【物理百科】河流为什么是弯曲的?

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【物理百科】河流为什么是弯曲的?

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。

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

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

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。

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

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。

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

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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。

图2 二次流示意

对河道水质整治

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。

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。

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。

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。

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图3 河流弯道附近的流动

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图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。

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图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。

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图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。

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