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[转帖]芦笛：水力坡度是怎么形成的？

陈皮
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加入时间: 2007/12/01
文章: 3235

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标题: [转帖]芦笛：水力坡度是怎么形成的？ (369 reads) 时间: 2010-8-01 周日, 上午7:22

作者：陈皮在驴鸣镇发贴, 来自 http://www.hjclub.org

水力坡度是怎么形成的？

芦笛

刚才进来看看，诸位还在讨论这水力坡度的问题，觉得很有趣。记得那阵子王维洛指出三峡工程的一个重大错误是静态设计，盖高峡出的不是平湖，是斜湖。三峡水库的水面不可能是水平的，有个水力坡度，否则水也就不会流动了，因此库尾到大坝必有水位落差。当大坝到原设计的175米正常水位时，库尾水位绝不止那个数字。但设计人员却完全忽略了这一问题，竟然假设水力坡度为零，因而根据175米的数据，再加上一点安全值（记不得是多少了，似乎是10米），设置移民红线是完全错误的，将来必然还要再度移民，云云。

此论一出，有人便在网上大骂王维洛那“小骗子”，那“论证”简直令人不敢相信。那人忿忿骂道：这么简单的道理，难道那么多院士专家就会看不出来，还需要你来点拨？肯定是你弄错了！

怪就怪在这里：这么简单的常识问题，连外行都能理解，偏偏那么多院士专家就是有本事看不出来，而且在王维洛指出后还有那本事否认到底。就连本坛接受过严谨理科训练的虔诚的科学教徒兼大数学家唐好色网友，也要出于神圣的“唱旺”使命感，连王维洛的论点论据是什么都不知道或是看不懂，便发扬无师自通的红卫兵小将的光荣传统，出来搞大批判，作出严谨的学术结论，判定王维洛是“唱衰”，大众对水库的质疑是“集体无根据恐惧”，赞叹幸亏中国有威权制度的优越性，能不顾舆情乱来一气，这才避免了美国式的default，云云。

不仅如此，以他受过的严谨的理科训练，又对方舟子的打假无限崇拜，却连识别劣质骗子wm的基本智能都没有，要去程门立雪，请求那“专业人士”指点。待终于发现wm腹中空空一无所有，自家exasperated 之余，还仍未察觉自己上了当，却得出“原来专业人士也弄不清这问题，必须靠实践去查明”的科学结论来。那言下之意就是：这种事，不建起大坝来谁也说不清，只有靠建起大坝来查明。这种科学结论，不但与云南省领导“先污染，后治理”的豪言壮语异曲同工，充分体现了威权制度的优越性，而且与陈年浆糊皮大夫“不到事后，谁会知道89学运会失败？”的科学预测暗合，您说华人的基因是不是真有点问题啊？

老芦虽然是完全彻底的外行，但仍然觉得，要具体算出三峡水库水力坡度的数值来，大概真是不可能的，因为那本身就是个变量，不但在全库长的任一位置上都不均等（例如库头与库尾的坡度就要比库中央的大得多），而且随流量而变，恐怕连个计算的通式都难以给出来，遑论是阿越在楼下给出的初等数学公式。但要判定水力坡度是否存在，似乎并不需要什么高深数学知识，有点常识常智即可。

现在假想有个两端封闭的水槽，里面装了水。若将水槽倾斜一定的角度，则一定时间后水面就复归水平。若是打开水槽下端放水，则水力坡度必然形成：这道理连姨爹想来都能理解：下端的水流出去了，邻近的水便要流过来填充，因此造成的空缺又由上游相邻的水流过来填充，如此一直延伸到水槽上端，于是便从水槽上端到下端都形成了一个斜面。因为下端不断在漏水，这个“填平补齐”的过程便持续存在下去，坡度也始终存在，直到槽里的水流干。

无论在空间还是在时间的意义上，这坡度都不是个常数：在空间上，越是邻近下端的水的坡度也就越高；在时间上，流量越大，则全槽的平均水力坡度也就越陡，但这未必是个线性关系。

现在再假想那两段封闭而倾斜放置的水槽不是下端漏水，而是上端注水。这必然造成水在上段的堆积——多出来的水不可能在瞬间内便流到下端去，达成水平需要一定时间，而液体又不能压缩，因此当然只可能暂时斜堆在上端，再逐渐向下端流动，但因为上端不断注水，平衡始终无法达成，于是从水槽上端到下端就出现了一个坡度。同样地，这坡度也不是一个均值，越是邻近上端的水的坡度也就越高，而注水量越大，全槽平均坡度也就越大。

三峡水库也就是这么一个倾斜放置的水槽，上端注水，下端漏水，因此必然有水力坡度，但它在空间与时间上都不是个常数。在空间分布上，大坝与库尾的水力坡度都比较大，因此整个水库的水面有点像个睡倒的S形。在时间分布上，它随流量而变。无论是上流来水量增加，还是大坝放水量增加，都会增加它的水力坡度。

明白了这简单道理，则立即可以洞见三峡为何是个水害工程。如果不修那大坝，长江当然照样有水力坡度，否则也不会流动了。假定汛期大坝放水量等于来水量，那平均坡度应该与未修大坝相当。但因为大坝那儿的水位被抬高了，因此平均坡度虽然相同，库尾的水位却要比不修大坝时高得多。若是大坝水位在汛期达到原设计的 “正常水位”175米，则哪怕汛期来多少水放多少水，虽然表面上跟没修水库一样，毫无蓄洪功能，但重庆仍然必然变成泽国，人或为鱼鳖。因此，要让水库丝毫不影响上游水位，光让放水量等于来水量还不行，还得在汛期前就把整个库容放空，以后一直保持闸门大开，来多少放多少，才能做到跟真正没修水库一样，不至于将大坝的水位迭加在库尾的水位上，人为造成上游水患。

当然，这儿的潜在假定是，水库的容量与不修大坝时的河床容量相等，这当然不符现实情况——水库库容要比河床原有容量大得多，因此，即使水库蓄了水，在汛期放水量等于来水量，其平均坡度也要比不修大坝时河流的坡度小得多。因为水库有了缓冲能力，能极大地减弱下游放水与上游来水造成的坡度。我举这种极端情形，是想藉此浅显地说明，修水库的隐患，是把大坝水位迭加到了库尾水位上，使得库尾水位恒高于大坝水位，流量越大越如此。当修建三峡水库那种特别狭长的水库时，这隐忧便成了显患——哪怕是水力坡度在汛期增加了千分之一，都是不得了的事。

以上所说的简单道理，应该是idiot-proof，连白痴都能理解吧？难道这也过于高深复杂，必须修起大坝来靠实践考察才能理解？

明白了上述简单道理，则也不难看出阿越在楼下给出的公式不能成立：流体运动不是机械运动，遵循的是流体力学，不宜胡乱引入“匀速”的概念。即使是稳流，河流的在每个截面上的流速也未必相等，因为液体不可压缩，因此流速与截面积成反比，您说在河床截面不相等时，“匀速”到底何所指？更何况稳流不过是理想状态，实际上有许多局部的湍流（与河床、河岸、礁石相邻的水域），因此，实际摩擦力是很大的，这摩擦力靠水流的位能丧失来克服。没有水力坡度，河水就绝不会流动。

作者：陈皮在驴鸣镇发贴, 来自 http://www.hjclub.org

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