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科普講堂⑩

揭秘南水北調(diào)中的“回流”現(xiàn)象！

“水往低處流”是生活中的常識(shí)。南水北調(diào)中線工程正是利用這一原理，依靠近百米的高度落差，實(shí)現(xiàn)了從陶岔渠首自流抵達(dá)北京、天津的壯舉。

中線陶岔渠首

但仔細(xì)觀察“南水”的流向，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在部分渠段水流竟然從下游往上游流動(dòng)。這究竟是視覺錯(cuò)覺，還是自然奇跡？今天，就讓我們一起揭開這看似反�，F(xiàn)象背后的科學(xué)真相。

眼見為實(shí)？先看一張神奇動(dòng)圖：

中線穿黃節(jié)制閘閘孔水流復(fù)雜

在南水北調(diào)中線穿黃節(jié)制閘，有這樣一段畫面：閘孔水流流態(tài)紊亂，有持續(xù)不斷的涌波出現(xiàn)。更令人驚訝的是，這里的水流方向看起來卻是從下游往上游流動(dòng)。眾所周知，南水北調(diào)的水是從南向北流動(dòng)的，為何會(huì)出現(xiàn)這種看似違背物理規(guī)律的現(xiàn)象呢？

揭秘：水躍現(xiàn)象背后的科學(xué)原理

其實(shí)，這種看似神奇的現(xiàn)象，在水力學(xué)上有一個(gè)專業(yè)的名稱——水躍現(xiàn)象。

在水力學(xué)中，當(dāng)水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種水面突然躍起的特殊局部水力現(xiàn)象，這就是水躍。在水利工程中，從水閘或溢流壩下泄的急流受到下游渠道緩流的頂托時(shí)，便會(huì)發(fā)生水躍。

不同水利工程的水躍現(xiàn)象

雖然水躍產(chǎn)生的條件并不完全相同，但其表現(xiàn)形式卻具有相同的特點(diǎn)。水躍區(qū)的水流可分為兩部分：表面旋滾和底部主流。上部水體不斷翻騰旋滾，因摻入空氣而呈現(xiàn)白色；下部是主流區(qū)，是流速急劇變化的區(qū)域。正是因?yàn)檫@種強(qiáng)烈的紊動(dòng)混摻作用，水躍常被用來作為消能的有效手段。

閘后水躍示意圖

壩后水躍示意圖

為什么會(huì)產(chǎn)生“回流”的錯(cuò)覺？

在現(xiàn)場觀察時(shí)，由于條件限制，我們往往只能看到表面的旋滾現(xiàn)象，無法觀察到水躍的全貌，因此容易產(chǎn)生“南水回流”的錯(cuò)覺。實(shí)際上，表面旋滾與底部主流在不斷進(jìn)行混摻交換后，最終仍然是流向下游的。

生活中無處不在的水躍現(xiàn)象

水躍其實(shí)是一種十分常見的水力現(xiàn)象，不僅存在于大型水利工程中，在天然河道、山澗瀑流甚至我們?nèi)粘Ｉ钪卸寄苡^察到。無論是家中的水龍頭出水，還是公園里的噴泉，都能觀察到不同程度的水躍現(xiàn)象。

其他水躍現(xiàn)象

由于水躍的表層旋滾作用，很容易將人員和小型船只困住。因此提醒大家在出行游玩時(shí)注意遠(yuǎn)離水躍區(qū)域，避免發(fā)生溺水事故。

現(xiàn)在，我們了解到“南水回流”并非真正的水流倒流，而是水躍現(xiàn)象給我們帶來的視覺錯(cuò)覺。這一現(xiàn)象不僅不神秘，反而被工程師們巧妙利用來進(jìn)行消能，保障水利工程的安全運(yùn)行。

大自然中處處蘊(yùn)含著科學(xué)原理，即使是看似違背常識(shí)的現(xiàn)象，背后也有著合理的科學(xué)解釋。希望今天的分享能讓大家對(duì)水利科學(xué)有更多的了解，下次再看到類似現(xiàn)象時(shí)，您可以自豪地向朋友解釋其中的科學(xué)原理啦！

（此科普內(nèi)容為中國南水北調(diào)首屆科普講解大賽優(yōu)秀文案獎(jiǎng)作品）

本期策劃 | 李萌

撰稿、供圖 | 王昆侖

編審 | 許安強(qiáng)

責(zé)編 | 安亦揚(yáng)

校核 | 陳思璐

審核 | 李東海

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