試談電力對水力的影響

吳燾　林格

摘要：古人說“流水不腐、戶樞不蠹”，說明水流的重要性。水的流動需要動力，同時流水也會產生水力。一般而言認為水力是從重力勢能而來，水流的動能來自水從高山下行的落差。實際上，水力可能由電力轉化而來，而且與電力伴生。從本質上說，自然中的水是等離子體，流水可以被電力驅動，水流也可以包括電流。水力應當用于維護生態系統中的水流循環，使得水資源與水環境形成動態系統，而不成為一潭死水。同時，水力可以幫助人類實現水上交通。除開用于機械驅動外，還可能電力傳動。

關鍵詞：水力;水電;船舶

中圖分類號：TV212

一、緒論

水是生命之源，據科學家研究實驗，人不吃飯大約可以堅持7天時間，不喝水則僅能維持2～3天時間。人體中超過一半的重量是水分子，水是其身體機能的重要成分。水還可以用于洗滌衣物、沖刷污垢，自然界中的雨、雪可以美化環境。水上交通是古代文明的重要因素，詩詞中寫到水的比比皆是，李白說過：“黃河之水天上來，奔流到海不復回。”“楚水清若空，遙將碧海通。”杜甫說過：“在山泉水清，出山泉水濁。”

近代以來，隨著工商業發展，農業在國民經濟中的比重逐漸降低，城市不斷發展，農村呈現出荒頹景象。水流變小，水道堵塞。長江水位降低，黃河中游斷流。湖泊生態系統惡化，水質變差。近海水域出現各種污染物質。因此，水資源保護、水環境治理關系國計民生。

二、水資源保護與水環境治理

水資源保護主要體現在水源保護，江河湖海是主要的載體。海洋是宏觀生態系統，江、河是網絡生態系統，水庫湖泊是局部生態系統。對于農村而言，曾經的水資源主要是塘、堰，依賴于農業發展及氣候降雨。對于城市而言，主要依賴于附近的湖？白、水庫。海濱城市也是如此。利用渠道飲水灌溉是自古以來的做法，古代的鄭國渠、現代的紅旗渠都是明證。當代隨著工業發展、農業滯后，農村的水域環境逐漸惡化。在21世紀新城鎮建設的環境下，供水系統也逐漸依賴湖泊、水庫。

許多重大水利工程對水資源保護、水環境治理起到了重要作用。三峽大壩、葛洲壩、小浪底等水利設施對長江、黃河的流域生態系統起到了重要控馭作用。三峽水庫修建之后，從長江上游流下的垃圾污染物明顯減少，水質變好。

許多河流泛濫會歸結于河道治理。漢代黃河時而決口，漢武帝治理過多次。明代潘季馴治理長江，防止水中攜帶的泥土壅塞水道，以沖擊法為主，提高流速，帶走沿岸的泥土。據說，今上海市的崇明島主要是在明代治理長江時逐漸形成的島。清代設河道總督一職，官比一省大員。現代治理河道通常會修建導流明渠，將河水引開。河底通常會鋪設石頭、泥土、隔離帶，吸附、積淀的污染物需要定期清理。

當代隨著物聯網的發展，可以在沿江、沿湖設置傳感器及通信網絡，對水流、水域進行監測，及時準確地了解水量、水質、水溫、流速的變化。

三、局域水流導電與水力發電

化學中純凈水不導電，但是自然界中的水幾乎都導電。一般認為是水中的帶電離子所致。一般的鹽分都容易形成離子，如鈉、鉀、氯、硝酸。現代的工業制造產生大量的廢水，其中的礦物成分、金屬成分都容易導致水體污染極化，成為導電物質。因此，水體其實是等離子體，水流其實是在某些局域導電的物流。

通常認為，河流在平原、草原上流淌依靠的是勢能。即水從高處往低處流。有些微觀上的勢壘被宏觀上的勢阱抵消掉了。圖2中的花箭頭表示水流趨勢。盡管如此，重力卻不是河流唯一的動力。動力的來源還有電力，即局域水流導電、充電，獲得水力。

水流導電需要在河流的節點設置正負極，電極可能使用特殊材質，激發方向、速度一致的高速電子流，驅動水體流動。沿岸的樹木如同吸收電能的自充電樁，太陽溫差形成的風從空中通過樹木給水流充電，風是夾雜電子流的等離子氣體。江河沿岸的輸電網絡也會部分向堤壩中的水漏電。地熱、火山、日光是自然界的水流循環電能的重要存在形式。人類應當建立燃燒發電的水利設施，提高某些水流網絡節點區域的水溫、水壓，利用電力提升某些勢場低的節點的能量，保障或加速水流循環。

自來水在水管里流動除了依靠重力外，還需要輔助的電力。連通器中的水需要考慮凈重與做功，即質量與能量守恒。較粗的容器中的水下降，可以將較細容器中的水提升至同一高度。而較細的容器中的水下降，有時卻不足以將較粗容器中的水提升至同一高度，它需要先填補較粗容器的體積。從連通處來看，許多樓房水箱里的水都需要借助電力提舉抽上去，而不是單純依靠遠處的水塔里水的重力。類似，有些室內水管里的水也不全靠重力壓出來，也許部分依靠電力壓出來。金屬水管可能提供或屏蔽了水流中的電子流，形成提舉的水力。

以大運河為例。它橫貫長江，連通南北，長達數千里，之間的水域環境復雜，總體上地勢起伏不大。而其中的舟船連綿不斷，很可能水流被沿運河的電力驅動流淌，而船舶除開人力、馬達傳動、水力推動外，還可能被周圍環境中的電力直接從兩岸向前推拽。這種利用兩岸電力直接拖拽的方法主要利用了水與船的摩擦力小的特性。利用水力推動則使用了傳動帶的原理，水的質量似小實大，帶契的船舶很多，可以節省能量。而通常的馬達驅動則如同船體自身用力。與陸地車輛相比，它需要克服的摩擦力要小很多，所需要浪費的能量也小些。而通過摩擦獲得的動力雖然小些，卻可以通過電力直接推拽獲得補充。因此，在大運河這種環境下，綜合利用多種充電、動力方式，河道有可能獲得很高的能量利用效率、很快的交通速度、很低的噪音、很高的安全系數，以至部分超過陸地車道。

圖4中顯示了一種簡單的適于運河高速船舶的動力設計方案。它可以使用四種動力推進：一是水流及水流中的電流直接相互作用，它包括沖刷力、浮力、電力。它們可以緩慢或高速地推行船舶，電力依賴于河道電力設施的輸出功率;二是船舶自身的馬達及槳葉;三是空中及兩岸環境中的電力推動船舶上的帆檣前行，依賴于河道附近的電力網絡;四是兩岸建立的鐵軌及拉車，如同鐵路機車，又像纖夫。直到近代，俄羅斯的伏爾加河邊仍有纖夫拉船。圖4中，拉車利用纜繩系在船舶的兩側。兩個類似火柴棒的結構可以視為雷達，支架上有兩個球，進行無線電高頻探測。上述四種動力可以只使用其中某一種或幾種。需要強調的是，船舶在水中高速運動平衡時，抵消重力的因素除了浮力之外，還有電力舉力。

與此同時，通常的水力發電也許不是一種有效的發電方式。當代水力發電常用作調峰電站。水能是一種清潔能源，但是水力發電的效率卻并不高。江河湖泊的水體循環需要凈消耗電力，而水力發電則是凈輸出電力。如圖5所示，水流循環中，總共需要的用電的一部分變成了水力發電，另一部分繼續驅動水流循環。水流循環的輸入能量中除電力外還有重力勢能。從能源轉換的效率來看，轉換多次容易損失能量。水力還是需要電力供給、補充的力。因此，水力發電不是發電的主要方式。

四、對策與建議

針對水流動力問題，應該科學維護水流中的電力，合理規劃布局變電設施，從以發電為目標變為以維護水流動、水循環為目標，主動輸出電力。從物理學中的熵增原理可知，任何有秩序都需要付出能量。之所以能在局部從有序的水循環中收獲動力，是因為宏觀上有相應的能量輸出裝置在起作用。

利用外部電力治理水生態系統，除通過物聯網監視、檢測水域環境之外，還應當沿河沿江植樹，一方面可以保護水土，另一方面可能形成吸收、發送環境中能量及信號的天線。在運河兩岸靠近城市的地方，可以考慮建立伴行的鐵軌，也許可以幫助拉拽水中行駛的船舶，提高其通行速度。

五、結論

水力是古人最早使用的機械動力，在人類的文明史中至今被提及。水力除開重力勢能轉化而來的動能外，還包括水流中的電力。由于電解質、雜質的因素，水體如同等離子體，可以導電。船舶在河流中航行時，可以借助水流中的電力。這種電力輸出即使在靜止的水域也存在于環境中。考慮復雜地理地形環境時，尤其需要考察周圍的電磁環境、電力網絡。

水力的一個重要用途是實現水流循環，保護人類的水資源和水環境，使其去除污染物，變得清潔，降解、沉淀某些有害物質。水力的第二個用途是水上交通。在考慮這兩個問題時，應該主動計量電力可能產生的效果和影響，科學規劃設施，合理補充電力，既使水流循環、水域清潔，又方便人們高效出行、節省人力物力。

作者簡介：吳燾（1981— ），男，湖北新洲人，中山大學大學深圳研究院研究員，研究方向：集成電路、密碼、編碼。

*通訊作者：林格。