“古有大禹治水，三過家門而不入；后有李冰治水，積勞成疾。還有很多大壩工程師在為我們祖國的水利建設(shè)事業(yè)默默奉獻(xiàn)、扎根深山。希望大家能夠記住這些故事，記住這些人?！?/p>
在大家印象里，是不是認(rèn)為中科院里基本都是自然科學(xué)家？其實(shí)不然，科學(xué)院還有很多的工程師，還有一些非常小眾的、像我一樣純粹文科背景的科研工作者。
從這一點(diǎn)來看，我覺得自己還是蠻另類的。我主要研究的是中國的水利水壩工程的歷史、倫理和哲學(xué)問題，今天我就將從技術(shù)史的角度，帶領(lǐng)大家領(lǐng)略一下跨越千年的水壩智慧。
文 | 張志會 中國科學(xué)院青促會會員、中國科學(xué)院自然科學(xué)史研究所副研究員
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“格致論道講壇”（ID: SELFtalks)，原文首發(fā)于2020年7月9日，原標(biāo)題為《目前，中國共有約9.8萬座水壩，已成為世界建壩的中心 | 張志會》，不代表瞭望智庫觀點(diǎn)。
天人合一、人水和諧
這是從空中拍攝的水壩的遙感圖，它位于加拿大安波塔省的濕地公園，其寬度就有830米。這個水壩有什么獨(dú)特之處呢？
讓我們近一點(diǎn)看，這個圖就可以看得更清楚一點(diǎn)。
這個水壩主要是用木棍和泥土建設(shè)的、結(jié)構(gòu)相對簡單的水壩。水壩主要是用來蓄水，形成水庫，壅高上游水位，這個壩已經(jīng)具備水壩的基本功能。
請大家來猜一下這個水壩的建筑師是誰？
這種小動物叫什么名字？這種小動物的名字叫河貍，被我們稱為自然界最杰出的土木工程師。
這種小河貍天生就具有筑壩的本事，科學(xué)家們曾經(jīng)做過一個非常有趣的試驗(yàn)，就是故意給他們放那種“嘩嘩”的水聲，結(jié)果小河貍們就情不自禁，開始不停地建壩。
大家可能要問小河貍為什么要建壩呢？主要是它們的眼神不太好，在陸地上行動不便，經(jīng)常被敵人追?？隙ㄒ埽懿粍釉趺崔k？它們聰明的小腦袋就想出了在河上來建造一個堤壩，在壩上安家的方法。
小河貍建壩固然是為了生存，那么我們?nèi)祟惸?？早在一萬年前，我們的祖先就已經(jīng)開始進(jìn)入了農(nóng)業(yè)社會。常說中國幅員遼闊、地大物博，我們有滾滾長江、萬里黃河。
但是老祖宗為我們挑選的這個地方，自古以來就不消停，水害災(zāi)害頻發(fā)，因此我們的老祖宗很早就開始建壩了。可是他們又不像小河貍一樣天生就會建壩，該怎么辦呢？
我們有理由相信，我們的祖先可能從河貍老師身上受到了一些啟發(fā)，開始建壩了。到底有多早呢？據(jù)歷史書上來講，世界上現(xiàn)存的最早的水壩距今3000多年前，是古城加瓦的供水系統(tǒng)的一部分，在今天的約旦境內(nèi)。
但歷史就是這么有意思，經(jīng)常會有一些反轉(zhuǎn)劇。在兩年前，中國的考古學(xué)家有一個驚人的發(fā)現(xiàn)，改變了這個歷史。
2016年，一些非常頂尖的中國考古學(xué)家、水利專家，齊聚在杭州，一起干了一件事。
科學(xué)家們有非常先進(jìn)的科技支撐，比方說遙感、GIS地理信息系統(tǒng)，他們發(fā)現(xiàn)我們的祖先在距今4700年到5100年前，已經(jīng)開始在良渚古城建造一些水利系統(tǒng)。不僅城內(nèi)有這種復(fù)雜的河系，在外圍還有一些非常復(fù)雜的水壩。
良渚古城
圖的左上方是高山峽谷區(qū)建了一些高壩，在下面有山前的長堤，往下方會有一些低矮的水壩。我們的祖先為什么在建設(shè)良渚古城時，一并建造水壩？
主要是因?yàn)樗麄冏≡诤０沃挥?米的太湖的邊上。水稍微一來，就要被水淹了。尤其是他們住的這個地方是天目山，是整個浙江省暴雨的中心。
設(shè)想一下，高山峽谷區(qū)有山洪，洪水排山倒海的向你涌過來，第一反應(yīng)是什么？不是逃跑，而是腿軟。在你還沒有反應(yīng)過來的時候，很可能就被水給淹沒了。所以我們的祖先從那時開始已經(jīng)建造這個復(fù)雜的水利系統(tǒng)。
通常來講，是用現(xiàn)代的考古發(fā)掘來做一些現(xiàn)場的考察。下圖是2015年老虎嶺水壩的發(fā)掘現(xiàn)場。
老虎嶺水壩發(fā)掘現(xiàn)場
這是老虎嶺水壩的一個黃土剖面。憑什么說這就是水壩呢？在這個泥土堆里有一些白線，這是爛掉的草。
我們老祖宗們在沼澤地的邊上，上面長滿了草，下面有淤泥。他們先割掉上面的草，然后用鏟子把淤泥鋪在草上，順勢一卷，用蘆葦一捆扎，形成一個土包。我們現(xiàn)在叫它“草裹泥”。他們把一個一個的土包堆砌在一起就形成了水壩。
“草裹泥”的特點(diǎn)是體量小，而且非常柔軟，可塑性很強(qiáng)。一旦連接到一起，就可以使一個水壩完全不露水、密不透風(fēng)，所以這個水壩的質(zhì)量會非常好。
我們的祖先就地取材，在家門口就可以解決這些事情。后來我們的專家們還發(fā)現(xiàn)，那些高壩甚至可以應(yīng)對當(dāng)?shù)匕倌暌挥龅暮樗?/p>
當(dāng)提到中國水歷史時，我們首先想到非常有名氣的“大禹治水”，不過大禹治水終究只是一個沒有真憑實(shí)據(jù)的傳說。而良渚古城的考古發(fā)現(xiàn)是實(shí)打?qū)嵉淖C據(jù)，它特別的意義是把中國治水的歷史整整向前推進(jìn)了一千年。所以我們的老祖宗在很早的時候，就已經(jīng)領(lǐng)悟到“天人合一、人水和諧”。
水利工程的核心——選址
讓我們順著歷史的長河，穿越到戰(zhàn)國時期。下圖顯示的都江堰水利工程，歷經(jīng)兩千年，現(xiàn)在還在澤被著成都平原。
當(dāng)時在秦國的蜀郡，非旱即澇，老百姓稱此為“澤國”。朝廷便選拔了非常擅長治水的李冰，來取代當(dāng)?shù)赜烧渭覐埲魮?dān)任的太守。
選址，對于所有的水壩工程都非常重要。李冰事跡的高潮，體現(xiàn)在他給都江堰選的這個地方非常好。
都江堰工程位于岷江的彎道上，根據(jù)彎道動力學(xué)，水很容易聚攏到這個渠首的位置。魚嘴，顧名思義，長得像魚的嘴巴，很形象。當(dāng)水流到魚嘴這個位置，江面驟然變寬，速度也慢了下來。
魚嘴就可以利用這種條件，結(jié)合當(dāng)時的地形地勢來實(shí)現(xiàn)水的分流。一部分水流向內(nèi)江——圖的下方位置，最終經(jīng)過狹窄的渠道流向成都平原，上面就是外江。
水量的變化與季節(jié)密切相關(guān)。在春季，農(nóng)民伯伯要做一件非常重要的事，就是灌溉農(nóng)田。春季水量本來很少，但“魚嘴”可把六份的水量引進(jìn)內(nèi)江保證農(nóng)田灌溉。在夏季，雨量非常豐富，為使成都平原免受水災(zāi)，“魚嘴”可利用彎道動力學(xué)，把六成的水引向外江。
上圖的中心是飛沙堰，岷江的水以時速四五百公里的速度下沖，中間夾雜著大量的泥沙。飛沙堰的一個主要功能是排水、排沙。它利用離心力原理，可把重達(dá)1000斤的石塊翻回到外江。
這幅圖的左下角叫寶瓶口，它原來是不存在的，但當(dāng)時的人們完全靠人工在山體中開鑿了一個水道，使水注入成都平原。如果我們把整個成都平原比作一個瓶子，這個寶瓶口就是一個進(jìn)水口，山體中間的寬度是恒定的，最終有多少水能注入成都平原，由這個寶瓶口來決定。
水往下流，一直到了飛沙堰，再往寶瓶口，如果這時水量依然超限，水可以往上返，飛沙堰會進(jìn)行二次分控。這個寶瓶口的左上方是泄洪道，可以把多余的洪水排向外江。有沒有非常驚嘆？真是巧奪天工！
歷經(jīng)千百年來，水利發(fā)揮著它獨(dú)特的魅力，我們可以想象，李冰依然站在岷江邊上，指揮著成都平原水勢的流向。
幾乎是跟都江堰同一個時期，稍微晚幾十年的時間，還有一個非常出名的水利工程值得一提，它就是位于當(dāng)今廣西興安縣內(nèi)的靈渠。
大小天平壩就是兩個交叉的壩體，中間有一個108度的弧度。公元前221年，雄才大略的秦始皇統(tǒng)一六國，但他沒有就此罷休，而是盯向了嶺南。他想南下征服百越，最終統(tǒng)一全國。
可是在南下的過程中，他遇到了預(yù)想不到的困難，當(dāng)時有重重山林的阻隔，使得運(yùn)輸糧草和兵馬都變得非常困難，這樣怎么能打勝仗呢？
所以他就命令部將史祿負(fù)責(zé)開鑿靈渠。于是30多萬秦兵和當(dāng)?shù)乩习傩臻_山辟石，最終修建了這么一個大規(guī)模的水利工程。上圖右下角紅色箭頭所指的是鏵嘴，再往上走，兩個小箭頭對的地方是大小天平壩。
大小天平壩主要是在鏵嘴的幫助下，使下面的海洋水實(shí)現(xiàn)三期分游，一部分注入右邊彎彎曲曲的北渠，一部分注入南渠。北渠最終溝通了湘江，南渠最終溝通了漓江，實(shí)現(xiàn)了跨流域的調(diào)水。以上是靈渠的基本原理。
我腳下的地面，是由參差不齊的條石構(gòu)成，因看起來像魚鱗，老百姓就稱它為“魚鱗壩”。它真正的奧秘在哪里？它其實(shí)并不是我們現(xiàn)在看到的好像是平鋪的，而是由很多長達(dá)一兩米的條石豎直插立而成。
我非常推薦大家有空去看一下兩千多年的水利工程，而且一定要趕在水多的時候去看，非常有意境——當(dāng)水漫過壩面時，像有很多小魚在上面彈跳。
壩面上的水流經(jīng)過時，水里裹挾的泥沙會慢慢滲透到條石縫隙里。隨著時間推移，水量加大，反而使這些泥沙更緊密，把大壩弄得更結(jié)實(shí)。
后來人們還發(fā)現(xiàn)大小天平壩的上下游有很多浮沙，按理來說，隨著水的推進(jìn)，會侵蝕壩體。所以人們不禁納悶，為什么歷經(jīng)兩千多年的風(fēng)霜，這個壩體還這么堅實(shí)？因?yàn)槲淖钟涊d有限，人們一直覺得這是一個千古之謎。
1979年，靈渠當(dāng)?shù)厮麑＜医M織來修葺大小天平壩，發(fā)現(xiàn)了這樣一個驚人的事實(shí)。早在2000多年前，我們的祖先就發(fā)明了用松木來鞏固壩基的方法。
首先，用豎直的松木在沙石上打樁，像蓋房子一樣平鋪、縱鋪，再修建石壩。因此，水壩可以歷經(jīng)千年而不倒，是不是非常神奇？
隨著歷史發(fā)展，筑壩技術(shù)也在不斷地被完善。中國古代的水壩要么是像都江堰一樣無壩引水，要么只是非常低矮的堰壩，對環(huán)境生態(tài)影響也是非常小的。
水利的現(xiàn)代化發(fā)展
后來到了20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了非常標(biāo)準(zhǔn)的拱壩和非常結(jié)實(shí)的重力壩。水壩的功能不斷發(fā)展，日益綜合化。
1936年，人類歷史上出現(xiàn)了第一座現(xiàn)代意義的大壩——胡佛大壩。大家有沒有感覺有點(diǎn)印象呢？電影《變形金剛》里的第七區(qū)，威反派代表震天就是被囚禁在這個大壩之下；電影《007》里，主角詹姆斯邦德，曾經(jīng)在這個壩身上一躍而下。
這個水壩的特點(diǎn)是一個主壩高220米的混凝土重力拱壩。它常被稱為“壩中美女”。
胡佛大壩的建成，徹底制服了以前非常兇猛的科羅拉多河。它非常溫順地滋潤著美國干旱的西部，創(chuàng)造美國西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的奇跡。
這個水壩在歷史上創(chuàng)造了很多第一，發(fā)明了很多大規(guī)模的混凝土筑壩技術(shù)。短時間之內(nèi)用混凝土澆鑄這么多壩是需要散熱的，否則就成了大疙瘩，會出現(xiàn)嚴(yán)重的工程質(zhì)量問題，但是它都很好的解決了這一問題。
后來這個水壩上了美國的郵票，成為美國國家精神的象征，對世界上很多的國家產(chǎn)生了非常深遠(yuǎn)的影響。比如巴西巴拉圭境內(nèi)的依泰普水電站、埃及的阿斯旺大壩、荷蘭的攔海大壩。
以及塔吉克斯坦從1975開始建設(shè)，至今還沒竣工的羅貢壩。它本來是想建成世界上最高的大壩，有300多米，我們期望它在將來能夠完成建造。
從新中國成立開始，中國開展了史無前例的大壩工程的建設(shè)。
北京周邊的水庫——十三陵、密云、官廳水庫，至今還對北京的供水起著非常重要的作用。因?yàn)榇髩沃饕幵诟呱綅{谷區(qū)域，或者是人跡罕見的山溝溝里，我們平常是見不到它們的。
目前，中國共有約9.8萬座水壩，已成為世界建壩的中心。
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