摘要：本文通过对都江堰主体工程各部分的介绍和分析（具体为宝瓶口、鱼嘴、飞沙堰等三部分），浅述工程中运用到的河流动力学原理。 关键词：都江堰；河流动力学原理
中图分类号：P343.1 文献标识码：A 文章编号： 都江堰是中国历史上著名的水利工程，它的建设最终使得原来洪涝灾害频繁的川西平原转变成为举世闻名的鱼米之乡。都江堰至今已屹立2200余 年，仍然发挥着灌溉、防洪、供水、发电、漂木、航运、旅游等各方面的作用，可谓“人类工程史上的伟大创举”，凝结着华夏劳动人民的智慧。
都江堰作为举世闻名的无坝引水工程，有着历史、文化、科技等方面的多重研究意义。本文仅仅从河流动力学的角度来看看都江堰工程有什么伟大之处。 都江堰工程简介
都江堰渠首枢纽工程建造于四川省都江堰市附近的岷江干流上，为战国时期蜀郡太守李冰约在公元前256-251年主持修建。 岷江发轫于四川北部，是位于长江上游的一条相对较大的支流。在都江堰修建之前，每当春夏时节山洪暴发，汹涌的江水大量涌入成都平原，在狭窄的 河道上引发洪水，每每洪水退去，又是沙石千里。并且地处岷江东岸的玉垒山还会阻止江水往东，形成“东旱西涝”的后果。大约在公元前256年，秦蜀郡太守李 冰在总结前人治水经验的基础上，主持建造了都江堰。成都平原成为名副其实的“天府之国”，而李冰长久以来也受到当地人民的拥戴和纪念。 都江堰的主要组成部分
都江堰的设计思路是把江水一分为二，将一条水流引入成都平原。这样不但可以分洪减灾，而且还能灌溉农田，达到一举两得的功效。该工程地理位置优越，布置符合自然规律，自兴建以来已工作逾两千载，经久不衰。
都江堰枢纽工程的主要工程设施有：宝瓶口、金刚堤、鱼嘴、飞沙堰、百丈堤和人字堤等等。各设施相互协作，互为补充，共同实现了引水、分水、排沙、泄洪以及护岸的功能。
在都江堰所有的工程设施中，宝瓶口、鱼嘴和飞沙堰被称为都江堰的“三大件”，即三大核心设施。这三大工程充分利用了河流动力学的一些基本原理，有机结合，相辅相成，联合发挥了引水、分洪、排沙的综合效用。 2.1宝瓶口
“宝瓶口”指的是位于玉垒山上一个人为开凿出的长约20米、宽约40米、高约80米的口子。因为形状像瓶口，故得名“宝瓶口”。因为玉垒山的 打通，江水得以顺利流到东边，这样不但可以减少西区江水的流量，使西区的江水不再泛滥。同时宝瓶口还让部分江水流入东部干旱地区，使那里的田地得到灌溉， 缓解了东区的干旱问题。宝瓶口的建设是都江堰工程的第一步，是治理水患的关键环节。
2.2鱼嘴
古人在开凿完宝瓶口之后，还在岷江中修建了分水堤，这样就让让宝瓶口的灌溉和分洪功效得到充分利用，使江水在顺利东流的同时能维持一定流量。 因为大堤前端的形状类似于鱼的头部，这个工程又被称为“鱼嘴”。鱼嘴将上游下来的江水一分为二：西边被称作外江，沿岷江顺流而下；东边被称作内江，流向宝 瓶口，内江流过宝瓶口又经过形形色色的渠道，便构成了一个纵横交错的灌溉网络。自从鱼嘴建成之后，成都平原的水旱灾害减少了很多。
2.3飞沙堰
为了避免灌溉区水流出现水量不稳定的现象，流向宝瓶口水量的大小需要得到有效控制。古人在鱼嘴的尾部位置修建了“平水槽”和“飞沙堰”溢洪 道，它们共同起到分洪的作用。飞沙堰采用竹笼装卵石的办法堆筑，有调节水量大小的功效。在内江达到一定水位时，水流会自动经由平水槽，漫过飞沙堰而流入外 江，使得进入宝瓶口的水流不至太大以至于在灌区形成洪水；同时，漫过飞沙堰而流向外江的水流会产生漩涡，又可以有效带走淤积在宝瓶口四周的泥沙。 都江堰运用的河流动力学原理
都江堰工程之所以得以运行2200余年而继续发挥作用，这和它合理的设计有很大的关系。它的成功，关键在于它自觉运用了一些河流动力学的原理。 下面让我们详细看看都江堰运用了哪些河流动力学的原理，使得宝瓶口、鱼嘴、飞沙堰三者可以紧密合作，以达到“引水、分水、排沙”的综合效果。 3.1河流弯道环流原理 从地理位置分析，鱼嘴的设计主要运用了河流的弯道环流原理。所谓的弯道环流，是指河流在流经弯道时，在质点因曲线运动而产生的离心力的影响下，表层水流趋向凹岸，底部水流趋向凸岸，从而使凹岸发生侵蚀，凸岸发生堆积的现象。
现在分水堤的东侧是岷江的凹岸，也就是内江经过的地方；西侧则是岷江的凸岸，即外江经过的地方。弯道环流的表层流会流入凹岸，对凹岸造成侵 蚀；底层流则把凹岸上被侵蚀和过境的大量的泥沙自动搬运到凸岸。搬运过去的一部分泥沙在江中堆积成规模较大的江心洲，随着洲头泥沙不断的堆积、延伸，加上 人们长年累月对它们进行修筑、加固和维护，最后就形成了今天的鱼嘴。 鱼嘴存在的意义主要在于发挥分汊河流的分水分沙作用。例如，当丰水期来临，岷江的流量显著增加，水位开始上升，河流主流线比较平直，大部分水 流会趋向河谷凸岸，此时鱼嘴会将五分之三左右的来水排往外江，五分之二左右的来水送往内江，使灌区的洪涝灾害得以避免；当枯水期来临，岷江的流量减小，水 位渐渐下降，河流主流线大多靠近河谷凹岸，此时鱼嘴会将五分之三左右的来水送入内江，五分之二左右的来水排往外江，使灌区的用水量得到保证。古人把这种分 水方法总结为著名的“四六分水”。 显然，这是古人在了解河流分水分沙特点的基础上，运用内江弯道环流原理创造出的一种科学的分水分沙方式。 3.2河流动力均衡原理
飞沙堰和宝瓶口工程的建设则是巧妙运用河流动力均衡原理的结果。 飞沙堰是位于金刚堤南端的低矮的人工沙堤。它之所以要修在金刚堤的南端，是和河流动力均衡原理有关的。内江水流在冲击虎头岩之后会自然形成一 股涡流，并且这股涡流会直接流向飞沙堰所在的位置，而多余的泥沙和水流也会随涡流自动排往外江。经过仔细考察和分析，人们发现飞沙堰所处的位置几乎可以说 是排泄泥沙和防止内江洪水的最佳位置。
而宝瓶口和飞沙堰共同实现的排洪减灾和保障灌区用水的功能，也是古人成功利用河流动力均衡原理的典范。例如，洪峰来临时期一部分洪水会通过宝 瓶口流出，为成都平原的灌溉用水提供保障；而余下的洪水则被强制通过飞沙堰、人字堤流向外江，从而实现分洪减灾的功效。再比如说，位于宝瓶口西边庞大的离 堆山崖可以阻止内江的洪水，而宝瓶口则实现了加强泄水的功能。 由上可知，飞沙堰和宝瓶口共同实现的输水排洪功能，是合理利用河流动力
均衡原理的成果。
3.3河床平衡剖面理论
河流均衡剖面是指在河流发育过程中，河床在某一时期水流的冲积力与河床的阻力相等，河床各段的坡度恰巧能够将来水和来沙正常输移，使河流既不发生侵蚀，也不形成沉积的纵剖面。
古人所说的“深淘滩”就是运用了这个原理。古人进行“深淘滩”的目的是要让内江输沙和来沙达到平衡，防止河床过度淤积，这就要求河床纵剖面必 须在人为淘挖后处于平衡剖面状态。淘挖的深度也很有讲究，一旦淘挖深度未达到平衡剖面，河床会继续抬高，内外江的流量分配会受到影响，对日后的排沙很不 利；一旦淘挖超过平衡剖面，就等于人为降低了河床临时侵蚀基准面，反而会使侵蚀作用加强，增加泥沙数量，加重排沙负担，使输沙和来沙的平衡被破坏。所以人 们为此建立了严格的岁修制度。在岁修的时候，人们必须淘挖到河床平衡剖面所在位置，借助人为的疏浚和淘沙措施，使河床最终达到平衡状态。 所以说， “深淘滩”的目的就是使内江河床达到相对平衡剖面状态，尽量减少河床产生的淤积。 结语
都江堰工程是一个宏大精巧的系统工程。宝瓶口、鱼嘴、飞沙堰等三大设施组成了一个精密完整的系统，相互协调，缺一不可。在现代水利工程中，为 解决这相互影响的三大功能，大多数水利工程采用了设置引水闸、分洪闸和冲沙闸的方法，在时间和空间上分开控制。相比之下，两级分水排沙、无坝引水的都江堰 工程，师法自然，相互协作，确为古今中外水利工程中的妙笔。 令人惊叹的是，中国古人完全没有河流动力学的系统理论，他们仅仅通过实地考察和经验累积，以简单应对复杂，强调自然调节而非人工控制，使得不 同功能间的矛盾在水沙运动中得到统一，体现了一种非常朴素的整体思想。都江堰工程中所蕴含的朴素深刻的智慧，永远值得我们学习和思考。
参考文献：
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浅述河流动力学原理在都江堰工程的应用
