河川中的水资源蕴藏着巨大的能量，称为水能资源。水电站就是利用天然的水能生产发电的工厂。

在地球引力（重力）作用下，河水不断向下游流动。河水因克服流动阻力、冲蚀河床、挟带泥沙等，使所含水能被分散地消耗掉了。水力发电的任务，就是利用这些无益消耗掉的水能来生产电能。

设计水电站时，首先需要知道天然河川可以利用的能量和功率有多少，然后才能设计水电站的出力和发电量。

水流在某一时段内所能做的功叫做水能，而在单位时间内水能所做的功叫做水流功率。

为了计算水流的能量和功率，现取天然河道中的一个河段（图10-1），研究水流流经断面1-1及断面2-2时能量的变化情况。根据水力学的伯努里方程，水体W在时间Δt内从断面1-1到断面2-2所消耗的能量为：

图10-1　

式中 z——断面的水位高程，m；

p/γ——水面压力水头，m；

v——断面平均流速，m/s；

a——断面流速不均匀系数；

γ——水的容重，通常等于1000kg/m3；

W——在时间t内流过河段的水体积，m3；

g——重力加速度，m/s2。(www.daowen.com)

天然河道的水流可近似看成均匀流。在均匀流情况下，可认为则式（10-1）可简写为：

式中 H——两断面间的水位差，称为水头，m。

式（10-2）表示在时间t内，水体W经过断面1-1至断面2-2所耗去的水能，即水流所作的功。

根据水流功率的定义，可得：

将式（10-3）中单位换算为常用单位，1kW=102（10N•m/s），于是有：

式（10-3）或式（10-4）就是计算水流功率的基本公式，表示水流在自然状态下的功率，称为理想功率。水电站在实际运行时，水流通过引水建筑物至水轮机发电，再经尾水排放系统下泄至下游，在整个引用过程中水头必定有损失ΔH，所以作用在水轮机上的净水头为H净=H-ΔH。水轮机对水头的使用不是百分之百的，要考虑到水轮机的效率η水机、传动设备效率η传动及发电机效率η电机，受上述因素影响，水电站对水头利用的效率为η=η水机η传动η电机，所以水电站的实际功率为：

习惯上把水电站的实际功率称为水电站的出力，9.81η叫做出力系数，用A表示，则式（10-5）可简化为：

在利用上式做水电站计算时，初设计算对大中型电站取A=8.0～8.5，小型水电站A=6.5～7.5。

水电站在时间t（t=t1-t2）时段内发出的电能，称为该时段的发电量，记为：