萬里長江，險在荊江：荊江為何如此蜿蜒曲折？【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-06-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

渡遠荊門外,來從楚國游。

山隨平野盡,江入大荒流。

這是大詩人李白青年時代遠游時寫下的詩句。他乘船沿長江順流而下,船出三峽、過荊門山后,眼前是一望無際的低平的原野,江水流速減緩,河道迂曲。長江的這一段,即從湖北枝城至湖南城陵磯,又叫做荊江。荊江河道呈西北、東南向,習慣上以藕池口為界,分為上荊江和下荊江。下荊江江流蜿蜓曲折,河道長度為240千米,而直線距離只有80千米,江流在這里繞了16個大彎,素有“九曲回腸”之稱,屬典型的蜿蜒型河道。荊江河道曲折,洪水宣泄不暢,而且上游河水夾帶的泥沙在這里由于河水流速降低而沉積下來,抬升了河床,使得洪水很容易泛濫成災,故有“萬里長江,險在荊江”的說法。在歷次長江特大洪水中,荊江都是災情最為嚴重的河段。

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圖1 荊江(圖片來源:CCTV紀錄片《話說長江》)

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圖2 荊江蜿蜒曲折的河道(圖片來源:

http://news.163.com/12/0727/17/87EGOAE100014JB6.html)

如果留心觀察的話,可以發(fā)現(xiàn)流過平原的河流通常都是蜿蜒曲折的,而且,隨著時間的推移,彎曲程度會越來越大(圖3)。這是為什么呢?

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圖3 河道的變遷規(guī)律(圖片來源:文獻[2])

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圖4 古巴的考托河(圖片來源:wikipedia)

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圖5 英國的卡克米爾河(圖片來源:wikipedia)

原來,河水經(jīng)過彎曲河道處的流動,當流線彎曲時,外側(cè)的壓強一定是大于內(nèi)側(cè)的。對于河水表面處而言,內(nèi)、外側(cè)的壓強都等于大氣壓強,是不能提供這個向心力的,因此河流從直河道進入轉(zhuǎn)彎的河道時,在河面上必然有一部分河水向外側(cè)流動,使外側(cè)的河面高于內(nèi)側(cè)。這樣,在河水內(nèi)部相同海拔深度的地方,外側(cè)的河水深度更大而產(chǎn)生更大的壓強,提供了向心力使河水轉(zhuǎn)彎。但是在河底附近存在著邊界層,水流速較小,本來不需要那么大的向心力就可以轉(zhuǎn)過相同的彎度,于是河底的水在這個向心力的作用下就會轉(zhuǎn)過更小曲率半徑的彎。這樣,就在河道截面形成了二次環(huán)流(圖6)。在二次環(huán)流的作用下,凹岸不斷沖刷崩退,凸岸不斷淤長,使得河道的彎曲程度不斷加劇。

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圖6 轉(zhuǎn)彎處河水的流動規(guī)律和二次環(huán)流的形成

彎曲河道中的二次環(huán)流屬于二次流(secondary flow)現(xiàn)象。二次流現(xiàn)象是指疊加在一次流(primary flow)上的、比一次流弱的流動。其中,一次流是指可以用無粘流體模型預測的流動。在上面這個例子中,沿著河道的流動是一次流,而河道截面中的環(huán)流是二次流。使用無粘流體模型是不能預測出河道截面中的環(huán)流的,這是因為在無粘流體模型中,河底是不存在邊界層的。

實際上,二次流現(xiàn)象在流體的運動中是很普遍的。例如,當流體流過彎曲的管道的時候,在截面內(nèi)會形成一對旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流(圖7)。這種渦流對于彎曲管道局部阻力的形成具有重要的貢獻。

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圖7 彎管中的二次流(圖片來源:文獻[4])

另一個例子是著名的“茶杯實驗”,即在茶杯的底部放有少量茶葉,攪拌茶水使之旋轉(zhuǎn),可以發(fā)現(xiàn)茶葉往中心聚攏。有些人可能會認為,茶葉的密度比水大,在慣性離心力的作用下應該向四周擴散才對。其實,由于茶杯內(nèi)存在二次流現(xiàn)象,杯底附近的茶水具有往中心聚攏的徑向速度分量,因此帶動了茶葉也向中心聚攏。(圖8)

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