水利工程都江堰的工作原理

位于四川平原的都江堰修建于2300多年以前，这样的水利工程至今还在使用，我们甚至可以说四川这个“天府之国”就是都江堰一手打造的。那么古人到底为何要修建都江堰呢？在东周时期，蜀地并不像后来那般富庶，当时的成都平原经常爆发旱灾，而西部的岷江两岸又时常发生洪水，可见彼时的蜀地是个由旱涝灾害统治的多灾多难之地。公元前316年，秦国灭掉了蜀国，后来又成立了蜀郡，这成为了蜀地由多灾之地变为富庶之乡的开端。

秦国自商鞅变法之后，日益强大，早有吞并六国之心，灭蜀之后便有意将蜀地变为大秦后方的粮仓。

可是蜀地多灾，怎么能成为粮仓呢？为了彻底改变蜀地的情况，秦国最终决定将岷江引入成都平原地带，这样既可以通过分流来改变岷江丰水期的洪水问题，又可以消除成都附近的旱灾，可谓一举两得。想法虽好，但要具体实施起来可就难了，首先，岷江与成都之间有一座玉垒山，要想引岷江入成都，就必须要在玉垒山上开一个口子，而以当时的施工能力，这是一个二三十年才能完成的巨型工程。

再有，即便在玉垒山上成功开口，开渠引水之后如何分水、如何在枯水期和丰水期时进行水量的调节，如何进行掏滩排沙？

这些都是非常棘手的问题，即便是放在现代，也具有相当大的设计难度。那么都江堰到底是怎么解决这一问题的呢？必须说，都江堰所蕴含的原理，足以令当今的物理学家们为之赞叹。负责修建都江堰的人是蜀郡的太守李冰以及他的儿子，你很难想象，一个生活在2300年以前的人，竟然能够想到通过热胀冷缩的方法来开山，李冰父子先命人用火来烧山石，然后再泼上冷水，一热一冷，山石变得很脆，极易开凿，于是一个二三十年的工程，八年就完成了。

相比开山挖渠而言，如何分水、控水、排沙，这些才是真正的难题。

通过都江堰结构示意图可以看出，李冰父子选择修建都江堰的位置正好位于岷江的一个转弯处，他们在江水转弯的位置修建了一个用于分流的岛形工事，这个分流岛的前端位置就被称之为“鱼嘴”。鱼嘴左侧被称为外江、右侧被称为内江，而内江部分的水最终会通过下面的宝瓶口流往成都，这里面是存在机巧的。李冰在设计的时候，将内江设计得比外江深，而水面部分，外江又比内江宽，这种设计使得成都地区枯水期不会缺水，而丰水期又不会被淹，为什么呢？

枯水期时，岷江的水位较低，但由于内江本身比外江深，所以内江分得的水要比外江多，这就保证了成都地区的用水。

等到了丰水期，水位上涨，由于水面的部分，外江要明显比内江宽，所以此时外江分得的水又比内江多了，这就使流向成都的水得到了控制，不至于发生洪水。如果某一年水量特别多怎么办？没关系，看到下方的飞沙堰了吗？那是一个非常低矮的堰，只要水位超过了这个飞沙堰，多出的水就会从这里流回外江，所以水淹成都的事情永远都不会发生。这种巧妙的设计使得分水和控水都得到了解决，接下来就是排沙了。江水在流动的时候会裹挟大量泥沙，时间一长必然会阻塞河道，怎么解决？

李冰虽然不懂什么是物理学，但他的设计却处处应用到了物理。

泥沙在江水中并不是均匀分布的，特别是在江水转弯的时候。泥沙本身较重，所以转弯时会走弯道内侧，而没有泥沙的清水则会甩到弯道外侧，这就是李冰为什么要选择在江水转弯处修建都江堰的原因，携带泥沙的江水走弯道内侧，会大部分进入外江，而清水走弯道外侧，所以会进入内江流向成都。少量进入内江的泥沙同样也会走内江的外道内侧，所以最终还是会通过飞沙堰回到外江。由于泥沙最终基本都去外江了，所以每年的掏滩工作变得十分轻松，都江堰也得以持续运行。一个如此成功的无坝引水工程，竟然修建于2300年以前，完全可以称之为奇迹。