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我们对大区域水系的运动缺乏研究

摘要: 大区域水系的运动的方向受到3个力的支配：1）重力差；理论上，重力的水平梯度方向就是水流动的方向。对于地形有起伏的地区，高程差最大的方向就是水流方向。也就一般所说 ...
大区域水系的运动的方向受到3个力的支配：1）重力差；理论上，重力的水平梯度方向就是水流动的方向。对于地形有起伏的地区，高程差最大的方向就是水流方向。也就一般所说的，水往低处流。2）河水的动量，河水倾向于在动量最大的方向流动，也就是惯性流动。由于地形引起的河道弯曲，这个惯性力在洪水期要远远大于重力差。3）河水的涡流量，在洪水期，河水的涡流量很大，从而在河面的垂向上出现升力，产生大浪，这个力也远远大于重力差。

       因此，在静水区，河水流动主要受到重力差支配。大多数的防洪堤坝都是参考静水区的河水运动而设计的。虽然在大工程设计中，总是强调要考虑洪峰的影响，但是，实际的落实措施一般是加高或加固堤坝。

       在洪峰期，河水水面高度（流量）急剧增大，产生3个效应：1）总动量的急剧增大，对弯曲部分的河堤产生大的冲击力；如果河提有足够的强度，则使河水产生大的涡流，形成高浪，从而有潜在的风险（跨堤或漫堤）。2）洪峰期的涡流不仅是产生高浪，还产生向下的高压，这种水底的高压有可能在软弱地基处产生渗流，导致在堤坝下部或远处出现管涌（或突水）。3）全河域的旁系水流方向及流量是受到主河道水面高度和流速控制的，也就是水系间有动态的相互作用。

       上面的3个问题是洪水期的典型力学问题。但是，对这一大块，我们缺乏研究。这并不是说没有人研究，而是其研究结果要么是不正确，要么是没有被采用。

       为何这样说呢？有两个基本原因：1) 重力差与高程差是有区别的。而全河域的重力差与地形测量给出的高程差的差别就更大了。目前普遍的使用GPS确定的高程，而不是实测重力差，从而，就河道邻近区域而言，全局数据是有系统偏差的。2）对于洪峰期，水面面积显著扩大，河道底部曲面几何复杂化，这类几何因素对河水流动的影响我们几乎没有好的研究。我们有大量的定性研究，但是缺乏符合客观真实的定量研究。

       对大区域水系的运动缺乏研究的自然后果就是无法对不同的洪峰预设第2道，或第3道堤坝的最佳几何位置（地理位置）。而是沿用历史上出现过的位置来估算泄洪区边界，从而，在洪峰出现显著变动时，应对失策。

       在20年或更长时间的静水期，由于以上的研究不足，对于基础建设的规划出现盲目性。既不能预期此类建筑（如道路）对洪峰的影响，也不能预期洪峰到来时，在现有格局下，全水系的水流运动会出现何种变化，从而陷入被动。

       此类研究既不产生论文，而其耗资又巨大（如洪峰期河底边界几何测量，河面边界几何测量），面对的水流力学问题理论上复杂，计算上困难（要求有大型机或中型机）。即便是有了初步的成果，还得研究泥沙沉降以及其它的动力学问题。因此，研究不足是必然的。人们相信加高河缇加强河缇，也肯花钱。但是不相信那直观上看不到效果的大区域水系的运动研究。
肖建华


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