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标  题: [身边的力学]郡亭枕上看潮头——漫谈潮汐及其开发利用——王振�
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 16:03:05 2005), 站内

郡亭枕上看潮头——漫谈潮汐及其开发利用

王振东

江南好，风景旧曾谙。日出江花红胜火，

春来江水绿如蓝。能不忆江南？

江南忆，最忆是杭州。山寺月中寻桂子，

郡亭枕上看潮头。何日更重游？

江南忆，其次忆吴宫。吴酒一杯春竹叶，

吴娃双舞醉芙蓉。早晚复相逢？

    这篇脍炙人口的‘忆江南”是诗人白居易（772～846年）抒发对江南忆恋之情的名作。早在青年时期，白居易就曾漫游江南，行旅苏抗；中年又曾先后于822年任杭州刺史，825年任苏州刺史，江南及苏杭的秀丽风景给他留下了美好的回忆。回洛阳后曾作多首诗词叙苏杭胜事，此首系开成三年（838年）他67岁时所写。

    我们着重来看此词中段，偌大一个杭州，可忆的美景当然很多，而按此词牌结构，只能纳入两句，这就要选择最有代表性、感受最深的景物。月中桂子和浙江涌潮便是诗人所选最有代表性、最美的回忆。钱塘江（又名浙江、之江、罗刹江）流至海门入海。钱塘江大潮汹涌澎湃，犹如直立的水墙，排山倒海而来，怒潮滚滚，势不可挡。所以诗人任杭州刺史时，躺在郡衙建造的亭子上，就能看见那卷云拥雪的壮丽景色。“郡亭枕上看潮头”，其形体当然是静的，但其内心世界是否也是静的呢？白居易另有一首“观潮”诗可以说明其观潮时的内心活动：

早潮才落晚潮来，一月周流六十回。

不独光阴朝复暮，杭州老去被潮催。

这里显然已蕴含着人生有限而宇宙无穷的哲理，很值得人们深思。

    实际上众多唐宋诗人墨客都曾用精彩的诗句描述钱塘江大潮的雄伟壮观。为节省篇幅起见，我们不妨用集句形式窥其一斑：

“楼观沧海日，门对浙江潮。”

“八月十八潮，壮观天下无。”

“浙中山色千万状，门外潮声朝暮时。”

“一年壮观尽今朝，晚日沉浮急浪中。”

“一千里色中秋月，十万军声半夜潮。”

“罗刹江头八月潮，吞山挟海势雄豪。”

“八月涛声吼地来，头高数丈触山回。”

“欲识潮头高几许，越山浑在浪花中。”

    这些诗句都生动、集中表现了雄奇辽阔、声势浩大、千姿百态的钱塘潮景观。

    那么什么是潮汐？为什么钱塘江的潮汐如此雄伟壮观呢？我们先来讨论海洋潮汐。从流体力学看，海洋潮汐是海水受引潮力作用而产生的海洋水体的长周期波动现象，它在铅直方向表现为潮位升降，在水平方向表现为潮流涨落。古人将早晨海水上涨称为潮，黄昏上涨称为汐，故合称为潮汐，或称海潮（古代涛与潮通用）。月球、太阳或其他天体对地球上单位质量物体的引力，与对地心单位质量物体的引力之差称为引潮力。太阳因离地球远，其引潮力只有月球的46％。农历每月的朔（初一）和望（十五或十六），月球、太阳和地球的位置大致处于一条直线上。此时月球和太阳的引潮力的方向相同，所引起的潮汐相互增强，使潮差出现极大值。这种极大值每半个朔望月（14．7653天）出现一次，称为大潮。农历每月上弦（初八或初九）、下弦（廿二或廿三）时，月球和太阳的引潮力方向接近正交，互相削弱情况最显著，故潮差达极小值，称为小潮。

    潮汐的升降、涨落与人们的生活和生产活动密切相关。舰船的进、出港与航行，沿海地区的渔业、农业、盐业，港口建设，环境保护等，都必须考虑潮汐的变化规律。此外，利用潮汐发电，也是能源开发的一个重要方面，这点将在后面详细叙述。

    古人对潮汐的认识，可追述到汉代王充（27～97年）在《论衡》中所说“涛之起也，随月盛衰，大小满损不齐同”，科学地说明了潮汐对月球的依赖关系。宋代余靖（1000～1064年）指出潮汐是一种“彼竭此盈，往来不绝”的波动现象。西方到17世纪，牛顿（1643～1727年）才根据其提出的万有引力定律，用引潮力说明潮汐的原因，并为大家接受。之后，D．伯努利（1700～1782年）和P．S．拉普拉斯（1749～1827年）分别建立了潮汐的静力学和动力学的基本理论。到19世纪60年代末，才形成潮汐分析和预报的方法，并得到应用。

    发生在杭州湾钱塘江口的潮水暴涨现象，被称为钱塘江涌潮。我国沿海的潮波主要是由太平洋传入的，浙江沿岸、杭州湾一带正当其冲，加上杭州湾联接钱塘江口呈漏斗形状（见图），水域变浅变狭，单位体积海水的势能增大，致使潮差在海宁可高达8．93米。潮波在这里又与河水相遇，波面受到较大的阻力，使潮波波峰的前沿出现破碎现象；又遇水下沙坝，迫使涌潮分为“东湖”和“南湖”两支，继续向河口推进，并在大尖山和海宁之间发生潮波的折射、反射和交汇，有时能激起十余米高的水柱。破碎的潮峰呈滚滚白浪，高度1～2米，并以 4～6米／秒的速度传播。大潮带来的海水一秒钟内常可达数万吨，所产生的力量也是惊人的。1953年8月的一次大潮，竟把海宁镇海塔附近高出海面七八米的石塘上的一个1500多千克重的“镇海铁牛”冲出十几米之外。每年农历八月十八日，恰逢临近秋分的大潮，加上正值雨季，平均海面升高，若再遇强劲东风或东南风，则风助潮势，涌潮景象更加壮观，诗人描述的吞山挟海、涛声吼地、雄奇辽阔、千姿百态的钱塘潮景观就出现了。现在每年农历八月十八日，已被海宁定为观潮节，吸引着海内外游客前去观赏。

    在流体力学中把涌潮看作是逆水流传播的水跃，所谓水跃是指海水自由表面从一个高度在很短的距离内跃升到较大的高度。可用弗劳德数Fr=v/√gh来描述涌潮是否出现，式中v是水流速度，g是重力加速度，h是水深，√gh是潮波的传播速度。当Fr略大于1时，出现弱涌潮波；Fr远大于1时，出现强涌潮波。对具体河口说，潮差大并有平缓、宽阔漏斗形状的河口是发生涌潮的基本条件，钱塘江口正具备了这两个条件。世界上至少有15处以上的涌潮，如南美洲的亚马逊河口，涌潮可高达5米，流速约6米／秒；法国塞纳河口，涌潮高达4～6米。

    我国有18000多千米的海岸线，海域面积470多万平方千米，南部沿海平均潮差4～5米的地区比比皆是，以钱塘江口的潮差最大。夏季去北戴河旅游时，许多人去过山海关附近的孟姜女庙，在姜女庙堂的门口有一幅不大容易念下来的对联：

海水朝朝朝朝朝朝朝落

浮云长长长长长长长消

    这正是描述关于潮汐和白云的流体运动现象的一幅对联，可以念为：海水朝（cháo）朝（zhāo）朝（zhāo）朝（cháo）朝（zhāo）朝（cháo）朝（zhāo）落，浮云长（zhǎng）长（cháng）长（cháng）长（zhǎng）长（cháng）长（zhǎng）长（cháng）消。这里朝（cháo）与潮通用。

    海流、潮汐和波浪是海水运动的主要方式，利用潮汐发电是能源开发的一个重要方向。全世界潮汐能可开发的总容量约10～11亿千瓦，如能充分利用，年发电量可达12400亿度。据1985年普查，我国的潮汐能可开发的总容量约2158万千瓦，年发电量可达619亿度。世界上最大潮差在北大西洋的芬迪湾，为19．6米；我国沿海平均潮差在1～4．5米之间，最大潮差在钱塘江口为8．93米。

    利用海潮涨落形成的潮汐能发电的水电站称为潮汐电站。潮汐电站一般在地形和地质优良的海湾入口处建堤坝、厂房和水闸，与海隔开形成水库，利用涨落潮时内水位与海水之间的水位差，引入经厂房内的水轮发电机组发电。潮汐电站有许多优点：（1）能源可靠，是再生性能源，周而复始，可经久不息利用。（2）虽有周期性间隙，但具有准确规律，可用电子计算机预报，有计划纳入电网运行。（3）无淹没损失、移民等问题。（4）一般离用电中心近，不必远距离送电。（5）水库内可发展水产养殖、围垦和旅游综合效益。正因为以上优点，世界上沿海各国都在重视潮汐能的开发利用。目前潮汐电站还处于试验探索阶段，以法国起步最早，成效最大。已建装机容量超过900千瓦的几个潮汐电站如下表所示。

图略

    我国从60年代起在山东、江苏、浙江、福建、广东等省已修建10多座小型潮汐电站，为沿海农村、渔场提供电能。有人曾估计，著名的钱塘江大潮，如用来发电，其发电能力几乎等于三门峡水电站的50％。由于如何充分利用潮汐能发电还有许多问题有待研究，1993年国家自然科学基金委员会已将潮汐能的开发利用列为鼓励研究项目招标。我们相信，我国的潮汐能经过力学家与有关学科专家的共同努力一定会逐步得到充分利用，使古时诗人笔下描述的潮汐为社会主义建设提供更多的电能。

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