水旱從人，不知饑饉，時(shí)無荒年，謂之天府——都江堰

都江堰建成后，成都平原沃野千里，兩千多年經(jīng)久不衰，至今仍在發(fā)揮著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)等多種效益，可謂世界水利史上璀璨明珠。
公元前256年，秦國(guó)蜀守李冰父子開建長(zhǎng)江流域上的第一項(xiàng)大型水利工程—都江堰，其興建目的在于“辟沫水之害”，即消除岷江水害，同時(shí)具備航運(yùn)與灌溉之利。工程巧妙利用自然條件，合理布局各項(xiàng)建筑物，因地制宜進(jìn)行施工，由此發(fā)揮出持久而巨大的效益。

古往今來，一切水利工程，歸根結(jié)底，不外乎控制和調(diào)度水沙，工程的關(guān)鍵性與成敗得失，都取決于此。我國(guó)著名水利工程中，有相當(dāng)一部分是因?yàn)閷?duì)泥沙問題處理不當(dāng)而失效，使工程最終毀于泥沙淤積。黃河流域的工程較為顯著，其中三門峽的泥沙問題為最，三門峽建成后，蓄水的同時(shí)攔截了大量泥沙，泥沙得不到有效排泄，導(dǎo)致運(yùn)行不到一年，便致使渭河流域淤積大量泥沙，河床抬高，大片良田浸沒，土地迅速鹽堿化，危險(xiǎn)直逼古都西安。長(zhǎng)江流域，如鑒湖、芍陂、長(zhǎng)渠、木渠等，歷史上也曾因泥沙淤積而湮廢或衰落。都江堰工程長(zhǎng)盛不衰的重要原因之一，就是它有效地處理了泥沙問題。那么它是如何做到的呢？

工程原理

都江堰樞紐位于岷江中游，地處岷江由山谷河道進(jìn)入成都沖積平原之處，占據(jù)了分水引水的制高點(diǎn)，工程中最核心的三道屏障：魚嘴、飛沙堰和寶瓶口，如圖1所示，對(duì)來水來沙進(jìn)行了逐級(jí)篩選，才達(dá)到水旱從人、取清排渾之功。下面進(jìn)行分別介紹。

魚嘴
作為第一道屏障，魚嘴起第一級(jí)分水排沙作用，其將岷江分成內(nèi)、外二江，內(nèi)江為引水河道，將岷江部分水量引入地勢(shì)較高的寶瓶口，外江為泄洪排沙河道。由于魚嘴作用：洪季，內(nèi)江引40%的清水，60%的水和大量泥沙進(jìn)人外江；而枯季，內(nèi)江引60%的水，以滿足下游灌區(qū)用水。即為“魚嘴分四六”原則。
分水原理如圖2，首先介紹下流量公式Q=AU，其中Q為流量，A為過水?dāng)嗝婷娣e，U為斷面平均流速，從公式出發(fā)做定性理解：枯水季節(jié)，水位較低，①內(nèi)江河床較低，其過水面積A大于外江，②由于枯季來水少，水流動(dòng)能小，主流（即流速最大處）偏于岸邊（也就是圖中示意的低水傍岸，高水居中），因此內(nèi)江平均流速U大于外江。故內(nèi)江Q大于外江Q；在洪水季節(jié)，水位較高，①外江過水?dāng)嗝鍭大于內(nèi)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大于內(nèi)江Q。
至于排沙作用，枯水季節(jié)流量小，帶不動(dòng)沙，本身就沙少水清，不太需要考慮排沙問題；洪水季節(jié)，由于主流在外江，又因?yàn)榘及稕_刷凸岸淤積作用，處于凸岸的外江含沙量較大，故大量泥沙被主流帶入外江，第一級(jí)排沙成功√。

飛沙堰
飛沙堰，顧名思義，作用就是排沙。在洪水季節(jié)，泥沙為何會(huì)從飛沙堰被甩出？平時(shí)輕松甩100斤卵石，1966年甚至甩出過2噸重的石塊，簡(jiǎn)直逆天！下面介紹逆天排沙原理。首先介紹兩個(gè)概念：彎道環(huán)流和凹沖凸淤。
① 彎道環(huán)流，水流過彎時(shí)，由于離心力作用，凹岸水位較高，如圖3所示，各位平時(shí)泡咖啡攪拌也能看到周圍水位高于中心水位，一個(gè)道理。因?yàn)榘及端桓?，水深大，故凹岸底部水壓力大P=ρgh，在壓力作用下凹岸底部水流向凸岸，形成了彎道橫向環(huán)流。
② 凹沖凸淤，如圖4所示，在垂向上，泥沙濃度分布為上稀下濃，這個(gè)就不給公式了，相信大家這點(diǎn)生活經(jīng)驗(yàn)還是有的。彎道環(huán)流+上稀下濃，底部渾水從凹到凸，上部清水從凸到凹，長(zhǎng)此以往，凹沖凸淤。

現(xiàn)在可以解釋飛沙堰的飛沙技能了，飛沙堰處于彎道河流，此處會(huì)形成彎道環(huán)流現(xiàn)象，如圖5所示，在彎道環(huán)流作用下，清澈的表層流進(jìn)入內(nèi)江，渾濁的底層流帶入外江。至于甩100斤巨石，由于挾沙力與流速U高次方成正比，故而，第二級(jí)排沙成功√

寶瓶口
寶瓶口作為最后一道關(guān)卡，其最重要的作用為“引清排渾”。機(jī)理如下：
第一，彎道水流有縱向流速，也有彎道環(huán)流，故水流在彎道中會(huì)形成螺旋流，如圖6所示：在水流順江向下，較清澈的表層流流向凹岸（寶瓶口），渾濁的底層流流向凸岸（飛沙堰），寶瓶口正對(duì)表層流流向，為“正面引水”的姿態(tài)[5]，同時(shí)在河道螺旋流的作用下，挾帶泥沙的底層流從堰頂翻越到外江。
第二，由于寶瓶口為收窄斷面，在收窄處會(huì)形成回流，如圖6所示，在回流作用下，泥沙會(huì)被甩到飛沙堰上。

都江堰工程，是古代水利人智慧的結(jié)晶，其中蘊(yùn)含的寶貴經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)思想對(duì)如今的水利工程都有很大的現(xiàn)實(shí)意義，將經(jīng)驗(yàn)拆解細(xì)化并最終轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)科學(xué)，這將是現(xiàn)代科學(xué)的目標(biāo)。