運載千秋 | 大運河裡的科技智慧

近日，#何以中國運載千秋#話題衝上了熱搜！千年前的古運河，漕船南北交織，集市人聲鼎沸，貨物琳琅滿目；如今的大運河，申遺成功十年間，沿岸各地堅持保護、傳承和發展的宗旨，造就生機勃勃的景觀河、生態河、人文河，讓古老的大運河真正成為“人民的運河”。

說起大運河，大家往往會想到隋煬帝楊廣（569～618年）。但其實，大運河的歷史遠比隋煬帝修的運河早得多。作為中國東部平原上的偉大工程，大運河的開發肇（zhào）始於春秋時期的邗（hán）溝。邗溝溝通了淮河與長江，成為大運河河道最早成形的一段，至今已有2500多年的歷史。

大運河包括隋唐大運河、京杭大運河和浙東大運河三部分，溝通了海河、黃河、淮河、長江和錢塘江五大水系，是世界水利史上的偉大工程之一，並在2014年6月22日獲准列入世界遺產名錄。這樣浩大的工程，要穿越複雜的地理環境，就必須解決一系列科學技術上的難關。下面讓我們走近大運河，去探究大運河裡的科技智慧吧！

開鑿“幾”字形河道：降低落差

揚州三灣

在大運河修建過程中，會碰到河道距離短但落差大的情況。例如，揚州城南門二里橋一帶的運河河道過於順直，地勢落差較大，水勢直洩長江，難以蓄積。在這種情況下，直線河道無法保障水流平穩，過往船隻難以安全通行。那麼，要如何解決這一問題呢？

明萬曆二十五年（1597年），時任揚州知府郭光廢棄了原來用以保持運河水位的水堰（yàn，擋水的低壩），依當地地理、地勢狀況截直就曲，用回灣（使原有河道發生較大拐彎）降低水的流速——自城南門二里橋河口起，往西開挖新河，再折向南，復轉彎向東，迂迴六七裡，開鑿出“幾”字形河道，阻止水流外洩。這樣，截直就曲，河線延長，就降低了水位落差，減緩了河水下洩速度，抬高了上游水位，保持大運河水面平緩，避免了船隻擱淺之患。

後人稱此為“三灣抵一壩”，自此，揚州城區古運河除偶爾清淤疏浚以外，其航道走向沒有太大的變動。

複式船閘：讓船隻“翻山越嶺”

江蘇省宿遷市皁河鎮的複式船閘

大運河全長約2700千米，河道漫長，常經過湖區、天然河、河運交匯等複雜的地形和水域。這種複雜的水域存在動態水位差，為了保障河道暢通，大運河工程需要具備水位調節功能。古人建造了梯級船閘系統來控制水位升降，使船隻能夠“翻山越嶺”。

中國是世界上最早發明船閘的國家，也是最早建造多級船閘的國家。423年，揚州最先建造了兩個斗門——運河上的“第一閘門”。船閘的前身被稱作堰域，它是橫攔運河的壩。最初的閘是一種單閘（相當於現在的節制閘），是古代常用的閘型，沿用時間最長。從元代開始，京杭大運河上已出現成系列的單閘。

隨著航運的發展，單閘的弊端逐漸顯現，為方便行船和節約水資源，運河上出現了複式船閘。帶有閘室的複式閘與單閘相比，一方面減少了開閘過船時兩閘之間的蓄水流失，另一方面透過閘門調節水位上下，使船隻可以平順過閘。984年（北宋時期）出現了世界上最早的複式船閘——真州閘。

船隻透過複式船閘示意圖

複式船閘由兩個閘門、一個閘室組成。沒有船隻通行時，兩個閘門均為關閉狀態。當有船隻通行時，一側閘門開啟，另一側閘門依然關閉。船隻駛入閘室後，開啟的閘門再次關閉，並在兩閘之間充水或放水，用以確保穩定兩閘門之間的水位差（水面平穩）。之後，開啟另一側閘門，讓船隻通行。

隨著複式船閘在北宋時期的建立與普及，至元明時期，複式船閘進一步發展，形成了梯級船閘，使得浩蕩的運輸船隊得以平穩地“翻山越嶺”，是古代航運技術發展的一大重要成就。

澳閘：運河上的節水“神器”

京口澳閘系統示意圖

北宋時期複式船閘的建立是航運工程技術的一大進步，但是在大運河某些水源匱乏的河段，船隻過閘時，需要大量的水進入閘室；此外，船閘反覆開啟會造成運河內本就匱乏的水源進一步減少，為了保障航運水源的穩定性，古人發明了澳閘。

澳閘是在復閘基礎上進一步發展而來，其附加的水澳具有向運河補水和重複利用船隻過閘用水的雙重功效。北宋的曾孝蘊最先提出修築澳閘，建議在“揚之瓜洲，潤之京口，常之奔牛”極度缺水地段修築節水澳閘。位於今江蘇省鎮江市的京口閘，是澳閘的典型代表。

澳閘由澳、複式船閘和建在船閘一側的水閘組成，水閘與澳相通。澳，指的是在船閘旁邊建上、下兩個叫作水澳的小型水庫，用以蓄積流水、雨水或接納江河水；再開鑿小渠通向船閘，並以閘門控制。

澳閘所需的水取自水澳，並非運河，不僅可以反覆利用還可以向運河補水。澳、澳閘和複式船閘組成了可洩、可引、可蓄的完整工作樞紐。澳閘這個巧妙的設計，大大節約了運船過閘的耗水量，當時迅速在淮揚運河、江南運河中缺水的河段普及。

壩閘分洪，保障安全

劉堡減水閘

黃河汛期時，經常出現河內水位過高、水勢過大的情況，為避免洪水滿溢威脅船隻和航道安全，古人修建了滾水壩和減水閘等洩洪工程，確保大運河汛期安全。

滾水壩最早始建於秦朝，經過歷朝歷代的發展，在明代時已經有了規範的設計建造要求。滾水壩是一種攔水建築物，其主要作用為抬高上游水位、攔蓄泥沙，限制水位高低。例如大運河之上的戴村壩系京杭大運河沿線重要水利樞紐，由玲瓏壩、亂世壩、滾水壩組成。滾水壩的作用是汶水開始上漲、小汶河水位超過安全界限後向西漫水，以防小汶河決口。

減水閘同樣是重要的分洪設施，其中值得一提的是建造於明朝萬曆十二年（1584年）的揚州市寶應縣劉堡減水閘。劉堡減水閘的西側是寶應湖，寶應湖風急浪高、水流湍急，但作為漕運（古代由官方督管的水道運輸）要道，大量的船隻需要由此透過。為了保障漕運安全，劉堡減水閘應運而生。該閘可以在水流過大時開啟洩洪，使河內多餘的河水經裡河、排河東向入海，沿途還可以灌溉農田，造福百姓。

本文節選自《知識就是力量》雜誌《大運河裡的科技智慧》。

作為世界上開鑿最早、規模最大的人工運河，大運河從設計、施工到管理，涉及測量、計算、機械、流體力學等多方面的科學技術知識。大運河的修建過程反映了中國古代勞動人民的聰明才智和創造精神，至今仍帶給我們無限的啟發。

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編輯/段陽陽