第一节 区域发展的自然环境基础

案例:瑙鲁——富也资源贫也资源的国家

位于候鸟迁徙路线上的南太平洋中的岛国瑙鲁(图2.5),在漫长的历史岁月中地表积累了大量的鸟粪,瑙鲁丰富的磷酸盐矿就源自这些鸟粪沉积。磷酸盐矿是生产化肥的主要原料之一,在20世纪六七十年代,瑙鲁因向全球出售磷酸盐矿而一度经济繁荣。瑙鲁曾在1976年被誉为“世界上最富裕的国家”。但粗放的磷矿开采和出口成为瑙鲁唯一的经济支柱,露天开采的方式对当地环境破坏极大,岛国居民几乎所有的燃料、食品、饮用水都依赖进口。

随着磷酸盐资源在20世纪80年代末陷入枯竭,瑙鲁的社会经济受到严重冲击,连年的财政赤字和银行倒闭让瑙鲁政府陷入危机。这个曾经最富裕的国家陷入贫困,国家安全受到严重威胁。

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保障资源安全

人类可以有针对性地采取技术、经济和政策措施,调节资源供给与消费需求之间的平衡,保障资源安全(图2.7)。

在资源供给方面,主要通过四种途径增加资源供给和保障能力(图2.8)。其中,挖掘资源潜力与开发替代资源,可增加区域自身的资源供给能力,但高度依赖于技术的进步;增加区外资源调配与贸易,要求资源的供给渠道保持稳定,经济成本可接受,且有相应的技术或市场机制作为保障;有效管控战略资源,可以在资源数量不增加的情况下,保障资源供给的持续稳定。

在资源消费方面,主要通过节约和优化资源利用降低资源需求(图2.8)。其中,降低资源消耗主要通过减量、重复使用和循环利用实现(图2.10);使用效益最大化意味着用最小的资源消耗获得最大的经济、环境或社会效益;在资源使用过程中有效规避各种风险,可减少不必要的资源消耗。所有这些都高度依赖于技术、管理水平和消费观念的进步。

维持资源安全还需要避免衍生其他安全问题(图2.8)。一方面要权衡资源开发利用与自然环境之间的关系,无论是增加资源供给还是降低资源消费,都不能危害自然环境及其可持续供给资源的能力;另一方面要权衡与其他国家或地区之间的关系,不能危害其他国家或区域的资源安全,应避免因资源争夺引发国家或地区间的冲突。

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案例:“不用从地里长出来的布”

“的确良”是一种服装原料,在20世纪七八十年代引领了当时我国的服装风潮。

正是这种“不用从地里长出来的布”,帮助中国人解决了棉布原料供应紧张的问题。在此之前,人们穿的大多是棉布衣裤,而有限的土地顾得了吃(种粮食),就顾不了穿(种棉花),纺织品异常紧缺,布匹需要凭布票购买(图2.9)。

“的确良”是一种化纤产品,20世纪50年代在国际上开始流行,60年代初开始在京津沪小批量试制。70年代,我国通过引进石化装备,发展化纤工业全产业链,陆续建成上海石油化工总厂等大厂,使曾是高档商品的“的确良”逐渐普及,服装原料有了替代品,缓解了我国种棉花与种粮食争地的矛盾。进入80年代,“的确良”等化纤产品的产量增加,加之棉花连年增产,纺织品生产已经能够满足老百姓的需要。1983年12月1日起全国临时免收布票,1984年不再新印发布票,通行30年的布票终于废止。

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都江堰水利工程原理解析 | 弯道环流视角

都江堰水利工程

弯道横向环流原理的千年实践

🏛️ 世界文化遗产 · 2000年 · 联合国教科文组织
01

工程背景

📍 地理位置与历史

都江堰位于四川省都江堰市西北的岷江中游,地处岷江由山谷河道进入成都冲积平原的咽喉要冲。始建于秦昭王末年(约公元前256—公元前251年),由蜀郡太守李冰父子主持修建。

修建背景:古代每当岷江洪水泛滥,成都平原就是一片汪洋;一遇旱灾,又是赤地千里,颗粒无收。李冰父子经过实地勘察,巧妙利用当地西北高、东南低的地理条件,采用"无坝引水"的方式,科学解决了引水灌溉、防洪泄洪、排沙减淤等难题。

2000多年来,都江堰一直发挥着防洪灌溉的作用,使成都平原成为水网纵横、沃野千里的"天府之国"。2000年被联合国教科文组织列为世界文化遗产。

02

核心原理:弯道横向环流

🌀 弯道环流形成机制

当河水流经弯曲河道时,由于离心力作用,水流产生特殊的运动形态:

① 水位差形成:凹岸(河流弯曲处内凹的一侧)水面高度高于凸岸(弯曲处凸出的一侧)。这是因为水流转弯时的离心力使水向外侧(凹岸)堆积。

② 横向环流产生:由于凹岸水位高、水深大,底部水压力大(P=ρgh)。在压力差作用下,凹岸底部的水流向凸岸流动,而表层水则从凸岸流向凹岸,形成一个垂直于主流方向的环流。

③ 螺旋流效应:弯道水流同时具有纵向流速和横向环流,两者叠加形成螺旋状前进的水流形态。这种螺旋流对泥沙搬运有重要影响。

⛰️ "凹冲凸淤"效应

弯道环流导致泥沙在河道中重新分布,形成"凹冲凸淤"的典型地貌特征:

  • 泥沙垂向分布:水中泥沙浓度呈"上稀下浓"分布,较重的泥沙集中在底层
  • 底层浑水流向凸岸:在环流作用下,底部含沙量大的浑水从凹岸流向凸岸
  • 表层清水流向凹岸:上部含沙量小的清水从凸岸流向凹岸
  • 结果:长期作用下,凹岸被冲刷侵蚀,凸岸泥沙淤积——即"凹冲凸淤"
03

三大主体工程详解

鱼嘴(分水堤)

第一道屏障 · 分水分沙

结构特点

位于河流进入弯曲河段处的江心,形似鱼嘴,与金刚堤相连。将岷江一分为二:西侧为外江(宽而浅),东侧为内江(窄而深)。

四六分水原理

  • 枯水期:水位低,主流线靠近凹岸(内江侧),约60%水量流入内江,保证灌溉用水
  • 洪水期:水位高,主流线变直偏向凸岸(外江侧),约60%水量排入外江,实现自动分洪
关键设计
内江深窄 / 外江宽浅

二八分沙原理

利用弯道环流"上清下浊"特性:表层清水进入弯曲的内江,底层挟沙浑水沿相对顺直的外江流走。结果:约80%的泥沙排入外江

飞沙堰(溢洪道)

第二道屏障 · 泄洪排沙

结构特点

位于鱼嘴分水堤与离堆之间的一道低矮堰坝,宽240米,堰顶高出河床约2米,下距宝瓶口200米。

三大功能

  • 二次泄洪:当内江水量超过宝瓶口流量上限时,多余洪水自动从堰顶溢出排入外江
  • 二次排沙:利用弯道螺旋流,将进入内江的泥沙"飞"越堰顶排入外江
  • 枯水期蓄水:水位低于堰顶时,成为天然节制闸,保证所有水量进入宝瓶口

排沙原理详解

  • 离心力排沙:内江弯道产生离心力,表层清水流向凹岸(宝瓶口),底层含沙水被甩向凸岸(飞沙堰)
  • 虎头岩顶托:下游虎头岩形成壅水效应,产生反向顶托流与主流交汇形成螺旋流,增强巨石搬运能力
  • 宝瓶口回流:宝瓶口收窄断面形成回流,将泥沙甩向飞沙堰
排沙能力
可排出500kg以上巨石

宝瓶口(引水口)

第三道屏障 · 控制引水

结构特点

在玉垒山凿开的人工引水口,宽约20米,形似瓶颈,故名"宝瓶口"。凿山留下的石堆称为"离堆"。

主要功能

  • 控制进水量:固定的宽度限制进入灌区的最大水量,防止洪水期过多水量涌入造成灾害
  • 正面引水:位于弯道凹岸中部,正对螺旋流中较清澈的表层水流方向,实现"正面取水、侧面排沙"
  • 壅水配合:狭窄通道形成壅水效应,抬高上游水位,促进飞沙堰溢流排沙

施工智慧

李冰采用"火烧水激"法:先用火烧山石,再浇冷水使岩石爆裂,仅用8年时间凿通玉垒山(常规方法需30年)。

治水名言
"深淘滩,低作堰"
04

教材问题解答

Q1 在洪水期,为什么都江堰能保证灌区不受洪水威胁?在枯水期,又如何保证有足够的水量进入灌区?

洪水期防洪机制

  • 鱼嘴第一次分洪:洪水期水位升高,主流线变直偏向外江,约60%洪水直接排入外江
  • 飞沙堰第二次分洪:进入内江的水量若超过宝瓶口容量,多余洪水自动从飞沙堰顶溢出(特大洪水时可排出75%的内江水)
  • 宝瓶口第三重保障:固定宽度(约20米)限制最大进水量,多余水量被阻挡形成壅水,进一步促进飞沙堰溢流

枯水期保水机制

  • 河床高差设计:内江河床低于外江,枯水期水位低时,主流线靠近凹岸(内江侧),约60%水量自动流入内江
  • 飞沙堰变身节制闸:枯水期水位低于飞沙堰顶,堰坝阻挡所有内江水进入宝瓶口,无水外溢
  • "深淘滩"维护:每年岁修淘挖内江河床至卧铁标记深度,保证足够过水断面
Q2 为什么都江堰能最大限度地减少泥沙通过宝瓶口进入灌区?

鱼嘴第一级排沙(二八分沙)

  • 利用弯道环流"上清下浊"特性:表层清水受惯性影响更易进入弯曲的内江
  • 底层含沙量大的浑水沿相对顺直的外江流走
  • 结果:约80%的泥沙在鱼嘴处即被排入外江

飞沙堰第二级排沙

  • 弯道螺旋流作用:内江弯道产生螺旋流,清澈表层流流向凹岸(宝瓶口),浑浊底层流流向凸岸(飞沙堰)
  • 离心力甩沙:高速水流携带泥沙在弯道受离心力作用,被甩向飞沙堰顶并翻越入外江
  • 虎头岩顶托流:形成反向螺旋流,增强对大颗粒泥沙甚至巨石的搬运能力

宝瓶口回流排沙

  • 宝瓶口为收窄断面,水流加速并在前方形成回流区
  • 回流将沉积的泥沙甩向对面的飞沙堰
  • "正面引水"设计使宝瓶口正对螺旋流中的清澈表层水

综合效果

经三级排沙,当宝瓶口引水量达700m³/s时,飞沙堰可排出98%以上的推移质沙石,有效保护灌区免受淤积。

05

人地关系理念

都江堰工程体现的人地关系智慧

因势利导,顺应自然

充分利用岷江弯道地形和水流规律,不与自然对抗,而是引导自然力量为人所用。采用"无坝引水"方式,保持河流自然状态的同时实现水资源调控。

因地制宜,就地取材

利用当地竹、木、卵石等材料修筑工程,与自然环境融为一体。选址充分考虑地形地貌(西北高、东南低),减少人工干预成本。

系统协调,整体优化

鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大工程有机组合、功能互补,形成完整的"引水灌溉—泄洪排沙—控制水量"系统,体现系统工程思想。

人水和谐,持续发展

不破坏生态环境,变水害为水利。建立"岁修"制度(深淘滩、低作堰),实现工程可持续运行2000多年,是人与自然和谐共生的典范。

科学精神,经验积累

李冰设立石人、水则作为水情测量标尺,开创中国古代水情测量先例。总结"六字诀""三字经""八字格言"等治水经验,形成可传承的知识体系。

以人为本,造福千秋

工程目的是解决成都平原水旱灾害、保障农业生产和人民生活。"水旱从人,不知饥馑"的效果使该地区成为"天府之国",惠及后世千年。

06

核心要点总结

🌊

四六分水

利用弯道主流线随水位变化的规律,枯水期内江引60%水量保灌溉,洪水期外江排60%水量防洪涝

🏜️

二八分沙

利用弯道环流"上清下浊"特性,表层清水入内江,底层浑水排外江,80%泥沙在鱼嘴处即被分离

🌀

螺旋流排沙

飞沙堰处弯道螺旋流将清水引向宝瓶口、浑水甩向外江,实现"正面引水、侧面排沙"

⚖️

自动调节

三大工程联合作用,无需人工干预即可根据水量自动实现分水、排沙、泄洪、引水的动态平衡

参考资料:人教版、中图版、湘教版、鲁教版高中地理教材 | xiaoyu-edu.com

都江堰——世界水利工程的最佳作品,人类利用、改造自然的伟大典范

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