[科普中國(guó)]-漫談瀑布與科學(xué)

日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。
飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。
——李白《望廬山瀑布》

這是唐代詩(shī)人李白(701-762)所寫(xiě)的七絕“望廬山瀑布”。香爐指廬山香爐峰，“在廬山西北，其峰尖圓，煙云聚散，如博山香爐之狀”（樂(lè)史《太平寰宇記》）。從遠(yuǎn)處望去，在紅日照射下，香爐升起的團(tuán)團(tuán)白煙化成了一片紫色煙霞；瀑布像是一條巨大的白練高掛于山川之間。

望廬山瀑布詩(shī)意畫(huà)

廬山開(kāi)先瀑布

廬山三疊泉瀑布

瀑布及其成因
瀑布（waterfall）在地質(zhì)學(xué)上稱為跌水，是指河流或溪水經(jīng)過(guò)河床縱斷面的顯著陡坡或懸崖處時(shí)，成垂直或近乎垂直地傾瀉而下的水流。在地質(zhì)學(xué)上，是由斷層或凹陷等地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和火山噴發(fā)等地表變化，造成河流的突然中斷，另外流水對(duì)巖石的侵蝕和溶蝕也可以造成很大的地勢(shì)差，從而形成瀑布。
瀑布也稱河落(falls)，當(dāng)流量很大時(shí)，可稱為大瀑布(cataract)。流量小、陡峭度較小的瀑布稱小瀑布(cascade)，常指沿河的小跌落。
地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為，形成瀑布的原因很多，主要原因是：組成河床底部的巖石軟硬程度不一致，被河水沖擊侵蝕得厲害，形成陡坎，堅(jiān)硬的巖石則相對(duì)懸垂起來(lái)，河水在河道中奔流，遇到河床的陡坎時(shí)，便飛瀉而下，形成了瀑布。除此之外，還有因山崩、斷層、熔巖堵塞(一大塊熔化了的巖石從下面擠上來(lái)。隨著時(shí)間的推移，巖石慢慢地硬化了，就在河道中形成了一堵墻)、冰川（古代的冰川切入山谷之中，使兩側(cè)形成懸崖峭壁）等作用，形成瀑布。
號(hào)稱世界最大瀑布的美國(guó)與加拿大交界處的尼亞加拉瀑布（Niagara Falls） ，是尼亞加拉河水翻過(guò)白云石的懸崖峭壁，直落入下面的一個(gè)大水池里。

美國(guó)與加拿大交界處的尼亞加拉瀑布

瀑布原為自然景觀，加上人為光照點(diǎn)綴，五光十色，整個(gè)瀑布浸潤(rùn)在一種縹緲迷離的夢(mèng)境中，成為了世界名瀑中獨(dú)一無(wú)二的特色。

穿上雨衣乘觀賞游船可充分領(lǐng)略瀑布的磅礴氣勢(shì)

中國(guó)的一些名山大川中，差不多都有瀑布。中國(guó)最大的瀑布是貴州黃果樹(shù)瀑布，黃果樹(shù)瀑布位于貴州省安順市鎮(zhèn)寧布依族苗族自治縣，是珠江水系打邦河的支流白水河九級(jí)瀑布群中規(guī)模最大的一級(jí)瀑布。

黃果樹(shù)瀑布

黃果樹(shù)瀑布是世界上唯一可以從上、下、前、后、左、右六個(gè)方位觀賞的瀑布。
中國(guó)的第二大瀑布是壺口瀑布，是黃河上唯一的黃色大瀑布，號(hào)稱“黃河奇觀”，其奔騰洶涌的氣勢(shì)常被稱為是中華民族精神的象征。
據(jù)許多學(xué)者研究認(rèn)為，壺口瀑布也是水力侵蝕和冰川活動(dòng)造成的。

壺口瀑布極為壯觀。滔滔黃水傾瀉而下，激流澎湃，濁浪翻滾，水沫飛濺，煙霧迷濛，狂濤怒吼，聲震數(shù)里，瀑布高度在枯水期可達(dá)15～20m，夏、秋之際可達(dá)45m。汛期洪流滾滾，涌出深槽，瀑布就變成一股激流傾瀉而下。河水沿深槽下行5公里便是孟門，出孟門之后，水面展寬，水勢(shì)變緩，又恢復(fù)到較平緩的景象。

1980版面值50元人民幣的畫(huà)面上那翻江倒海，奔騰跌泄，氣勢(shì)磅礴的壯觀景象，就是黃河壺口瀑布。

1980版面值50元人民幣背面

水力發(fā)電與生態(tài)文明
根據(jù)能量守恒定律，能量只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式，不能被創(chuàng)造或毀滅。瀑布從高處落下，勢(shì)能會(huì)不斷轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，導(dǎo)致水高速流動(dòng)。人們自然會(huì)想到能否把瀑布中水的部份動(dòng)能，轉(zhuǎn)換成有用的能量，而不讓它完全散失？這正是水力發(fā)電的工作，水力發(fā)電的基本原理是利用水的勢(shì)能轉(zhuǎn)為水輪的機(jī)械能，再以機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)，而得到電力。
1878年法國(guó)建成世界第一座水電站。歐洲第一座商業(yè)性水電站是1885年建成的意大利的特沃利水電站，裝機(jī)65kW。美洲第一座水電站1882年建于美國(guó)威斯康星州阿普爾頓的福克斯河上，由一臺(tái)水車帶動(dòng)兩臺(tái)直流發(fā)電機(jī)組成，裝機(jī)容量25kW。19世紀(jì)90年代起，水力發(fā)電在北美、歐洲許多國(guó)家受到重視，利用山區(qū)湍急河流、跌水、瀑布等優(yōu)良地形位置修建了一批數(shù)十至數(shù)千千瓦的水電站。全世界可開(kāi)發(fā)的水力資源約為22.61億kW，分布不均勻，各國(guó)開(kāi)發(fā)的程度亦各異。
中國(guó)也是世界上水能資源豐富的國(guó)家之一，水能資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量據(jù)估計(jì)為5.42億kw，經(jīng)濟(jì)可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量4.02億kw，開(kāi)發(fā)潛力很大。1950年以后水電建設(shè)有了較大發(fā)展，大、中、小并舉，重點(diǎn)建設(shè)了一批大型骨干水電站，其中最大的是長(zhǎng)江三峽水電站。
水力發(fā)電雖有一些優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)給生態(tài)、環(huán)境帶來(lái)很大的影響。
水力發(fā)電一方面發(fā)電成本較低，且靈活高效。由于水電站的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，其檢修、維護(hù)費(fèi)用也較同容量的火電廠低得多。水力發(fā)電主要?jiǎng)恿υO(shè)備的水輪發(fā)電機(jī)組，可以在幾分鐘內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)迅速啟動(dòng)投入運(yùn)行，完成增減負(fù)荷,適應(yīng)電力負(fù)荷變化的需要,不會(huì)造成能源損失。利用水電承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用和事故備用等任務(wù)，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。另一方面是有綜合性的工程效益。由于筑壩攔水形成了水面遼闊的人工湖泊，控制了水流，因此興建水電站一般兼有防洪、灌溉、航運(yùn)、給水以及旅游等多種效益。
但是，水力發(fā)電帶來(lái)的生態(tài)、環(huán)境影響也相當(dāng)大。在自然方面，巨大的水庫(kù)可能引起地表的活動(dòng)，甚至誘發(fā)地震；此外，還會(huì)引起流域水文上的改變，如下游水位降低或來(lái)自上游的泥沙減少等，由于水庫(kù)的蒸發(fā)量大，還會(huì)引起降雨量減少。在生物方面，水庫(kù)建成后，可能會(huì)造成大量的陸生動(dòng)植物被淹沒(méi)死亡，甚至全部滅絕。對(duì)水生動(dòng)物而言，由于上游生態(tài)環(huán)境的改變，會(huì)使魚(yú)類受到影響，導(dǎo)致滅絕或種群數(shù)量減少；同時(shí)由于上游水域面積的擴(kuò)大，使某些生物(如釘螺)的棲息地點(diǎn)增加，為一些地區(qū)性疾病(如血吸蟲(chóng)病)的蔓延創(chuàng)造了條件。
據(jù)人民網(wǎng)2013年8月17日?qǐng)?bào)道，由世界自然基金會(huì)(WWF)與長(zhǎng)漁辦聯(lián)合主辦，包括中科院、復(fù)旦大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)等機(jī)構(gòu)的專家2013年進(jìn)行了長(zhǎng)江上游聯(lián)合科考?？瓶缄?duì)在對(duì)金沙江下游已經(jīng)建成的水電站進(jìn)行考察后發(fā)現(xiàn)，金沙江段密集的水電開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致了大量魚(yú)類棲息地遭到破壞和喪失，而水電項(xiàng)目也帶來(lái)洄游通道阻斷、江水水溫降低等連帶效果，更嚴(yán)重破壞了多種魚(yú)類的生長(zhǎng)規(guī)律，導(dǎo)致其數(shù)量急劇減少。
大壩建成后，原來(lái)的急流型河流生態(tài)系統(tǒng)被以深水、靜水為特征的水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)所替代，導(dǎo)致依靠急流險(xiǎn)灘生存的魚(yú)類失去棲息地。金沙江流域143種魚(yú)類只找到17種。除了對(duì)水生生物帶來(lái)滅絕性的直接影響，梯級(jí)水電的建設(shè)還改變了上游的水沙通量，從而對(duì)長(zhǎng)江中下游水沙變化規(guī)律、河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的分布產(chǎn)生影響。
自然生態(tài)有著其自身的發(fā)展規(guī)律。生態(tài)文明要求人類要尊重和愛(ài)護(hù)自然，才能將人類的生活建設(shè)得更加美好；人類要自覺(jué)、自律，樹(shù)立生態(tài)觀念，約束自己的行動(dòng)，必須保持對(duì)大自然的敬畏和尊重，學(xué)習(xí)和大自然和諧相處，從自身做起，從現(xiàn)在做起，不能再發(fā)生破壞生態(tài)、環(huán)境的惡劣行為。
我們必須真正認(rèn)識(shí)到：保護(hù)自然就是保護(hù)我們自己，保護(hù)環(huán)境和資源就是保證子孫后代的幸福和安全。再不能抱著“人定勝天”的口號(hào)去想“征服自然”。所以我們不能只看到水力發(fā)電的好處，看不到其對(duì)環(huán)境的影響，使生態(tài)文明受到破壞。