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都江堰:流體力學中氣旋理論的經典案例

其中,飛沙堰的設計很好的運用了旋流理論。

都江堰是集灌溉、防洪和提供生活、工業用水於壹體的大型水利樞紐工程。由魚嘴、飛沙堰、寶瓶口、百丈堤、人字堤和遍布成都平原的自動排水灌溉渠三大主體工程組成。三大主體工程可以說是整個工程的靈魂,最能體現都江堰治水的思路和理念。都江堰之所以偉大,是因為它凝聚了中國古代人民的智慧,設計科學,布局合理,成功解決了魚嘴引水、飛沙堰泄洪排沙、寶江口引水等諸多復雜的水利工程問題,使岷江水利資源得到充分利用。加上容易維護。成本低,效果巨大明顯,所以都江堰在2260多年後還能繼續發揮作用。

李冰考察閩江後,選擇閩江出山口的地方,將閩江壹分為二,修建三個主體工程,形成灌口。之所以選擇在這裏修建灌溉口,是因為這裏海拔700米,而以成都為中心的成都平原海拔只有500米。在這片扇形沖積平原上,扇柄的位置可以牢牢地托住岷江的洪水,使其不被淹沒,也可以控制流入成都平原的水流。

李冰先是在旱季的時候在河中央固定壹個木筏,建造壹個魚嘴,然後用竹籠和鵝卵石填充,最後在河中形成壹條綠色的大魚,最後將岷江壹分為二。因前部扁平橢圓形,似魚頭,故名魚嘴。魚嘴工程的建設非常科學。它建在岷江出口的壹個彎曲的江面上。岷江分為兩條河,內江和外江。施工時,特意把外河的河床做得比內江略高。這個看似不起眼的設計,卻是自動引流的關鍵。外江是行洪的河流,內江是成都平原的灌溉幹渠。每當春耕時節恰好是岷江枯水期,水流都不大。經過魚嘴前的彎道後,水遵循水往下流的自然規律。此時主流水有60%直接進入內江,流入外江的水只有40%。只有這樣,才能保證平原上灌溉用水的需要。夏季汛期到來時,岷江水位上漲明顯。巨大的水流來到了魚嘴前面的彎道,在這裏形成了壹個巨大的漩渦。受離心力影響,約60%的主流水被拋入外河。此時內外江的進水比例自動顛倒,內江只進40%的水。成都平原不受洪水威脅。所以,無論是汛期還是枯水期,都江堰魚嘴都能像現代化的控制閥壹樣自動調節水流,讓成都平原旱澇保收,不知饑。這就是都江堰治水三字經上說的:“分四六份,平大旱”。

魚嘴的另壹個重要功能是排沙。都江堰今天能繼續發揮作用,是因為它有先進的清淤系統。所謂“四六分水,二八排沙”,就是魚嘴不僅能自動調節內外江的水流,還能排出上遊帶來的80%的泥沙,使進入內江和成都平原的水是清水。剛才我們提到,魚嘴建在大彎下,外河在凸岸入水的位置,內河在凹岸入水的位置。到了汛期,水流挾帶著大量泥沙,氣勢洶洶。當它們到達大彎時,不可避免地形成壹個巨大的漩渦。此時,含沙量大的底層水被離心力甩出,與60%的主流壹起沖入外江,而輕而浮的表層水被離心力甩入下層,沖到凹岸,即內江。這樣進入內江的泥沙很少,只有20%左右。壹個簡單的魚嘴同時解決了調水調沙的問題,既能保證治水,又能使整個工程擺脫泥沙淤積的問題,這就是都江堰的奇妙魅力。

雖然80%的泥沙被魚嘴排走,但仍有20%進入內江。泥沙太多,都江堰肯定要毀了。而且汛期進入內江的水可能大於成都平原的需要,造成洪澇災害。我們做什麽呢不用擔心,李冰還設計建造了飛沙堰和魚嘴下的寶瓶口。這三大工程。相輔相成,完成了泄洪排沙引水等壹系列水利工程。

沙飛堰實際上是內江的壹個溢洪道。在魚嘴上方700米,瓶口下方200米。高度與瓶口13的進水刻度齊平。它的主要功能是為內江排洪排沙。寶瓶口是李冰從雷宇山的盡頭活著鑿出來的梯形進水口。坡很陡,坡上有水。寶瓶口長40米,底寬17米,水面寬度枯水期19米,豐水期23米。因巧妙地控制了成都平原的來水量,又被稱為黃金灌溉口。

當魚嘴分流的閩江水流向沙飛堰位置時,遇到沙飛堰對面的第二個彎道,形成另壹個彎道環流。此外,瓶口切出的樁阻擋了水流,壹部分水回流,帶有大量泥沙的底層重水再次翻上水面,越過飛沙堰,溢入外江,內江多余的水和泥沙在此排出。剩下的清水直接沖到樁上,通過瓶口流向成都平原。第二次清淤後,飛沙堰下能沈積的泥沙很少。每年修補時,遵循“深淘灘,低堰”的原則,將這些泥沙沖刷掉,這樣就能始終保證瓶口的進水。

在都江堰渠首工程中,寶口、沙飛堰、魚嘴的位置、高度、長寬可以說是絕配。當內江洪水高度與沙飛堰相等時,寶口取水口剛好夠成都平原工農業用水,當寶口水位高於13水位刻度時,沙飛堰開始溢流。近十年來,平原用水量不斷增加,飛沙堰高度略有提高,但調節瓶口進水量的功能不變。此外,由於內江迎面洪水,飛沙堰以下底部流速明顯下降,大量泥沙無法前移。壹部分沈積在飛沙堰對面的河段,大部分由於彎道環流的影響,通過飛沙堰排出。只剩下少量泥沙,是每年大修時人工沖刷出來加固大壩的。據測定,通過魚嘴、飛沙堰和瓶口的配合,進入內江的泥沙已被清除90%以上。

都江堰位於成都平原西北邊緣,進入內江的水從這裏流經成都平原的東南西北,充分利用了東西200米的高差,形成了完善的自動排水灌溉系統。從空中往下看,這些密密麻麻的水網,分成兩部分、兩部分、四部分、八部分,就像是人體皮膚下穿過的血管,兩千多年來源源不斷地為成都平原的土地和人民提供著甘甜的乳汁。

整個都江堰設計科學,布局合理,充分利用自然地理條件,采用多級彎道環流,達到無壩引水、自動控制水流、自動排沙、自流灌溉的目的。這些神奇的功能,保證了成都平原不僅受益於灌溉,還免於水旱災害,堪稱奇跡。試想,都江堰是2260多年前建立的。當時世界上很多地方還處於蒙昧狀態,但是我們的祖先已經建立了世界級的水利工程,這是整個中華民族的驕傲。

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