倪修武，周本川

(四川省通濟堰管理處，四川眉山，620860)

引言

成都平原，素有天府之國的美譽?！度A陽國志》卷三《蜀志》:李冰修都江堰后，成都平原“沃野千里，號為陸海，旱則引水浸潤，雨則杜塞水門，故記曰水旱從人，不知饑饉，時無荒年，天下謂之天府也”，時隔115年(公元前141年)，“西漢景帝時，蜀郡守文翁在岷江流域筑湔堰，在武陽縣(今四川彭山)引岷江水筑大堰，開六水門灌溉”(《中國水利百科全書·水利史分冊》)。據(jù)考證，六水門即為通濟堰前身。通濟堰的建造從此也開發(fā)出了眉嘉平原這片富庶之地。兩千多年來，都江堰、通濟堰源源不斷地輸送優(yōu)質的水源潤澤養(yǎng)育著成都平原蕓蕓眾生。

都江堰、通濟堰能實現(xiàn)兩千多年可持續(xù)利用，有許多可挖掘的科學價值。其中進水口的設置也有其獨特之處。

1 都江堰、通濟堰治水哲學思想

都江堰、通濟堰的治水智慧體現(xiàn)了“道法自然”、“天人合一”的哲學思想。在工程總體設計上，遵循了“乘勢利導、因時制宜”的治水指導思想，主要表現(xiàn)為工程進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。尤其是在進水口設計上，都江堰按照“砌魚嘴立湃缺，深淘灘、淺作堰”設計思路；通濟堰取水于新津岷江、西河、南河交匯處，進水口也開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)出順應自然的數(shù)學之美，也蘊含了先輩的治水智慧。如今，大自然黃金角的科學價值已被認識。

2 大自然黃金角度

大自然是最為嚴謹?shù)?，有著它嚴格的運行準則和規(guī)律，中國文化群經(jīng)之首《易經(jīng)》就是通過探索大自然固有規(guī)律來指導人類發(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、人乃至整個宇宙的深層規(guī)律精辟涵括、闡述出來。“道法自然”揭示了整個宇宙的特性，囊括了天地間所有事物的根本屬性，宇宙天地間萬事萬物均效法或遵循“自然而然”的規(guī)律。愛因斯坦曾經(jīng)說過，上帝不會擲骰子，一切都是安排好了?？茖W家發(fā)現(xiàn)即便一種最常見的車前草，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，獲得最多的陽光，承受最多的雨露。再看向日葵，向日葵的果實也都是按照137.5°這個恒定的發(fā)散角排列的。英國的科學家沃格爾曾用計算機模擬向日葵果實排列的方法，他將其排列為137.4°和137.6°。結果發(fā)現(xiàn)，就是這正負誤差0.1°，會使得向日葵“吃虧”不小。前者花盤上的果實出現(xiàn)了間隙，且只能看到一組順時針方向的螺旋線；后者花盤上的果實也會出現(xiàn)間隙，會看到一組逆時針方向的螺旋線；而只有當發(fā)散角剛好為137.5°時，花盤上的果實才呈現(xiàn)彼此緊密鑲合狀，以及沒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來劃分360°的圓周，所得角度約等于222.5°。而在整個圓周內(nèi)，與222.5°角相對應的外角就是137.5°，所以137.5°角是圓的黃金分割角，也叫黃金角。

3 都江堰、通濟堰黃金角度的運用

都江堰、通濟堰堰首依山勢而建，進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)，黃金角的設計使河水到此按0.618∶0.372分流。同時，根據(jù)岷江河道流速和含沙量，進水口取在黃金角頂下游78m位置，在滿足進水口流量前提下，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堰進水口黃金角度衛(wèi)星地圖

圖2 都江堰寶瓶口和通濟堰進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，有了黃金角的設計，河水主流方向不是正對寶瓶口口門，而是正對離堆，洪水時，主流直沖離堆，再向左折轉，呈垂直方向流向寶瓶口，因而在口門右側形成一個立軸漩渦阻水。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，有80%以上的洪水可從飛沙堰溢流，起到了“水旱從人”的作用。當岷江百年一遇洪水流量7700m3/s時寶瓶口進流僅740m3/s，還不到岷江洪水流量的10%，這種流量的自動調(diào)節(jié)能力就是都江堰建成后，成都平原避免了旱洪災害的根本原因。通濟堰雖采用閘門調(diào)節(jié)進水量，這樣設計同樣巧妙避開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，多年平均懸移質輸沙量約為868×104t,D50=0.075mm；推移質輸沙量為150×104t～200×104t，D50=61.0mm,河床質D50=168mm。懸移質基本屬于沖瀉性的范圍，泥沙淤積問題主要是在洪水季節(jié)運動的卵石推移質。在小水時段，卵石難以起動，推移質泥沙很少，所以內(nèi)江分水六成并無多少泥沙。洪水時主流從外江宣泄，自然也挾帶了大部分運動的卵石推移質，內(nèi)江進水口(寶瓶口)與主河流呈黃金夾角的設計，河流在此形成環(huán)流，卵石推移質在角頂一側輸移進入外江，根據(jù)實測資料分析，進入內(nèi)江的卵石輸移量只占岷江總量的26%左右。通濟堰也是同樣的原理，洪水季節(jié)卵石推移質在黃金角角頂一側輸移進入主河道，進水口淤積主要是洪水季節(jié)關閉進口閘門時，部分懸移質沖瀉受阻沉積而成，在進口前方80m處修建攔沙埂后，此問題已徹底解決。

4 結語

隨著歷史的進程，社會生產(chǎn)力的發(fā)展，都江堰和通濟堰渠首結構和渠系均曾有過多次變遷，并且歷代都有重要的維修和擴建。正是有了許許多多治水人物的精心籌劃、累積經(jīng)驗、不斷完善，才使這兩座偉大工程日益發(fā)揮更大的作用。她們是水利科學技術的寶庫，也是我國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用來說，其科學價值值得深度挖掘。在此，筆者希望對黃金角度膚淺認識起到拋磚引玉的作用，期待更多的專家學者能借助精準實驗平臺，通過有效的科學實驗，進行嚴謹?shù)目茖W論證，總結出可復制的經(jīng)驗，為古人的治水智慧添加科學注解，促使大自然黃金角的價值在水利工程建設中發(fā)揮更廣泛的作用。