為什麼河流常是彎曲的？

知識 02-16

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？

這得從地質力學上做一點解釋。

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）。

圖3 河流彎道附近的流動

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，河流便會愈來愈彎曲。

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沖積地，然後又在這片沖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。

長江荊江段的河流演變

圖6 荊江段的河道變化

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，黃河下游決口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。

「人不能兩次踏進同一條河流」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。