⚠ 守護生命的科學 🌊 水的故事 不需先備知識 閱讀約9分鐘

河裡泛白起泡的地方,
為什麼不能靠近?

「看起來很淺,水流也很緩,應該沒問題吧」――看起來是這樣的地方,有時卻是河裡最危險的地方。先把難懂的理論放一邊,我們從「原來有這種地方」開始說起。

發布:2026.08.15 難度:★☆☆(不需要先備知識即可閱讀) 數學公式只出現在最後的折疊區塊
請先想像一下這樣的場景

夏天的河邊。稍微上游一點的地方,有一道橫跨整條河的混凝土落差,高度大約1到2公尺。水嘩啦嘩啦地從落差處落下,像個小瀑布。

落差上方的水面如湖水般平靜,流下來的水量看起來也不大。而落差正下方,水面泛著白色泡沫,微微隆起。看起來也不深,彷彿小孩在那裡玩水也不奇怪,是一幅悠閒的風景。

這個「落差下方、泛白起泡的地方」,在水難救援人員之間被稱為「溺人機器」(drowning machine)。

白色隆起帶 此後正常流向下游 上游(看起來平靜) 混凝土落差 落水(直衝河底) 水面水流回落差 ← 只有底水流向下游 → 持續打轉
圖1:從側面看落差下方的情形。落下的水沿河底前進,在稍前方一邊泛白一邊浮起。在這條白色帶子靠落差一側,水面的水會流回落差方向(紅色箭頭)。真正流向下游的只有底層的水(藍色箭頭)。人一旦落入其中,就會在這個水環裡不斷被打轉。

危險的原因,只有兩個

1
泡水無法讓人浮起來

白色泡沫其實是「水和空氣混在一起、變得鬆散的水」。這種鬆散的水,支撐身體的力量很弱。就算會游泳、就算套著泳圈,也可能下沉。

2
水形成環流,不會讓人脫身

落差下方的水,形成一個「表面流回落差、只有底層流向下游」的環流。即使感覺被沖走離開了,也會再被拉回落差下方。

這兩件事同時發生,一旦落入其中,就很難靠自己的力量脫身。接下來,讓我們用生活中的例子一一來看。

原因一:泡水是「鬆散的水」

曾在海裡游泳的人,應該都有過「在海裡比在游泳池更容易浮起來」的感覺。在中東那座滿是鹽分的湖――死海,人甚至可以躺著浮在水面上。

這是因為「濃度越高的水」,浮力就越強。海水因為溶有鹽分,就算是同樣一杯水,也比游泳池的水重。水越重,就越能把浮在上面的東西往上撐。

那麼反過來,「濃度較低的水」又會怎樣呢?滿是泡沫的水,裡面密密麻麻混著空氣顆粒。空氣比水輕得多,所以混了泡沫的水,同樣一杯卻比較輕,也就是濃度較低的水。濃度低的水,浮力自然較弱。

海水(濃)一般的水滿是泡沫的水(稀薄) 很容易浮勉強浮著下沉 ※ 為方便理解而誇大繪製的示意圖。虛線為水面高度。
圖2:即使是同一個人,浮起的方式也會因水的「濃度」而改變。人體原本就只有「勉強能浮在一般水中」的重量,一旦混入泡沫讓水變稀薄,光是這樣就會下沉。

這裡重要的是,人體原本就只有「勉強能浮在一般水中」的程度。吸氣時稍微上浮,吐氣時稍微下沉,幾乎沒有多餘的餘裕。所以只要水稍微變稀薄,身體就會下沉。救生衣也只是靠「會浮的材料」把身體撐起來,在稀薄的水中同樣會失去效果。

💡 「看起來發白」本身,就是泡沫的訊號

水和空氣明明都是透明的,為什麼起泡後會看起來發白呢?這是因為無數細小泡沫的表面,把光線向四面八方反射的結果。雲是白的、刨冰是白的、透明玻璃磨成粉也會變白,都是同樣的道理。也就是說,「泛白起泡」正是河川在告訴我們,那裡是「稀薄的水」。

原因二:水形成環流持續打轉

接下來,來看看為什麼逃不出來。請再看一次圖1。

從落差落下的水,會猛力衝入河底。衝入後的水沿著河底前進一小段距離,然後浮上來,這就是「泛白隆起的帶狀水域」。然而浮起來的水並不會直接流向下游,而是沿著水面流回落差方向,接著又被落下來的水捲入,再次沉入底部。

也就是說,落差下方形成了一個「底層朝下游、表面朝落差」的水環,就像洗衣機裡的水一樣。

一旦有人落入其中,就會變成這樣。

  1. 被落下的水往下壓,沉到底部(因為泡沫而難以浮起)
  2. 隨著底層水流被帶動幾公尺,在白色帶狀水域附近浮上來
  3. 以為「終於能呼吸了!」的瞬間,水面的水流又把人帶回落差方向
  4. 再次被壓入落下水的下方 → 回到第1步

一圈大約數秒到十幾秒。能呼吸的只有第3步的那一瞬間。而且在第3步拚命想「游向下游」,只會像在電動步道上逆向奔跑,往往只是白白耗盡體力。

「看起來平靜」,正是最大的陷阱

如果是巨大的瀑布或急流,誰都不會靠近。但這種地方,落差上方像湖水一樣平靜,落下的水量也不大,下游看起來也很淺。然而,只要像下雨後那樣水量稍微增加,環流就會變強。「昨天還能玩水的地方」,就會變成完全不同的東西。

在美國,這種低矮落差(堰壩)造成的死亡事故已累積到數百件之多,正因為外觀樸實無華與實際危險性之間的落差,才有了「溺人機器」這個別稱。日本的河川裡,為了引灌農業用水或保護河床而設置的落差也多到數不清,周邊的事故也一直被反覆提出警告。

🔎 辨別方法 ― 這種地方不要靠近

那麼,該怎麼辦才好?

✅ 可以直接告訴孩子的三件事
  1. 不要在河川落差附近玩耍落差的上方和下方都不行。只要在上方滑倒,就會直接越過落差掉進環流裡。
  2. 看到白色泡沫和在同一個地方打轉的垃圾,那就是「河川的剎車帶」不要靠近。一定要穿上救生衣。不過即使穿著,在泡水中也可能無法浮起。
  3. 即使有人落水,也不要跳下去救遞出木棒或樹枝。投擲會浮的東西(保冷箱、裝有寶特瓶的袋子、繩索)。然後打119。根據美國公家機關的資料,這類落差造成的死者中,大約四分之一是前去救援的人。口訣是「遞、拋、絕不游過去」。
⚠ 萬一自己被捲入其中

首先希望大家知道的是,在沒有外力幫助的情況下,靠自己脫困幾乎被認為是不可能的。美國的公家機關,說明都是從這句話開始的。

不過各機關共同建議的姿勢是:「下巴貼近胸口,抱膝把身體縮成一團」。據說順利的話,有可能被沿著河底的水流推出環流之外(圖1的藍色箭頭)。因為水面全部都朝著落差方向流動,真正流向下游的只有底層水流。

反過來說,沒有任何一個公家機關寫著「不要試圖浮起來」或「主動潛入底部」。這終究只是「把身體縮成一團、不使力,水流有可能會把人帶出去」這種被動性的建議。

說實話,這與「知道就能得救」相比,更像是「即使知道,也非常困難」的事。在水中,上下與方向感都會喪失。正因如此,不靠近才是最重要的。

請一定要穿上救生衣。「泡水中不容易浮起」並不代表可以不穿。所有安全機構都要求穿著救生衣。另外,有一種說法認為穿著救生衣反而更難脫出環流,但也有研究否定了這個說法(見文末參考文獻5)。

同樣的現象,在廚房裡也能看到

🧪 30秒就能完成的觀察:水槽裡出現的「環流」
  1. 在廚房水槽裡放一個平盤子或砧板,把水龍頭的水用力對準中央沖下去
  2. 觀察水從沖擊點薄薄地向外擴散,在稍遠的地方突然隆起形成「環」

這個環流,和河川落差下方形成的白色帶狀水域,形狀變化非常相似(快而薄的水流撞上慢而深的水,突然隆起)。不過,背後運作的力並不完全相同。在盤子上這種薄薄的水膜中,水的黏性和表面張力也會發揮作用,至於這是不是主要因素,至今研究者之間仍未有定論。

總結

河裡泛白起泡的地方之所以危險,並不是因為「水流很快」。而是因為①泡沫讓水變稀薄,導致無法浮起;②水形成環流,不讓人脫身――這兩件光看外表很難想像的事,同時在那裡發生。

白色泡沫,以及在同一個地方不斷打轉的垃圾。
那是河川發出的「請別靠近這裡」的訊號。

渦流被壓縮後旋轉會變快,這種關係在龍捲風的猛烈氣流中也能看到。詳情請參閱這篇文章的說明。

給想知道更多的人 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理科到大學專業科目,本文會明確標示每段內容屬於哪個程度
後面出現的標籤說明
  • 國中國中理科課程範圍
  • 高中高中「基礎物理」「基礎化學」課程範圍
  • 高中+高中「物理」課程,或教科書中列為延伸、專欄的內容
  • 大學高中不會教、屬於大學專業科目(水力學、流體力學)的內容
  • 研究即使在大學也不會當作「定論」教授,是研究者目前仍在探究中的課題

國中用語:這個現象是有名字的

國中高中用公式驗證:在泡水中,會有多少公斤的力留在下沉方向

本文所說的「濃的水、稀薄的水」,用理科的語言來說就是密度(相同體積下的重量)。這部分可以透過計算得出明確的數字。

① 首先,看公式本身

浮力 = 水的密度 × 排開的體積

浮力向上推起的力[kgf]
水的密度一般的水為1.00[g/cm³]
排開的體積身體浸入水中的部分[L]

身體會受到等同於所排開水重量的向上力(阿基米德原理)。重要的是,這個公式裡沒有「游泳的力氣」也沒有「努力程度」。決定結果的,只有水的密度和體積。

而空氣的密度大約是水的800分之1。只要泡沫佔了體積的一成,水的密度就會降到0.90。人體的密度約為0.98,光是這樣,水就會變得比人體還輕。

② 代入數值實際算一下(體重70 kg、體積約71 L的人)
一般的水(密度 1.00)1.00 × 71 = 71 kgf → 和體重70 kg幾乎相等
含10%泡沫的水(密度 0.90)0.90 × 71 ≒ 浮力 ≒ 64 kgf → 相差 6 kgf,方向朝下沉
含30%泡沫的水(密度 0.70)0.70 × 71 ≒ 50 kgf → 70 − 50 = 20 kgf,方向朝下沉
若穿著浮力7.5 kgf的救生衣(密度0.70的水)救生衣的浮力也降為0.70倍,約 5 kgf → 仍有 15 kgf,方向朝下沉

※ 這是將身體單純化後的概算。實際上會因姿勢、呼吸、水流紊亂程度而大幅變動,但「在泡水中即使有浮具也可能無法浮起」的傾向,在救援現場已是廣為人知的經驗。

③ 把算出的數字,換成實際感受

在泡沫佔三成的水中,會留下20 kgf朝下沉的力。這相當於抱著20公斤的行李想要游泳一樣,等於扛著兩袋米。

更嚴重的是,即使穿著救生衣,仍會留下15 kgf的下沉力。因為浮具本身在泡水中也會失去效果。②表格的最後一行,說的正是這件事。

「游泳很厲害就沒問題」這種想法在這裡完全不適用。公式裡沒有游泳能力這一項,有的只是密度和體積,而這兩者都不是當事人能控制的。所以,不要掉進去才是最重要的。

④ 水流的力量,也能用同樣方式算出來

流動的水推擠身體的力量也能計算。F = ½ × 水的密度 × 速度² × 面積。

水的密度1000 kg/m³
水流速度2 m/s(約為步行速度)
身體受力面積0.3 m²(浸水到腰部的狀態)
代入計算0.5 × 1000 × 2 × 2 × 0.3 = 600 N
換算成重量600 ÷ 9.8 ≒ 61 kgf

相當於一個成年人的重量,從側面持續推著你。根本站不住。而且速度是以平方的方式發揮作用,水流變成2倍,力就會變成 2 × 2 = 4倍。

「只到膝蓋應該沒問題」這種判斷之所以危險,就是因為這個平方關係。起決定作用的不是深度,而是速度。即使外表看起來平靜,堰壩下方的水流實際上已經變快了。

高中大學精確說明原因二:水躍與弗勞德數

高中首先,從落差落下的水之所以會變快,是因為位能轉換成動能。這部分屬於基礎物理的範圍。

大學接下來,決定「為什麼會突然隆起」的,是由水流速度 v 和水深 h 組成的一個量 Fr = v / √(g h)(弗勞德數)。當 Fr > 1 的「超臨界流(快而淺的水流)」銜接到 Fr < 1 的「亞臨界流(慢而深的水流)」的地方,就會發生水躍。從落差落下後的水 Fr 值很大,在接上下游緩慢水流的地方,水深會突然增加並形成渦流。這是高中不會教、屬於大學水力學、明渠水流課程的內容。水壩的放水設施,就會刻意製造這種水躍,用來安全地消除水的衝勁(這種設計稱為消能工)。

高中+此外,水躍也是「柏努利定理不再成立」的典型例子,是個有趣的題材。柏努利定理的前提是能量不會損失,但水躍會因渦流和泡沫而大量損耗能量,所以不能直接套用(要改用動量守恆方程式)。柏努利定理本身,在高中教科書中多半被列為延伸內容。

高中+大學附加說明:流動的水有多強?

水在1立方公尺時約重1公噸。流速為 v 的水撞擊面積 A 時的力量,可以估算為 F ≈ ½ ρ v² A × C(C是由形狀決定的係數,大約是1)。流速2 m/s的水撞上人的軀幹(約0.3 m²)時,½ × 1000 × 4 × 0.3 ≈ 600 N,相當於約60公斤體重的力。

這裡的0.3 m²是「浸到腰部」的估計值,若只到膝蓋以下,大約是一半。重點在於速度是以平方發揮作用,流速變成2倍,力就會變成4倍。不過,決定人是否會被沖走的,並不是這個力和體重的大小比較,而是與河床之間的摩擦力。由於浮力讓身體變輕,實際上只要比「等同體重的力」小得多的力,腳就會被沖走滑倒。實驗報告顯示,在水深0.23公尺、流速1.8 m/s的條件下,人就會開始滑動。大學這個公式(阻力公式)和係數C(阻力係數)是流體力學課程的內容,但高中+從「水在單位時間內帶來的動量」推導出 ρ v² A 這個形式,用高中物理的動量知識就能理解。

研究目前還不清楚的事

到目前為止都是「教科書上寫的內容」。但這個現象裡,仍有尚未解決的部分。也就是說,教科書之外,世界還在延續。

也就是說,這篇文章的內容,同樣只是「目前已知範圍內的說明」。科學的話題,通常都存在這層「尚未明瞭」的部分。

與教科書的對應(依程度分類)

程度科目、單元本文對應段落
國中理科:密度/浮力、水壓/能量「濃水、稀薄水」的說明、圖2、落差處水變快的原因
高中基礎物理:力的平衡/浮力/力學能阿基米德原理公式、浮力概算表
高中基礎化學:密度與混合物混入泡沫的水的平均密度概念
高中+物理:動量/柏努利定理(多數教科書列為延伸內容)流水力量 ½ρv²A 的估算、水躍中柏努利定理不適用的說明
大學水力學:明渠水流(土木工程)弗勞德數、超臨界流與亞臨界流、水躍、消能工
大學流體力學:多相流氣液兩相流、空隙率、阻力係數
研究水力學、水難救援研究領域(未解決)實際河川中的空隙率測量、比例效應、脫困條件建模、危險地點的全面調查
―防災、安全教育辨別方法、Reach・Throw・Row, Don't Go(遞、拋、划船靠近、絕不游過去)、防止二次遇難
參考、出處
  1. U.S. Army Corps of Engineers, Low-Head Dam Inventory — Safety Tips. https://nid.sec.usace.army.mil/lhdi/dam-basics/safety-tips (縮身姿勢、Reach・Throw・Row, Don't Go、死者中約25%為救援者)
  2. Ohio Department of Natural Resources, Lowhead Dam Safety(「沒有外力協助幾乎無法脫困」)。/ Indiana DHS, Low-Head Dam Safety Tips.
  3. Minnesota DNR, The Drowning Machine(2012)。氣泡造成浮力下降,以及即使穿著救生衣也難以浮起的現象。
  4. Wüthrich, D., Shi, R. & Chanson, H., Air entrainment in hydraulic jumps, Environmental Fluid Mechanics 22(4), 2022 / Wang, H. & Chanson, H., Canadian Journal of Civil Engineering 45(2), 2018(水躍內部空隙率的實測)。Chanson, H., Hydraulics of aerated flows: qui pro quo?, Journal of Hydraulic Research 51(3), 223–243, 2013.
  5. Gioia, G. et al., Residence time of buoyant objects in drowning machines, PNAS 108(15), 2011(指出穿不穿救生衣幾乎不會改變脫困所需時間的研究)。
  6. Jonkman, S. N. & Penning-Rowsell, E., Human Instability in Flood Flows, JAWRA 44(5), 1208–1218, 2008(水深0.23公尺、流速1.8 m/s時開始滑動)。
  7. Duchesne, A. & Limat, L., Circular hydraulic jumps: where does surface tension matter?, J. Fluid Mech. 937, R2, 2022(關於水槽水躍現象的爭論)。
  8. 日本警察廳《水難概況》(警察庁「水難の概況」,各年度)、公益財團法人河川財團(公益財団法人河川財団)發布的水難事故防範宣導資料。

※本文為一般大眾科學解說。實際的安全判斷,請務必依照現場警告標示,以及地方政府、消防與河川管理機關的指示為準。文中數值僅為理解原理所用的概算。