四川都江堰水利工程是怎样工作的？一文就懂了

　　到过四川都江堰的人，跟着导游走马观花，听完讲解，还是一头雾水。
　　都江堰水利工程平面图
　　01  修都江堰干什么用？——劈开玉垒山，引得岷江水
　　都江堰2000多年前就建成了，绝对是奇迹，很伟大，但是李冰和他的儿子李二郎当时修它却不是冲着伟大去的，而是有两个实在的困难急需解决。啥困难呢？小孩没娘，说起来话长。先看地势，西高东低。四川盆地西北部是成都平原，再往西是岷山，终年积雪，岷江就发源于此，向东流经都江堰，都江堰就坐落在山地与盆地交界的地方。
　　都江堰的地理位置
　　远在战国时期，这里连年灾荒，不是涝，就是旱。当时的郡守李冰决定沿着岷江往上游找原因。结果他发现岷江上游坡大水急，到了都江堰，江水冲出山谷，地势变平，河床开阔，上游冲下来的泥沙石块很快沉下来，淤积河道，抬高河床。第一个困难就来了。到了夏秋季节，积雪大量融化，江水增多，到了都江堰这里，淤塞的河道装不下，就漫过江岸，造成洪涝灾害。第二个困难就更不可思议了，靠水吃不上水。岷江原来向东流到都江堰这里，海拔700多米，突然大转弯往南流，因为这有座玉垒山，挡住了江水东去的路。玉垒山往东就是广袤的成都平原，海拔只有500来米。由于玉垒山的阻隔，成都平原眼巴巴地抬头望着岷江却用不上水，因此干旱。
　　玉垒山让岷江转向南
　　怎么办？要想成功得先有个儿子。开玩笑啦。李冰和他儿子首先想到的是劈开玉垒山，引得岷江水。这事放到现在，基建狂魔根本不放在眼里，可那是2000多年前呀，没有火药，完全靠人力斧敲锤凿，还不得猴年马月呀。事情要是不顺利，那就是瘸驴碰破磨；要是顺起来，那就是干柴遇烈火。别说李冰就是个奇才，真想到了干柴烈火。先在岩石中间凿一个深槽，放进大量干柴，点火。不久石头就被烧得发红、膨胀，趁此机会赶紧把冰凉的江水浇到石头上，石头热胀冷缩，就会裂开。这法一用，从30年缩短到8年，愣是把玉垒山凿开一个二十米宽、四十米高，八十米长的大口子，就像酒瓶的开口，这就是＂宝瓶口＂，岷江水经过宝瓶口源源不断地流向成都平原。
　　宝瓶口（从上游望向下游，远处左边是宝瓶口，右边是离堆）
　　宝瓶口（从下游望向上游，远处是内江）
　　宝瓶口下游的成都平原水系
　　凿开玉垒山，就完事了吗？定量取水和防洪排沙更精彩，咱们接着聊。
　　02  都江堰怎么起作用？——＂四六分水＂和＂二八分沙＂
　　上一段咱们聊透了都江堰工程主要就是为了引岷江水灌溉成都平原，需要凿开玉垒山形成宝瓶口，岷江到了都江堰，一部分水从宝瓶口流出，但是流量不稳定，而且泥沙含量多。这一段咱就聊聊都江堰的又一杰作——＂四六分水＂和＂二八分沙＂。李冰父子在烧石开山的伟大创举之后，又创造了一个新的奇迹——鱼嘴分水。他们在玉垒山这里，就地取材，用竹子和水中堆积的沙石，在岷江向南大转弯的河道中围住沙洲，建起了金刚堤，堤头就是鱼嘴，把岷江一分为二，靠近玉垒山的是内江，崖壁陡峭，远离的是外江。单看都江堰工程平面图，很多游客知道内江和外江，但是为什么这样就能起作用呢？原来秘密藏在游客看不到的内、外江水流断面上。内江弯曲形成凹岸、河道窄但是深，外江相对顺直形成凸岸，河道宽却浅。咱们先说怎么分水，再说怎么分沙。
　　枯水季的都江堰（内江水多，外江水少）
　　前段说过在夏秋季节岷江水量增大，水位上升，外江的过水断面大于内江，于是江水分水比例就是外江6成、内江4成。到了冬天和春天江水减少，水位下降，内江更深，所以过水断面反而大于外江，江水分水比例倒过来变成内江6成、外江4成。这就是＂四六分水＂的科学道理。在当年，为了准确控制分水量，李冰父子还安排在内江中设置了石人，水少的季节不能露出石人的脚趾，水多的时候不能淹没石人的肩膀。这样一整年下来，通过内江进入宝瓶口再流到成都平原的水量大体恒定。
　　四六分水的示意
　　再说分沙。岷江从上游山谷中冲刷下来大概两种沙石，一种个头小份量轻还少往往悬浮在水中，另一种个头大份量沉还多往往贴地而行，比例大概是2：8。由于惯性作用，个头小的更容易受到水流影响，所以到了鱼嘴这里，个头小的随表层水进入弯曲的内江，个头大的江水不易带动，则沿着相对顺直的外江继续向下流去。这就是＂二八分沙＂ 的科学道理。而这个道理，我们的先人竟然在2000多年前就掌握了，看到了吗，科技必须自信。
　　二八分沙的示意
　　有了鱼嘴和金刚堤，都江堰把岷江分成了内江和外江，从此成都平原就可以用上水量恒定含沙少的岷江水了。但是都江堰这里岷江河床淤塞和洪涝的问题还是没说到，咱们接着往下聊。
　　03  建成都江堰就不用管了？
　　前两段咱们分别聊透了都江堰是如何凿开玉垒山把岷江水送到成都平原，一条金刚堤怎样把岷江分成内江和外江，实现＂四六分水＂和＂二八分沙＂。但是岷江的淤积和洪涝问题怎么办，这段接着聊。很多人都以为李冰父子修好了都江堰，就可以一劳永逸了，其实不然。岷江全年不断地从上游带来大量沙石，到了都江堰就淤积，怎样才能让都江堰运行平稳，李冰用6个字高度概括了经验，那就是＂深淘滩，低作堰＂，统称为岁修，也就是每年都要择机维修。
　　先说深淘滩。因为金刚堤把岷江主流分成了内江和外江，要想保证四六分水，关键是内江和外江的水深。虽然大块沙石不会进入内江，但是少量的小块沙石在内江出口处、宝瓶口前面的凤栖窝一带还是会淤积，所以李冰安排在此处埋下石马。每年枯水季，用杩槎截住内江水，在凤栖窝处清淤，挖到石马才算合格。后来石马被3根横放的卧铁替代，作用不变。清理完内江，还要及时清理外江淤积的大块沙石。
　　深淘的标志——石马，明代时将石马改为三根卧铁
　　深淘标志——凤栖窝的三根卧铁
　　再说低作堰。如果金刚堤一直修到宝瓶口那里，完全隔绝内江和外江，行不行？答案当然是不行。到了多水季节，进入内江的水如果太多，下游成都平原用不了那么多就成了负担，怎么办？李冰又搞了一个大发明，在金刚堤的堤尾修了一个飞沙堰，顾名思义就是让沙子飞起来，本质上它是一个滚水坝，坝顶不仅比金刚堤要低，还要低于内江的高水位，这样丰水期，进不去宝瓶口的多余水量，就会漫过飞沙堰顶，溢流到外江，汇入岷江主流，而且在分流的同时，还能携带一部分小块沙石进入外江，既分了水又分了沙，一举两得。到了枯水季，飞沙堰顶露出来晒太阳了，内江和外江完全被隔绝，内江水完全流进宝瓶口。
　　丰水期的飞沙堰被内江水淹没
　　枯水期的飞沙堰露出水面，远处的是内江和玉垒山
　　枯水期的飞沙堰
　　在这基础之上，李冰还继续总结出＂遇弯截角，逢正抽心＂，都是为了更好地发挥都江堰的作用，这里就不再详细讲解了。
　　读完此文，您是不是对都江堰水利工程有了一个清晰的认识，有什么问题，请关注@工程师天张，讨论区留言互相交流。