水旱从人，不知饥馑，时无荒年，谓之天府——都江堰

都江堰建成后，成都平原沃野千里，两千多年经久不衰，至今仍在发挥着社会、经济、环境和生态等多种效益，可谓世界水利史上璀璨明珠。

1.概况

公元前256年，秦国蜀守李冰父子开建长江流域上的第一项大型水利工程—都江堰，其兴建目的在于“辟沫水之害”，即消除岷江水害[1]，同时具备航运与灌溉之利。工程巧妙利用自然条件，合理布局各项建筑物，因地制宜进行施工，由此发挥出持久而巨大的效益[2]。

古往今来，一切水利工程，归根结底，不外乎控制和调度水沙，工程的关键性与成败得失，都取决于此[3]。我国著名水利工程中，有相当一部分是因为对泥沙问题处理不当而失效，使工程最终毁于泥沙淤积。黄河流域的工程较为显著，其中三门峡的泥沙问题为最，三门峡建成后，蓄水的同时拦截了大量泥沙，泥沙得不到有效排泄，导致运行不到一年，便致使渭河流域淤积大量泥沙，河床抬高，大片良田浸没，土地迅速盐碱化，危险直逼古都西安。长江流域，如鉴湖、芍陂、长渠、木渠等，历史上也曾因泥沙淤积而湮废或衰落。都江堰工程长盛不衰的重要原因之一，就是它有效地处理了泥沙问题。那么它是如何做到的呢？

2.工程原理

都江堰枢纽位于岷江中游，地处岷江由山谷河道进入成都冲积平原之处，占据了分水引水的制高点，工程中最核心的三道屏障：鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口，如图1所示，对来水来沙进行了逐级筛选，才达到水旱从人、取清排浑之功。下面进行分别介绍。

2.1鱼嘴

作为第一道屏障，鱼嘴起第一级分水排沙作用，其将岷江分成内、外二江，内江为引水河道，将岷江部份水量引入地势较高的宝瓶口，外江为泄洪排沙河道。由于鱼嘴作用：洪季，内江引40%的清水，60%的水和大量泥沙进人外江；而枯季，内江引60%的水，以满足下游灌区用水[4]。即为“鱼嘴分四六”原则。

分水原理如图2，首先介绍下流量公式Q=AU，其中Q为流量，A为过水断面面积，U为断面平均流速，从公式出发做定性理解：枯水季节，水位较低，①内江河床较低，其过水面积A大于外江，②由于枯季来水少，水流动能小，主流（即流速最大处）偏于岸边（也就是图中示意的低水傍岸，高水居中），因此内江平均流速U大于外江。故内江Q大于外江Q；在洪水季节，水位较高，①外江过水断面A大于内江，②高水居中，主流偏向外江，故外江平均流速U大。故外江Q大于内江Q。

至于排沙作用，枯水季节流量小，带不动沙，本身就沙少水清，不太需要考虑排沙问题；洪水季节，由于主流在外江，又因为凹岸冲刷凸岸淤积作用（2.2介绍），处于凸岸的外江含沙量较大，故大量泥沙被主流带入外江，第一级排沙成功√。

2.2飞沙堰

飞沙堰，顾名思义，作用就是排沙。在洪水季节，泥沙为何会从飞沙堰被甩出？平时轻松甩100斤卵石，1966年甚至甩出过2吨中的石块，简直逆天！下面介绍逆天排沙原理。首先介绍两个概念：弯道环流和凹冲凸淤。

① 弯道环流，水流过弯时，由于离心力作用，凹岸水位较高，如图3所示，各位平时泡咖啡搅拌也能看到周围水位高于中心水位，一个道理。因为凹岸水位高，水深大，故凹岸底部水压力大P=ρgh，在压力作用下凹岸底部水流向凸岸，形成了弯道横向环流。

② 凹冲凸淤，如图4所示，在垂向上，泥沙浓度分布为上稀下浓，这个就不给公式了，相信大家这点生活经验还是有的。弯道环流+上稀下浓，底部浑水从凹到凸，上部清水从凸到凹，长此以往，凹冲凸淤。

现在可以解释飞沙堰的飞沙技能了，飞沙堰处于弯道河流，此处会形成弯道环流现象，如图5所示，在弯道环流作用下，清澈的表层流进入内江，浑浊的底层流带入外江。至于甩100斤巨石，由于挟沙力与流速U高次方成正比，故而，第二级排沙成功√

2.3宝瓶口

宝瓶口作为最后一道关卡，其最重要的作用为“引清排浑”。机理如下：

第一，弯道水流有纵向流速，也有弯道环流，故水流在弯道中会形成螺旋流，如图6所示：在水流顺江向下，较清澈的表层流流向凹岸（宝瓶口），浑浊的底层流流向凸岸（飞沙堰），宝瓶口正对表层流流向，为“正面引水”的姿态[5]，同时在河道螺旋流的作用下，挟带泥沙的底层流从堰顶翻越到外江。

第二，由于宝瓶口为收窄断面，在收窄处会形成回流，如图6所示，在回流作用下，泥沙会被甩到飞沙堰上。

都江堰工程，是古代水利人智慧的结晶，其中蕴含的宝贵经验和科学思想对如今的水利工程都有很大的现实意义，将经验拆解细化并最终转化为系统科学，这将是现代科学的目标。

Reference

[1] 李可可. 都江堰——分疏治水的成功典范[J]. 中国农村水利水电, 2008(03):79-80.

[2] 王兴奎, 曲兆松, 张尚弘, 等. 都江堰防洪方略探讨[J]. 水力发电学报, 2005(04):31-35.

[3] 李可可, 黎沛虹. 都江堰——我国传统治水文化的璀璨明珠[J]. 中国水利, 2004(18):75-78.

[4] 孙砚方, 彭述明, 王兴奎, 等. 都江堰枢纽分流规律研究[J]. 水力发电学报, 2006(03):11-15.

[5] 胡振鹏. 都江堰工程分水排沙的系统科学原理初探[J]. 南昌大学学报(工科版), 1991(02):15-21.

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