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河流为什么是弯曲的? 精选

已有 6801 次阅读 2017-11-13 06:41 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记|关键词:河流 稳定性

河流为什么是弯曲的?

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。这是为什么呢?这得从力学上做一点解释。


1 弯弯曲曲的河流


首先我们来关注一个流体力学中的二次流现象。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。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。

2 二次流示意


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。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。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)。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。

3 河流弯道附近的流动

   


4 河道的变化示意


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。

5 弯曲的河道又如何变直的

   

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。

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。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。

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。

6 荆江段的河道变化

"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——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。

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。



7 北京潭柘寺的流杯亭

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。


9 海浪冲击海岸

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。


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




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