原标题:【物理百科】河流为什么是弯曲的?

加强河道治理的有效策略是什么,下面中国本网为大家详细介绍一下,以供参考。

河流,为什么一定要像肠道一样,来会弯曲?他们不累吗?

我们看到的河流,特别是在平原上的河流,总是弯弯曲曲,很少有笔直的河道。

修建河道整治建筑

选择弯曲,是河流一生的命运。

这是为什么呢?这得从力学上做一点解释。

河道整治建筑可调整水流,稳定河水走向,防止河流横向变形,巩固堤坝。通常的有丁坝、护岸等,采用的根据实际情况分为土、石、竹,另外柳石枕、石笼也是不错的选择。丁坝通常以组布设,还可等距离的布置,切忌布置一体丁坝,因其可造成上下游水混乱,极易被冲垮。锁坝用于拥堵河道汉道,可集中水流,利于航行。根据地形水文条件选择优越工程。护岸则是在河岸布置抗冲刷材料,减少水流对河岸的侵蚀。

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实施河道裁弯

|肠道般的乌苏里江|

图1 弯弯曲曲的河流

曲形河道虽然优美,但是在防洪方面却无能为力,裁去河道过于弯曲的部分,既可以增加防洪能力,也可以使通航更加的顺利。河道弯曲,河流对凹面冲击大,凸面泥沙极易堆积,会阻碍河道的畅通。所以在适时的情况下,可进行人工裁弯,改变河道平面,使流水通顺。进行河道裁弯工作时,关键重视引河的设计,综合考虑施工条件、河水年流量变化平均水平等。

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首先我们来关注一个流体力学中的二次流现象。

实施河道扩宽

taimyr 三角洲的河曲

取一口宽底的圆形锅或其他容器,里面盛满了水,为了观察到二次流,水中放一些沙子或茶叶之类的示踪物体。用勺子搅动水使它做圆形流动,这时我们会发现沙粒或茶叶会向锅底中心集中。

河道的扩宽指在原有河道的宽度上人工的增加宽度。河道扩宽能够使大流量水快速通过,防止河道水面上涨过快带来的安全隐患。特别是经过城市中的河道,河道过于狭窄在于洪峰来临时,疏导不利,城市变为海洋。河道扩宽施工中,要考虑河岸房屋树木的补偿问题,维护人民物权。还应考虑开挖泥土的运输以及开挖宽度,做到适度与实用的原则,施工完成后要进行堤坝维护。

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我们把在锅内圆形流动称为一次流,这个一次流,会引起一个如图箭头所示方向的二次流,由于二次流,沙粒和茶叶就会被它带到锅底中心。

实施河道清淤疏浚

草原上的额尔古纳河

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泥沙的大量汇人导致河流水平面上涨,在暴雨时,高水位流量容易出危险。河流清淤疏浚后,减少泥沙淤积,增强了河流的泄洪能力;对清淤泥沙还可以用于堵塞洼地,一举两得。工程施工应该做好准备,实地进行勘察,做好记录,设计、作业与指挥上做好管理,工程的验收要严格。

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图2 二次流示意

对河道水质整治

新疆巴音布鲁克湿地上的孔雀河

现在来看河流,假设河流原来是直的,某一时刻由于偶然的原因在一个段落产生了如图3的弯曲。

a截污清淤。污染物的及时排除有利于增强水的自净能力。滚雪球越滚越大,污染自然难以从根本上消除。截污清淤上要做到设计与施工上的完美衔接,可采取浮船清淤法,淤泥的运输上面做到避免后续的再污染,保重质量保证安全。

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考虑AB截面的流动,一方面,由于河水在河岸的约束下要拐弯,所以河水作用于B岸的压力会增大,这个压力与河岸的曲率成正比,即愈弯曲,压力愈大,还与流速的平方成正比,即流速愈大,压力愈大。就是说河流河岸的凹面受这个水压力作用下会被侵蚀。

b人工湿地。人工湿地的原理是在人工水池或沟槽地面布置防渗漏的隔水层,填入一定量的土壤或者植物根茎,然后种植根系发达的水生植物,污水在湿地一端流入,污水在与植物介质生物膜接触后,植物自身功能修护,分净化水资源。人工湿地可保证污水的处理与水资源的循环利用,是利用自然的自解能力的很好实例,具有投资小,回报率高,工程简便,处理效果优越等特点。

黄河老牛湾

现在把河水沿河道的流动看作一次流,由于河道是弯曲的,所以从局部上看,可以看为一个沿一段圆弧旋转的一次流(图3中),同样会产生二次流,二次流会把泥沙带到河流弯曲中心(图3右),亦即河道的凸出的一岸(图3左)。

e生态护岸。生态护岸是在增强河道自净能力前提下兼具自然美景的河道护坡方式。在河岸种植同土植物即可保持水土,还能涵养水源,枯水季节可返渗河流,洪水来临能削弱洪峰。生态护岸还可加强河流水与植物的水气循环,减缓流速,使得水生植物增多。河道两岸的植物根系可使氧传人水中,有利于鱼类的生长,水质改善。

世界上所有的河流,我指的是天然河流,都是弯曲的。甚至,没有一段河流是平直的,哪怕像黄河的晋陕大峡谷段,
在地图上看起来“很直”的河道,局部放大后仍是曲流。

最后的结果是河岸的凸面愈来愈向外凸,河岸的凹面愈来愈向内凹,河流的弯曲便会愈来愈弯曲。

冲出山地峡谷的河流,就像脱缰的野马,在平原上尽情地秀自己的身段,尽可能地覆盖更多的大地。有人说了,黄河、淮河下游就很直啊——那是因为,这两条河下游已经不是天然河道,
而是经过人工干预后进行改直后的景观。

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没有人工干预的条件下,河流,尤其是平原地区的河流,一定会呈现出蜿蜒曲折的蛇形,地貌学家称为“河曲”。黄河畔就有一个因为这种景观得名的县。

图3 河流弯道附近的流动

像肠道一样行走,几乎是河流的必然选择。要回答这个问题,需要用物理学,更具体一点,是流体力学中的一个现象——二次流来解答。

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二次流是这样一种现象:它是指产生了平行于边界的偏移,导致了叠加于主流之上的水流。假如沿一边界的流动因受到横向压力的作用,产生了平行于边界的偏移,则靠近边界的流体层由于速度较小,就比离边界较远的流体层偏移得厉害,叠加于主流之上的二次流就产生了。

图4 河道的变化示意

文字很费解?看图!

由上面的讨论,河流一旦弯曲就会不断愈来愈弯曲。图4表示在峡谷中的一条河,随着时间的推移,峡谷被腐蚀得逐渐变宽,形成比较广阔的峡谷冲积地,然后又在这片冲积地上蜿蜒变化的情形。

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如图,一个圆形容器中,用筷子朝同一方向搅动水流,水中砂石会逐渐沉积于底部,会产生左侧的一次流,遭遇横向阻力后导致右侧所示的二次流,二次流是沉积物不断下沉的动力。

图5 弯曲的河道又如何变直的

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河道虽然无时无刻都在继续弯曲,然而也有从弯曲变直的时候,如图5,表示河道弯曲到一定程度,两个弯曲的部分会贯通,原来的大弯河道不再走,形成一个牛轭状的湖残留在那里。

河道弯道处,二次流而使河底携带的沙砾等从弯段的外侧移走,弯段的内侧堆积起来,结果造成外侧被越凿越深,内侧则愈来愈浅,外侧更大流速的冲刷让这种情形变本加厉,凸起部分更凸,凹的部分更凹——河流于是会变得越来越弯曲,发育到最后,就像人体肠道那般,而且河流上游和下游和下游会发生“追尾”“堵车”,侵蚀到最后,这一区域往往会形成了湖泊。

对于实际河流的河道变化,可以举例如图6上所示长江荆江段的河流演变来说。

湖泊形成后,新的河道又会产生,湖泊渐渐与原河道分离,成为牛轭湖。牛轭,顾名思义,形如牛脖子上套的工具,轭。

从图上可以看出在公元1756年到1973年仅200多年之间看到变化是如何的大。至于黄河在河南孟津之后的河道变化,则要大起大落,在公元前602年至1938年期间间,黄河下游决口1590次,每次决口都会形成新的河道,历史上大的改道有六次,河道徘徊于北到天津南到山东之间的华北大平原上。

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河道变化无疑对人们的生产与生活会产生巨大的影响,所以一直是人们研究的一个重要课题。目前一门学科:河道演变,或河床演变,它是大学水利专业必修的课程。因为只有掌握河道演变的规律对于治理河道才会更有成效。

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|黄河的作品——河套平原上的牛轭湖群|

图6 荆江段的河道变化

不少地方把当地河曲当做神奇的“太极湾”来宣传吸引眼球,其实这样的景观遍布全球——自然状态下的河流,一定会蜿蜒曲折。

“人不能两次踏进同一条河流”是古希腊哲学家赫拉克利特(Heraclitus,约公元前530年——前470年)说的,极言世间一切事物都在运动和变化的思想。中国古语说“三十年河东三十年河西”,也是说河道变化的规律。大致上有一种周期变化的特点。

所谓太极湾并不罕见。不是河流模仿了太极,是太极源自河流。

我国从周朝开始,在文人雅士间就有一种习俗,称为“曲水流觞”。在每年春天的三月三日,人们坐在曲曲弯弯的溪水边,把盛了酒的杯子,浮在溪水面上,酒杯漂流到谁面前谁就饮酒,并且要做诗,以祈福祛灾。晋朝书家王羲之所写的传世名篇《兰亭序》就是记载这种盛事的。可以说在小溪边上模拟大自然河道弯曲发抒情怀的传统。后来人们在风景区建立一些“流杯亭”也是模拟大自然河道弯曲的一种抒怀。图7是北京潭柘寺的流杯亭。图8
是画家张谷良画的“曲水流觞图”,画家重现了当年王羲之“曲水流觞”的盛景。

这就是河流,永远在变化、运动的河流。它们,要么已经处于弯曲状态,要么正在努力变得弯曲——尽管,坚硬的山体和人力,试图在阻挠。

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但,河流变弯的决心,从未改变。

图7 北京潭柘寺的流杯亭

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图8 张谷良画的曲水流觞图

说完了河道的弯曲,让我们顺带谈一谈海岸线的问题。

在地图上我们看到海岸线与河道一样,也是曲曲弯弯的。有没有相似的道理呢?

同样,设海岸有了一个初始的凹面,如图9,我们看到在海浪来临时,由于凹面有汇集海浪能量的作用,所以在凹面的深处激起的浪花比较高,也就是海岸的凹处,会受到海水更厉害的侵蚀。于是,海岸便会凹面愈来愈凹,凸面愈来愈凸。这就是海岸线弯弯曲曲的道理。

我们这里说的,当然是对于由岩石组成的那些海岸来说的。对于在河口由泥沙沉积而成的海岸线变化规律比较复杂,不在这里讨论之列。

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图9 海浪冲击海岸

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图10 曲曲弯弯的海岸线

从上面我们讨论河流与海岸线的弯曲,它们都是不同的事物。

但我们需要动一动脑子,来思考一下,它们是否具有些什么共同特点呢?这就是,对于一种状态:即河流是直的,海岸线也是直的,这种状态一旦受到扰动,就会离它偏离愈来愈大。这就是说河流与海岸线直的状态是不稳定的。

客观事物的状态可以分为三类,即稳定状态、不稳定状态和介于二者之间的临界状态。如图11,在重力作用下的小球有三种状态:左边的小球处于大球的底部,对它的位置做一个小扰动,小球还会回归到原来的状态,所以原来的状态是稳定的;中间的那个小球处于平面上,对它的位置做一个小扰动,小球既不远离原来的位置也不回归原来的位置,所以是处于一种临界的状态;右边那个小球处于大球的顶部,对原来的位置做任意小的扰动,小球就会离原来位置愈来愈远,这就是一种不稳定状态。

我们看到,上面所说的直的河流和直的海岸线都是不稳定的,因为对原来状态做一个小扰动,就会愈来愈弯曲,与原来的状态差别愈来愈大。

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图11 小球的三张状态

在现实中,稳定和不稳定状态的例子是很多的。在重力作用下的水平面是稳定状态的例子,不管怎样扰动,等扰动因素去掉后由于水的粘性,水又会趋于水平。读者不妨思考在自然界和社会现象中,稳定、不稳定和临界的各种例子,以加深对这类问题的理解。

参考文献

[1]别莱利曼著,符其珣译,趣味力学,中国青年出版社,2017

[2]武际可,拉家常说力学,捞面条的学问,高等教育出版社,2008

[3]韩其为杨克诚,三峡水库建成后下荆江河型变化趋势的研究,《泥沙研究》,2000年第03期

来源:武际可科学网博客、超级数学建模

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