試談電力對(duì)水力的影響

吳燾　林格

摘要：古人說“流水不腐、戶樞不蠹”，說明水流的重要性。水的流動(dòng)需要?jiǎng)恿?，同時(shí)流水也會(huì)產(chǎn)生水力。一般而言認(rèn)為水力是從重力勢(shì)能而來(lái)，水流的動(dòng)能來(lái)自水從高山下行的落差。實(shí)際上，水力可能由電力轉(zhuǎn)化而來(lái)，而且與電力伴生。從本質(zhì)上說，自然中的水是等離子體，流水可以被電力驅(qū)動(dòng)，水流也可以包括電流。水力應(yīng)當(dāng)用于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)中的水流循環(huán)，使得水資源與水環(huán)境形成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，而不成為一潭死水。同時(shí)，水力可以幫助人類實(shí)現(xiàn)水上交通。除開用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)外，還可能電力傳動(dòng)。

關(guān)鍵詞：水力;水電;船舶

中圖分類號(hào)：TV212

一、緒論

水是生命之源，據(jù)科學(xué)家研究實(shí)驗(yàn)，人不吃飯大約可以堅(jiān)持7天時(shí)間，不喝水則僅能維持2～3天時(shí)間。人體中超過一半的重量是水分子，水是其身體機(jī)能的重要成分。水還可以用于洗滌衣物、沖刷污垢，自然界中的雨、雪可以美化環(huán)境。水上交通是古代文明的重要因素，詩(shī)詞中寫到水的比比皆是，李白說過：“黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回?！薄俺迦艨?，遙將碧海通?！倍鸥φf過：“在山泉水清，出山泉水濁?！?/p>

近代以來(lái)，隨著工商業(yè)發(fā)展，農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的比重逐漸降低，城市不斷發(fā)展，農(nóng)村呈現(xiàn)出荒頹景象。水流變小，水道堵塞。長(zhǎng)江水位降低，黃河中游斷流。湖泊生態(tài)系統(tǒng)惡化，水質(zhì)變差。近海水域出現(xiàn)各種污染物質(zhì)。因此，水資源保護(hù)、水環(huán)境治理關(guān)系國(guó)計(jì)民生。

二、水資源保護(hù)與水環(huán)境治理

水資源保護(hù)主要體現(xiàn)在水源保護(hù)，江河湖海是主要的載體。海洋是宏觀生態(tài)系統(tǒng)，江、河是網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，水庫(kù)湖泊是局部生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于農(nóng)村而言，曾經(jīng)的水資源主要是塘、堰，依賴于農(nóng)業(yè)發(fā)展及氣候降雨。對(duì)于城市而言，主要依賴于附近的湖？白、水庫(kù)。海濱城市也是如此。利用渠道飲水灌溉是自古以來(lái)的做法，古代的鄭國(guó)渠、現(xiàn)代的紅旗渠都是明證。當(dāng)代隨著工業(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)滯后，農(nóng)村的水域環(huán)境逐漸惡化。在21世紀(jì)新城鎮(zhèn)建設(shè)的環(huán)境下，供水系統(tǒng)也逐漸依賴湖泊、水庫(kù)。

許多重大水利工程對(duì)水資源保護(hù)、水環(huán)境治理起到了重要作用。三峽大壩、葛洲壩、小浪底等水利設(shè)施對(duì)長(zhǎng)江、黃河的流域生態(tài)系統(tǒng)起到了重要控馭作用。三峽水庫(kù)修建之后，從長(zhǎng)江上游流下的垃圾污染物明顯減少，水質(zhì)變好。

許多河流泛濫會(huì)歸結(jié)于河道治理。漢代黃河時(shí)而決口，漢武帝治理過多次。明代潘季馴治理長(zhǎng)江，防止水中攜帶的泥土壅塞水道，以沖擊法為主，提高流速，帶走沿岸的泥土。據(jù)說，今上海市的崇明島主要是在明代治理長(zhǎng)江時(shí)逐漸形成的島。清代設(shè)河道總督一職，官比一省大員?，F(xiàn)代治理河道通常會(huì)修建導(dǎo)流明渠，將河水引開。河底通常會(huì)鋪設(shè)石頭、泥土、隔離帶，吸附、積淀的污染物需要定期清理。

當(dāng)代隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可以在沿江、沿湖設(shè)置傳感器及通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)水流、水域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地了解水量、水質(zhì)、水溫、流速的變化。

三、局域水流導(dǎo)電與水力發(fā)電

化學(xué)中純凈水不導(dǎo)電，但是自然界中的水幾乎都導(dǎo)電。一般認(rèn)為是水中的帶電離子所致。一般的鹽分都容易形成離子，如鈉、鉀、氯、硝酸?，F(xiàn)代的工業(yè)制造產(chǎn)生大量的廢水，其中的礦物成分、金屬成分都容易導(dǎo)致水體污染極化，成為導(dǎo)電物質(zhì)。因此，水體其實(shí)是等離子體，水流其實(shí)是在某些局域?qū)щ姷奈锪鳌?/p>

通常認(rèn)為，河流在平原、草原上流淌依靠的是勢(shì)能。即水從高處往低處流。有些微觀上的勢(shì)壘被宏觀上的勢(shì)阱抵消掉了。圖2中的花箭頭表示水流趨勢(shì)。盡管如此，重力卻不是河流唯一的動(dòng)力。動(dòng)力的來(lái)源還有電力，即局域水流導(dǎo)電、充電，獲得水力。

水流導(dǎo)電需要在河流的節(jié)點(diǎn)設(shè)置正負(fù)極，電極可能使用特殊材質(zhì)，激發(fā)方向、速度一致的高速電子流，驅(qū)動(dòng)水體流動(dòng)。沿岸的樹木如同吸收電能的自充電樁，太陽(yáng)溫差形成的風(fēng)從空中通過樹木給水流充電，風(fēng)是夾雜電子流的等離子氣體。江河沿岸的輸電網(wǎng)絡(luò)也會(huì)部分向堤壩中的水漏電。地?zé)?、火山、日光是自然界的水流循環(huán)電能的重要存在形式。人類應(yīng)當(dāng)建立燃燒發(fā)電的水利設(shè)施，提高某些水流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的水溫、水壓，利用電力提升某些勢(shì)場(chǎng)低的節(jié)點(diǎn)的能量，保障或加速水流循環(huán)。

自來(lái)水在水管里流動(dòng)除了依靠重力外，還需要輔助的電力。連通器中的水需要考慮凈重與做功，即質(zhì)量與能量守恒。較粗的容器中的水下降，可以將較細(xì)容器中的水提升至同一高度。而較細(xì)的容器中的水下降，有時(shí)卻不足以將較粗容器中的水提升至同一高度，它需要先填補(bǔ)較粗容器的體積。從連通處來(lái)看，許多樓房水箱里的水都需要借助電力提舉抽上去，而不是單純依靠遠(yuǎn)處的水塔里水的重力。類似，有些室內(nèi)水管里的水也不全靠重力壓出來(lái)，也許部分依靠電力壓出來(lái)。金屬水管可能提供或屏蔽了水流中的電子流，形成提舉的水力。

以大運(yùn)河為例。它橫貫長(zhǎng)江，連通南北，長(zhǎng)達(dá)數(shù)千里，之間的水域環(huán)境復(fù)雜，總體上地勢(shì)起伏不大。而其中的舟船連綿不斷，很可能水流被沿運(yùn)河的電力驅(qū)動(dòng)流淌，而船舶除開人力、馬達(dá)傳動(dòng)、水力推動(dòng)外，還可能被周圍環(huán)境中的電力直接從兩岸向前推拽。這種利用兩岸電力直接拖拽的方法主要利用了水與船的摩擦力小的特性。利用水力推動(dòng)則使用了傳動(dòng)帶的原理，水的質(zhì)量似小實(shí)大，帶契的船舶很多，可以節(jié)省能量。而通常的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)則如同船體自身用力。與陸地車輛相比，它需要克服的摩擦力要小很多，所需要浪費(fèi)的能量也小些。而通過摩擦獲得的動(dòng)力雖然小些，卻可以通過電力直接推拽獲得補(bǔ)充。因此，在大運(yùn)河這種環(huán)境下，綜合利用多種充電、動(dòng)力方式，河道有可能獲得很高的能量利用效率、很快的交通速度、很低的噪音、很高的安全系數(shù)，以至部分超過陸地車道。

圖4中顯示了一種簡(jiǎn)單的適于運(yùn)河高速船舶的動(dòng)力設(shè)計(jì)方案。它可以使用四種動(dòng)力推進(jìn)：一是水流及水流中的電流直接相互作用，它包括沖刷力、浮力、電力。它們可以緩慢或高速地推行船舶，電力依賴于河道電力設(shè)施的輸出功率;二是船舶自身的馬達(dá)及槳葉;三是空中及兩岸環(huán)境中的電力推動(dòng)船舶上的帆檣前行，依賴于河道附近的電力網(wǎng)絡(luò);四是兩岸建立的鐵軌及拉車，如同鐵路機(jī)車，又像纖夫。直到近代，俄羅斯的伏爾加河邊仍有纖夫拉船。圖4中，拉車?yán)美|繩系在船舶的兩側(cè)。兩個(gè)類似火柴棒的結(jié)構(gòu)可以視為雷達(dá)，支架上有兩個(gè)球，進(jìn)行無(wú)線電高頻探測(cè)。上述四種動(dòng)力可以只使用其中某一種或幾種。需要強(qiáng)調(diào)的是，船舶在水中高速運(yùn)動(dòng)平衡時(shí)，抵消重力的因素除了浮力之外，還有電力舉力。

與此同時(shí)，通常的水力發(fā)電也許不是一種有效的發(fā)電方式。當(dāng)代水力發(fā)電常用作調(diào)峰電站。水能是一種清潔能源，但是水力發(fā)電的效率卻并不高。江河湖泊的水體循環(huán)需要凈消耗電力，而水力發(fā)電則是凈輸出電力。如圖5所示，水流循環(huán)中，總共需要的用電的一部分變成了水力發(fā)電，另一部分繼續(xù)驅(qū)動(dòng)水流循環(huán)。水流循環(huán)的輸入能量中除電力外還有重力勢(shì)能。從能源轉(zhuǎn)換的效率來(lái)看，轉(zhuǎn)換多次容易損失能量。水力還是需要電力供給、補(bǔ)充的力。因此，水力發(fā)電不是發(fā)電的主要方式。

四、對(duì)策與建議

針對(duì)水流動(dòng)力問題，應(yīng)該科學(xué)維護(hù)水流中的電力，合理規(guī)劃布局變電設(shè)施，從以發(fā)電為目標(biāo)變?yōu)橐跃S護(hù)水流動(dòng)、水循環(huán)為目標(biāo)，主動(dòng)輸出電力。從物理學(xué)中的熵增原理可知，任何有秩序都需要付出能量。之所以能在局部從有序的水循環(huán)中收獲動(dòng)力，是因?yàn)楹暧^上有相應(yīng)的能量輸出裝置在起作用。

利用外部電力治理水生態(tài)系統(tǒng)，除通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)視、檢測(cè)水域環(huán)境之外，還應(yīng)當(dāng)沿河沿江植樹，一方面可以保護(hù)水土，另一方面可能形成吸收、發(fā)送環(huán)境中能量及信號(hào)的天線。在運(yùn)河兩岸靠近城市的地方，可以考慮建立伴行的鐵軌，也許可以幫助拉拽水中行駛的船舶，提高其通行速度。

五、結(jié)論

水力是古人最早使用的機(jī)械動(dòng)力，在人類的文明史中至今被提及。水力除開重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的動(dòng)能外，還包括水流中的電力。由于電解質(zhì)、雜質(zhì)的因素，水體如同等離子體，可以導(dǎo)電。船舶在河流中航行時(shí)，可以借助水流中的電力。這種電力輸出即使在靜止的水域也存在于環(huán)境中?？紤]復(fù)雜地理地形環(huán)境時(shí)，尤其需要考察周圍的電磁環(huán)境、電力網(wǎng)絡(luò)。

水力的一個(gè)重要用途是實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)，保護(hù)人類的水資源和水環(huán)境，使其去除污染物，變得清潔，降解、沉淀某些有害物質(zhì)。水力的第二個(gè)用途是水上交通。在考慮這兩個(gè)問題時(shí)，應(yīng)該主動(dòng)計(jì)量電力可能產(chǎn)生的效果和影響，科學(xué)規(guī)劃設(shè)施，合理補(bǔ)充電力，既使水流循環(huán)、水域清潔，又方便人們高效出行、節(jié)省人力物力。

作者簡(jiǎn)介：吳燾（1981— ），男，湖北新洲人，中山大學(xué)大學(xué)深圳研究院研究員，研究方向：集成電路、密碼、編碼。

*通訊作者：林格。