科普：河流為什麼是彎曲的？
2020-09-05 海韻教育
我們看到的河流，特別是在平原上的河流，總是彎彎曲曲，很少有筆直的河道。
這是為什麼呢？這得從力學上做一點解釋。
圖1 彎彎曲曲的河流
首先我們來關注一個流體力學中的二次流現象。
取一口寬底的圓形鍋或其他容器，裡面盛滿了水，為了觀察到二次流，水中放一些沙子或茶葉之類的示蹤物體。用勺子攪動水使它做圓形流動，這時我們會發現沙粒或茶葉會向鍋底中心集中。
我們把在鍋內圓形流動稱為一次流，這個一次流，會引起一個如圖箭頭所示方向的二次流，由於二次流，沙粒和茶葉就會被它帶到鍋底中心。
圖2 二次流示意
現在來看河流，假設河流原來是直的，某一時刻由於偶然的原因在一個段落產生了如圖3的彎曲。
考慮AB截面的流動，一方面，由於河水在河岸的約束下要拐彎，所以河水作用於B岸的壓力會增大，這個壓力與河岸的曲率成正比，即愈彎曲，壓力愈大，還與流速的平方成正比，即流速愈大，壓力愈大。就是說河流河岸的凹面受這個水壓力作用下會被侵蝕。
現在把河水沿河道的流動看作一次流，由於河道是彎曲的，所以從局部上看，可以看為一個沿一段圓弧旋轉的一次流（圖3中），同樣會產生二次流，二次流會把泥沙帶到河流彎曲中心（圖3右），亦即河道的凸出的一岸（圖3左）。
最後的結果是河岸的凸面愈來愈向外凸，河岸的凹面愈來愈向內凹，河流的彎曲便會愈來愈彎曲。
圖3 河流彎道附近的流動
圖4 河道的變化示意
由上面的討論，河流一旦彎曲就會不斷愈來愈彎曲。圖4表示在峽谷中的一條河，隨著時間的推移，峽谷被腐蝕得逐漸變寬，形成比較廣闊的峽谷衝積地，然後又在這片衝積地上蜿蜒變化的情形。
圖5 彎曲的河道又如何變直的
河道雖然無時無刻都在繼續彎曲，然而也有從彎曲變直的時候，如圖5，表示河道彎曲到一定程度，兩個彎曲的部分會貫通，原來的大彎河道不再走，形成一個牛軛狀的湖殘留在那裡。
對於實際河流的河道變化，可以舉例如圖6上所示長江荊江段的河流演變來說。
從圖上可以看出在公元1756年到1973年僅200多年之間看到變化是如何的大。至於黃河在河南孟津之後的河道變化，則要大起大落，在公元前602年至1938年期間間，黃河下遊決口1590次，每次決口都會形成新的河道，歷史上大的改道有六次，河道徘徊於北到天津南到山東之間的華北大平原上。
河道變化無疑對人們的生產與生活會產生巨大的影響，所以一直是人們研究的一個重要課題。目前一門學科：河道演變，或河床演變，它是大學水利專業必修的課程。因為只有掌握河道演變的規律對於治理河道才會更有成效。
圖6 荊江段的河道變化
&34;是古希臘哲學家赫拉克利特（Heraclitus，約公元前530年——前470年）說的，極言世間一切事物都在運動和變化的思想。中國古語說「三十年河東三十年河西」，也是說河道變化的規律。大致上有一種周期變化的特點。
我國從周朝開始，在文人雅士間就有一種習俗，稱為「曲水流觴」。在每年春天的三月三日，人們坐在曲曲彎彎的溪水邊，把盛了酒的杯子，浮在溪水面上，酒杯漂流到誰面前誰就飲酒，並且要做詩，以祈福祛災。晉朝書家王羲之所寫的傳世名篇《蘭亭序》就是記載這種盛事的。可以說在小溪邊上模擬大自然河道彎曲發抒情懷的傳統。後來人們在風景區建立一些「流杯亭」也是模擬大自然河道彎曲的一種抒懷。圖7是北京潭柘寺的流杯亭。圖8 是畫家張谷良畫的「曲水流觴圖」，畫家重現了當年王羲之「曲水流觴」的盛景。
圖7 北京潭柘寺的流杯亭
圖8 張谷良畫的曲水流觴圖
說完了河道的彎曲，讓我們順帶談一談海岸線的問題。
在地圖上我們看到海岸線與河道一樣，也是曲曲彎彎的。有沒有相似的道理呢？
同樣，設海岸有了一個初始的凹面，如圖9，我們看到在海浪來臨時，由於凹面有匯集海浪能量的作用，所以在凹面的深處激起的浪花比較高，也就是海岸的凹處，會受到海水更厲害的侵蝕。於是，海岸便會凹面愈來愈凹，凸面愈來愈凸。這就是海岸線彎彎曲曲的道理。
我們這裡說的，當然是對於由巖石組成的那些海岸來說的。對於在河口由泥沙沉積而成的海岸線變化規律比較複雜，不在這裡討論之列。
圖9 海浪衝擊海岸
圖10 曲曲彎彎的海岸線
從上面我們討論河流與海岸線的彎曲，它們都是不同的事物。
但我們需要動一動腦子，來思考一下，它們是否具有些什麼共同特點呢？這就是，對於一種狀態：即河流是直的，海岸線也是直的，這種狀態一旦受到擾動，就會離它偏離愈來愈大。這就是說河流與海岸線直的狀態是不穩定的。
客觀事物的狀態可以分為三類，即穩定狀態、不穩定狀態和介於二者之間的臨界狀態。如圖11，在重力作用下的小球有三種狀態：左邊的小球處於大球的底部，對它的位置做一個小擾動，小球還會回歸到原來的狀態，所以原來的狀態是穩定的；中間的那個小球處於平面上，對它的位置做一個小擾動，小球既不遠離原來的位置也不回歸原來的位置，所以是處於一種臨界的狀態；右邊那個小球處於大球的頂部，對原來的位置做任意小的擾動，小球就會離原來位置愈來愈遠，這就是一種不穩定狀態。
我們看到，上面所說的直的河流和直的海岸線都是不穩定的，因為對原來狀態做一個小擾動，就會愈來愈彎曲，與原來的狀態差別愈來愈大。
圖11 小球的三張狀態
在現實中，穩定和不穩定狀態的例子是很多的。在重力作用下的水平面是穩定狀態的例子，不管怎樣擾動，等擾動因素去掉後由於水的粘性，水又會趨於水平。讀者不妨思考在自然界和社會現象中，穩定、不穩定和臨界的各種例子，以加深對這類問題的理解。
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