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题主的问题非常好,这是问题涉及到目前需要研究解决的科学问题,并且具有一定的应用价值。下面我尽量用比较容易理解的方式来回答该问题。

一般来说河口地区分为三个部分:海洋(Ocean或Sea),河口湾(河口,Estuary),河流(River)。其中如果以盐度(Salinity)来区分是:海水(Salt),冲淡水(咸水,盐水,Brackish),淡水(Fresh)。

河口湾盐度混合状态分为三种:a)高度分层型,b)部分混合类型,c)充分混合型,分别对应下图a) b) c)。这三种类型主要是由于山潮比(即径流/潮汐的比值)不同导致的,当径流相对于潮汐比较强,河口地区表现的特征是高度分层的,即a);当径流相对于潮汐比较弱,河口地区表现的特征是充分混合的,即c)。

a)高度分层型,b)部分混合类型,c)充分混合型

在枯季,如降雨较少、蒸发较大的时节,上游来水量较少,往往就会发生咸潮上溯(盐水入侵),影响居民的生活用水、工业用水等。根据《生活饮用水源水质标准》(CJ3020-93),氯化物含量应小于250mg/L,如果超过这个值就不能满足供水的水质标准。也就是说,题主提问的情况是有发生的,在我国以珠江口,长江口地区比较典型。而这个现象的原因是否是题主提问的「渗透」呢?我们再来进一步分析一下。

首先考证一下什么叫做渗透,渗透一般是化学术语,是水分子经半透膜扩散的现象,它由高水分子区域(即低浓度溶液)渗入低水分子区域(即高浓度溶液),直到半透膜两边水分子达到动态平衡。半透膜如植物细胞的原生质膜、液泡膜等。显然,在河口湾地区海水和淡水之间其实是不存在这个化学意义上的半透膜的,也不能称之为渗透。那是什么原因导致了咸潮上溯(盐水入侵)呢?

从能量角度看,在河口湾地区最重要的两个影响盐度混合过程的能量来源分别是:1由于海水和淡水密度(盐度)差异引起的势能差;2海洋潮汐的动能和势能。这两种能量导致混合的机制也有多种。因为世界上的河口形态各不相同,同一河口不同季节流量的变化,潮汐的周期性变化,气象等要素以及人类活动的影响等等,导致了各个河口湾地区盐度的混合和分层特性也不一样,影响盐度混合作用机理也不尽相同。如何减少咸潮上溯(盐水入侵)引发的灾害也是一个值得持续研究的问题。

关于海洋潮汐的相关内容可以看我的另一个回答,这里就不详细介绍了。

潮汐的成因是什么?为什么每个地方的潮汐各不相同??

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恭喜你,盲生,你发现了一个华点。

其实这是一个小众领域,河口动力学研究。估计国内各个大学专门研究的人勉强能凑出一个学院吧。

题主你的提问只考虑到了盐度产生的梯度力,高赞回答给了一个纵向剖面图,实际上还要考虑很多因素。温度、盐度、水平梯度力、潮涨潮落甚至大一点的江河还要考虑科氏力(地转偏向力)。

从三维的坐标考虑,盐度导致海水在更重,河水更轻,也就是密度梯度力,潮汐会改变水流方向,地转偏向力会使得水面一侧高一侧低产生水位差,而流向的转变又会让地转偏向力的方向转变……

总之各种乱七八糟的力使得河口动力十分的复杂。水可以纵向流,也可以横向流,所以河口会产生一个圈圈,甚至有些地方一个河口有两个圈圈。

PS:很多年以前自己写的,如今改行以后连自己写的都看不懂了。


各位答主从河口动力学的角度对这个问题给出了解答,我想从另外一个角度回答这个问题,即分子扩散的角度。题主显然高估甚至误解了分子扩散的速度。

为了说明这个问题,我想援引伽莫夫曾经给出的一个很经典的例子,即醉鬼走路问题。

假如有一个醉鬼,从路灯处开始走路,由于喝得实在是太醉了,所以他走一段距离之后,就会随机转动一个角度,继续向前走。问过一段时间后,醉鬼距离灯柱的距离有什么规律。乍看起来这是个无厘头的问题,毕竟每段走直线的距离是随机的,转动的方向也是随机的,哪里有什么规律可言呢?如果要进行严格的数学计算当然是不可能的,但是按照统计学的方法却可以很容易地对这种随机问题给出答案。具体的推导过程就不说了,结论就是,如果用M代表每段直线路径的平均长度,用N代表转弯次数,那么醉鬼离灯柱的距离R=sqrt(N)*M

这个数据不是真实值,只是统计学上的一个最大可能性而已。因此当N越大、或是统计的「醉鬼」数目越多,这个公式就越精确。

推导出这个公式当然不是为了看醉鬼的笑话,而是为了统计微小粒子的扩散作用。如果分子运动速度是相对稳定的,那么上述公式就可以改成 R=sqrt(n*T)*M,其中n代表单位时间内转变方向的次数,T代表时间,M仍然代表每段直线路径的平均长度,即分子运动的平均自由程

可以看出,时间项T位于根号下,这就意味著扩散距离与时间并不是一个线性关系,而是与时间的开方项呈线性关系。换言之,扩散的越久、离扩散源越远,扩散的速度反而越慢。

例如室温下,在水中分子自由运动的平均速度为每秒几百米,但是由于液态水分子相对稠密,会发生频繁的碰撞(每次碰撞都会让分子运动随机转动一个方向,就像上图的醉鬼一样),碰撞频率大约是每秒万亿次级别,分子的平均自由程只有十分之一纳米量级,因此套用上述公式,水中分子在第一秒能够扩散零点几毫米,但是随著时间推移,扩散速度越来越慢,要过好几个小时,才能够扩散到几厘米的位置。

所以你应该有相关的日常经验,泡水时放了糖(尤其是冰糖),不搅拌的话,要过很久很久水才能有甜味。当然了,用开水或是白砂糖粉之类的会加快一些速度。

回到这个题目,如果将海洋视为扩散源,那么沿著河流溯流而上,扩散的速度是越来越慢的,在距离河口不远的位置就会达到一个平衡,即扩散速度与河水流动速度的平衡

当然了,实际情况要复杂得多,例如还要考虑潮汐作用、层流、温度变化等等因素,这不是我的专业,就不班门弄斧了。


考虑一个简单的一维浓度模型,那么影响浓度随时间分布的主要因素就是对流和扩散。

浓度对流扩散模型,其形式如下:

其中c是浓度分布,是关于x和t的函数,t是时间,x是x方向坐标,D是x方向层流速度,U是扩散系数,由分子运动决定。最后一项是源项,可以忽略。

可以看到,对流项和扩散项是异号的,在现实情况中,对流的影响比扩散的影响大很多,所以海水都高盐度不会像河流延伸。当然,也有像前面答主说的,海水潮汐和河流流量弱的情况,他们分别影响了u的大小和方向。

下面模拟几种情况:

http://1.IN端是大海,流动方向为out-&>in,即河流向大海

  • 扩散作用小于对流作用

海水盐度影响有限,此为常见情况

  • 扩散作用大于层流作用

海水盐度会逐渐扩散到河流上游

http://2.IN端是河流,流动方向是in-&>out,还是河流向大海

  • 扩散作用小于对流作用

在对流的影响下,源头处的浓度短时间内影响整个流域,常见的工厂排污对河流的影响即为此种情况。

这种情况也可看为IN端是大海,流动方向是in-&>out,即大海到河流,潮汐就是这种情况。

  • 扩散作用大于对流作用

这种情况和上面第二种相似,均为对流不占优势。

最后,以上都是简单的数值模拟,具体到实际可能还有更多其他因素。


大家都坐过商场下行的扶梯。如果我们逆著扶梯往上爬,只要速度够快也能从下面爬到上面。而一只蜗牛,是无论如何也不能从下面逆著扶梯爬到上面的。

在我这样一个非化学科班出生的半吊子眼中,你这里指的渗透,是盐分因浓度梯度而引起的迁移。

在流体中,因浓度梯度而引起的迁移,影响因素可以简单地归结为分子扩散和湍流扩散。分子扩散可以联想我们所学的布朗运动,是一种微观热运动。湍流扩散是指流体不规则的向四面八方流动。无论是分子扩散还是湍流扩散,其对物质迁移影响的规律都可以用菲克第一定律来描述,即扩散方向与浓度梯度方向相反(从高浓度流向低浓度),扩散通量正比于浓度梯度。

在实际河流中,分子扩散和湍流扩散是一直存在的。但从物质沿河流流动方向迁移的角度来说,他们不是决定性因素,在大部分情况下甚至可以忽略他们对物质迁移的影响。这是因为河流中存在更大尺度的一种物质迁移,那就是物质随水一起的推流移动,也就是说,水流到哪里,物质基本就跟随到哪里。一般河流的流速在几米每秒左右,远远大于分子扩散和湍流扩散之和。

废话少说,简单总结:

重力势能造成的河水入海流动,形成的让盐分跟随河水从低浓度向高浓度流动的速度,远大于浓度梯度造成的高浓度向低浓度迁移的速度。

当然,以上是指长期平均大趋势。现实中仍然存在人为或自然因素引起的河流水文变化,进而造成海水盐分暂时入侵的现象。但,这只是个意外。最关键的是,这个意外,也主要不是扩散引起的,而是潮汐运动造成的推流流动引起的。


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