大運河里的科技智慧

張思晨

說起挖運河，大家往往會想到隋煬帝楊廣（569～618年）。但其實，大運河的歷史遠(yuǎn)比隋煬帝修的運河早得多。作為中國東部平原上的偉大工程，大運河的開發(fā)肇（zhào）始于春秋時期的邗（hán）溝。邗溝溝通了淮河與長江，成為大運河河道最早成形的一段，至今已有2500多年的歷史。

大運河包括隋唐大運河、京杭大運河和浙東大運河三部分，溝通了海河、黃河、淮河、長江和錢塘江五大水系，是世界水利史上的偉大工程之一，并在2014年6月22日獲準(zhǔn)列入世界遺產(chǎn)名錄。這樣浩大的工程，要穿越復(fù)雜的地理環(huán)境，就必須解決一系列科學(xué)技術(shù)上的難關(guān)。下面讓我們走近大運河，去探究大運河里的科技智慧吧！

開鑿“幾”字形河道降低落差

在大運河修建過程中，會碰到河道距離短但落差大的情況。例如，揚州城南門二里橋一帶的運河河道過于順直，地勢落差較大，水勢直泄長江，難以蓄積。在這種情況下，直線河道無法保障水流平穩(wěn)，過往船只難以安全通行。那么，要如何解決這一問題呢？

明萬歷二十五年（1597年），時任揚州知府郭光廢棄了原來用以保持運河水位的水堰（yàn，擋水的低壩），依當(dāng)?shù)氐乩?、地勢狀況截直就曲，用回灣（使原有河道發(fā)生較大拐彎）降低水的流速——自城南門二里橋河口起，往西開挖新河，再折向南，復(fù)轉(zhuǎn)彎向東，迂回六七里，開鑿出“幾”字形河道，阻止水流外泄。這樣，截直就曲，河線延長，就降低了水位落差，減緩了河水下泄速度，抬高了上游水位，保持大運河水面平緩，避免了船只擱淺之患。

后人稱此為“三灣抵一壩”，自此，揚州城區(qū)古運河除偶爾清淤疏浚以外，其航道走向沒有太大的變動。

復(fù)式船閘：讓船只“翻山越嶺”

大運河全長約2700千米，河道漫長，常經(jīng)過湖區(qū)、天然河、河運交匯等復(fù)雜的地形和水域。這種復(fù)雜的水域存在動態(tài)水位差，為了保障河道暢通，大運河工程需要具備水位調(diào)節(jié)功能。古人建造了梯級船閘系統(tǒng)來控制水位升降，使船只能夠“翻山越嶺”。

中國是世界上最早發(fā)明船閘的國家，也是最早建造多級船閘的國家。423年，揚州最先建造了兩個斗門——運河上的“第一閘門”。船閘的前身被稱作堰域，它是橫攔運河的壩。最初的閘是一種單閘（相當(dāng)于現(xiàn)在的節(jié)制閘），是古代常用的閘型，沿用時間最長。從元代開始，京杭大運河上已出現(xiàn)成系列的單閘。

隨著航運的發(fā)展，單閘的弊端逐漸顯現(xiàn)，為方便行船和節(jié)約水資源，運河上出現(xiàn)了復(fù)式船閘。帶有閘室的復(fù)式閘與單閘相比，一方面減少了開閘過船時兩閘之間的蓄水流失，另一方面通過閘門調(diào)節(jié)水位上下，使船只可以平順過閘。984年（北宋時期）出現(xiàn)了世界上最早的復(fù)式船閘——真州閘。

揚州三灣

復(fù)式船閘由兩個閘門、一個閘室組成。沒有船只通行時，兩個閘門均為關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有船只通行時，一側(cè)閘門打開，另一側(cè)閘門依然關(guān)閉。船只駛?cè)腴l室后，打開的閘門再次關(guān)閉，并在兩閘之間充水或放水，用以確保穩(wěn)定兩閘門之間的水位差（水面平穩(wěn)）。之后，打開另一側(cè)閘門，讓船只通行。

?船只通過復(fù)式船閘示意圖（繪圖/駱玫）

隨著復(fù)式船閘在北宋時期的創(chuàng)建與普及，至元明時期，復(fù)式船閘進(jìn)一步發(fā)展，形成了梯級船閘，使得浩蕩的運輸船隊得以平穩(wěn)地“翻山越嶺”，是古代航運技術(shù)發(fā)展的一大重要成就。

澳閘：運河上的節(jié)水“神器”

北宋時期復(fù)式船閘的創(chuàng)建是航運工程技術(shù)的一大進(jìn)步，但是在大運河某些水源匱乏的河段，船只過閘時，需要大量的水進(jìn)入閘室；此外，船閘反復(fù)開啟會造成運河內(nèi)本就匱乏的水源進(jìn)一步減少，為了保障航運水源的穩(wěn)定性，古人發(fā)明了澳閘。

澳閘是在復(fù)閘基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來，其附加的水澳具有向運河補水和重復(fù)利用船只過閘用水的雙重功效。北宋的曾孝蘊最先提出修筑澳閘，建議在“揚之瓜洲，潤之京口，常之奔牛”極度缺水地段修筑節(jié)水澳閘。位于今江蘇省鎮(zhèn)江市的京口閘，是澳閘的典型代表。

江蘇省宿遷市皂河鎮(zhèn)的復(fù)式船閘

澳閘由澳、復(fù)式船閘和建在船閘一側(cè)的水閘組成，水閘與澳相通。澳，指的是在船閘旁邊建上、下兩個叫作水澳的小型水庫，用以蓄積流水、雨水或接納江河水；再開鑿小渠通向船閘，并以閘門控制。

?京口澳閘系統(tǒng)示意圖（繪圖/駱玫）

澳閘所需的水取自水澳，并非運河，不僅可以反復(fù)利用還可以向運河補水。澳、澳閘和復(fù)式船閘組成了可泄、可引、可蓄的完整工作樞紐。澳閘這個巧妙的設(shè)計，大大節(jié)約了運船過閘的耗水量，當(dāng)時迅速在淮揚運河、江南運河中缺水的河段普及。

壩閘分洪，保障安全

黃河汛期時，經(jīng)常出現(xiàn)河內(nèi)水位過高、水勢過大的情況，為避免洪水滿溢威脅船只和航道安全，古人修建了滾水壩和減水閘等泄洪工程，確保大運河汛期安全。

滾水壩最早始建于秦朝，經(jīng)過歷朝歷代的發(fā)展，在明代時已經(jīng)有了規(guī)范的設(shè)計建造要求。滾水壩是一種攔水建筑物，其主要作用為抬高上游水位、攔蓄泥沙，限制水位高低。例如大運河之上的戴村壩系京杭大運河沿線重要水利樞紐，由玲瓏壩、亂世壩、滾水壩組成。滾水壩的作用是汶水開始上漲、小汶河水位超過安全界限后向西漫水，以防小汶河決口。

減水閘同樣是重要的分洪設(shè)施，其中值得一提的是建造于明朝萬歷十二年（1584年）的揚州市寶應(yīng)縣劉堡減水閘。劉堡減水閘的西側(cè)是寶應(yīng)湖，寶應(yīng)湖風(fēng)急浪高、水流湍急，但作為漕運（古代由官方督管的水道運輸）要道，大量的船只需要由此通過。為了保障漕運安全，劉堡減水閘應(yīng)運而生。該閘可以在水流過大時開啟泄洪，使河內(nèi)多余的河水經(jīng)里河、排河?xùn)|向入海，沿途還可以灌溉農(nóng)田，造福百姓。

作為世界上開鑿最早、規(guī)模最大的人工運河，大運河從設(shè)計、施工到管理，涉及測量、計算、機械、流體力學(xué)等多方面的科學(xué)技術(shù)知識。大運河的修建過程反映了中國古代勞動人民的聰明才智和創(chuàng)造精神，至今仍帶給我們無限的啟發(fā)。

劉堡減水閘