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张志会:穿越千年的水坝智慧
2018/5/15 6:17:22    新闻来源:中国水力发电工程学会
我叫张志会,来自中科院自然科学史研究所。我想问一下,在大家印象里,是不是认为中科院里基本都是自然科学家?其实不然,科学院还有很多的工程师,还有一些非常小众的、像我一样纯粹文科背景的科研工作者。从这一点来看,我觉得自己还是蛮另类的。我主要研究的是中国的水利水坝工程的历史、伦理和哲学问题,今天我就将从技术史的角度,带领大家领略一下跨越千年的水坝智慧。

  这是从空中拍摄的水坝的遥感图,它位于加拿大安波塔省的湿地公园,它的宽度就有830米。这个水坝有什么独特之处呢?

  让我们近一点看,这个图就可以看得更清楚一点,大家可以看到这个水坝主要是用木棍和泥土建设的、结构相对简单的水坝,那么水坝主要是用来蓄水,形成水库,壅高上游水位,这个坝其实已经具备了水坝的基本功能。

  请大家来猜一下这个水坝的建筑师是谁?这种小动物叫什么名字?这种小动物的名字叫河狸,被我们称为自然界最杰出的土木工程师。这种小河狸天生就具有筑坝的本事,科学家们曾经做过一个非常有趣的试验,就是故意给他们放那种“哗哗”的水声,结果小河狸们就开始情不自禁地、不停地建坝。

  大家可能要问小河狸为什么要建坝呢?主要是它们的眼神不太好,在陆地上行动不便,经常被敌人追,肯定要跑,跑不动怎么办?所以它们聪明的小脑袋就想出了这么一个办法,就是在河上来建造一个堤坝,在坝上安家。

  小河狸建坝固然是为了生存,那么我们人类呢?早在一万年前,我们的祖先就已经开始进入了农业社会。我们经常说中国幅员辽阔、地大物博,我们有滚滚长江、万里黄河,但是老祖宗为我们挑选的这个地方,自古以来就不消停,水害灾害贫发,可以相信我们的老祖宗很早就开始建坝了。可是他们又不像小河狸一样天生就会建坝,他们怎么办呢?

  所以我们有理由相信,我们的祖先可能从河狸老师身上受到了一些启发,开始建坝了。到底有多早呢?据历史书上来讲,现存的世界上最早的水坝距今3000多年前,是古城加瓦的供水系统的一部分,在今天的约旦境内。

  可是历史就是这么有意思,经常会有一些反转剧。在两年前,中国的考古学家有一个惊人的发现,改变了这个历史。2016年的时候,中国有一些非常顶尖的考古学家、水利专家,他们齐聚在中国杭州,他们一起干了一件事。

  科学家们有非常高超的科技手段,比方说像遥感、GID地理信息系统,他们发现我们的祖先在距今4700年到5100年前,就已经开始在良渚古城建造一些水利系统了,不仅城内有这种复杂的河系,在外围还有一些非常复杂的水坝。

  请大家看一下这个图,左上方是高山峡谷区建了一些高坝,在下面有山前的长堤,往下方会有一些低矮的水坝。我们的祖先为什么在建设良渚古城的同时,一并建造水坝呢?

  主要是因为他们住的地方不太安全,他们住的地方是太湖的边上,海拔只有2米。水稍微一来,就要被水淹了,特别是他们住的这个地方是天目山,是整个浙江省暴雨的中心。

  大家可以设想一下,高山峡谷区有山洪,洪水会排山倒海的向你涌过来,第一反应是什么?不是逃跑,是腿软了,在你还没有反应过来的时候,很可能就被水给淹没了,所以我们的祖先在那个时候开始,就已经建造了这个复杂的水利系统。

  我们通常来讲,用现代的考古发掘来做一些现场的考察。这个图片是2015年老虎岭水坝的发掘现场。

  这就是老虎岭水坝的一个黄土剖面。凭什么说这就是水坝呢?大家来慢慢看一下,在这个泥土堆里有一些白线,这是烂掉的草。我们请大家脑补另外一个场景,我们老祖宗们在沼泽地的边上,上面长满了草,下面有瘀泥。他们先把上面的草给割掉,然后用铲子把瘀泥铺在草上,顺势一卷,用芦苇一捆扎,OK,就形成了一个土包。我们现在叫它“草裹泥”,他们把一个一个的土包堆砌在一起就形成了水坝。

  “草裹泥”有一个特点,就是体量小,而且非常柔软,可塑性很强。一旦连接到一起,就可以使一个水坝完全不露水、密不透风,所以这个水坝的质量就会非常好。我们的祖先就地取材,家门口就可以解决这些事情。后来我们的专家们还发现,那些高坝甚至可以解决当地百年一遇的洪水。

  如果我们讲到中国水历史的时候,我们首先想到的就是非常有名气的“大禹治水”,不过大禹治水终究只是一个传说,没有真凭实据。可是我们的良渚古城的这些考古发现是实打实的证据确凿,它有一个特别特殊的意义,就是它把整个中国治水的历史整整向前推进了一千年,所以我们的老祖宗在很早的时候,就已经get到“天人合一、人水和谐”的观念,

  我们顺着历史的长河,穿越到战国时期来看一下。战国时期当时有非常出名的水利工程,一直到现在这个工程历经两千年还在泽被着成都平原,就是图上显示的都江堰水利工程。

  首先给大家一个idea,所有的水坝工程非常重要的一个事情就是选址。李冰为什么被朝廷任命来建设这个水利工程呢?当时在秦国的蜀郡,也是非旱即涝,老百姓称这个地区是“泽国”。朝廷就选拔了非常擅长治水的李冰,而取代当地政治家张若担任蜀郡的太守。李冰非常高超的地方,就是他给都江堰选的这个地方非常好。

  都江堰工程位于岷江的弯道上,顺着这个弯道动力学,水很容易聚拢到这个渠首的位置,就是图上看到这个鱼嘴,顾名思义,长得像鱼的嘴巴,很形象。当水流到了鱼嘴这个位置,江面骤然变宽,速度也慢下来了,鱼嘴就可以利用这种条件,结合当时的地形和地势来实现水的分流,一部分流向内江——图的下方位置,最终经过狭窄的渠道流向成都平原,上面就是外江。

  水量的变化还跟季节非常有关系。在春季的时候,农民伯伯要做一件非常重要的事,就是灌溉农田。本来水量很少,“鱼嘴”就把六份的水量引向了内江来泽被成都平原,保证农田灌溉。到了夏季的时候,雨量非常的丰富,为了使成都平原免受水灾,“鱼嘴”就利用弯道动力学,把六成的水引向了外江。

  这个图显示的是飞沙堰,岷江的水以时速四五百公里的速度向下流,中间会夹杂着大量的泥沙。飞沙堰的一个主要功能就是排水、排沙,它可以利用这个离心力的原则,把重达1000斤的石块翻回到外江里面去,非常非常的厉害。

  这幅图的左下角叫宝瓶口,它原来是不存在的,当时的人们完全用人工在山体中间开凿了一个水道,使这个水可以注入成都平原。如果我们把整个成都平原比作一个瓶子,这个宝瓶口就是一个进水口,山体中间的宽度是恒定的,最终有多少水能注入成都平原,由这个宝瓶口来决定流量。

  如果水一直往下流,到了飞沙堰,再往宝瓶口的时候,水量依然超限,水就可以往上返,飞沙堰就会进行二次分控。这个宝瓶口的左上方还有一个水道是泄洪道,也可以把多余的洪水排向外江。有没有感觉非常惊叹、巧夺天工。

  历经千百年来,水利发挥着它独特的魅力,我们可以想像,李冰依然站在岷江的江边,指挥着成都平原水势的流向。

  几乎是跟都江堰同一个时期,稍微晚几十年的时间,还有一个非常出名的水利工程值得一提,它就是位于当今广西兴安县内的灵渠。这个图上显示的是两个交叉的坝体,就是大小天平坝,中间有一个108度的弧度。

  公元前221年,具有雄才大略的秦始皇统一了六国,但是他没有就此罢休,他的目光盯向了岭南,他想南下征服百越,最终统一全国。可是在南下的过程中,他遇到了预想不到的困难,当时有重重山林的阻隔,使得运输粮草和兵马都变得非常困难,这样怎么能打胜仗呢?所以他就命令部将史禄负责开凿灵渠,于是30多万秦兵和当地老百姓开山辟石,最终修建了这么一个大规模的水利工程。

  简单给大家介绍一下灵渠的基本原理。大家看一下右下角红色箭头所指的地方是铧嘴,再往上走,两个小箭头对的地方就是刚才提的大小天平坝。大小天平坝主要就是在铧嘴的帮助下,使下面的海洋水实现三期分游,一部分注入右边弯弯曲曲的北渠,一部分注入南渠。北渠最终沟通了湘江,南渠最终沟通了漓江,这样就实现了跨流域的调水。

  请大家注意下我脚下的地面,它是由参差不齐的条石来构成的,看起来就像鱼鳞一样,所以老百姓亲切的称它为“鱼鳞坝”。真正的奥秘在哪里呢?它其实并不是我们现在看到的好像平铺在上面的,而是由很多长达一两米的条石竖直的插立而成的。

  每当水漫过坝面的时候,就像很多小鱼在上面弹跳不已,非常有意境。所以我非常推荐大家有空去看一下两千多年的水利工程,而且一定要赶在水多的时候去看,特别特别美。

  坝面上的水流经过的时候,水里裹挟的泥沙会慢慢渗透到这个条石的缝隙里面去,随着时代不断的推长,水量加大,反而使这些泥沙更紧密的把大坝弄得更结实。

  后来人们还发现一点,就是大小天平坝的上下游都有很多浮沙,随着水的推进,会对坝体造成侵蚀。所以人们不禁要纳闷了,为什么进行了两千多年的风霜,这个坝体还是这么坚实呢?因为缺乏有限的文字记载,人们一直觉得这是一个千古之谜。

  1979年的时候,灵渠当地水利专家组织来重新修葺大小天平坝,发现了这样一个惊人的事实。他们发现早在2000多年前,我们的祖先就发明了这样一种方法——用松木来巩固坝基。在沙石上首先用竖直的松木来打桩,像盖房子一样平着铺、纵着铺,再修建石坝,这样的话水坝就可以历经千年而不倒,是不是真的非常神奇?

  历史的车轮总是滚滚前进,随着历史长河不断向前推演,水坝的筑坝技术也在不断完善,我们古代的水坝要么是像都江堰一样无坝引水,要么只是非常低矮的堰坝,对环境生态影响也是非常小的。

  后来到了20世纪30年代的时候,我们出现了非常标准的拱坝,还有非常结实的重力坝,水坝的功能也在不断地向前发展,日益综合化。

  到了1936年的时候,人类历史上出现了第一座现代意义的大坝,就是图上的胡佛大坝。大家有没有感觉有点印象呢?给大家举两个小例子,在电影《变形金刚》里有一个第七区,威反派代表震天就是被囚禁在这个大坝之下。还有在电影《007》里,有没有人记得那个大帅哥主角詹姆斯邦德,就曾经在这个坝身上一跃而下。

  这个水坝有一个什么样的特点呢?它是一个主坝高220米的混凝土重力拱坝,我们经常把这个拱坝称为“坝中美女”。我在2013年的时候去过一次,也感受到了非常壮观的场景。

  这个水坝建成之后,以前非常凶猛的科罗拉多河就被彻底制服了,非常温顺地滋润着美国干旱的西部,创造美国西部经济发展的奇迹。这个水坝在历史上创造了很多第一,发明了很多大规模的混凝土筑坝技术,短时间之内用混凝土浇铸这么多坝是需要散热的,否则就成了大疙瘩,会出现严重的工程质量问题,但是它都很好的解决了这一点。

  后来这个水坝上了美国的邮票,成为美国国家精神的象征,对很多世界上的国家都产生了非常深远的影响。像巴西巴拉圭境内的依泰普水电站、埃及的阿斯旺大坝、荷兰的拦海大坝。

  还有塔吉克斯坦的罗贡坝,它是在苏联解体40多年前就开始建设,直到现在还没建完,本来是想建成世界上最高的大坝,有300多米,我们期望它在将来能够成功竣工。

  我们国家在1949年成立了中华人民共和国,从那个时候开始,中国开了史无前例的大坝工程的建设。我们在文化大革命,还有此前的大跃进时期,出现了两次筑坝高潮。

  在北京周边的水库,像十三陵、密云、官厅水库,直到现在还对北京这个城市供水发挥着非常重要的作用。因为大坝主要处在高山峡谷区域,或者是人迹非常罕见的山沟沟里,我们平常是见不到它们的。可能很多人去过怀柔雁栖湖,就是怀柔水库形成的。现在我们中国已经当之无愧的成为了世界建坝的中心,一共有9.8万座水坝。

  提到中国当代的水坝,无论如何都绕不开三峡工程,三峡工程也是我自己非常有感情的一座大坝,虽然我走过世界上许许多多的水坝,三峡工程跟我们前面提到的水利工程一样,非常重要的一个问题就是选址。

  三峡大坝的选址是非常漫长而复杂的过程,从1955年开始一共历时24年,到1979年我们国家才选定三斗坪作为三峡大坝的坝址。本来人们觉得三峡大坝不太适合建在这个区域,因为这个地方主要是喀斯特地貌,后来人们发现在三斗坪地区有长达9公里的、连续的花岗岩地基,可以做混凝土重力坝的坝基。江面非常开阔,可以放很多发电厂房,这个地方还有一个小岛叫中堡岛,非常适合实现难度很高的大江截留。

  三峡大坝现在成为世界上最大的水电站,也是世界上非常重要的清洁能源基地。它自己有很多的技术创新,我仅举一个例子,三峡大坝建完之后,左边是上游,右侧是下游,中间有100米的落差,那么一个大船怎么攀过100米的高度?中国创造性的实施了双线五级船闸,很好地解决了这个问题。

  前两天有台湾人说,如果大坝遭遇原子弹的袭击会怎么样?首先,这个人说话是非常不负责任的,现在很少有国家把民用设施,特别是这种大坝作为攻击的对象。而且从技术来讲,也是大家不用担心的,因为三峡大坝本身是混凝土重力坝,即使被击中倒下了,依然是一个巍峨大坝,不会造成短时间之内溃坝而造成严重的影响。

  我之所以研究三峡工程、研究水坝,跟我的导师有非常密切的联系,我的导师是中国工程院的陆佑楣院士,他曾经长期主持三峡大坝的建设,并且一直坚持为三峡大坝奔走和呼号,我见证了他很多努力和辛劳。我身边有很多像他这样的水坝工程师,我的导师现在已经85岁高龄了,他前两天还坐飞机专门到宜昌参加了一个黄金水道的论证会。

  很多水坝的建设周期要十几年的时间,我们很多水坝工程师在深山峡谷中,经常是一年只有一两次的机会才能跟亲人团聚。我的一个工程师朋友曾经告诉我这样的一件事情,他们会给大龄男青年提供一种优待,每年给他们两个月的时间下山结婚、生孩子。

  古有大禹治水,三过家门而不入;后有李冰治水,积劳成疾,病死在治理石亭江的工地上。还有很多大坝工程师在为我们祖国的水利建设事业默默奉献、扎根深山,我希望大家能够记住这些故事,记住这些人。

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