[中配]探索為甚麼河流改變方向

這是一張由傳奇地質學家哈羅德菲斯克 繪製的密西西比河地圖 這篇報告是他在1944年爲陸軍工程兵團撰寫的 一份相當低調的地質報告的一部分 但他繪製的地圖絕非平常之作 他們不僅令人驚歎的展示了1944年密西西比河的流向 還展現了這條河在數千年間切割地貌所形成的所有歷史路徑 儘管在地圖上看起來令人驚訝 但那條彎曲的路徑卻代表了一個重大挑戰 不僅僅是生活和工作在河流附近的人 還有那些依賴於他所支持的商品和服務的全球人民 而且那是很多人 美洲原住民稱之爲水之父的 是整個美國最重要的貨運走廊之一 而我們出口到其他國家的大量穀物 是通過嚴密西西比河運輸的舶船運送的 河流航道的變化可能會造成貨運交通瓶頸 削弱經濟 甚至可能引發全球糧食危機 自哈洛德菲斯克的報告 撰寫以來的80年間 我們在基礎設施上花費了數十億美元 只爲迫使偉大的密西西比河保持在當前的航道中 這僅僅是一個案例研究 表明人類在地球上的活動與塑造其地貌的河流動態之間 全球範圍內的鬥爭正不斷進行 儘管河流和溪流的自然變遷和蜿蜒 可能嚴重威脅我們的基礎設施 經濟甚至環境 但很少有人關注這一現象 甚至根本不知道 由於時間尺度緩慢而漸進 你不會在頭條新聞中看到它 直到它變成一個嚴重的問題 影響河流運動的因素並不完全符合我們的直覺 因此我們與inriver公司聯手 他們製造名爲河流模型的水流表 製作了一個關於河流爲何改變方向和蜿蜒的科學兩集系列 以及工程師用來控制這一過程的工具 我們現在在伊利諾伊州卡本代爾的他們設施現場 我非常激動要向你們展示這些模型 我是格雷迪 這裏是實用工程 在今天的節目中 我們將討論水文地貌學 或者說河流形狀背後的科學 如果有人讓你設計一條水流在兩個地點之間的通道 你會選擇哪條路徑 大概是它們之間的直線 對吧 這是最簡單且最具經濟效益的選擇 那爲什麼大自然不選擇它呢 這個河流模型裏面充滿了代表土壤材料的介質 比如泥沙 沙子和碎石 每種顆粒尺寸都有不同的顏色以便於區分 而在線視頻壓縮算法對此非常喜歡 水從桌子的頂部流入 從底部流出 這樣我們就可以目睹 真實河流中發生的實際物理過程 在現實世界中 這個河流系統可能長達幾十或數百英里 而在這個模型中發生的事情可能只需要幾個小時 但在現實中卻可能需要數百或數千年的時間 讓我們在土壤中創建一條直線 連接溪流模型的進水口和出水口 讓水流過 看看會發生什麼 河流的表現是否和你預期的一樣 還是它的曲折路徑的形成有些超出你的想象 希望到視頻結束時一切都會清晰明瞭 即使在我們很小的時候也會學習到侵蝕的過程 風和水在地球上雕刻 運輸着物質從一個地方到另一個地方 在大多數地方侵蝕發生得非常緩慢 以至於你根本無法像看草成長或油漆乾燥那樣觀察它的過程 不過看看河流 你會立刻看到侵蝕正在進行 你只需潛入水面以下觀察即可 我們通常把河流看作水的高速公路 但它們還以巨大的數量運輸另一種材料 沉積物 所有從地球上侵蝕出來的淤泥 沙子 粒石和岩石會在河流和溪流中匯聚和集中 最終流經山谷抵達湖泊和海洋 由於河流系統對岩石和土壤的移動能力 也許正因爲這些過程發生得如此緩慢 科學在研究河流如何以及爲何改變其路徑方面的發展 花費了很長時間 但在1950年代 一位名叫埃莫里·萊恩的土木工程師和水文學家 辭去了他在美國的工作 從回收局轉任科羅拉多州立大學教授 在他任職於水利局期間 他在水利實驗室工作 研究水土壤和岩石之間的相互作用 當他接受任命時 他已經在發展統一沉積物運輸理論的路上走得很遠 1955年 他發表了具有里程碑意義的方程 至今仍被工程師 地質學家和其他河流科學領域的專業人士使用 就像歷史上許多著名的方程一樣 它看起來並不複雜 它說明在一個穩定的河流中 水流量與河流的斜率的乘積 與河流中沉積物的流量與沉積物大小的乘積 乘正比 看起來簡單 只有四個參數 不過你知道這個方程看起來也很滑稽 沒有任何背景資料 所以或許你還不覺得自己是個專家 但在水流臺的幫助下 我可以向你展示這種關係的美妙 以及它是如何簡化對河流行爲預測的 我們來看看一些例子 假設一大片區域遭遇了一場野火 燒光了所有的樹木和植被 在此之前 你有一個鬱鬱蔥蔥青翠玉蒂的景觀 有植物 灌木和樹木來穩定土壤 而現在它主要只是光禿禿的土地 下雨時 從燒燬區域流下來的水侵蝕了未受到保護的地形 沖刷入河的沉積物比火災發生前更多 我們可以通過簡單的在水流膠帶的上游部分 添加介質來證明這一點 你能預測河流將如何反應嗎? 讓我們回顧一下臨時方程 我們增加了河流中的沉積物流量 但沒有改變其他任何變量 我們沒有改變沉積物的大小 沒有改變河流的流量 也沒有改變它的坡度 這意味着雙方失去了平衡 lane三程不再成立 河流失去了平衡 換句話說 這不再是一個穩定的河道了 實際上我們可以將lane的方程轉換成圖示 這樣會更容易理解 這一平衡的一側是泥沙負荷 另一側是河流的流量 增加流量就可以運輸更多的沉積物 減少水流就會相應減少沉積物的流動 很簡單對吧 但我們仍然需要考慮另外兩個參數 沉積物大小和水流坡度 現在你可以看到保持平衡變得有些複雜了 對這四個參數中的任何一個造成干擾 都會使平衡失衡 從而影響溪流的平衡 當這種情況發生時 你會面臨短期後果和長期後果 以野火的例子爲例 當我們增加溪流中的沉積物負荷時 平衡的頂部向左擺動 傾向於沉積 水流不足以讓沉積物保持懸浮狀態 因此它會在河牀內沉積 就像我們在模型中看到的那樣 在這個例子中 水流根本無法承載我們沖洗進去的所有沉積物 因此隨着時間的推移 這些沉積物會在河牀和河岸上積累 這是另一個更容易在水槽中展示的 自然干擾河流系統的例子 海泥在水道上修建小壩 形成一個池塘 減緩水流 隨着水流速度的降低 較重的沉積物會沉積下來 這意味着在海泥壩下的水流 只會將細小的淤泥和粘土顆粒帶向下遊 你可以看到較輕的白色顆粒被沖走 而較暗較重的顆粒被攔在大壩後面 讓我們來看看萊恩的平衡 以預測溪流將會發生什麼 當我們減少河流中的沉積物負荷時 平衡的左側向內移動 我們再次失去了平衡 但這次我們可以預計 溪流會向下遊侵蝕而不是沉積 在大壩下游 無論是人造的還是河泥建造的 erosion是常見的現象 我們再來看一個自然干擾河流的例子 流動的變化 畢竟河流很少攜帶恆定的水量 它們的流量隨着季節和天氣的變化而變化 波動極大 這包括洪水 在一個流域內 強降水匯聚到山谷 導致河流和小溪水未上漲 我們只需加大水流 就能在我們的模型渠道中模擬洪水 希望至少這個參數符合你的直覺 你可以很容易地看到 沉積物被增大的水流帶向下遊 河岸遭到侵蝕 材料被洪水沖走 看我們的圖示 很容易理解原因所在 如果我們增加水流 天平就會失去平衡 導致河道侵蝕 這些對河道平衡的干擾 在流動表中看起來相對溫和 甚至美麗 但它們可能對財產基礎設施 甚至環境構成嚴重威脅 侵蝕使河流發生變化 沖走道路 地下設施 甚至使結構不穩定 我曾經參與過一個項目 河流就在一個墓地旁邊流過 想象一下輕微的侵蝕 可能會引發多麼令人不安的頭條新聞 另一方面 河道中的沉積也會導致嚴重問題 沉積物會阻塞航道 降低其貨運能力 並填滿水庫 減少其儲水容量 這會破壞本地魚類 和其他野生動物的棲息地 同時 沉積物會降低河道輸送水流的能力 增加洪水期間的影響和淹沒風險 當然 洪水和其他對河道的干擾 通常是短期事件 因此 一旦河流恢復正常狀態 河道的規模自然會實現平衡 但考慮一些長期的變化 比如氣候變化 導致河流年復一年的 接收越來越多 或越來越少的水流 在這種情況下 雷影的平衡 將向沉積或侵蝕方向偏移 並保持在那裏 但萊恩理論的一個核心部分是 隨着時間的推移 因素會自然調整 以使河流重新達到平衡 而這一切 主要是由於我們還未討論的 第四個參數 也就是坡度 侵蝕與沉積與河流的坡度之間 存在自然反饋機制 但河流如何改變它的坡度呢 畢竟起點和終點是相對固定的 坡度被定義爲一條線的長度 除以它的高層變化 也就是升高與水平距離的比 如果你還記得愛數課的內容 一條河流確實無法改變 源頭與河口之間的高低差 但它可以改變流向 也就是它的長度 想想我在這個視頻開始時 給你的原始例子 它的河道平衡完全不正常 過多的水和過大的坡度 最初造成了顯著的侵蝕情況 但在幾個小時的時間裏 出現了一種新的模式 這條河開始蜿蜒 通過來回彎曲來延伸自身 形成了一條從頭到尾的曲折路徑 這種延長導致了河流坡度的降低 自然使水道更加接近其平衡狀態 但仔細觀察 你仍然會看到泥沙在移動 它在流速最快的彎道外側侵蝕 稱爲切削岸 而在流速較慢的彎道內側沉積 稱爲尖灘 這導致了河流的自然蜿蜒以及地理特徵 如彎曲湖泊 河流在彎道處自我切斷 留下一個彎曲的凹陷 你還會看到自然的堆積現象 當一條河流注入海洋或湖泊時 懸浮的沉積物會沉降 被稱爲三角洲 根據萊恩的理論 這些現象發生在大多數河流和溪流中 即使是那些所謂的平衡狀態的河流 實際上河流並不存在靜態狀態 所有變量都在隨着時間變化 洪水、乾旱、火災、碎片堵塞 動物活動以及許多其他自然過程 都會不斷影響這種平衡 而且我們甚至還沒有提到 影響河流的人類活動 順便說一下 這就是本系列下一個視頻的主題 確保你訂閱以免錯過 除了水流和沉積負荷的不斷變化外 將河流拉向平衡的自然過程 並不十分精確或可預測 這在水流模型中很容易看出 實際上萊恩的尺度始終處於運動中 在河流或溪流的每一個點之間 在侵蝕和沉積狀態之間來回變化 我們稱之爲動態平衡 因爲即使所有沉積物運輸的因素保持平衡 從這個角度來看 萊恩的方程更像是描述變化幅度的方法 而不是用來二元判斷河道是否在運動的指標 當然這是一種簡化 我一直叫它一個方程 但找不到等號 這其實只是一個定性關係 無法準確告訴你河流的彎曲速度或彎曲程度 它還沒有考慮到一些因素 例如想象一個氣候向更加極端的乾旱和洪水週期轉變的情境 萊恩的關係關注的是平均值 因此如果一條河流的流量相對恆定 而另一條相同的河流則有高低起伏的流量 只要它們的平均流量相同 萊恩的關係就會假設它們的行爲是一樣的 那麼我們決定試一試 即使萊恩會預測這兩種模型之間的行爲相似 但很容易看出脈衝流模型經歷了更多的侵蝕和更快的河道變動 顯然我們在理解河流和溪流在不同條件下 隨時間變化的行爲方面仍然需要繼續進步 從最小的城市排水溝到強大的密西西比河 河流和溪流對人類都有着巨大的影響 就像生活中的其他所有事物一樣 河流也是複雜的 即使在所有條件完美平衡的時候 它們依然不會停止移動和變化 我在Mriver時學到的其中一件很酷的事情是 它們不僅製造水流模型和水槽 還生產用於控制和計量水流通過這些系統的電子設備 似乎無論我往哪裏看 跟電子毫無關聯的人和企業都不得不學習 如何將其融入他們的職業和行業中 即使對於這個普通的土木工程師來說 我爲頻道製作的一些演示也涉及電路和電子產品 今天的贊助商Keysight生產電子測試設備和軟件 但他們的業務遠不止於此 他們積極幫助各個經驗和技能水平的人 學習更多關於電子的知識 希望你已經看到他們贊助其他工程類YouTuber 比如我的朋友METI的頻道Electroboom 但是他們幫助社區的另一種方式 是通過名爲實驗室直播的虛擬活動 Keysight的專家與任何想要了解更多的人 分享他們的經驗 而且他們還在贈送很多酷炫的設備 包括這款專業級的8通道試播器 如果你通過下面的鏈接註冊 你將獲得額外的抽獎機會 完全免費 如果你曾嘗試在一個新主題中深入理解工程 你就會知道向專家學習是多麼寶貴 這就是那個機會 你得快點報名 因爲第一場活動在3月14日舉行 無論你是專家還是電子領域的新手 我都認爲這場直播是你絕對不想錯過的 再說一遍 那個鏈接在簡介中 趕快註冊 感謝觀看 歡迎告訴我你的想法