[科普中国]-漫谈瀑布与科学

日照香炉生紫烟，遥看瀑布挂前川。
飞流直下三千尺，疑是银河落九天。
——李白《望庐山瀑布》

这是唐代诗人李白(701-762)所写的七绝“望庐山瀑布”。香炉指庐山香炉峰，“在庐山西北，其峰尖圆，烟云聚散，如博山香炉之状”（乐史《太平寰宇记》）。从远处望去，在红日照射下，香炉升起的团团白烟化成了一片紫色烟霞；瀑布像是一条巨大的白练高挂于山川之间。

望庐山瀑布诗意画

庐山开先瀑布

庐山三叠泉瀑布

瀑布及其成因
瀑布（waterfall）在地质学上称为跌水，是指河流或溪水经过河床纵断面的显著陡坡或悬崖处时，成垂直或近乎垂直地倾泻而下的水流。在地质学上，是由断层或凹陷等地质构造运动和火山喷发等地表变化，造成河流的突然中断，另外流水对岩石的侵蚀和溶蚀也可以造成很大的地势差，从而形成瀑布。
瀑布也称河落(falls)，当流量很大时，可称为大瀑布(cataract)。流量小、陡峭度较小的瀑布称小瀑布(cascade)，常指沿河的小跌落。
地质学家认为，形成瀑布的原因很多，主要原因是：组成河床底部的岩石软硬程度不一致，被河水冲击侵蚀得厉害，形成陡坎，坚硬的岩石则相对悬垂起来，河水在河道中奔流，遇到河床的陡坎时，便飞泻而下，形成了瀑布。除此之外，还有因山崩、断层、熔岩堵塞(一大块熔化了的岩石从下面挤上来。随着时间的推移，岩石慢慢地硬化了，就在河道中形成了一堵墙)、冰川（古代的冰川切入山谷之中，使两侧形成悬崖峭壁）等作用，形成瀑布。
号称世界最大瀑布的美国与加拿大交界处的尼亚加拉瀑布（Niagara Falls） ，是尼亚加拉河水翻过白云石的悬崖峭壁，直落入下面的一个大水池里。

美国与加拿大交界处的尼亚加拉瀑布

瀑布原为自然景观，加上人为光照点缀，五光十色，整个瀑布浸润在一种缥缈迷离的梦境中，成为了世界名瀑中独一无二的特色。

穿上雨衣乘观赏游船可充分领略瀑布的磅礴气势

中国的一些名山大川中，差不多都有瀑布。中国最大的瀑布是贵州黄果树瀑布，黄果树瀑布位于贵州省安顺市镇宁布依族苗族自治县，是珠江水系打邦河的支流白水河九级瀑布群中规模最大的一级瀑布。

黄果树瀑布

黄果树瀑布是世界上唯一可以从上、下、前、后、左、右六个方位观赏的瀑布。
中国的第二大瀑布是壶口瀑布，是黄河上唯一的黄色大瀑布，号称“黄河奇观”，其奔腾汹涌的气势常被称为是中华民族精神的象征。
据许多学者研究认为，壶口瀑布也是水力侵蚀和冰川活动造成的。

壶口瀑布极为壮观。滔滔黄水倾泻而下，激流澎湃，浊浪翻滚，水沫飞溅，烟雾迷濛，狂涛怒吼，声震数里，瀑布高度在枯水期可达15～20m，夏、秋之际可达45m。汛期洪流滚滚，涌出深槽，瀑布就变成一股激流倾泻而下。河水沿深槽下行5公里便是孟门，出孟门之后，水面展宽，水势变缓，又恢复到较平缓的景象。

1980版面值50元人民币的画面上那翻江倒海，奔腾跌泄，气势磅礴的壮观景象，就是黄河壶口瀑布。

1980版面值50元人民币背面

水力发电与生态文明
根据能量守恒定律，能量只会从一种形式转变成另一种形式，不能被创造或毁灭。瀑布从高处落下，势能会不断转变成动能，导致水高速流动。人们自然会想到能否把瀑布中水的部份动能，转换成有用的能量，而不让它完全散失？这正是水力发电的工作，水力发电的基本原理是利用水的势能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。
1878年法国建成世界第一座水电站。欧洲第一座商业性水电站是1885年建成的意大利的特沃利水电站，装机65kW。美洲第一座水电站1882年建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两台直流发电机组成，装机容量25kW。19世纪90年代起，水力发电在北美、欧洲许多国家受到重视，利用山区湍急河流、跌水、瀑布等优良地形位置修建了一批数十至数千千瓦的水电站。全世界可开发的水力资源约为22.61亿kW，分布不均匀，各国开发的程度亦各异。
中国也是世界上水能资源丰富的国家之一，水能资源技术可开发装机容量据估计为5.42亿kw，经济可开发装机容量4.02亿kw，开发潜力很大。1950年以后水电建设有了较大发展，大、中、小并举，重点建设了一批大型骨干水电站，其中最大的是长江三峡水电站。
水力发电虽有一些优点，但也会给生态、环境带来很大的影响。
水力发电一方面发电成本较低，且灵活高效。由于水电站的设备比较简单，其检修、维护费用也较同容量的火电厂低得多。水力发电主要动力设备的水轮发电机组，可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入运行，完成增减负荷,适应电力负荷变化的需要,不会造成能源损失。利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务，可以提高整个系统的经济效益。另一方面是有综合性的工程效益。由于筑坝拦水形成了水面辽阔的人工湖泊，控制了水流，因此兴建水电站一般兼有防洪、灌溉、航运、给水以及旅游等多种效益。
但是，水力发电带来的生态、环境影响也相当大。在自然方面，巨大的水库可能引起地表的活动，甚至诱发地震；此外，还会引起流域水文上的改变，如下游水位降低或来自上游的泥沙减少等，由于水库的蒸发量大，还会引起降雨量减少。在生物方面，水库建成后，可能会造成大量的陆生动植物被淹没死亡，甚至全部灭绝。对水生动物而言，由于上游生态环境的改变，会使鱼类受到影响，导致灭绝或种群数量减少；同时由于上游水域面积的扩大，使某些生物(如钉螺)的栖息地点增加，为一些地区性疾病(如血吸虫病)的蔓延创造了条件。
据人民网2013年8月17日报道，由世界自然基金会(WWF)与长渔办联合主办，包括中科院、复旦大学、长江科学院、同济大学等机构的专家2013年进行了长江上游联合科考。科考队在对金沙江下游已经建成的水电站进行考察后发现，金沙江段密集的水电开发，导致了大量鱼类栖息地遭到破坏和丧失，而水电项目也带来洄游通道阻断、江水水温降低等连带效果，更严重破坏了多种鱼类的生长规律，导致其数量急剧减少。
大坝建成后，原来的急流型河流生态系统被以深水、静水为特征的水库生态系统所替代，导致依靠急流险滩生存的鱼类失去栖息地。金沙江流域143种鱼类只找到17种。除了对水生生物带来灭绝性的直接影响，梯级水电的建设还改变了上游的水沙通量，从而对长江中下游水沙变化规律、河流湿地生态系统的分布产生影响。
自然生态有着其自身的发展规律。生态文明要求人类要尊重和爱护自然，才能将人类的生活建设得更加美好；人类要自觉、自律，树立生态观念，约束自己的行动，必须保持对大自然的敬畏和尊重，学习和大自然和谐相处，从自身做起，从现在做起，不能再发生破坏生态、环境的恶劣行为。
我们必须真正认识到：保护自然就是保护我们自己，保护环境和资源就是保证子孙后代的幸福和安全。再不能抱着“人定胜天”的口号去想“征服自然”。所以我们不能只看到水力发电的好处，看不到其对环境的影响，使生态文明受到破坏。