一文看懂四川都江堰工程是怎麼工作的

資訊     2021年10月14日

都江堰水利工程,竟成了日本的「眼中釘」?是的。日本還想轟炸毀掉都江堰,他們能成功嗎?

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都江堰水利工程航拍(從岷江下游往上遊方向看)

這話一說就到了上世紀的抗戰時期,日本侵略中國,尤其是當時的四川,久攻不下遲遲不降,他們認為是四川的殷實和富足,提供了太多了的人力、物力和財力支持,而這些都來自於——都江堰水利工程。如果炸毀了都江堰大壩,四川唾手可得。於是呢,日軍派出最優秀的飛行員駕著轟炸機到了都江堰上空,繞了好幾圈,除了看到多條奔涌的河流,就是找不到想像中攔截江水的大壩,沒辦法,隨便扔了一些炸彈到了岷江水中,除了濺起的幾朵水花,白玩一趟,帶著遺憾和無可奈何悻悻而歸。

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都江堰水利工程航拍(內江分洪)

無壩取水,讓日軍無功而返

說起從大江大河裡大量取水,我們往往能想到的就是在江河裡築起高壩,攔截江水,抬高水位,再從壩前一旁把水引出來。但是都江堰卻是特例,它根本就沒有大壩,炸什麼。2000多年前,李冰父子就發明了「無壩引水」的都江堰水利工程,這不得不說是個奇蹟。估計日軍根本就沒想到無壩也能取水,這就是老虎向貓學本領,還沒學到家。

為什麼要修都江堰?

早在戰國時期,四川盆地遠不像後來的「天府之國」那樣美麗富饒,連年鬧災荒,不是澇了,就是旱了。當時擔任蜀郡郡守的李冰帶著他兒子李二郎決定沿著岷江往上游去找原因。

岷江是四川的四大河流之一,位於四川盆地西北,發源於終年積雪的岷山上,上游坡度很大,水流特別急。當江水流出山谷進入盆地邊緣的都江堰市(之前叫灌縣)時,地勢突然變得平坦,上游衝下來的泥沙石塊很快沉下來,造成河道淤積,河床抬高。進入夏天,岷山上的積雪大量融化,大量雪水順江而下,但是淤塞的河道裝不了瞬間增多的江水,就漫過江岸,淹泡下游成都平原,造成洪澇災害。

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都江堰飛沙堰泄洪

岷江到達都江堰市時,由於江中河床凸起,把岷江分成了內江和外江兩條分支,到了玉壘山那裡,兩條江水又匯合了。結果是一座玉壘山,隔開了西側的岷江內江和東側的成都平原。由於玉壘山擋住了岷江,雖然岷江在這裡海拔有730米,而玉壘山以東的平原地區只有430米,徒有那麼大的高差,大量肥沃的土地也無法受到岷江水的滋潤和灌溉。

找到旱澇原因的李冰父子,決定在玉壘山這裡下功夫,「一定要根治岷江」。一是切開玉壘山,把岷江水引入成都平原;二是興修堤壩,防治岷江泛濫。這就是興修都江堰的由來。

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都江堰水利工程俯瞰,玉壘山左側是內江右側是成都平原

都江堰魚嘴「四六分水」的絕妙之處

不少人到過都江堰,也看到了下面的平面圖,甚至聽過導遊聲情並茂的解釋,知道了都江堰把岷江在玉壘山這裡分成了內江和外江,還有魚嘴、金剛堤、飛沙堰、寶瓶口等等關鍵的水利設施,但是對於都江堰為什麼能夠引岷江水,既能防澇還能灌溉的作用,仍然是一頭霧水。

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都江堰水利工程平面圖

都江堰的絕妙之處就是「四六分水」。怎麼個分水法呢?很多人納悶,有魚嘴、內江和外江就能實現分水了,答案是「是的」,不過只看平面圖並不能看出都江堰的精妙,答案在內江和外江的斷面上——內江比外江窄,但是深。

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都江堰魚嘴

(一)夏、秋豐水期。岷江的水位較高,都江堰這裡的水面變寬,岷江主流就通過外江,通過魚嘴的分流,少部分江水通過內江,分流比例是外江6內江4,這樣內江下游的成都平原既能得到足夠的江水灌溉還不至於引起洪澇。

(二)到了冬、春枯水期,岷江水位下降,水量減少,由於魚嘴的分流,而且內江比外江深,主流自動進入內江,分流比例改為內江6外江4,仍然能夠保證下游的用水量。

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魚嘴和內江、外江配合進行「四六分流」

有了魚嘴和金剛堤分成的內江和外江,就能精準地四六分開江水?答案還不是,還要有水位標尺的配合。為了準確控制內江的水量。李冰父子在內江邊上鑿了3個石人,用來測量水位的高低,還刻上控制水量的說明:枯水期,不能讓石人的腳露出來;豐水期,不能讓水漫到石人的肩膀上。後來又在江中一處岩石上鑿出來水位標尺,觀察水位,控制水量。

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一條飛沙堰,精準控制水量

光有內外江和石人就夠了嗎?還不行。在內江的最南端金剛堤那裡還設置了一條「飛沙堰」,它是一個較矮的滾水壩,要求它的壩頂高度不能高於內江的水位,也就是豐水期時多淹沒在內江里,所以人們不常看到它,但是它的作用很明顯,當內江水位低的時候,飛沙堰又露出水面,擋住江水不再流入外江,匯入岷江主流,確保流入成都平原的水量不減少;當內江水位高的時候,還能從壩頂溢流一部分江水進入外江,保障灌區免遭水淹。同時由於流入外江的水流的漩渦作用,還把內江下游寶瓶口前面積存的沙石帶出,防止淤積。這一設計不能說不絕。

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都江堰飛沙堰

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飛沙堰的位置

寶瓶口絕對是個寶

前面說到玉壘山隔絕了岷江內江和成都平原。怎麼把內江的水引入平原灌區,才是都江堰工程的關鍵。當然這一點也被李冰父子看在了眼裡,那還說啥,炸開玉壘山,引得岷江水。開山這事要是放到現在,基建狂魔根本不放在眼裡,可那是2000多年前呀,開山並不容易,那時候又沒火藥,不可能用火藥或者機械分開玉壘山,只能用錘子日積月累一點點干,這還不得猴年馬月呀。他們算了算,要是幹完至少30年,可是此時秦要攻楚,等不及呀。

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都江堰寶瓶口

於是李冰想了一個絕妙的辦法,先在岩石中間鑿一個深槽,再往裡面放進大量乾柴,這乾柴烈火,不久石頭就被燒得發紅、膨脹,趁此機會趕緊把冰涼的江水澆到石頭上,石頭熱脹冷縮,就會裂開。然後再上人去斧敲錘鑿,用了這個辦法,開山的速度大大提高,僅僅八年,李冰父子帶領人民就把玉壘山鑿開一個20米寬、40米高,80米長的大缺口。這個缺口從空中看,就像一個酒瓶子的開口,李冰索性就把這個點叫「寶瓶口」了,鑿出來的一堆石頭就成為「離堆」。

內江的出流進入寶瓶口,寶瓶口如同約束江水的瓶頸,以它永恆不變的寬度牢牢控制住入水量,在豐水期是多餘的水量無法進入成都平原,轉而通過飛沙堰溢流進入外江,如果水流仍然很大,寶瓶口邊上還有溢洪道再次分流,確保成都平原的安全。

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寶瓶口、飛沙堰和離堆

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離堆、飛沙堰

二八分沙的道理

在魚嘴分流的地方,內江出於凹岸,外江出於凸岸,根據彎道的水流規律,表層水流向凹岸的內江,底層的水流向凸岸的外江。隨江水而下的沙石大部分隨底層水流進入了外江,顯得較為渾濁,而進入內江的水流相對清澈。從魚嘴開始,80%的沙石流入外江,20%的沙石進入內江,這就是二八分沙的道理。即便如此,仍有部分泥沙進入了內江,這時內江的凹岸彎道處江水衝擊山體崖壁,形成漩流,就可以把較輕的泥沙帶到下游的飛沙堰排走,洪水越大,沙石的排除率越高。

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修好都江堰,並不是一勞永逸的

看了上面的描述,就感覺基建狂魔不僅是現在牛氣,放到2000年前,也是牛氣沖天。歷經14年,到了公元前256年,李冰終於把都江堰修好了。不過很多人都以為都江堰修好了,就是一勞永逸的水利工程。那就錯了。

雖然李冰建設都江堰,已經充分利用了水力作用,但是內江仍然不免有一部分泥沙沉積,如果不加維修整治,時間久了勢必堵塞內江河道,分水泄洪和灌溉的作用就沒有了。怎麼辦?為了讓都江堰良好運行,李冰又定出了維護制度,也就是大家熟知的「六字訣、八字格言」,歸結為兩個字就是「歲修」。所謂歲修,就是通常在每年江水較少的季節,對都江堰設施進行整修,清理河床、清理淤泥,這裡面包括六字訣「深淘灘、低作堰」,也有八字格言「遇彎截角、逢正抽心」和「乘勢利導、因時制宜」。

深淘灘——前面說了內江要比外江深,但是仍有少量沙石淤積在內江里,於是李冰在江河床里埋下了一個石馬,規定每年枯水季歲修時,必須把河床挖到石馬的深度才可以。

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深淘的標誌——石馬,明代時將石馬改為臥鐵

低作堰——每年都要調整飛沙堰的高度,不能高於內江河道水位,使它既能飛沙又能分洪,確保排沙泄洪的效率。

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遇彎截角——在內江河道中,總會有岩石會吐出來阻擋水流,這就會改變水流方向,為了讓水流順暢,就要把岩石凸起的銳角在歲修時鑿掉。

逢正抽心——在順直的河道內,歲修時要深挖河床,讓中間深凹下去,使河流的主流在凹槽里順軌直流,減少阻力。

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乘勢利導,因時制宜——都江堰這個地方是岷江上游與中游的分界點,而岷江在這裡從流量大、坡度陡、流速大開始發生轉變,而且豐水期與枯水期流量差別大,所以就要充分藉助地勢、水勢的特點,合理安排都江堰的取水、排沙、泄洪、歲修等工作。

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過了2000多年,我們如今還在享受著李冰父子帶領民眾建造的都江堰的紅利,至今它已經能灌溉1000多萬畝田地,發揮著巨大的效益,真是功在當代、利在千秋。都江堰不愧為人類的偉大傑作,也是世界科技史上的一座豐碑。

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李冰父子雕像