「图解」都江堰工作原理

「图解」都江堰工作原理水旱从人，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。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，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。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。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？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。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，将岷江部分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。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，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√。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吨重的石块，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√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