從流體力學角度，陰陽海、涇渭分明怎麼解釋？

01-07

流體力學水文地理

謝邀。這個問題是一個大坑。第一反應就是"涇渭分明"和「陰陽海」各有各自的原理。基於一切可簡化的條件，給出儘可能合理的解釋。請大家指出不嚴謹或者錯誤的地方。圖文較多，有總結。

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「涇渭分明」：

1. 基本情況

圖1來自谷歌地球，這是個很典型的例子。圖中的標記分別是:

i) 黃線: 定義一下坐標軸；

ii) 黑線: 河道剖面。在河流的彎道處，剖面是不對稱的。

iii) 紅線: 水流運動軌跡。河道中的表層水流在過彎的時候喜歡走外彎(離心力作用)。在剖面圖中的是由於不對稱剖面產生的橫向環流(secondary current);

iv) 綠色: 一塊沒有水流速度的區域(flow stagnation zone)，對此問題不重要;

v) 藍線: 用於比較，後面會講。

2. 成因分析

講講背景，沉積物(也就是我們俗稱的泥沙)的傳播分兩種，一種推移質(bed load)尺寸較大，沿著河床滾著傳播; 另一種懸移質(suspended load)尺寸較小，懸浮著隨水流傳播。」涇渭分明「表現的是兩河懸移質濃度的不同。懸疑質在水中的濃度見圖2(a)，涇河裡的濃度大(黑線)，渭河裡的濃度小(綠線)。圖中可見，濃度在越靠近水面時越低。圖2(b)是主流(primary flow，也就是河道中的紅線)流速與深度的關係，恰恰與濃度相反。

給一個U(z)的表達式，就稱流速。只用記住戴帽子的U是深度平均流速(m/s)，Q是流量(m3/s)，A是橫截面積(m)，後面會用到。

2.1 擴散(diffusion)

擴散是物質就能從高濃度向低濃度的自發運動，並沒有流體什麼事。回頭看圖2(a)，可以想像一下在涇渭合流處，擴散是不是更容易從下往上，和涇河底部向渭河底部發生，表層在y方向的擴散並不劇烈。

2.2 對流(advection)

對流是物質由於流體運動而產生的運動，流體參與進來了。簡單來講，對流是由流速和濃度共同決定的。

2.2.1 主流

我們已經知道了懸移質在表層的濃度不是很高。弄清問題就需要確定速度了。

首先，我們看對流的定義，需要有一個y方向的速度把懸移質從涇河一側帶到渭河裡面才能完成對流。然而，看之前的公式，當涇河匯入主流後的一瞬間，河道橫截面積A突然變大然而流量Q保持不變，導致深度平均流速在合流後劇烈減小。然後流速U(z)也整體縮水了。加之圖1中綠色區域那裡涇河拐了個彎，所以綜合起來，y方向的速度十分小。所以呢，濃度又低，y方向的速度又小，當然對流不順利了。

2.2.2 彎道環流(spiral flow)

在第一個章節里介紹的橫向環流，它提供在y方向的對流動力。但是水流始終要向前運動的，所以橫向環流和主流運動疊加一下，就產生了這種螺旋前進的水流，見圖3(來源: http://timeless-environments.blogspot.co.uk/2012/07/meandering-watercourses-repairing.html)。

如果我們考慮涇河匯入的話，情況就變成了圖4，標註的剖面可以參考圖1。

涇河與渭河的兩股彎道環流是沒有那麼容易交匯的。因為，雖然渭河的彎道環流在過彎時會加大，但是同時涇河的彎道環流卻在不斷地衰減，就像變了心的女朋友，再也回不來了。當其衰減到一定程度時，渭河的彎道環流作用佔到一定主導地位是，對流就開始順利進行了。這個微小的趨勢，可以看圖1中的藍線。順著藍線往下遊走，灰灰的水稍稍變窄了一點，然後開始變寬。差不多過了截面5-6後，渭河的彎道環流開始占絕對主導了。由於彎道環流在過彎時大，在不過彎時小的特點，所以在涇渭被大致混合均勻發生在圖1右下角的那個彎道處。

3. 小彩蛋

這裡有另外一個例子，見圖5。相比圖1情況，第一感覺貌似涇河上游水土流失變得更加嚴重了(濃度高)。

涇河多出了一條支流(avulsion)，可能是由於洪水，地質構造變化(上有抬升或者下游沉降)等造成的。涇河這個新開出來的分流點有什麼影響呢？簡單講，水更傾向於走1號路線，沉積物跟傾向於走2好路線。具體原理可以參考都江堰的相關討論，都江堰是如何運作的？ - 歷史。直接給個結論，2號路線的水流較弱，含沙量較高。有了前面章節的鋪墊，是不是很容易理解圖5里，為什麼2號路線匯入渭河後不久就被混勻了。

再給個例子(圖6)，這是2015年10月14日的數據。"涇渭分明"現象消失了，因為渭河懸疑質濃度在合流之前就已經很高了。所以當涇河渭河懸移質濃度差不多時，擴散和對流雖然也在進行，但卻不能夠明顯觀察出來了。

4.總結

」涇渭分明「是我們觀察到水體表面，兩河懸移質濃度的不同的現象。決定」涇渭分明「的因素有: a) 涇河和渭河裡，表層懸移質濃度的差別; b) 涇河匯入渭河時的橫向速度與角度。更小的濃度差和更大的橫向速度不利於」涇渭分明「。

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「陰陽海」：

正如同「涇渭分明」一樣，「陰陽海」能被我們觀察到，也是因為沉積物的濃度的不同，由於近海區域水深較淺，可能會涉及到推移質。雖然在海里的情況更為複雜，但是形成「陰陽海」的原理卻可以相對簡單地說明白。所以採用一個和之前不同的順序解釋。

1. 成因分析

1.1沿岸流(alongshore current)

一般情況下，海波在慢慢靠近海岸的時候，它的前進方向總會和海岸線有一定的夾角。這樣的夾角(也有其他因素共同影響，例如海床形態)會是的海波擠壓水體，從而形成一種沿岸水流(圖7,來源:http://essea.strategies.org/module.php?module_id=117)。簡單解釋下: 從質量守恆和動量守恆的方面考慮，水隨著波向陸地方向運動(非線性理論)，水不可能向著沙灘上無限前進，所以水會向其他方向運動來平衡，比例沿岸流或者底層逆流。

1.2 groynes的作用

實在不知道這個單詞的準確翻譯。這是一種在海岸是防止侵蝕，在河裡是保持航道深度的東西。圖8(來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Groyne)中，用黑圈裡的就是海岸上的groynes。

當有水流流過一個groyne的時候，就會有在groyne的內部形成渦旋。具體情況見圖9，不同形態的渦旋由水流方向相對於groyne的角度決定。在講「涇渭分明」的時候，提到過沉積物是被水攜帶運動的。所以，如圖9所示，沉積物也會隨著形成的渦旋轉圈圈。並且，相對於原來的水流速度，渦旋的速度是很小的，這導致了水挾沙能力下降，推移質會沉積下來，一些粒徑較大的懸疑質也會沉下來。這樣保證了沉積物在groyne裡面堆積，這也是它用於防止海岸侵蝕的原理。

2. 案例分析

以下是在谷歌地球上找的兩個例子。圖10在台灣，圖11在北愛爾蘭。

先看圖10，右邊的綠圈就是「陰陽海」。可以看出這裡海岸的形態恰好是凹的，形成了一個天然的groyne。這裡的沉積物由兩部分組成，一個是從海里來的，另一個是沙灘上的沙隨著沿岸流來的。圖中紅線就是波浪前行方向和沿岸流方向，以及形成的渦旋。可能對應圖9中的第3種。圖10中左邊綠圈為什麼沒有形成「陰陽海」是因為尺寸大，受波浪作用也大，裡面的情況就不是圖9種所示的那麼簡單了。

再看圖11，這裡海岸形態尺寸和圖10右邊綠圈的差不多，卻沒有形成「陰陽海」。首先是因為海波前進方向與海岸線大致垂直，導致沿岸流弱甚至沒有沿岸流，比圖9中的第6種程度還要大一點。其次是周圍海岸偏岩性，侵蝕現象較弱，也就是沉積物供應會少一些。3. 總結

"陰陽海"也是某區域內沉積物濃度過高造成的，受懸疑質和推移質的共同影響。要形成「陰陽海」，需要具備以下條件: a) 地形要凹，形成類似groyne的造型; b) 海波前進方向與海岸線的夾角能產生足夠的沿岸流; c) 沉積物供應要足，不管是從沙灘上來的還是從海里來的。

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參考文獻：

1.Bridge, J.S., 2003. Rivers and floodplains: forms, processes and sedimentary record. Blackwell Publishing, Malden, USA. ISBN 13: 9780632064892

2. Yossef, M. F. M. 2002. The effect of groynes on rivers: Literature review, Delft, NL: Delft University of Technology. Delft Cluster Project 03.03.04

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混合是通過擴散和對流這兩個過程形成的，這兩個過程都需要時間，不會瞬間完成。如果洋流方向恰好和兩種溶液的分界線平行的話那麼這個混合的過程會很慢，在分界線的邊緣處達到動態平衡。某些綠教徒拿這個來映證古蘭經的科學性，在下實在佩服。

這個確實和傳質，沉澱，分子擴散，伯努利能量方程是有聯繫的！