试谈电力对水力的影响

吴焘　林格

摘要：古人说“流水不腐、户枢不蠹”，说明水流的重要性。水的流动需要动力，同时流水也会产生水力。一般而言认为水力是从重力势能而来，水流的动能来自水从高山下行的落差。实际上，水力可能由电力转化而来，而且与电力伴生。从本质上说，自然中的水是等离子体，流水可以被电力驱动，水流也可以包括电流。水力应当用于维护生态系统中的水流循环，使得水资源与水环境形成动态系统，而不成为一潭死水。同时，水力可以帮助人类实现水上交通。除开用于机械驱动外，还可能电力传动。

关键词：水力;水电;船舶

中图分类号：TV212

一、绪论

水是生命之源，据科学家研究实验，人不吃饭大约可以坚持7天时间，不喝水则仅能维持2～3天时间。人体中超过一半的重量是水分子，水是其身体机能的重要成分。水还可以用于洗涤衣物、冲刷污垢，自然界中的雨、雪可以美化环境。水上交通是古代文明的重要因素，诗词中写到水的比比皆是，李白说过：“黄河之水天上来，奔流到海不复回。”“楚水清若空，遥将碧海通。”杜甫说过：“在山泉水清，出山泉水浊。”

近代以来，随着工商业发展，农业在国民经济中的比重逐渐降低，城市不断发展，农村呈现出荒颓景象。水流变小，水道堵塞。长江水位降低，黄河中游断流。湖泊生态系统恶化，水质变差。近海水域出现各种污染物质。因此，水资源保护、水环境治理关系国计民生。

二、水资源保护与水环境治理

水资源保护主要体现在水源保护，江河湖海是主要的载体。海洋是宏观生态系统，江、河是网络生态系统，水库湖泊是局部生态系统。对于农村而言，曾经的水资源主要是塘、堰，依赖于农业发展及气候降雨。对于城市而言，主要依赖于附近的湖？白、水库。海滨城市也是如此。利用渠道饮水灌溉是自古以来的做法，古代的郑国渠、现代的红旗渠都是明证。当代随着工业发展、农业滞后，农村的水域环境逐渐恶化。在21世纪新城镇建设的环境下，供水系统也逐渐依赖湖泊、水库。

许多重大水利工程对水资源保护、水环境治理起到了重要作用。三峡大坝、葛洲坝、小浪底等水利设施对长江、黄河的流域生态系统起到了重要控驭作用。三峡水库修建之后，从长江上游流下的垃圾污染物明显减少，水质变好。

许多河流泛滥会归结于河道治理。汉代黄河时而决口，汉武帝治理过多次。明代潘季驯治理长江，防止水中携带的泥土壅塞水道，以冲击法为主，提高流速，带走沿岸的泥土。据说，今上海市的崇明岛主要是在明代治理长江时逐渐形成的岛。清代设河道总督一职，官比一省大员。现代治理河道通常会修建导流明渠，将河水引开。河底通常会铺设石头、泥土、隔离带，吸附、积淀的污染物需要定期清理。

当代随着物联网的发展，可以在沿江、沿湖设置传感器及通信网络，对水流、水域进行监测，及时准确地了解水量、水质、水温、流速的变化。

三、局域水流导电与水力发电

化学中纯净水不导电，但是自然界中的水几乎都导电。一般认为是水中的带电离子所致。一般的盐分都容易形成离子，如钠、钾、氯、硝酸。现代的工业制造产生大量的废水，其中的矿物成分、金属成分都容易导致水体污染极化，成为导电物质。因此，水体其实是等离子体，水流其实是在某些局域导电的物流。

通常认为，河流在平原、草原上流淌依靠的是势能。即水从高处往低处流。有些微观上的势垒被宏观上的势阱抵消掉了。图2中的花箭头表示水流趋势。尽管如此，重力却不是河流唯一的动力。动力的来源还有电力，即局域水流导电、充电，获得水力。

水流导电需要在河流的节点设置正负极，电极可能使用特殊材质，激发方向、速度一致的高速电子流，驱动水体流动。沿岸的树木如同吸收电能的自充电桩，太阳温差形成的风从空中通过树木给水流充电，风是夹杂电子流的等离子气体。江河沿岸的输电网络也会部分向堤坝中的水漏电。地热、火山、日光是自然界的水流循环电能的重要存在形式。人类应当建立燃烧发电的水利设施，提高某些水流网络节点区域的水温、水压，利用电力提升某些势场低的节点的能量，保障或加速水流循环。

自来水在水管里流动除了依靠重力外，还需要辅助的电力。连通器中的水需要考虑净重与做功，即质量与能量守恒。较粗的容器中的水下降，可以将较细容器中的水提升至同一高度。而较细的容器中的水下降，有时却不足以将较粗容器中的水提升至同一高度，它需要先填补较粗容器的体积。从连通处来看，许多楼房水箱里的水都需要借助电力提举抽上去，而不是单纯依靠远处的水塔里水的重力。类似，有些室内水管里的水也不全靠重力压出来，也许部分依靠电力压出来。金属水管可能提供或屏蔽了水流中的电子流，形成提举的水力。

以大运河为例。它横贯长江，连通南北，长达数千里，之间的水域环境复杂，总体上地势起伏不大。而其中的舟船连绵不断，很可能水流被沿运河的电力驱动流淌，而船舶除开人力、马达传动、水力推动外，还可能被周围环境中的电力直接从两岸向前推拽。这种利用两岸电力直接拖拽的方法主要利用了水与船的摩擦力小的特性。利用水力推动则使用了传动带的原理，水的质量似小实大，带契的船舶很多，可以节省能量。而通常的马达驱动则如同船体自身用力。与陆地车辆相比，它需要克服的摩擦力要小很多，所需要浪费的能量也小些。而通过摩擦获得的动力虽然小些，却可以通过电力直接推拽获得补充。因此，在大运河这种环境下，综合利用多种充电、动力方式，河道有可能获得很高的能量利用效率、很快的交通速度、很低的噪音、很高的安全系数，以至部分超过陆地车道。

图4中显示了一种简单的适于运河高速船舶的动力设计方案。它可以使用四种动力推进：一是水流及水流中的电流直接相互作用，它包括冲刷力、浮力、电力。它们可以缓慢或高速地推行船舶，电力依赖于河道电力设施的输出功率;二是船舶自身的马达及桨叶;三是空中及两岸环境中的电力推动船舶上的帆樯前行，依赖于河道附近的电力网络;四是两岸建立的铁轨及拉车，如同铁路机车，又像纤夫。直到近代，俄罗斯的伏尔加河边仍有纤夫拉船。图4中，拉车利用缆绳系在船舶的两侧。两个类似火柴棒的结构可以视为雷达，支架上有两个球，进行无线电高频探测。上述四种动力可以只使用其中某一种或几种。需要强调的是，船舶在水中高速运动平衡时，抵消重力的因素除了浮力之外，還有电力举力。

与此同时，通常的水力发电也许不是一种有效的发电方式。当代水力发电常用作调峰电站。水能是一种清洁能源，但是水力发电的效率却并不高。江河湖泊的水体循环需要净消耗电力，而水力发电则是净输出电力。如图5所示，水流循环中，总共需要的用电的一部分变成了水力发电，另一部分继续驱动水流循环。水流循环的输入能量中除电力外还有重力势能。从能源转换的效率来看，转换多次容易损失能量。水力还是需要电力供给、补充的力。因此，水力发电不是发电的主要方式。

四、对策与建议

针对水流动力问题，应该科学维护水流中的电力，合理规划布局变电设施，从以发电为目标变为以维护水流动、水循环为目标，主动输出电力。从物理学中的熵增原理可知，任何有秩序都需要付出能量。之所以能在局部从有序的水循环中收获动力，是因为宏观上有相应的能量输出装置在起作用。

利用外部电力治理水生态系统，除通过物联网监视、检测水域环境之外，还应当沿河沿江植树，一方面可以保护水土，另一方面可能形成吸收、发送环境中能量及信号的天线。在运河两岸靠近城市的地方，可以考虑建立伴行的铁轨，也许可以帮助拉拽水中行驶的船舶，提高其通行速度。

五、结论

水力是古人最早使用的机械动力，在人类的文明史中至今被提及。水力除开重力势能转化而来的动能外，还包括水流中的电力。由于电解质、杂质的因素，水体如同等离子体，可以导电。船舶在河流中航行时，可以借助水流中的电力。这种电力输出即使在静止的水域也存在于环境中。考虑复杂地理地形环境时，尤其需要考察周围的电磁环境、电力网络。

水力的一个重要用途是实现水流循环，保护人类的水资源和水环境，使其去除污染物，变得清洁，降解、沉淀某些有害物质。水力的第二个用途是水上交通。在考虑这两个问题时，应该主动计量电力可能产生的效果和影响，科学规划设施，合理补充电力，既使水流循环、水域清洁，又方便人们高效出行、节省人力物力。

作者简介：吴焘（1981— ），男，湖北新洲人，中山大学大学深圳研究院研究员，研究方向：集成电路、密码、编码。

*通讯作者：林格。