性稱為流體的易流動性。流體的易流動性是流體的基本特征。
流體作為物質的一種基本形態，遵循自然界一切物質運動的普遍規律，如牛頓的第二定律、質量守恒定律、動量定理和動量矩定理等。所以，水力學中的一些基本定理實質上都是這些普遍規律在水力學中的具體體現和應用。
水力學在工程中有著十分廣泛的應用。如在修筑水壩，修建公路、鐵路，開通運河和輸水渠道，以及修建橋梁、隧道、地下鐵道及房屋等許多土建工程中，需要解決一系列的水力學問題。在給排水工程及建筑設備工程中也要解決一系列的水力學問題。另外，現代水力學在水利、農業、交通、地學、生物學、醫學等領域也得到越來越廣泛的應用。因此，水力學是高等工科院校多個相關專業的一門重要技術基礎課程。
1.1.2 水力學的發展概況
水力學作為一門以應用為目的的學科，是人類逐步認識和掌握自然規律并不斷深入生產實踐的結晶，其發展與力學、數學、物理學等相關學科密不可分。
1.古代中國水力學發展
人類社會在以文明為主的早期，對水力學的認識是從治水、灌溉、航運等方面開始的。在中國，相傳4000多年前（公元前2070年，夏左右）大禹治水，他采用填堵筑堤、疏通導引方法，治理了黃河和長江。據《莊子·天下篇》所說，大禹“堙（yin）洪水，決江河，而通四夷九州”，治理了“名川三百，支川三千，小者無數”。
春秋戰國末期（公元前221年左右）秦國蜀郡太守李冰在岷江中游修建了都江堰，聞名世界的防洪灌溉工程，消除了岷江水患，灌溉了大片土地，使成都平原成為沃野。2000年來，一直造福于人類。都江堰工程采取中流作堰的方法，把岷江水分為內江和外江，內江供灌溉，外江供分洪，這就控制了岷江急流，免除了水災，灌溉了300多萬畝農田。說明當時對堰流理論有一定的認識。
秦始皇二十八年（公元前219年）修建了靈渠，中國溝通長江水系和珠江水系的古運河，又名陡河、興安運河，在今廣西壯族自治區興安縣境內。秦統一六國后，向嶺南用兵，秦始皇派監郡御史祿鑿靈渠運糧。它溝通了湘江和漓江，由于歷代不斷增修改進，技術逐步完善，作用日益增大，是2000余年來嶺南（今廣東、廣西）與中原地區的主要交通線路，直至粵漢鐵路和湘桂鐵路通車。靈渠渠首處用攔河壩壅高湘江水位，將其一股（今稱南渠）通過穿越分水嶺的人工渠道引入漓江上源支流，并對天然河道進行擴挖和整治后，入漓江；將另一股（今稱北渠）另開新渠于湘江右岸入湘江。
秦始皇元年（公元前246年）韓國水工鄭國主持興建鄭國渠，古代關中地區的大型引涇灌區，近代陜西涇惠渠的前身。由于涇水含有大量肥沃的淤泥，灌溉時還可改良鹽堿地，故使產量提高。鄭國渠的建成直接支持了秦國統一六國的戰爭。
公元1363年（元末）曾制造了一種計算時間的工具：銅壺滴漏。通過一系列銅壺的小孔時壺中的水位隨時間變化規律來計算時間。可見，當時已認識到孔口出流和上游水位間存在一定的關系。明朝潘季馴總結廣大人民與黃河水患作斗爭的豐富的經驗，提出“塞旁決以挽正流，以堤束水，以水攻沙”的治理黃河的措施。可見，當時對流速與過水斷面成反比的連續方程一定量的水流能攜帶一定量的泥沙規律有一定認識。清朝初年我國何夢瑤等人提出用過水斷面面積乘以斷面流速計算流量的方法。我國人民很早就懂得利用水流的沖力帶動水車、水磨等水力機械。
2.以純理論分析為基礎的古典流體力學
公元前250年誕生了水力學最早的理論，希臘哲學家、物理學家阿基米德（Archimedes，公元前287—前212年）在《論浮體》中論述了液體浮力和浮體的定律。
15世紀文藝復興時期，意大利物理學家、藝術家列奧納德·達·芬奇（Leonardo da Vinci，1452—1519）設計制造小型水渠，系統地研究了物體的沉浮、孔口出流、物體的運動阻力及管道、明渠水流等問題。他還提出水的連續定律，認識到明渠流的邊界阻力，還首先提出關于流線型物體、降落傘、風速表、離心泵等設想。達·芬奇在水利方面的著作有《水的運動與測量》。荷蘭科學家斯蒂文（S.Stevin，1548—1620），發表了《水靜力學》，把研究固體的方法用于靜止液體中。
17世紀，法國數學家、物理學家帕斯卡（B.Pascal，1623—1662）提出密閉流體能傳遞壓強的原理——帕斯卡原理，并利用這一原理制成水壓機。水靜力學理論得到進一步發展。
1643年意大利物理學家、數學家托里拆利（E.Torricelli，1608—1647）提出了液體孔口出流關系式。
1686年牛頓（Newton）提出了關于液體內摩擦的假定和黏滯性的概念，建立液體的內摩擦定律——牛頓內摩擦定律。
1738年伯努利（D.Bernoulli）建立了理想液體運動的能量方程——伯努利方程。
1775年歐拉（L.Euler）提出了流體的連續介質模型，建立了理想液體的運動微分方程——歐拉運動微分方程。
1843—1845年納維爾（L.M.H.Navier）和斯托克斯（G.G.Stokes）建立了實際液體的運動方程——納維爾-斯托克斯方程，奠定了古典流體力學的理論基礎，使它成為力學的一個分支。但古典流體力學采用嚴格數學分析方法理論上比較嚴密，但數學上求解困難或某些假設不能符合實際，尚難求解大部分實際問題。
1852—1855年法國工程師達西（H.Darcy）建立了砂土滲流基本定律。達西著重研究了沖積層中地下水的運動機理。1856年通過沙土滲透試驗，首先提出：通過試樣的流量與試樣橫斷面積及試樣兩端測壓管水頭差成正比，與試樣的高度成反比。國際上將此項滲透規律定名為達西定律。
3.求解各種實際水力學問題的經驗方法
為了滿足迅速發展的工程技術的需要，人們通過大量的試驗和實地觀測，得到了求解各種實際水力學問題的經驗方法，如法國水利工程師謝才（A.deAntoine de Chezy，1718—1798）在總結了一系列渠道水流實測資料的基礎上，提出了明渠均勻流流速與流量的經驗公式——謝才公式，以后又有確定謝才系數的曼寧公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。1732年畢托（H.Pitot）發明了量測水流流速的畢托管。1797年文丘里（G.B.Venturi）創造了量測管道流量的文丘里管，文丘里管是先收縮而后逐漸擴大的管道，測出其入口截面和最小截面處的壓力差，用伯努利定理即可求出流量。
4.現代流體力學和現代水力學
到19世紀末，雖然用分析法的流體動力學取得很大進展，但不易起到促進生產的作用。與流體動力學平行發展的是水力學。這是為了滿足生產和工程上的需要，從大量實驗中總結出一些經驗公式來表達流動參量之間關系的經驗科學。
使上述兩種途徑得到統一的是邊界層理論。邊界層理論是由德國普朗特（L.Prantl）在1904年創立的。這一理論既明確了理想流體的適用范圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。
隨著現代化工農業和新技術的迅速發展，以純理論分析為基礎的古典流體力學，實驗為基礎的實驗水力學都不能滿足生產發展要求，逐漸形成了以理論和試驗研究結合的現代流體力學和現代水力學。
英國力學家、物理學家和工程師雷諾（O.Reynolds，1842—1912）1883年用實驗證實了黏性流體的兩種流動狀態——層流和紊流的客觀存在，提出了流體流動相似律——雷諾數；1895年又引進雷諾應力的概念，用時均方法建立了不可壓縮黏性流體的紊流運動方程——雷諾方程。1891年俄國物理學家儒科夫斯基（N.Joukowski，1847—1921）首先建立了試驗風洞，1905年又提出了圓柱繞流的升力理論。
1904年，德國力學家普朗特（L.Prandtl，1875—1953）觀測分析了固體邊界對液流的影響，首先提出液流邊界層概念，后來對層流邊界層的研究，形成了邊界層理論，在流體力學、水力學研究歷史上，具有劃時代的意義。普朗特1904年提出邊界層理論。1904年建立和主持了空氣動力學實驗所。1925年以后又建立威廉皇家流體力學研究所。以后該所改名為普朗特流體力學研究所。他在邊界層理論、風洞實驗技術、機翼理論、紊流理論等方面都做出了重要的貢獻，被稱作空氣動力學之父。
5.中華人民共和國成立以后水力學的發展
自20世紀50年代以來在迅速的科學技術的推動下國內外對水力學中各個問題展開了廣泛的研究。紊流邊界層理論、水工水力學、管道和明渠非恒定流、滲流、高速水流（高速水力學）、波浪運動、相似理論等領域，取得了豐碩成果，豐富和發展了水力學的內容：環境水力學、隨機水力學、計算水力學。各種量測的試驗儀器也得到進一步發展，例如，激光、PIV測速等技術。現在，水力學已成為一門理論、實驗和計算相結合的學科。現代水力學亦在水利、農業、交通、地學、生物學、醫學等領域得到越來越廣泛的應用。