从流体力学角度，阴阳海、泾渭分明怎么解释？
王不绿，skewed and asymmetric waves
这个问题是一个大坑。第一反应就是"泾渭分明"和“阴阳海”各有各自的原理。基于一切可简化的条件，给出尽可能合理的解释。请大家指出不严谨或者存在错误的地方。图文较多，没耐心的同学直接看总结。
“泾渭分明”：
1. 基本情况
图 1 来自谷歌地球，这是个很典型的例子。图中的标记分别是:
i) 黄线: 定义一下坐标轴；
ii) 黑线: 河道剖面。在河流的弯道处，剖面是不对称的。
iii) 红线: 水流运动轨迹。河道中的表层水流在过弯的时候喜欢走外弯（离心力作用）。在剖面图中的是由于不对称剖面产生的横向环流 (secondary current);
iv) 绿色: 一块没有水流速度的区域 (flow stagnation zone)，对此问题不重要;
v) 蓝线: 用于比较，后面会讲。
2. 成因分析
讲讲背景，沉积物（也就是我们俗称的泥沙）的传播分两种，一种推移质 (bed load) 尺寸较大，沿着河床滚着传播; 另一种悬移质 (suspended load) 尺寸较小，悬浮着随水流传播。”泾渭分明“表现的是两河悬移质浓度的不同。悬疑质在水中的浓度见图 2(a)，泾河里的浓度大（黑线），渭河里的浓度小（绿线）。图中可见，浓度在越靠近水面时越低。图 2(b) 是主流 (primary flow，也就是河道中的红线) 流速与深度的关系，恰恰与浓度相反。
给一个 U(z) 的表达式，就称流速。只用记住戴帽子的 U 是深度平均流速 (m/s)，Q 是流量(m3/s)，A 是横截面积(m)，后面会用到。
2.1 扩散 (diffusion)
扩散是物质就能从高浓度向低浓度的自发运动，并没有流体什么事。回头看图 2(a)，可以想象一下在泾渭合流处，扩散是不是更容易从下往上，和泾河底部向渭河底部发生，表层在 y 方向的扩散并不剧烈。
2.2 对流 (advection)
对流是物质由于流体运动而产生的运动，流体参与进来了。简单来讲，对流是由流速和浓度共同决定的。
2.2.1 主流
我们已经知道了悬移质在表层的浓度不是很高。弄清问题就需要确定速度了。
首先，我们看对流的定义，需要有一个 y 方向的速度把悬移质从泾河一侧带到渭河里面才能完成对流。然而，看之前的公式，当泾河汇入主流后的一瞬间，河道横截面积 A 突然变大然而流量 Q 保持不变，导致深度平均流速在合流后剧烈减小。然后流速 U(z) 也整体缩水了。加之图 1 中绿色区域那里泾河拐了个弯，所以综合起来，y 方向的速度十分小。所以呢，浓度又低，y 方向的速度又小，当然对流不顺利了。
2.2.2 弯道环流 (spiral flow)
在第一个章节里介绍的横向环流，它提供在 y 方向的对流动力。但是水流始终要向前运动的，所以横向环流和主流运动叠加一下，就产生了这种螺旋前进的水流，见图 3。
如果我们考虑泾河汇入的话，情况就变成了图 4，标注的剖面可以参考图 1。
泾河与渭河的两股弯道环流是没有那么容易交汇的。因为，虽然渭河的弯道环流在过弯时会加大，但是同时泾河的弯道环流却在不断地衰减，就像变了心的女朋友，再也回不来了。当其衰减到一定程度时，渭河的弯道环流作用占到一定主导地位是，对流就开始顺利进行了。这个微小的趋势，可以看图 1 中的蓝线。顺着蓝线往下游走，灰灰的水稍稍变窄了一点，然后开始变宽。差不多过了截面 5-6 后，渭河的弯道环流开始占绝对主导了。由于弯道环流在过弯时大，在不过弯时小的特点，所以在泾渭被大致混合均匀发生在图 1 右下角的那个弯道处。
3. 彩蛋时间
这里有另外一个例子，见图 5。相比图 1 情况，第一感觉貌似泾河上游水土流失变得更加严重了(浓度高)。
泾河多出了一条支流 (avulsion)，可能是由于洪水，地质构造变化（上有抬升或者下游沉降）等造成的。泾河这个新开出来的分流点有什么影响呢？简单讲，水更倾向于走 1 号路线，沉积物跟倾向于走 2 好路线。具体原理可以参考都江堰的相关讨论，都江堰是如何运作的？ - 历史。直接给个结论，2 号路线的水流较弱，含沙量较高。有了前面章节的铺垫，是不是很容易理解图 5 里，为什么 2 号路线汇入渭河后不久就被混匀了。
再给个例子 (图 6)，这是 2015 年 10 月 14 日的数据。"泾渭分明"现象消失了，因为渭河悬疑质浓度在合流之前就已经很高了。所以当泾河渭河悬移质浓度差不多时，扩散和对流虽然也在进行，但却不能够明显观察出来了。
4. 总结
“泾渭分明”是我们观察到水体表面，两河悬移质浓度的不同的现象。决定“泾渭分明”的因素有: a) 泾河和渭河里，表层悬移质浓度的差别; b) 泾河汇入渭河时的横向速度大小。 汇入时的横向速度由汇入角度，河弯，河道剖面决定。更小的浓度差和更大的横向速度都是不利于”泾渭分明“的。
“阴阳海”：
正如同“泾渭分明”一样，“阴阳海”能被我们观察到，也是因为沉积物的浓度的不同，由于近海区域水深较浅，可能会涉及到推移质。虽然在海里的情况更为复杂，但是形成“阴阳海”的原理却可以相对简单地说明白。所以采用一个和之前不同的顺序解释。
1. 成因分析
1.1 沿岸流 (alongshore current)
一般情况下，海波在慢慢靠近海岸的时候，它的前进方向总会和海岸线有一定的夹角。这样的夹角(也有其他因素共同影响，例如海床形态)会是的海波挤压水体，从而形成一种沿岸水流 (图 7,来源:http://essea.strategies.org/module.php?module_id=117)。简单解释下: 从质量守恒和动量守恒的方面考虑，水随着波向陆地方向运动 (非线性理论)，水不可能向着沙滩上无限前进，所以水会向其他方向运动来平衡，比例沿岸流或者底层逆流。
1.2 groynes 的作用
实在不知道这个单词的准确翻译。这是一种在海岸是防止侵蚀，在河里是保持航道深度的东西。图 8 (来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Groyne) 中，用黑圈里的就是海岸上的 groynes。
当有水流流过一个 groyne 的时候，就会有在 groyne 的内部形成涡旋。具体情况见图 9，不同形态的涡旋由水流方向相对于 groyne 的角度决定。在讲“泾渭分明”的时候，提到过沉积物是被水携带运动的。所以，如图 9 所示，沉积物也会随着形成的涡旋转圈圈。并且，相对于原来的水流速度，涡旋的速度是很小的，这导致了水挟沙能力下降，推移质会沉积下来，一些粒径较大的悬疑质也会沉下来。这样保证了沉积物在 groyne 里面堆积，这也是它用于防止海岸侵蚀的原理。
2. 案例分析
以下是在谷歌地球上找的两个例子。图 10 在台湾，图 11 在北爱尔兰。
先看图 10，右边的绿圈就是“阴阳海”。可以看出这里海岸的形态恰好是凹的，形成了一个天然的 groyne。这里的沉积物由两部分组成，一个是从海里来的，另一个是沙滩上的沙随着沿岸流来的。图中红线就是波浪前行方向和沿岸流方向，以及形成的涡旋。可能对应图 9 中的第 3 种。图 10 中左边绿圈为什么没有形成“阴阳海”是因为尺寸大，受波浪作用也大，里面的情况就不是图 9 种所示的那么简单了。
再看图 11，这里海岸形态尺寸和图 10 右边绿圈的差不多，却没有形成“阴阳海”。以下仅仅是推测: 首先是因为海波前进方向与海岸线大致垂直，导致沿岸流弱甚至没有沿岸流，比图 9 中的第 6 种程度还要大一点。其次是周围海岸偏岩性，侵蚀现象较弱，也就是沉积物供应会少一些。
3. 总结
要形成“阴阳海”，需要具备以下条件: a) 地形要凹，形成类似 groyne 的造型; b) 海波前进方向与海岸线的夹角能产生足够的沿岸流; c) 沉积物浓度也要足够，不管是从沙滩上来的还是从海里来的。
参考文献：
1.Bridge, J.S., 2003. Rivers and floodplains: forms, processes and sedimentary record. Blackwell Publishing, Malden, USA. ISBN 13: [1**********]92
2. Yossef, M. F. M. 2002. The effect of groynes on rivers: Literature review, Delft, NL: Delft University of Technology. Delft Cluster Project 03.03.04
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从流体力学角度，阴阳海、泾渭分明怎么解释？
王不绿，skewed and asymmetric waves
这个问题是一个大坑。第一反应就是"泾渭分明"和“阴阳海”各有各自的原理。基于一切可简化的条件，给出尽可能合理的解释。请大家指出不严谨或者存在错误的地方。图文较多，没耐心的同学直接看总结。
“泾渭分明”：
1. 基本情况
图 1 来自谷歌地球，这是个很典型的例子。图中的标记分别是:
i) 黄线: 定义一下坐标轴；
ii) 黑线: 河道剖面。在河流的弯道处，剖面是不对称的。
iii) 红线: 水流运动轨迹。河道中的表层水流在过弯的时候喜欢走外弯（离心力作用）。在剖面图中的是由于不对称剖面产生的横向环流 (secondary current);
iv) 绿色: 一块没有水流速度的区域 (flow stagnation zone)，对此问题不重要;
v) 蓝线: 用于比较，后面会讲。
2. 成因分析
讲讲背景，沉积物（也就是我们俗称的泥沙）的传播分两种，一种推移质 (bed load) 尺寸较大，沿着河床滚着传播; 另一种悬移质 (suspended load) 尺寸较小，悬浮着随水流传播。”泾渭分明“表现的是两河悬移质浓度的不同。悬疑质在水中的浓度见图 2(a)，泾河里的浓度大（黑线），渭河里的浓度小（绿线）。图中可见，浓度在越靠近水面时越低。图 2(b) 是主流 (primary flow，也就是河道中的红线) 流速与深度的关系，恰恰与浓度相反。
给一个 U(z) 的表达式，就称流速。只用记住戴帽子的 U 是深度平均流速 (m/s)，Q 是流量(m3/s)，A 是横截面积(m)，后面会用到。
2.1 扩散 (diffusion)
扩散是物质就能从高浓度向低浓度的自发运动，并没有流体什么事。回头看图 2(a)，可以想象一下在泾渭合流处，扩散是不是更容易从下往上，和泾河底部向渭河底部发生，表层在 y 方向的扩散并不剧烈。
2.2 对流 (advection)
对流是物质由于流体运动而产生的运动，流体参与进来了。简单来讲，对流是由流速和浓度共同决定的。
2.2.1 主流
我们已经知道了悬移质在表层的浓度不是很高。弄清问题就需要确定速度了。
首先，我们看对流的定义，需要有一个 y 方向的速度把悬移质从泾河一侧带到渭河里面才能完成对流。然而，看之前的公式，当泾河汇入主流后的一瞬间，河道横截面积 A 突然变大然而流量 Q 保持不变，导致深度平均流速在合流后剧烈减小。然后流速 U(z) 也整体缩水了。加之图 1 中绿色区域那里泾河拐了个弯，所以综合起来，y 方向的速度十分小。所以呢，浓度又低，y 方向的速度又小，当然对流不顺利了。
2.2.2 弯道环流 (spiral flow)
在第一个章节里介绍的横向环流，它提供在 y 方向的对流动力。但是水流始终要向前运动的，所以横向环流和主流运动叠加一下，就产生了这种螺旋前进的水流，见图 3。
如果我们考虑泾河汇入的话，情况就变成了图 4，标注的剖面可以参考图 1。
泾河与渭河的两股弯道环流是没有那么容易交汇的。因为，虽然渭河的弯道环流在过弯时会加大，但是同时泾河的弯道环流却在不断地衰减，就像变了心的女朋友，再也回不来了。当其衰减到一定程度时，渭河的弯道环流作用占到一定主导地位是，对流就开始顺利进行了。这个微小的趋势，可以看图 1 中的蓝线。顺着蓝线往下游走，灰灰的水稍稍变窄了一点，然后开始变宽。差不多过了截面 5-6 后，渭河的弯道环流开始占绝对主导了。由于弯道环流在过弯时大，在不过弯时小的特点，所以在泾渭被大致混合均匀发生在图 1 右下角的那个弯道处。
3. 彩蛋时间
这里有另外一个例子，见图 5。相比图 1 情况，第一感觉貌似泾河上游水土流失变得更加严重了(浓度高)。
泾河多出了一条支流 (avulsion)，可能是由于洪水，地质构造变化（上有抬升或者下游沉降）等造成的。泾河这个新开出来的分流点有什么影响呢？简单讲，水更倾向于走 1 号路线，沉积物跟倾向于走 2 好路线。具体原理可以参考都江堰的相关讨论，都江堰是如何运作的？ - 历史。直接给个结论，2 号路线的水流较弱，含沙量较高。有了前面章节的铺垫，是不是很容易理解图 5 里，为什么 2 号路线汇入渭河后不久就被混匀了。
再给个例子 (图 6)，这是 2015 年 10 月 14 日的数据。"泾渭分明"现象消失了，因为渭河悬疑质浓度在合流之前就已经很高了。所以当泾河渭河悬移质浓度差不多时，扩散和对流虽然也在进行，但却不能够明显观察出来了。
4. 总结
“泾渭分明”是我们观察到水体表面，两河悬移质浓度的不同的现象。决定“泾渭分明”的因素有: a) 泾河和渭河里，表层悬移质浓度的差别; b) 泾河汇入渭河时的横向速度大小。 汇入时的横向速度由汇入角度，河弯，河道剖面决定。更小的浓度差和更大的横向速度都是不利于”泾渭分明“的。
“阴阳海”：
正如同“泾渭分明”一样，“阴阳海”能被我们观察到，也是因为沉积物的浓度的不同，由于近海区域水深较浅，可能会涉及到推移质。虽然在海里的情况更为复杂，但是形成“阴阳海”的原理却可以相对简单地说明白。所以采用一个和之前不同的顺序解释。
1. 成因分析
1.1 沿岸流 (alongshore current)
一般情况下，海波在慢慢靠近海岸的时候，它的前进方向总会和海岸线有一定的夹角。这样的夹角(也有其他因素共同影响，例如海床形态)会是的海波挤压水体，从而形成一种沿岸水流 (图 7,来源:http://essea.strategies.org/module.php?module_id=117)。简单解释下: 从质量守恒和动量守恒的方面考虑，水随着波向陆地方向运动 (非线性理论)，水不可能向着沙滩上无限前进，所以水会向其他方向运动来平衡，比例沿岸流或者底层逆流。
1.2 groynes 的作用
实在不知道这个单词的准确翻译。这是一种在海岸是防止侵蚀，在河里是保持航道深度的东西。图 8 (来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Groyne) 中，用黑圈里的就是海岸上的 groynes。
当有水流流过一个 groyne 的时候，就会有在 groyne 的内部形成涡旋。具体情况见图 9，不同形态的涡旋由水流方向相对于 groyne 的角度决定。在讲“泾渭分明”的时候，提到过沉积物是被水携带运动的。所以，如图 9 所示，沉积物也会随着形成的涡旋转圈圈。并且，相对于原来的水流速度，涡旋的速度是很小的，这导致了水挟沙能力下降，推移质会沉积下来，一些粒径较大的悬疑质也会沉下来。这样保证了沉积物在 groyne 里面堆积，这也是它用于防止海岸侵蚀的原理。
2. 案例分析
以下是在谷歌地球上找的两个例子。图 10 在台湾，图 11 在北爱尔兰。
先看图 10，右边的绿圈就是“阴阳海”。可以看出这里海岸的形态恰好是凹的，形成了一个天然的 groyne。这里的沉积物由两部分组成，一个是从海里来的，另一个是沙滩上的沙随着沿岸流来的。图中红线就是波浪前行方向和沿岸流方向，以及形成的涡旋。可能对应图 9 中的第 3 种。图 10 中左边绿圈为什么没有形成“阴阳海”是因为尺寸大，受波浪作用也大，里面的情况就不是图 9 种所示的那么简单了。
再看图 11，这里海岸形态尺寸和图 10 右边绿圈的差不多，却没有形成“阴阳海”。以下仅仅是推测: 首先是因为海波前进方向与海岸线大致垂直，导致沿岸流弱甚至没有沿岸流，比图 9 中的第 6 种程度还要大一点。其次是周围海岸偏岩性，侵蚀现象较弱，也就是沉积物供应会少一些。
3. 总结
要形成“阴阳海”，需要具备以下条件: a) 地形要凹，形成类似 groyne 的造型; b) 海波前进方向与海岸线的夹角能产生足够的沿岸流; c) 沉积物浓度也要足够，不管是从沙滩上来的还是从海里来的。
参考文献：
1.Bridge, J.S., 2003. Rivers and floodplains: forms, processes and sedimentary record. Blackwell Publishing, Malden, USA. ISBN 13: [1**********]92
2. Yossef, M. F. M. 2002. The effect of groynes on rivers: Literature review, Delft, NL: Delft University of Technology. Delft Cluster Project 03.03.04
查看知乎原文（2 条讨论）