都江堰。
我一直以为在湍急的河流中建造一堵墙就是为了拦住水来控制水位,直到我深入研究堰的原理后才发现之前的想法真是大错特错。
你过来,我通过一个实验来给你解释。用这个水缸模拟河流,现在的水位深度大约是一点四厘米,当在中间放入一道堰后水流被截断,上游水位逐渐升高,直到漫过堰顶流下去。这时再重新测量下游的水位居然只有四毫米,比之前下降了约百分之七十。
为什么堰明明什么都没做,水位却降低了?其实这并不是水量减少了,而是因为上游水位抬高后水的势能增加。当水从高处流下时势能转换成动能,也就是流速加快。同样的水流量流速越快,需要的水流断面就越小,水位自然就降低了。
然而这只是最基础的堰,要说最神奇的还得是都江堰。这是成都边上的岷江,它的性情极不稳定,汛期洪水泛滥,枯水期又缺水灌溉。于是人们用成千上万个装满石头的烛龙垒筑出一个鱼嘴型的分水堤,将岷江分为内江和外江。
内江通过宝瓶口流入灌溉渠道奔向成都平原,这里的巧妙之处在于内江的河床窄而深,外江则宽而浅。当枯水期水流少时,更深的河道自然可以分到更多的水流。约百分之六十的江水流入内江,而外江只能分到百分之四十。一旦到了风水期情况则截然相反,宽阔的外江则分走了大部分河水,这就是著名的四六分水。
为了防止特大洪水,水量仍然过大的问题,都江堰还有二道保险。人们在内江的后方也就是宝瓶口的对面修建了一座低矮的飞沙堰,它仅比内江的河床高出两米。当水位太高时江水便会直接没过它,排向外江,让成都平原彻底摆脱了洪水的困扰。
然而都江堰的神奇不止于此,当水流到达分水堤前端时岷江主流正好在此进入转弯,而转弯惯性产生的离心力会将水中更多的砂石甩向外江,只有少量的清细泥沙进入内江。而到了宝瓶口前的弯道,再次利用水流的离心力通过飞沙堰进一步将沙排往外浆,最终流入渠道的便是清澈的江水,这就是二八分沙。
即便如此还是会有少量泥沙会在内江淤积,因此人们在沙石一堆积的位置放入一匹石马,每到旱季人们会清理淤泥直至露出石马为标准。
这套持久稳定、顺应自然的水利调控系统守护了天府之国两千多年,你学会了吗?