问题

为什么在比较平坦的地方河流却会不停的拐去拐来?

回答
你这个问题提得特别有意思!一听起来好像有点矛盾,平坦的地方不应该直直地流过去吗?但实际上,河流在平坦地带“绕来绕去”的现象,恰恰是它们在“努力工作”,塑造地貌的生动体现。这背后,其实是多种自然力量在共同作用的结果,我们可以从几个方面来仔细说道说道。

首先,咱们得明白河流的“性格”。水往低处流,这是最基本的物理原理。但河流流淌的“低处”并非一成不变,也不是一个平滑的斜坡。即使在整体看起来很平坦的区域,地面也总会有些许的起伏,可能是一块稍高一点的淤泥堆,也可能是一处被风蚀得稍微凹下去的地方。河流就像一个有生命的物体,它会本能地寻找阻力最小的路径。

想象一下,一条河水正从上游涌来,它带着泥沙、石块等沉积物。当它遇到地面上的一丁点儿隆起时,水流的冲击力会主要集中在隆起的迎水面。久而久之,这些迎水面的泥沙会被冲刷、带走,使得这个隆起的部分变得更高、更陡峭。而河流自然就倾向于绕开这个更高的地方,寻找更“顺当”的路线。

同时,河流内部的水流本身也并非均匀一致。即使是在看似平静的水面上,也会有细微的涡流和不同速度的水流存在。这些局部的水流差异,会产生不同的侵蚀和搬运能力。一个地方的水流快一点,侵蚀力就强一点,会挖得更深;另一个地方水流慢一点,带来的泥沙就更容易沉积下来,形成一个个小小的河岸,阻碍水流前进。这些局部性的侵蚀和沉积,就像是给河流设置了无数个小小的“障碍”和“拐角”,迫使它不断调整方向。

再者,沉积物的堆积也是一个非常重要的原因。河流在流淌过程中,会不断地携带来自上游的泥沙、卵石等。当水流的速度减慢时(比如在比较平缓的地段),这些携带的物质就会因为重力而沉积下来,堆积在河床的底部和两侧。这些堆积物会改变河床的形态,使得河床变得更高更宽,而原有的水流路径就可能被堵塞,迫使水流寻找新的出路。这就好比你有一条小溪,你往里面丢一些石头,它肯定得绕开这些石头继续往前流。河流做的就是同样的事情,只不过规模更宏大,速度更缓慢。

另外一个非常关键的概念叫做“弯曲”(meanders)。河流的自然状态就是趋向于形成弯曲的河道。这又是怎么发生的呢?我们可以这么理解:即使是最直的河道,也总会有那么一点点的微小不对称。可能是水流在某一点上稍微偏向河岸一侧,导致那一侧的水流速度稍快,侵蚀力也稍强。久而久之,河岸被侵蚀得更深,形成一个向外凸出的“外弯”。而河岸被侵蚀的地方,相对的水流速度就会变慢,沉积物就会堆积,形成一个向内凹进的“内弯”。

随着时间的推移,外弯处的侵蚀会越来越明显,内弯处的沉积也会越来越多。这种侵蚀和沉积的作用是相互促进的,使得弯曲越来越明显,河流就像在“画S”一样,不断地扭动前进。如果河流一开始就有点小小的弯曲,这个弯曲就会被不断地放大和加强。这就形成了一个正反馈的过程。

甚至有时候,河流的水位还会发生变化。涨潮的时候,水流可能更宽更分散;退潮的时候,水流又会集中起来。这些水位的变化也会影响水流的侵蚀和沉积模式,进一步促使河流改变路径。

所以你看,即使在整体看起来很平坦的地方,河流之所以会不停地拐来拐去,并不是因为地面本身有剧烈的起伏,而是因为河流自身携带的物质、水流的局部差异、以及不断进行的侵蚀和沉积作用,共同塑造了这种“蜿蜒曲折”的形态。这是一种动态平衡,河流在不断地调整自己,以最“经济”的方式向前流动,同时也在不断地改造着它流经的大地。

这些弯曲并不是偶然的,它们是河流在漫长岁月中与大地进行“对话”留下的印记,是河流生命力的体现,也造就了许多我们今天看到的优美河谷和湿地景观。所以下次你再看到一条蜿蜒的河流,不妨想想它背后那些精妙的自然规律,那可真是大自然最鬼斧神工的设计了。

网友意见

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为什么地势平坦,河流却弯弯曲曲?

巧了,这个问题,爱因斯坦在1926年回答过。

没想到在知乎回答地学相关的问题竟然能扯上爱因斯坦。

爱因斯坦1926年在普鲁士科学院宣读了一篇文章,

题目译作:“河道蜿蜒的成因和拜尔定律”。

此文发表于德文期刊《自然科学》(Die Naturwissenschaften , Vol. 14, 1926)

没找到德文原文,英文标题如图:

水流往往会弯弯曲曲地前进, 而不是沿着坡度最大的线下降,这是常见的自然现象。

河流并非一开始就这么弯,而是逐渐变弯·····弯的。

河流们经历了什么?

高中地理告诉我们:北半球的河道右侧往往侵蚀得比较厉害, 而南半球的河道则相反。

这是地球自转偏向力的原因,即科里奥利力效应,也就是拜尔定律

因此,有人会把河流弯曲的成因,仅仅归结为地球自转偏向力所致,这是种误解。

目前的共识是:

在一定条件下(河道局部弯曲、地球自转偏向力等),河道两侧和顶底的水流速度差异(摩擦力所致),导致水流在河道横截面,产生横向环流,造成两岸侵蚀程度不同,通常表现为一侧堆积,一侧侵蚀,以致河道越来越弯曲。

需要说明的是,由于水流沿着河道径向流动,这个横向环流在空间上表现为螺旋环流

这只是一种描述性地解释,

那么这其中涉及的因果关系到底是什么呢?

横向环流是如何产生的呢?

爱因斯坦通过力学分析,做了解答。


爱因斯坦举了一下小例子来讨论这种圆周运动——横向环流。

这个例子被称为茶叶悖论

一个装满茶水的平底杯,杯底散聚有茶叶。

如果用勺子搅拌茶水, 会出现这样的现象:

起初,杯中的茶水几乎会像整体性地旋转,并带动底部的茶叶一起运动;

然而,随着搅拌的继续,茶叶很快会聚集在杯底中心。

茶叶聚集在杯子底部的中心,即使周围的茶水中仍有漩涡翻滚,它们也几乎维持静止。

这种现象的原因如下:

液体的旋转产生离心力,液体在杯壁附近还受到摩擦力,

因此杯壁附近水流的旋转角速度,会比中心附近的水流更小。

特别是, 底部附近的旋转角速度和离心力会比高处更小。

结果就是, 液体会做下图所示的圆周运动。

它会继续增加, 直到在杯壁摩擦的影响下趋于停止。

茶叶被圆周运动扫到杯子中心, 可以证明这种圆周运动的存在。

这个过程在流体力学中被称为:“二次流”:

二次流是一种复杂的运动,是对初始的搅动的响应,二次流会沿着圆柱形的杯壁向下流动,在杯子的中央部分向上流动。


可见,在离心力和摩擦力的共同作用下,会产生这种圆周运动。

同理,弯曲的河流也会发生类似的事情。

要产生这个离心力,河道需要一个起始的弯曲

这可以由很多因素造成,例如:岩性差异、构造差异、地形因素、生物原因等等。

在弯曲河道的任一横截面处, 都有一个离心力,

朝着曲线外侧的方向(从A到B) 起作用(如下图)。

这个力,在河道底部附近要小于高处,

因为底部附近的水流速度因摩擦而减小。

这便产生了上图(右图)所示的那种圆周运动。

其实,不一定非要是离心力,只要是一个垂直于水流方向的力就行。

因此,由于地球的旋转, 即使河道没有弯曲,这种圆周运动也仍然会发生, 只不过规模较小。

地球的旋转会产生一个与水流方向垂直的力——科里奥利力,

其向右的水平分量,是每单位流体质量:2vΩsinΦ,

其中v 是水流的速度,Ω是地球旋转的速度,Φ是地理纬度。

由于河底摩擦导致这个力朝底部减小, 所以这个力也产生了这种圆周运动。


如上,我们解释了横向环流的成因。

但这仅仅是解释了河道中水流的规律,还没有真正涉及到河道弯曲的原因,

显然,河道弯曲是差异侵蚀作用的结果。

这我们需要注意水流横截面的速度分布, 它对于侵蚀起着决定性的作用。

因为在相同条件下,水流速度越快,侵蚀作用越强;

无论这种侵蚀依赖于力学因素还是物理–化学因素(如岩石、沉积物的溶解),情况都是如此。

因此, 我们必须着眼于影响河岸处流速梯度的因素。

为此,我们必须先知道河流中的(湍流)速度分布是如何产生和得到维持的。

首先,如果河道中此前静止的水,突然被一个均匀分布的加速力启动,

那么横截面上速度分布起初将是均匀的。

但在河岸摩擦的影响下,

将会逐渐形成一个从河岸朝着横截面中心逐渐增加的速度分布。

原本在横截面上(大体上) 定态分布的速度,会在河流摩擦的影响下被逐渐搅乱。

流体动力学以如下方式描述了这个静态速度分布的建立过程:

在平面流的情况下,所有涡线都集中在河岸上。

它们分离开来,朝着水流的横截面中心慢慢移动,分布于一个厚度不断增加的层上。

河岸处的速度梯度因而逐渐减小。

在液体内摩擦的作用下,水流横截面内部的涡丝被逐渐消耗,并且被河堤处形成的新的涡丝所取代, 这样便产生了一种准静态的速度分布。

重要的是,获得静态速度分布是一个缓慢的过程。

这就是为什么许多并不太明显的、却一直在起作用的因素,能对横截面上的速度分布产生很大影响。

现在我们考虑一下,因河道弯曲或科里奥利力所引起的圆周运动,会对河流横截面上的速度分布产生什么样的影响。

运动最快的水流距离河岸最远,也就是说在河道底部中心的上方。

以上图A为例,(为看图方便,下文的左右指的是图面的左右,而非以河水流动方向判断的左右)

圆周运动将会驱动河水速度最快的部分,朝右岸移动,

而左岸则会接收来自底部附近的速度特别低的水。

因此上图A中的情况下,对右侧的侵蚀必然比对左侧更强。

应当注意,这种解释本质上基于这样一个事实:

即河水缓慢的圆周运动会对速度分布产生相当大的影响,

因为通过内摩擦(抵消了这种圆周运动的后果)所做的速度调整也是一个缓慢的过程。


如上,我们已经揭示了河道蜿蜒的成因。

由这些事实不难推出一些细节。

侵蚀不仅在右岸较强,而且在底部右半边也比较强,因此往往会形成下图所示的轮廓。

此外, 由于表面的河水将来自左岸,因此尤其在左侧,河水移动得不会像更深的河水那样快。

事实上, 这个现象已经被观察到了。

还应注意,圆周运动具有惯性。

因此,它只有在弯曲最大的地方以外才能达到最大,当然,这也适用于侵蚀的不对称。

因此在侵蚀过程中,河道弯曲形成的波浪线必定沿着水流的方向前进。

最后,河流的横截面越大,圆周运动被摩擦消耗得就越慢。

因此,河道弯曲形成的波浪线会随着河流横截面的增加而增加。


总之,

在河道局部弯曲或地球自转偏向力的作用下,会产生一个垂直与河道的力,

加上河岸和河床的摩擦力,会形成横向环流(螺旋环流),

河流不同位置流速不同,导致两岸侵蚀程度不同,

通常表现为一侧堆积,一侧侵蚀,

随着时间的推移,侵蚀差异越来越大,河道便越来越弯曲。


值得一提的是,

蜿蜒的河曲通常发育在平坦的下游地区

这已经是河流的暮年阶段,

扭曲的形态,像镌刻入大地的皱纹。

它们似乎不想这么快告别陆地,

而是尽可能地多绕点弯路,

多留恋一会,

这最后的、自由流动的时光。

因为,百川入海后,

谁还会记得每条河流本来的样子。

(PS: 为避免造成误解,特此说明:曲流河并非只发育在下游的平原,在中-上游,很多地形平坦的高原,同样可以发育河曲,例如若尔盖大草原等。)


参考文献:

[1]Essentials of Geology[M], 13th Edition-Pearson , 2016.

[2]W. W. Norton & Robert Rauber,Earth Science[M], 2017.

[3] Hamblin, Earth's Dynamic Systems (10th Edition) [M],2003.

[4] Routledge,Fundamentals of Geomorphology[M],2017.

[5] Einstein A. The cause of the formation of meanders in the courses of rivers and of the so-called Baer’s law[J]. Die Naturwissenschaften, 1926, 14(11): 223-224.

[6] 爱因斯坦,我的思想与观念(张卜天 译),天津人民出版社 2020.


此前写过瀑布,是河流中上游的典型地貌景观,感兴趣的可以支持一下

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因为地虽然是平坦的,而地球却是不停地快速运动的。所以,河流都能造成那么大影响,洋流呢?

劝你们地学生,赶紧研究研究洋流吧,肯定能够出大成果。

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