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題主的問題非常好,這是問題涉及到目前需要研究解決的科學問題,並且具有一定的應用價值。下面我盡量用比較容易理解的方式來回答該問題。

一般來說河口地區分為三個部分:海洋(Ocean或Sea),河口灣(河口,Estuary),河流(River)。其中如果以鹽度(Salinity)來區分是:海水(Salt),沖淡水(鹹水,鹽水,Brackish),淡水(Fresh)。

河口灣鹽度混合狀態分為三種:a)高度分層型,b)部分混合類型,c)充分混合型,分別對應下圖a) b) c)。這三種類型主要是由於山潮比(即徑流/潮汐的比值)不同導致的,當徑流相對於潮汐比較強,河口地區表現的特徵是高度分層的,即a);當徑流相對於潮汐比較弱,河口地區表現的特徵是充分混合的,即c)。

a)高度分層型,b)部分混合類型,c)充分混合型

在枯季,如降雨較少、蒸發較大的時節,上游來水量較少,往往就會發生鹹潮上溯(鹽水入侵),影響居民的生活用水、工業用水等。根據《生活飲用水源水質標準》(CJ3020-93),氯化物含量應小於250mg/L,如果超過這個值就不能滿足供水的水質標準。也就是說,題主提問的情況是有發生的,在我國以珠江口,長江口地區比較典型。而這個現象的原因是否是題主提問的「滲透」呢?我們再來進一步分析一下。

首先考證一下什麼叫做滲透,滲透一般是化學術語,是水分子經半透膜擴散的現象,它由高水分子區域(即低濃度溶液)滲入低水分子區域(即高濃度溶液),直到半透膜兩邊水分子達到動態平衡。半透膜如植物細胞的原生質膜、液泡膜等。顯然,在河口灣地區海水和淡水之間其實是不存在這個化學意義上的半透膜的,也不能稱之為滲透。那是什麼原因導致了鹹潮上溯(鹽水入侵)呢?

從能量角度看,在河口灣地區最重要的兩個影響鹽度混合過程的能量來源分別是:1由於海水和淡水密度(鹽度)差異引起的勢能差;2海洋潮汐的動能和勢能。這兩種能量導致混合的機制也有多種。因為世界上的河口形態各不相同,同一河口不同季節流量的變化,潮汐的週期性變化,氣象等要素以及人類活動的影響等等,導致了各個河口灣地區鹽度的混合和分層特性也不一樣,影響鹽度混合作用機理也不盡相同。如何減少鹹潮上溯(鹽水入侵)引發的災害也是一個值得持續研究的問題。

關於海洋潮汐的相關內容可以看我的另一個回答,這裡就不詳細介紹了。

潮汐的成因是什麼?為什麼每個地方的潮汐各不相同??

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恭喜你,盲生,你發現了一個華點。

其實這是一個小眾領域,河口動力學研究。估計國內各個大學專門研究的人勉強能湊出一個學院吧。

題主你的提問只考慮到了鹽度產生的梯度力,高贊回答給了一個縱向剖面圖,實際上還要考慮很多因素。溫度、鹽度、水平梯度力、潮漲潮落甚至大一點的江河還要考慮科氏力(地轉偏向力)。

從三維的坐標考慮,鹽度導致海水在更重,河水更輕,也就是密度梯度力,潮汐會改變水流方向,地轉偏向力會使得水面一側高一側低產生水位差,而流向的轉變又會讓地轉偏向力的方向轉變……

總之各種亂七八糟的力使得河口動力十分的複雜。水可以縱向流,也可以橫向流,所以河口會產生一個圈圈,甚至有些地方一個河口有兩個圈圈。

PS:很多年以前自己寫的,如今改行以後連自己寫的都看不懂了。


各位答主從河口動力學的角度對這個問題給出了解答,我想從另外一個角度回答這個問題,即分子擴散的角度。題主顯然高估甚至誤解了分子擴散的速度。

為了說明這個問題,我想援引伽莫夫曾經給出的一個很經典的例子,即醉鬼走路問題。

假如有一個醉鬼,從路燈處開始走路,由於喝得實在是太醉了,所以他走一段距離之後,就會隨機轉動一個角度,繼續向前走。問過一段時間後,醉鬼距離燈柱的距離有什麼規律。乍看起來這是個無釐頭的問題,畢竟每段走直線的距離是隨機的,轉動的方向也是隨機的,哪裡有什麼規律可言呢?如果要進行嚴格的數學計算當然是不可能的,但是按照統計學的方法卻可以很容易地對這種隨機問題給出答案。具體的推導過程就不說了,結論就是,如果用M代表每段直線路徑的平均長度,用N代表轉彎次數,那麼醉鬼離燈柱的距離R=sqrt(N)*M

這個數據不是真實值,只是統計學上的一個最大可能性而已。因此當N越大、或是統計的「醉鬼」數目越多,這個公式就越精確。

推導出這個公式當然不是為了看醉鬼的笑話,而是為了統計微小粒子的擴散作用。如果分子運動速度是相對穩定的,那麼上述公式就可以改成 R=sqrt(n*T)*M,其中n代表單位時間內轉變方向的次數,T代表時間,M仍然代表每段直線路徑的平均長度,即分子運動的平均自由程

可以看出,時間項T位於根號下,這就意味著擴散距離與時間並不是一個線性關係,而是與時間的開方項呈線性關係。換言之,擴散的越久、離擴散源越遠,擴散的速度反而越慢。

例如室溫下,在水中分子自由運動的平均速度為每秒幾百米,但是由於液態水分子相對稠密,會發生頻繁的碰撞(每次碰撞都會讓分子運動隨機轉動一個方向,就像上圖的醉鬼一樣),碰撞頻率大約是每秒萬億次級別,分子的平均自由程只有十分之一納米量級,因此套用上述公式,水中分子在第一秒能夠擴散零點幾毫米,但是隨著時間推移,擴散速度越來越慢,要過好幾個小時,纔能夠擴散到幾釐米的位置。

所以你應該有相關的日常經驗,泡水時放了糖(尤其是冰糖),不攪拌的話,要過很久很久水纔能有甜味。當然了,用開水或是白砂糖粉之類的會加快一些速度。

回到這個題目,如果將海洋視為擴散源,那麼沿著河流溯流而上,擴散的速度是越來越慢的,在距離河口不遠的位置就會達到一個平衡,即擴散速度與河水流動速度的平衡

當然了,實際情況要複雜得多,例如還要考慮潮汐作用、層流、溫度變化等等因素,這不是我的專業,就不班門弄斧了。


考慮一個簡單的一維濃度模型,那麼影響濃度隨時間分佈的主要因素就是對流和擴散。

濃度對流擴散模型,其形式如下:

其中c是濃度分佈,是關於x和t的函數,t是時間,x是x方向坐標,D是x方向層流速度,U是擴散係數,由分子運動決定。最後一項是源項,可以忽略。

可以看到,對流項和擴散項是異號的,在現實情況中,對流的影響比擴散的影響大很多,所以海水都高鹽度不會像河流延伸。當然,也有像前面答主說的,海水潮汐和河流流量弱的情況,他們分別影響了u的大小和方向。

下面模擬幾種情況:

http://1.IN端是大海,流動方向為out-&>in,即河流向大海

  • 擴散作用小於對流作用

海水鹽度影響有限,此為常見情況

  • 擴散作用大於層流作用

海水鹽度會逐漸擴散到河流上游

http://2.IN端是河流,流動方向是in-&>out,還是河流向大海

  • 擴散作用小於對流作用

在對流的影響下,源頭處的濃度短時間內影響整個流域,常見的工廠排污對河流的影響即為此種情況。

這種情況也可看為IN端是大海,流動方向是in-&>out,即大海到河流,潮汐就是這種情況。

  • 擴散作用大於對流作用

這種情況和上面第二種相似,均為對流不佔優勢。

最後,以上都是簡單的數值模擬,具體到實際可能還有更多其他因素。


大家都坐過商場下行的扶梯。如果我們逆著扶梯往上爬,只要速度夠快也能從下面爬到上面。而一隻蝸牛,是無論如何也不能從下面逆著扶梯爬到上面的。

在我這樣一個非化學科班出生的半吊子眼中,你這裡指的滲透,是鹽分因濃度梯度而引起的遷移。

在流體中,因濃度梯度而引起的遷移,影響因素可以簡單地歸結為分子擴散和湍流擴散。分子擴散可以聯想我們所學的布朗運動,是一種微觀熱運動。湍流擴散是指流體不規則的向四面八方流動。無論是分子擴散還是湍流擴散,其對物質遷移影響的規律都可以用菲克第一定律來描述,即擴散方向與濃度梯度方向相反(從高濃度流向低濃度),擴散通量正比於濃度梯度。

在實際河流中,分子擴散和湍流擴散是一直存在的。但從物質沿河流流動方向遷移的角度來說,他們不是決定性因素,在大部分情況下甚至可以忽略他們對物質遷移的影響。這是因為河流中存在更大尺度的一種物質遷移,那就是物質隨水一起的推流移動,也就是說,水流到哪裡,物質基本就跟隨到哪裡。一般河流的流速在幾米每秒左右,遠遠大於分子擴散和湍流擴散之和。

廢話少說,簡單總結:

重力勢能造成的河水入海流動,形成的讓鹽分跟隨河水從低濃度向高濃度流動的速度,遠大於濃度梯度造成的高濃度向低濃度遷移的速度。

當然,以上是指長期平均大趨勢。現實中仍然存在人為或自然因素引起的河流水文變化,進而造成海水鹽分暫時入侵的現象。但,這只是個意外。最關鍵的是,這個意外,也主要不是擴散引起的,而是潮汐運動造成的推流流動引起的。


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