大家可能都知道阿加沙·克里斯蒂(Agatha Christie)著的《尼罗河上的惨案》．小说和电影中扣人心弦的情节给看过的人留下了深刻的印象．故事是虚构的，但在尼罗河上确实发生过比这个故事还要惨痛的悲剧，它的主角就是1970年埃及政府建筑的阿斯旺大坝．
尼罗河是世界上最长的一条河，它在非洲大陆上流经苏丹、埃及，最后注入地中海．它的西侧是撒哈拉大沙漠，东侧是阿拉伯大沙漠，沙海茫茫，寸草不生，是尼罗河给埃及带来了充沛的水量和肥腴的沃土，在黄色沙漠中开辟了一条绿洲走廊，并在河口区堆积了宽约100 km肥沃的三角洲平原．千百年来，尼罗河河水年年在七八月间定期泛滥，大量的河水越出河堤淹没了河滩上的耕地．1959年，埃及政府为了农业的现代化和获得廉价的水利电力，决定在阿斯旺这个地方截河建坝．建坝工程于1970年完工，大坝给埃及带来廉价的电力和便利的灌溉，但同时也带来了灾难:
(1)河水不再泛滥了，看似好事，但尼罗河两岸的绿洲失去了肥料来源(原来河水中的泥沙和有机物质是两岸土壤肥沃的主要来源)，绿洲又重新被沙漠侵蚀．下游由于没有足够的淡水洗盐，土壤盐渍化日趋严重．
(2)由于建坝，河水流速变慢，泥沙大量淤积在河道内，不仅抬高了河床，也使下游平原由原来的向地中海延伸变成了朝大陆退缩，原来建筑的港口等设置受到严重威胁．
(3)下游地中海海域因尼罗河没有带来足够的有机物，使近海沙丁鱼严重减产，从1965年的年捕获量15 000 t到1971年时已没有沙丁鱼的影子了．
(4)河水从奔腾湍急的活水变成流动缓慢、相对静止的“死水”，使得血吸虫、蚊子肆虐．
这是一桩地地道道的尼罗河上的惨案，它一下使全世界从水电热中惊醒过来，各国政府纷纷重新评估它们的水电建设计划．水力能源并不是取之不尽用之无害的自然恩惠，合理有限度的索取才是人类发展的正道．
谈到河中的泥沙就不能不提中国的黄河．它是世界上含沙量最大的一条河流，年输沙量达16亿t．在春秋战国时期，黄土高原曾是一个郁郁葱葱、生机勃勃的世界，河水清澈，而现在的黄河两岸则是光秃一片，河中黄沙滚滚，浊浪翻腾．由于在河流上游建坝发电，下游的水量逐渐减少，黄河下游断水期一年比一年长，从20世纪70年代年均断流9天，发展到1995年一年断水122天，断流里程从135 km发展到683 km．
黄河流域又是世界上水土流失最严重的地区，面积为6．4×105 km2(平方千米)的黄河上中游的黄土高原地区水土流失面积达4．54×105 km2．严重的水土流失使得每立方米黄河水含沙量高达35 kg．年平均淤积下游河床的泥沙达4×108 t．这使得河床每年抬高10 cm．泥沙的堆积使黄河成为有名的“地上河”、“悬河”．目前，黄河河床比沿黄河的郑州市高出2～3m，黄河开封段河床高出开封铁塔地基13m，如图6－1所示，罗口段河床比济南火车站高出5m，沁河段河床比新乡市区高出达22m．黄河自周定王五年(公元前602年)以来，决口泛滥达1 500多次，较大的决口和改道有26次，重要的决口和改道有7次，每次决口和改道与严重的水灾是相伴而生的，给两岸人民生命和财产带来了极大的危害．所以说，黄河是悬在中国人民头上的达摩克利斯之剑一点也不过分．
图6－1 黄河干流上的地上“悬河”示意
泥沙在河道中沉积不仅对河道环境造成影响，而且大量的淤沙还可能对水电站工程甚至整条河流产生致命危害．例如，1960年我国建成的黄河三门峡水库(见图6－2)，由于缺乏对泥沙问题严重性的认识，制订了过高的水利要求，计划将千年一遇的洪峰流量32 500m3/s(立方米/秒)，削减为6 000 m3/s;计划安装8台发电机组，总容量116万kW(千瓦)．但大坝建成后(坝高350m)，水库中泥沙的淤积十分严重，1960年9月～1962年3月，总淤量达15亿t，占同期入库沙量的93%，到1964年泥沙的淤积量已达44亿t，且淤积末端不断向上游延伸，河床抬高，严重地威胁到关中平原和西安市的防洪安全．此后，水库被迫放弃蓄水，拆除已安装好的第一台机组，进行两次大改建，造成了极大的浪费．
在兴建三峡大坝时，中国政府十分慎重，前后论证了近30年，之后又修建了葛洲坝水电站．在此基础上经过仔细论证，最后决定上马三峡大坝工程．尽管如此，三峡大坝的建设仍冒有一定的风险，因为大坝对上下游生态环境的影响往往很难预料，有些问题甚至在建坝十几年后才发生．要解决这些问题，必须依赖于各行各业的科学家与工程师，包括力学家们，不断发现新问题，解决新问题，总结经验，让大自然持久有效地为人类服务．
泥沙运动不仅会造成江河泛滥，电站埋没，而且还会发生给人类环境带来“灭顶之灾”的沙尘暴．历史上最严重的沙尘暴曾经发生在美国．美国西部森林草原广布，土地肥沃，是美国农业发展得天独厚的地方，由于其开发时间短，资源丰富，从未受到大自然的报复．但在第一次世界大战以后，由于小麦价格猛涨，促使美国中部各州的农场主竞相把大片草原和稀草树群辟为耕地，严重破坏了生态平衡，也同时孕育了一场灾难．
1934年5月11日清晨，从美国西部刮起了一阵阵遮天蔽日的黑色狂风，狂风挟着泥沙腾空而起．这场黑风暴自西向东迅速蔓延，整整持续了3天3夜，形成了一条东西长2 400 km，南北宽1 400 km的黑风暴带．由于美国中部多为宽广的平原，黑风暴所到之处无所阻挡，因而田地干裂、庄稼枯萎、溪水断流、牲畜死亡，乃至千万人流离失所．这场黑风暴横扫美国2/3大陆，风暴所到之处，当地居民都以为“世界末日”到了．人类对生态环境破坏招来的报复，往往要比人类预料的严重得多，有些甚至是根本无法预料到的．
图6－2 三门峡水电站位置示意
例如，1998年4月16日，上海下了一场泥雨，汽车顶上、自行车坐垫上全是点点泥斑，第二天整个上海笼罩在灰蒙蒙的“泥雾”中．这天尽管天空无云，但人们无法感受到太阳的光芒．在户外只要待上一二小时，脸上、衣服上全都是灰尘，感觉极不舒服．这次沙尘暴起源于新疆．由于长期无节制地放牧与砍伐森林，地表干旱，植被减少，遇大风一吹，地表裸露在外的沙尘被卷到1 000m的高空，再随着大气气流的运动，远在数千千米之外的上海也就饱尝到了新疆的沙尘．
这些沙尘在流动的水和空气(流体)力作用下的运动规律是怎样的呢?它们的起落沉降受哪些因素的影响?……对这些问题的研究诞生了一门新的力学分支:泥沙动力学．
图6－3 泥沙启动的简化模型
为什么水流速度降低会引起泥沙淤积?我们来分析一下河流泥沙的受力情况:泥沙在河底上受到拖力与举力作用．当水流流过如图6－3所示的沙粒堆时，由于水黏性摩擦力的作用，使得沙粒A产生一个与水流平行的后拖力F2，但由于沙粒是部分暴露在水中的，因此F2一般不通过圆心．当水流速度较大时，沙粒顶部流线发生脱离，并在沙粒背面产生漩涡，从而产生压差阻力F1，对球形沙粒这个力是通过圆心的．
在水流流动时，沙粒顶部和底部的流速是不同的，前者为水流的运动速度，后者则为沙粒间渗透水的流动速度，它比水流速度要小得多，近似采用伯努利定理，沙粒顶部流速高压力小，底部流速低压力大，从而产生一个举力F a，它是通过沙粒重心的．
通过理论计算可推导出圆柱体沙粒被举离河床的条件:
这里γs和γ分别为沙砾和流体的密度．一般在水中沙砾可取(γs－γ)/γ=1．65，于是对不同尺寸的沙粒，使它启动的水流速度是不一样的，如:当D=0．1mm时，启动条件为V＞3．35 cm/s;而当D=1．0mm时，启动条件为V＞10．60 cm/s．这说明沙砾尺寸越大，启动所需的速度越快，且呈平方关系．
当泥沙启动后，沙粒在梯度流场中运动将发生马格鲁斯(Magnus)效应．考虑如图6－4所示的情况，由于黏性作用，在河床底面，流体的流速几乎等于零．而在外流场，流速等于水面流速V．V到0之间会有一个速度梯度，这个速度梯度层往往比较薄，在流体力学中称为边界层．在这个梯度层中，如果有一个固体颗粒，那么颗粒上表面的流速将比下表面的大，在流体黏性作用下，颗粒将发生旋转．这样就使得下侧静压力高于上侧，形成一个向上的举力F．这个举力如果大于颗粒自身的重量，就会使得颗粒无法沉积在河床上，只能随流而下．当然，如果V越大，同样大小的颗粒所受到的举力也就越大，沙粒越不易沉积．反之流速越小，沙粒更容易沉积．这种效应称为马格鲁斯效应．
图6－4 河床底部泥沙受到向上的升力作用
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