水利工程中大自然黃金角度的運(yùn)用初探

倪修武，周本川

(四川省通濟(jì)堰管理處，四川眉山，620860)

引言

成都平原，素有天府之國(guó)的美譽(yù)?！度A陽(yáng)國(guó)志》卷三《蜀志》:李冰修都江堰后，成都平原“沃野千里，號(hào)為陸海，旱則引水浸潤(rùn)，雨則杜塞水門，故記曰水旱從人，不知饑饉，時(shí)無(wú)荒年，天下謂之天府也”，時(shí)隔115年(公元前141年)，“西漢景帝時(shí)，蜀郡守文翁在岷江流域筑湔堰，在武陽(yáng)縣(今四川彭山)引岷江水筑大堰，開(kāi)六水門灌溉”(《中國(guó)水利百科全書(shū)·水利史分冊(cè)》)。據(jù)考證，六水門即為通濟(jì)堰前身。通濟(jì)堰的建造從此也開(kāi)發(fā)出了眉嘉平原這片富庶之地。兩千多年來(lái)，都江堰、通濟(jì)堰源源不斷地輸送優(yōu)質(zhì)的水源潤(rùn)澤養(yǎng)育著成都平原蕓蕓眾生。

都江堰、通濟(jì)堰能實(shí)現(xiàn)兩千多年可持續(xù)利用，有許多可挖掘的科學(xué)價(jià)值。其中進(jìn)水口的設(shè)置也有其獨(dú)特之處。

1 都江堰、通濟(jì)堰治水哲學(xué)思想

都江堰、通濟(jì)堰的治水智慧體現(xiàn)了“道法自然”、“天人合一”的哲學(xué)思想。在工程總體設(shè)計(jì)上，遵循了“乘勢(shì)利導(dǎo)、因時(shí)制宜”的治水指導(dǎo)思想，主要表現(xiàn)為工程進(jìn)水口均選在水源充沛之地，既保證了水資源可持續(xù)利用，又緩解了水患，得到趨利避害的效果。尤其是在進(jìn)水口設(shè)計(jì)上，都江堰按照“砌魚(yú)嘴立湃缺，深淘灘、淺作堰”設(shè)計(jì)思路；通濟(jì)堰取水于新津岷江、西河、南河交匯處，進(jìn)水口也開(kāi)鑿于寶資山自然河道彎道下游。二堰引水方向和自然河道均呈大自然黃金角度(137.5°)，既體現(xiàn)出順應(yīng)自然的數(shù)學(xué)之美，也蘊(yùn)含了先輩的治水智慧。如今，大自然黃金角的科學(xué)價(jià)值已被認(rèn)識(shí)。

2 大自然黃金角度

大自然是最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，有著它?yán)格的運(yùn)行準(zhǔn)則和規(guī)律，中國(guó)文化群經(jīng)之首《易經(jīng)》就是通過(guò)探索大自然固有規(guī)律來(lái)指導(dǎo)人類發(fā)展《道德經(jīng)》云：“人法地、地法天、天法道、道法自然”，老子用頂針的文法，將天、地、人乃至整個(gè)宇宙的深層規(guī)律精辟涵括、闡述出來(lái)?！暗婪ㄗ匀弧苯沂玖苏麄€(gè)宇宙的特性，囊括了天地間所有事物的根本屬性，宇宙天地間萬(wàn)事萬(wàn)物均效法或遵循“自然而然”的規(guī)律。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，上帝不會(huì)擲骰子，一切都是安排好了?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)即便一種最常見(jiàn)的車前草，它身上也有著最不普通的東西，那就是它的葉子排列得極其規(guī)整有序，車前草葉柄基部呈螺旋式從根部向頂端分布著，且相鄰兩片葉子之間弧度大小皆為137.5°，按照這種排列模式，每片葉子便可占有最多的空間，獲得最多的陽(yáng)光，承受最多的雨露。再看向日葵，向日葵的果實(shí)也都是按照137.5°這個(gè)恒定的發(fā)散角排列的。英國(guó)的科學(xué)家沃格爾曾用計(jì)算機(jī)模擬向日葵果實(shí)排列的方法，他將其排列為137.4°和137.6°。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就是這正負(fù)誤差0.1°，會(huì)使得向日葵“吃虧”不小。前者花盤(pán)上的果實(shí)出現(xiàn)了間隙，且只能看到一組順時(shí)針?lè)较虻穆菪€；后者花盤(pán)上的果實(shí)也會(huì)出現(xiàn)間隙，會(huì)看到一組逆時(shí)針?lè)较虻穆菪€；而只有當(dāng)發(fā)散角剛好為137.5°時(shí)，花盤(pán)上的果實(shí)才呈現(xiàn)彼此緊密鑲合狀，以及沒(méi)有縫隙的兩組反向螺旋線，最終也就得到了最多最飽滿的葵花籽。137.5°有何奇妙之處呢？如果我們用黃金分割率0.618來(lái)劃分360°的圓周，所得角度約等于222.5°。而在整個(gè)圓周內(nèi)，與222.5°角相對(duì)應(yīng)的外角就是137.5°，所以137.5°角是圓的黃金分割角，也叫黃金角。

3 都江堰、通濟(jì)堰黃金角度的運(yùn)用

都江堰、通濟(jì)堰堰首依山勢(shì)而建，進(jìn)水口均建在與自然河道流水方向成黃金角度(圖1)約78M處(圖2)，黃金角的設(shè)計(jì)使河水到此按0.618∶0.372分流。同時(shí)，根據(jù)岷江河道流速和含沙量，進(jìn)水口取在黃金角頂下游78m位置，在滿足進(jìn)水口流量前提下，起到了兼顧防洪和減少泥沙淤積量的作用。

圖1 都江堰寶瓶口和通濟(jì)堰進(jìn)水口黃金角度衛(wèi)星地圖

圖2 都江堰寶瓶口和通濟(jì)堰進(jìn)水口與黃金角角頂距離(均約為78m)

3.1 防汛的作用

在洪水季節(jié)，就都江堰而言，有了黃金角的設(shè)計(jì)，河水主流方向不是正對(duì)寶瓶口口門，而是正對(duì)離堆，洪水時(shí)，主流直沖離堆，再向左折轉(zhuǎn)，呈垂直方向流向?qū)毱靠?，因而在口門右側(cè)形成一個(gè)立軸漩渦阻水。洪水流量愈大，流速愈高，阻水作用也愈大。寶瓶口進(jìn)流受到限制，上游水位抬高，迫使更大部分水流從飛沙堰頂溢流回外江，這樣，在特大洪水時(shí)，有80%以上的洪水可從飛沙堰溢流，起到了“水旱從人”的作用。當(dāng)岷江百年一遇洪水流量7700m3/s時(shí)寶瓶口進(jìn)流僅740m3/s，還不到岷江洪水流量的10%，這種流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力就是都江堰建成后，成都平原避免了旱洪災(zāi)害的根本原因。通濟(jì)堰雖采用閘門調(diào)節(jié)進(jìn)水量，這樣設(shè)計(jì)同樣巧妙避開(kāi)了自然河道主流的沖擊，也有效地降低了防洪壓力。

3.2 減少淤積的作用

在都江堰河段，多年平均懸移質(zhì)輸沙量約為868×104t,D50=0.075mm；推移質(zhì)輸沙量為150×104t～200×104t，D50=61.0mm,河床質(zhì)D50=168mm。懸移質(zhì)基本屬于沖瀉性的范圍，泥沙淤積問(wèn)題主要是在洪水季節(jié)運(yùn)動(dòng)的卵石推移質(zhì)。在小水時(shí)段，卵石難以起動(dòng)，推移質(zhì)泥沙很少，所以內(nèi)江分水六成并無(wú)多少泥沙。洪水時(shí)主流從外江宣泄，自然也挾帶了大部分運(yùn)動(dòng)的卵石推移質(zhì)，內(nèi)江進(jìn)水口(寶瓶口)與主河流呈黃金夾角的設(shè)計(jì)，河流在此形成環(huán)流，卵石推移質(zhì)在角頂一側(cè)輸移進(jìn)入外江，根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，進(jìn)入內(nèi)江的卵石輸移量只占岷江總量的26%左右。通濟(jì)堰也是同樣的原理，洪水季節(jié)卵石推移質(zhì)在黃金角角頂一側(cè)輸移進(jìn)入主河道，進(jìn)水口淤積主要是洪水季節(jié)關(guān)閉進(jìn)口閘門時(shí)，部分懸移質(zhì)沖瀉受阻沉積而成，在進(jìn)口前方80m處修建攔沙埂后，此問(wèn)題已徹底解決。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著歷史的進(jìn)程，社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，都江堰和通濟(jì)堰渠首結(jié)構(gòu)和渠系均曾有過(guò)多次變遷，并且歷代都有重要的維修和擴(kuò)建。正是有了許許多多治水人物的精心籌劃、累積經(jīng)驗(yàn)、不斷完善，才使這兩座偉大工程日益發(fā)揮更大的作用。她們是水利科學(xué)技術(shù)的寶庫(kù)，也是我國(guó)水利科技史中光輝的里程碑。就水利引水工程黃金角度的運(yùn)用來(lái)說(shuō)，其科學(xué)價(jià)值值得深度挖掘。在此，筆者希望對(duì)黃金角度膚淺認(rèn)識(shí)起到拋磚引玉的作用，期待更多的專家學(xué)者能借助精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)有效的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)論證，總結(jié)出可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)，為古人的治水智慧添加科學(xué)注解，促使大自然黃金角的價(jià)值在水利工程建設(shè)中發(fā)揮更廣泛的作用。