大運河里的科技智慧

張思晨

說起挖運河，大家往往會想到隋煬帝楊廣。其實，大運河的歷史遠比隋煬帝修的運河早得多。作為中國東部平原上的偉大工程，大運河的開發肇始于春秋時期的邗溝。邗溝溝通了淮河與長江，成為大運河河道最早成形的一段，至今已有2 500多年的歷史。

大運河包括隋唐大運河、京杭大運河和浙東大運河三部分，溝通了海河、黃河、淮河、長江和錢塘江五大水系，是世界水利史上的偉大工程之一，并在2014年6月22日獲準列入世界遺產名錄。這樣浩大的工程，要穿越復雜的地理環境，就必須解決一系列科學技術上的難關。

在大運河修建過程中，會碰到河道距離短但落差大的情況。例如，揚州城南門二里橋一帶的運河河道過于順直，地勢落差較大，水勢直泄長江，難以蓄積。在這種情況下，直線河道無法保障水流平穩，過往船只難以安全通行。那么，要如何解決這一問題呢？

明萬歷二十五年（1597），時任揚州知府的郭光廢棄了原來用以保持運河水位的水堰，依當地地理、地勢狀況，截直就曲，用回灣（使原有河道發生較大拐彎）降低水的流速——自城南門二里橋河口起，往西開挖新河，再折向南，復轉彎向東，迂回六七里，開鑿出“幾”字形河道，阻止水流外泄。這樣就降低了水位落差，減緩了河水下泄速度，抬高了上游水位，保持了大運河水面平緩，避免了船只擱淺之患。

后人稱此為“三灣抵一壩”，自此，揚州城區古運河除了偶爾清淤疏浚，其航道走向沒有太大的變動。

大運河全長約2 700千米，河道漫長，常經過湖區、天然河、河運交匯等復雜的地形和水域。這種復雜的水域存在動態水位差，為了保障河道暢通，大運河工程需要具備水位調節功能。古人建造了梯級船閘系統來控制水位升降，使船只能夠“翻山越嶺”。

中國是世界上最早發明船閘的國家，也是最早建造多級船閘的國家。公元423年，揚州最先建造了兩個斗門——運河上的“第一閘門”。船閘的前身被稱作“堰域”，它是橫攔運河的壩。最初的閘是一種單閘（相當于現在的節制閘），是古代常用的閘型，沿用時間最長。從元代開始，京杭大運河上已出現成系列的單閘。

隨著航運的發展，單閘的弊端逐漸顯現。為方便行船和節約水資源，運河上出現了復式船閘。帶有閘室的復式閘與單閘相比，一方面減少了開閘過船時兩閘之間的蓄水流失，另一方面通過閘門調節水位上下，使船只可以平順過閘。公元984年（北宋時期），出現了世界上最早的復式船閘——真州閘。

復式船閘由兩個閘門、一個閘室組成。沒有船只通行時，兩個閘門均為關閉狀態。當有船只通行時，一側閘門打開，另一側閘門依然關閉。船只駛入閘室后，打開的閘門再次關閉，并在兩閘之間充水或放水，用以確保穩定兩閘門之間的水位差。之后，打開另一側閘門，讓船只通行。

隨著復式船閘在北宋時期的創建與普及，至元明時期，復式船閘進一步發展，形成了梯級船閘，使得浩蕩的運輸船隊得以平穩地“翻山越嶺”，是古代航運技術發展的一大重要成就。

復式船閘的創建是航運工程技術的一大進步，但是在大運河某些水源匱乏的河段，船只過閘時，需要大量的水進入閘室；此外，船閘反復開啟會造成運河內本就匱乏的水源進一步減少，為了保障航運水源的穩定性，古人發明了澳閘。

澳閘是在復閘基礎上進一步發展而來，其附加的水澳具有向運河補水和重復利用船只過閘用水的雙重功效。北宋的曾孝蘊最先提出修筑澳閘，建議在“揚之瓜洲，潤之京口，常之奔牛”極度缺水地段修筑節水澳閘。位于今江蘇省鎮江市的京口閘，是澳閘的典型代表。

澳閘由澳、復式船閘和建在船閘一側的水閘組成，水閘與澳相通。澳，指的是在船閘旁邊建上、下兩個叫作“水澳”的小型水庫，用以蓄積流水、雨水或接納江河水；再開鑿小渠通向船閘，并以閘門控制。

澳閘所需的水取自水澳，并非運河，不僅可以反復利用，還可以向運河補水。澳、澳閘和復式船閘組成了可泄、可引、可蓄的完整工作樞紐。澳閘這個巧妙的設計，大大節約了船只過閘的耗水量，當時迅速在淮揚運河、江南運河中缺水的河段普及。

汛期時，經常出現河內水位過高、水勢過大的情況，為避免洪水滿溢威脅船只和航道安全，古人修建了滾水壩和減水閘等泄洪工程，確保大運河汛期安全。

滾水壩最早始建于秦朝，經過歷朝歷代的發展，在明代時已經有了規范的設計建造要求。滾水壩是一種攔水建筑物，其主要作用為抬高上游水位、攔蓄泥沙，限制水位高低。例如，大運河之上的戴村壩系京杭大運河沿線重要水利樞紐，由玲瓏壩、亂世壩、滾水壩組成。滾水壩的作用是汶水開始上漲、小汶河水位超過安全線后向西漫水，以防小汶河決口。

減水閘同樣是重要的分洪設施，其中值得一提的是建造于明朝萬歷十二年（1584）的揚州市寶應縣劉堡減水閘。劉堡減水閘的西側是寶應湖，寶應湖風急浪高、水流湍急，但作為漕運要道，大量的船只需要由此通過。為了保障漕運安全，劉堡減水閘應運而生。該閘可以在水流過大時開啟泄洪，使河內多余的河水經里河、排河東向入海，沿途還可以灌溉農田，造福百姓。

作為世界上開鑿最早、規模最大的人工運河，大運河從設計、施工到管理，涉及測量、計算、機械、流體力學等多方面的科學技術知識。大運河的修建過程反映了中國古代勞動人民的聰明才智和創造精神，至今仍帶給我們無限的啟發。

文章來源：《知識就是力量》

（責任編輯：嵇刊）