都江堰建造原理揭秘

王 媛

在中國(guó)農(nóng)業(yè)博物館展廳中有一個(gè)特效場(chǎng)景，它向我們展示的是我國(guó)的宏大水利工程——都江堰。它無(wú)壩，卻能讓岷江水乖巧地流入成都平原，時(shí)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(guó)成為其統(tǒng)一全國(guó)的首要任務(wù)。成都成了秦國(guó)統(tǒng)一長(zhǎng)江流域及華南地區(qū)的上游據(jù)點(diǎn)（楚國(guó)位于長(zhǎng)江中游，因此位于長(zhǎng)江上游的蜀自然成為秦國(guó)的戰(zhàn)略后方）。但在當(dāng)時(shí)，岷江水道并不流經(jīng)成都。因此，為了方便航運(yùn)，重新打通和修筑成都水路便成為當(dāng)時(shí)迫切需要解決的問(wèn)題，時(shí)任蜀郡太守的李冰承擔(dān)起了這項(xiàng)重任，于是一項(xiàng)宏大水利工程就此拉開(kāi)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(duì)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(shì)，將地點(diǎn)定在了玉壘山下，開(kāi)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(guó)人習(xí)慣用鏵尖分流的方式來(lái)截江引水，如鄭國(guó)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(shè)施是“魚(yú)嘴”分水堤，它是都江堰三大主體工程之一，因其像鯨魚(yú)的嘴巴，因此得名“魚(yú)嘴”，“魚(yú)嘴”將岷江分為外江和內(nèi)江，只有內(nèi)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(shí)際存在著一個(gè)天然沙洲，“魚(yú)嘴”分水堤就是在這個(gè)天然沙洲基礎(chǔ)上建造起來(lái)的。

天然沙洲的形成和岷江這段彎道有關(guān)：當(dāng)洶涌的岷江水流經(jīng)這段彎道的時(shí)候，水流受到了離心力作用，凹岸（河流彎曲河段岸線內(nèi)凹的一岸）一側(cè)的水面高度會(huì)高于凸岸水面，又因?yàn)橹亓Φ淖饔?，靠近凹岸的江水?huì)有一個(gè)向下流動(dòng)的趨勢(shì)，江水在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)凹岸一側(cè)以及河底的泥沙向凸岸（彎曲河床河岸凸出部分）一側(cè)移動(dòng)，久而久之，沙石淤積，便形成了這個(gè)江心沙洲。這個(gè)過(guò)程叫作“凹沖凸於”。（彎道處的水流會(huì)呈現(xiàn)出螺旋狀向前運(yùn)動(dòng)）

什么是“四六分水、二八分沙”？

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

如此控制水量，可以有效控制進(jìn)入內(nèi)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(guò)多引發(fā)洪水。而為了保證“魚(yú)嘴”能夠準(zhǔn)確地“分四六”，李冰還使用了一種叫作“榪槎”的輔助工具用來(lái)?yè)跛?，它是一種木質(zhì)結(jié)構(gòu)的三腳架。例如，進(jìn)入內(nèi)江的水量過(guò)大時(shí)，可以在“魚(yú)嘴”的內(nèi)江一側(cè)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(nèi)江水量，現(xiàn)代則是設(shè)置了閘門調(diào)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(dòng)力學(xué)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(dòng)；底層含有大量沙石的水流向凸岸。

“魚(yú)嘴”就是這么巧妙地被設(shè)置在這段彎道中間靠上一點(diǎn)點(diǎn)處，使得岷江中八成的泥沙從外江流走。

資料圖

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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(gè)字用來(lái)指導(dǎo)后人如何維護(hù)都江堰，涉及都江堰另外兩大主體工程：飛沙堰和寶瓶口。

當(dāng)江水經(jīng)“魚(yú)嘴”流入內(nèi)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(huì)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(huì)在飛沙堰對(duì)面的鳳棲窩沉積，需要人為定時(shí)淘挖，這項(xiàng)活動(dòng)便稱之為“歲修”，“深陶灘”具體指的便是“歲修”淘挖時(shí)，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(nèi)江河床沖淤平衡。

事實(shí)上，各朝各代都非常重視維護(hù)和加固都江堰，例如石馬之后被“臥鐵”代替，當(dāng)然，它們的位置依然是一致的，這個(gè)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(guò)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(zāi)”的作用。

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

岷江水經(jīng)過(guò)“魚(yú)嘴”和飛沙堰之后，若想順利流入成都平原，需要繞過(guò)或者穿過(guò)玉壘山，但是由于地勢(shì)地貌的特點(diǎn)，若選擇引岷江水繞開(kāi)玉壘山，則無(wú)法再引入成都平原，因此，李冰選擇用以火燒石的辦法鑿?fù)ㄓ駢旧?，這個(gè)人工鑿出的開(kāi)口，形似瓶口，而且有控制內(nèi)江進(jìn)水量的奇特功能，因此取名“寶瓶口”。

“魚(yú)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(diào)節(jié)水量的重要作用，使成都從此由多災(zāi)之城變?yōu)榱唆~(yú)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(duì)“彎道環(huán)流”流體力學(xué)原理的最早利用。當(dāng)然，古人是不懂得水力學(xué)中這個(gè)深?yuàn)W道理的，他們學(xué)習(xí)前人治水方法以及通過(guò)自身長(zhǎng)期觀察實(shí)踐，經(jīng)驗(yàn)地符合了這一科學(xué)原理。

它是世界上迄今為止年代最久、唯一留存、以無(wú)壩引水為特征的宏大水利工程，被聯(lián)合國(guó)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(guó)的驕傲，是中華民族一座永恒的豐碑。