流体力学回旋流理论的经典案例——都江堰 都江堰的治水原理是什么？
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都江堰是一个集灌溉、防洪、提供生活和工业用水多方面功能于一体的大型水利枢纽工程，它由鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口三大主体工程和百丈堤、人字堤以及遍布于成都平原上的自动引流灌溉渠共同构成，而三大主体工程可以说是整个工程的灵魂，也最能够体现都江堰治水的思想和理念。都江堰之所以伟大，就在于它凝聚了我国古代人民的智慧，设计科学、布局合理，成功地解决了鱼嘴分水，飞沙堰泻洪排沙、宝瓶口引水等许多复杂的水利工程问题，使岷江的水利资源充分的得到利用。再加上维修简便。费用低廉而效果庞大明显，所以都江堰能在2260多年以后还能继续发挥作用。
当年李冰在对岷江沿岸进行考察之后，选择了在岷江出山口的地方，把岷江一分为二，修建三大主体工程，形成灌口。之所以选择在这里建灌口是因为这里的海拔高度是700米，而而以成都市为中心的成都平原的海拔高度只有500米，在这个扇型的冲积平原上，扇柄这个位置可以死死地扼住岷江的洪水，使它不至于泛滥成灾，而且还能控制进入成都平原的水流量。
李冰最早修建鱼嘴是在枯水季节时先把杩槎固定在江心，然后用竹笼和卵石填充其间，最后在江中形成一条绿色的大鱼，终于把岷江一分为二。因为前端部分扁平椭圆，象鱼头，所以得名为鱼嘴。鱼嘴工程的建设非常科学，它建立在岷江出山口一段呈弯道环形的江面上，岷江被它分为内外二江，在修建时，故意使外江的河床稍微高于内江。这一点看起来不起眼的设计却是自动引流的关键所在。外江是排洪的河道，内江则是负责成都平原灌溉任务的干渠。每当春耕季节的时候，正好是岷江的枯水季节，水流量不大，水流在经过鱼嘴前面的弯道后，顺应水往低处流的自然规律，主流60%的水直接进入内江，这时进入外江的水流量只有 40%。这样才能保证平原上灌溉用水的需要。到了夏天洪水季节来临时，岷江的水位明显升高。巨大的水流来到鱼嘴前的弯道这里形成巨大的旋涡。受离心力的影响，主流约60%的水被甩进外江，此时内外江的进水的比例自动颠倒过来，内江只进入40%的水量。成都平原则不至于受到洪水的威胁。因此，不管是洪水还是枯水季节，都江堰鱼嘴都能象现代化的节制阀一样，起自动调剂水流量的作用，使成都平原能够水旱从人，不知饥谨。这就是都江堰治水三字经所说的“分四六，平潦旱”。
鱼嘴的另一个重要的作用是排沙。都江堰之所以能够到今天还能继续发挥功能，就在于他有先进的排沙系统。所谓“四六分水，二八排沙”就是鱼嘴除了自动调节内外江的水流量之外，它还能把上游带来泥沙的80%给排走，使进入内江和成都平原的水都是清水。刚才我们讲到了，鱼嘴建立在大弯道的下面，外江处于凸岸进水的位置，而内江处于凹岸进水的位置。当洪水季节来临，水流是夹带着大量的泥沙，气势汹汹而来。当它们到达大弯道时，不可避免地形成巨大的旋涡。此时含沙量大，重而沉底的底层水，被离心力甩出，与60%的主流一起直冲入外江，而轻而浮面的表层清水进入旋涡后被离心力甩到了下层，冲向凹岸，也就是内江。这样进入内江的泥沙已经很少，只有20%左右。一个简单的鱼嘴同时解决了调水和调沙的难题，既能保证水量控制，又使整个工程不受泥沙淤积问题的困扰，这正是都江堰妙不可言的魅力之所在。
虽然鱼嘴排走了80%的泥沙，但是仍然有20%进入内江，如果淤积过多，肯定会毁掉都江堰。而且洪水季节进入内江的水有可能会大于成都平原的需要，形成涝灾，怎么办呢？不用担心，李冰在鱼嘴的下面还设计修建了飞沙堰和宝瓶口。这三大主体工程。相辅相成共同完成了泻洪、排沙、分水等等一系列水利工程问题。
飞沙堰其实是内江的泻洪道。它上距鱼嘴700米，下离宝瓶口200米。高度与宝瓶口进水刻度13划齐平。它的主要作用是为内江泻洪排沙。宝瓶口是当年李冰从玉垒山的末端活生生凿出来的一个梯形引水口，边坡很陡，坡上有进水刻宝瓶口长有40米，底部宽17米，水面宽度枯水季节时是19米，洪水季节时是23米，，由于它巧妙地控制着成都平原的进水量，所以又叫金灌口。
经过鱼嘴分流后进入内江的岷江水，流到飞沙堰这个位置时，在飞沙堰的对面遇到了第二个弯道，形成又一个弯道环流。加上宝瓶口凿出的离堆阻住水流，一部分水流回涌，夹带大量泥沙的底层重水再度被翻到表层，翻越飞沙堰，泻入外江，内江多余的水和泥沙就在这里被排走。剩下的清水则直接冲向离堆，经宝瓶口流向成都平原。经过第二次排沙，能在飞沙堰下面淤积下来的泥沙已经很少，每一年岁修时遵循“深淘滩，低作堰”的原则把这些泥沙淘出来，这样宝瓶口的进水量就始终都可以得到保证。
在都江堰渠首工程中，宝瓶口、飞沙堰和鱼嘴的位置、高度以及长宽尺寸可以说是珠联璧合，配合巧妙。当内江洪水的高度与飞沙堰齐平时，宝瓶口的进水量就刚好够成都平原上的工农业用水，而当宝瓶口的水位高于13划的水位刻度时，飞沙堰就开始翻水溢流，。近十年来，平原上的用水量不断增大，飞沙堰的高度略有增高，但调节宝瓶口进水的作用依然没变。此外，由于离堆迎面顶住内江的洪水，使飞沙堰以下的底部的水流速度明显下降，大量泥沙不能继续前进，部分沉积在飞沙堰对面的一带河段，受弯道环流的影响，大部分经飞沙堰排出。还剩极少的部分泥沙，每一年进行岁修时人工淘出用来加固堤坝。根据测量，经鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口相互配合，进入内江的泥沙被排除的达到了90%以上。
都江堰位于成都平原西北边缘，进入内江的水从这里流经成都平原的东南西北，是完全利用了从西到东的这200米的海拔高差，形成一个完善的自动引流灌溉系统。从上空俯瞰下来，这些一分二、二分四、四分八的密密麻麻的水网就象是穿行于人体皮肤下的血管，2000多年来为成都平原上的土地和人民源源不断的提供着甘甜的乳汁。
整个都江堰设计科学、布局合理，充分地利用自然地理条件，采用多层次的弯道环流，达到无坝分水、自动控制水流量、自动排沙、自流灌溉的目的。这种种神奇的功能保证了成都平原既受灌溉之益，又无水旱之患，不能不说是一个奇迹。大家想象一下，都江堰建立于2260多年前，那时侯，世界上很多地方都还处在蒙昧的状态，而我们的祖先却已经创建了到今天仍然是世界一流的水利工程，这是整个中华民族的骄傲。
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