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2016-04-24知识

我学水利的。想说一个两千年前的idea,都江堰。以前中学只是略有耳闻,上了大学深入学习之后,才知道它的河流动力学原理真是简单的不能再简单了: 凹冲凸淤,束水分流

现在我就大致说一下这个原理。

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这个是我大学时期河流动力学的课本。

紫色笔划出来的就是凹冲凸淤这个概念的解析,大家可能看不太清楚。我再上一张图。

这张图上,左边就是凸岸,右边就是凹岸。水流过之后,凹岸被冲刷崩退,凸岸泥沙淤积,这就是所说的凹冲凸淤。那么有人问为什么不是凸冲凹淤呢?这个问题涉及到弯道水流的特征。我就不过多阐述了。但只要记住这个结论就行,这个结论对于水利学来说非常基本,也非常重要。

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好,解释完了凹冲凸淤这个理论,我们现在跟随着李冰来实战一下。上图

这张图片我搬运百度百科的。听我慢慢道来。

从前往后,先看最前面的鱼嘴,它的位置非常巧妙,正好处于河床弯道中间靠上一点点处。好了,我们把刚才的理论搬过来,既然是凹冲凸淤,那么左右两边水流的含沙量肯定是不一样的。靠近凸岸的含沙量大,靠近凹岸的含沙量小。所以鱼嘴很优雅地就把含沙量大的水流排走,把含沙量小的水流引入内河道。去过都江堰旅游的朋友肯定听导游对你们说过,四六分水,二八分沙这句话吧,可能你当时不太明白,但听我这么一说你们一定就恍然大悟了。

好,下面就到了飞沙堰,水流到这虽然已经排走了80%的沙子,但剩下的20%仍然是个大数字。这里李冰运用了两个方法,把沙子排干净。一方面,弯道还没结束,所以凹冲凸淤仍旧适用,沙子从飞沙堰排走。另一方面,因为河道变窄,水流变急,撞上了离堆,就是中间的那个小亭子,产生了漩涡,利用离心力,把沙子从飞沙堰甩出去。

所以最后,进入宝瓶口(就是最右边那个小口子)的水流基本没什么沙子了。

到了汛期,鱼嘴被淹,飞沙堰就承担了鱼嘴的作用,对水流和沙子进行分流,再加上宝瓶口的限流,基本杜绝了成都平原的洪涝灾害。

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所以说李冰父子就是在最合理的位置,用了最合理的方法,做了最合理的事,并且造福了子孙万代。前无古人,后无来者这种话我不敢说,但两千年之后还能灌溉着成都平原,的确令我等后辈望尘莫及。

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当时只是随便写着玩儿的,结果上了日报,不得不修改一下。把主观臆断的内容去掉,这样大家看的会舒服一些。顺便回答一下评论里的问题。

Q1 为什么泥沙淤积会造成洪涝灾害?

因为淤积而造成洪涝灾害的种类比较多。我说两个典型。第一,黄河成为地上悬河世人皆知,我们的先辈因为人力和财力问题,只能一昧地筑高堤坝。黄河水夹带着黄土高原的泥沙,不停地在河道淤积,导致水位升高,也许某次汛期,水位猛涨, 之前筑的堤坝承受不住,决堤,形成漫滩。也就是我们说的洪水。第二,截弯取直。我之前解释了凹冲凸淤,那么大家思考一下,如果这个现象一直发生下去,河道不就成拉面了。所以,当弯道角度到一定成都之后,自然水流便会无视弯道,直接漫过,与下游接上,形成新的河道。这个现象就叫做,截弯取直。每当这时候,也非常容易发生洪涝灾害。

Q2 束流是什么意思?

顾名思义,就是把河道变窄。我们河流的水流量是固定的,即在单位时间内,通过某一河道横截面,水的体积是固定的。所以当我们把河道变窄,就是减小了横截面,水流速度就会提升。泥沙的淤积有一个系数,与水里的悬浮质含量以及水流速度有关。所以水流速度一快,沙子就不容易在河底淤积。现在治理黄河也是准备用这个办法,只不过,实施成本会比较大。

Q3 泥沙去了哪里?

沙子都跑到了下游,下流的河道比较宽阔,不容易发生洪水。98年长江抗洪,只知道两湖干的轰轰烈烈,但没听说过上海被淹了吧?

Q4 科氏力是产生漩涡的原因么?

我想了一下,科氏力应该是在宏观上效果会比较明显。比如洋流和季风,再比如几千年之后,河床某一边边的冲刷会比另一边严重。但对于某一个时间点上的小型水利工程来说,实在是太微观了。就好比,我们用手搅动一下洗手池里的水与科式力对这池子水的影响,这两者之间的相互比较。如果科氏力真能影响到都江堰,那么,NBA解说可能会变成这样:邓肯进球了,马刺领先一分,留给湖人只有0.4秒~~~~~~~~~~费舍尔接球出手~~~有没有!!!~~~~~~哨响球进!!!太漂亮了,0.4秒!!!0.4秒!!!费舍尔完成了绝杀,对于时间和科氏力的把握实在是太到位了,这场比赛将会载入史册!!

Q5 既然凹岸冲刷,那冲刷下来的泥沙哪里去了?急流的携沙能力不应该更大?为什么反而凸岸带的更多泥沙?

这个问题如果放在都江堰的话,那么应该这么说。两岸肯定修了堤坝,所以凹岸不存在泥沙被冲刷走的情况。急流协沙能力大没错,但是弯道的水流是非常复杂的,水流不单单是顺着河道走,水流还有横向的。沙子会顺着水底的横向水流跑到凸岸。

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除了这些还有知友提醒我,不能忘记历年来各个朝代对于都江堰的维护。我非常赞同,再好的水利工程并不是一劳永逸的,只是拉长了周期而已,所以定期维护对于水利工程来说非常重要。都江堰现在每年的枯水期都还是需要进行沙石清理。

然后是有知友提到说现在岷江上游的几座水电站,已经对其进行了调节,都江堰现在充其量就是个分水点,外带旅游景点。我也不得不承认,的确是这样。在水利工程中,最为常见,规模最大,对河道影响最为深远的,就是修建水库等水利枢纽。我大学时期的课本,就专门有一章来讨论水利枢纽对于河道的影响。有一个很典型的例子,埃及的阿斯旺大坝,有兴趣的可以去百度一下。

最后我想说明一下,因为为了让我的文章更加通俗易懂,其实有很多方面的论述是非常不严谨的。水利的同行们,希望看到笑一笑就好,手下留情。^.^谢谢大家的支持。