都江堰建造原理揭秘

王 媛

在中國農(nóng)業(yè)博物館展廳中有一個特效場景，它向我們展示的是我國的宏大水利工程——都江堰。它無壩，卻能讓岷江水乖巧地流入成都平原，時至今日兩千多年，仍發(fā)揮著防洪灌溉的作用。

為什么要建造都江堰？

公元前316年，秦滅蜀之后，攻打楚國成為其統(tǒng)一全國的首要任務。成都成了秦國統(tǒng)一長江流域及華南地區(qū)的上游據(jù)點（楚國位于長江中游，因此位于長江上游的蜀自然成為秦國的戰(zhàn)略后方）。但在當時，岷江水道并不流經(jīng)成都。因此，為了方便航運，重新打通和修筑成都水路便成為當時迫切需要解決的問題，時任蜀郡太守的李冰承擔起了這項重任，于是一項宏大水利工程就此拉開帷幕。

都江堰東部是現(xiàn)在的成都平原，它呈扇形向東南傾斜，這種居高臨下自然傾斜的地形對修建水利工程最為有利。它不需要筑壩，只需在大江上游截江取水，引入成都。

李冰正是利用這一地形優(yōu)勢，將地點定在了玉壘山下，開始興修水利工程。

都江堰為什么建造在岷江的一段彎道上？

秦國人習慣用鏵尖分流的方式來截江引水，如鄭國渠、靈渠等水利工程。岷江上游江水流速大而急，李冰首選的辦法便是將岷江分流，建造的分水設施是“魚嘴”分水堤，它是都江堰三大主體工程之一，因其像鯨魚的嘴巴，因此得名“魚嘴”，“魚嘴”將岷江分為外江和內江，只有內江水可以流入成都平原。

在李冰所選定的這段岷江河道中，實際存在著一個天然沙洲，“魚嘴”分水堤就是在這個天然沙洲基礎上建造起來的。

天然沙洲的形成和岷江這段彎道有關：當洶涌的岷江水流經(jīng)這段彎道的時候，水流受到了離心力作用，凹岸（河流彎曲河段岸線內凹的一岸）一側的水面高度會高于凸岸水面，又因為重力的作用，靠近凹岸的江水會有一個向下流動的趨勢，江水在向下運動的過程中會帶動凹岸一側以及河底的泥沙向凸岸（彎曲河床河岸凸出部分）一側移動，久而久之，沙石淤積，便形成了這個江心沙洲。這個過程叫作“凹沖凸於”。（彎道處的水流會呈現(xiàn)出螺旋狀向前運動）

什么是“四六分水、二八分沙”？

李冰在建造都江堰時，讓內江的河床低于外江，這樣，在枯水期，江水流速相對較小，經(jīng)“魚嘴”分流之后流入內江的水量會增多，約占岷江總水量六成；在豐水期，岷江水位相對升高，岷江水流流速增大，流量增多，河流主流線相對變直，因而，會有大概六成水（主流線）直接沖入外江，四成水流向內江，這就是“四六分水”。

如此控制水量，可以有效控制進入內江的岷江水，既可以保證成都平原的用水量，又可以避免水量過多引發(fā)洪水。而為了保證“魚嘴”能夠準確地“分四六”，李冰還使用了一種叫作“榪槎”的輔助工具用來擋水，它是一種木質結構的三腳架。例如，進入內江的水量過大時，可以在“魚嘴”的內江一側放置一定數(shù)量的榪槎，這樣便可以阻擋一定的江水，更加精確地控制內江水量，現(xiàn)代則是設置了閘門調節(jié)水量。

“二八分沙”利用的依然是“凹沖凸於”的原理。依據(jù)河流動力學的原理，把水流分為表層水流和底層水流，表層水流主要受到離心力作用，向凹岸流動；底層含有大量沙石的水流向凸岸。

“魚嘴”就是這么巧妙地被設置在這段彎道中間靠上一點點處，使得岷江中八成的泥沙從外江流走。

資料圖

資料圖

什么是“深陶灘、低作堰”？

“深陶灘、低作堰”的六字治水經(jīng)千年不衰、家喻戶曉，這六個字用來指導后人如何維護都江堰，涉及都江堰另外兩大主體工程：飛沙堰和寶瓶口。

當江水經(jīng)“魚嘴”流入內江后，遇到虎頭巖（寶瓶口前伸向江心的巖石）撞擊，再加上離堆的推擋作用，便會自然形成渦流，這股渦流徑直向飛沙堰的位置流去，多余的洪流和泥沙也隨之被甩入外江。而剩余的泥沙會在飛沙堰對面的鳳棲窩沉積，需要人為定時淘挖，這項活動便稱之為“歲修”，“深陶灘”具體指的便是“歲修”淘挖時，一定要挖到一定的深度，直至挖到石馬才算完成，用以保證內江河床沖淤平衡。

事實上，各朝各代都非常重視維護和加固都江堰，例如石馬之后被“臥鐵”代替，當然，它們的位置依然是一致的，這個位置叫作河流平衡剖面。

“低作堰”指的是飛沙堰的高度不能過高（現(xiàn)保持在2米左右），便于疏水、排沙，起到“引水以灌田，分洪以減災”的作用。

由此可以看出，飛沙堰的作用，一是可以排走內江多余的江水，防洪；二是將內江泥沙排入外江，排沙；三是保證內江水量。

岷江水經(jīng)過“魚嘴”和飛沙堰之后，若想順利流入成都平原，需要繞過或者穿過玉壘山，但是由于地勢地貌的特點，若選擇引岷江水繞開玉壘山，則無法再引入成都平原，因此，李冰選擇用以火燒石的辦法鑿通玉壘山，這個人工鑿出的開口，形似瓶口，而且有控制內江進水量的奇特功能，因此取名“寶瓶口”。

“魚嘴”、飛沙堰、寶瓶口，都江堰的三大主體工程分別發(fā)揮了分水分沙、防洪排沙、調節(jié)水量的重要作用，使成都從此由多災之城變?yōu)榱唆~米之鄉(xiāng)。

都江堰的創(chuàng)建，不破壞環(huán)境，充分利用自然資源，變害為利，從此，廣袤的成都平原“水旱從人，不知饑饉，天下謂之天府也”。它是對“彎道環(huán)流”流體力學原理的最早利用。當然，古人是不懂得水力學中這個深奧道理的，他們學習前人治水方法以及通過自身長期觀察實踐，經(jīng)驗地符合了這一科學原理。

它是世界上迄今為止年代最久、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程，被聯(lián)合國教科文組織列入“世界文化遺產(chǎn)”名錄。都江堰澤被天下、造福千秋，它是中國的驕傲，是中華民族一座永恒的豐碑。