彎道代閘是通過人工做彎延長(zhǎng)流徑、減緩坡降，滿足通航要求的一項(xiàng)水利工程技術(shù)1。它通過人工彎道對(duì)河渠航道的水面坡降作出調(diào)整，以降低水流坡降、減緩水流速度而利于船舶航行，可以不建水閘而實(shí)現(xiàn)航道水力特性的調(diào)整，民間有“三彎抵一閘”之說。關(guān)于彎道代閘技術(shù)，最早見諸我國(guó)春秋時(shí)期的科技文獻(xiàn)《周禮·考工記》:“凡溝逆、地阞(不平貌)謂之不行，水屬不理孫(意順)，謂之不行。梢溝，三十里而廣倍。凡行奠水，磬折以叁伍。”其中講到，修建渠道時(shí)，要考慮水流速度、水面比降等問題。為了減低流速，應(yīng)使水繞彎道而流，水道應(yīng)該成“磬折”狀，就好像磬(一種古代打擊樂器，用石或玉制成，像曲尺。)彎曲的的兩肢(形成鈍角)，形成151度的彎曲度，其比例為“叁伍”，即3∶5，即直行占30%的距離、彎道占50%的距離2。在船閘系統(tǒng)尚未發(fā)明之前，這一技術(shù)使得人工運(yùn)河在高差較大的地區(qū)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在中國(guó)古代水運(yùn)工程的代表作靈渠和大運(yùn)河上都有典型的實(shí)例，體現(xiàn)了中國(guó)古人“以河治河”的運(yùn)河建造思想。

　　對(duì)彎道代閘這一技術(shù)的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的研究及專著和論文，2014年，清華大學(xué)遺產(chǎn)研究院在《靈渠申報(bào)世界文化遺產(chǎn)文件》中提出了靈渠對(duì)這一技術(shù)的使用，但未系統(tǒng)論述。為了進(jìn)一步深化對(duì)靈渠這一世界古代水利建筑明珠科學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)，普及靈渠文化知識(shí)，促進(jìn)靈渠申報(bào)世界文化遺產(chǎn)，本文引經(jīng)據(jù)典，運(yùn)用水利科學(xué)專業(yè)知識(shí)，對(duì)靈渠應(yīng)用彎道代閘技術(shù)具體情況、重要作用進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為靈渠是世界上最早應(yīng)用彎道代閘技術(shù)的人工運(yùn)河，彎道代閘技術(shù)不僅利于靈渠通航，而且對(duì)靈渠的水量調(diào)節(jié)具有決定性作用。

　　1 靈渠彎道代閘技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

　　靈渠建于秦始皇三十三年(前214年)，是世界上現(xiàn)存最古老的運(yùn)河之一。它位于廣西興安縣，由大小天平壩和南北二渠組成。彎道代閘是中國(guó)古代運(yùn)河工程中的杰出創(chuàng)造，這一原理在靈渠的航道設(shè)計(jì)上得到充分體現(xiàn)。筆者經(jīng)梳理后發(fā)現(xiàn)，靈渠南北二渠的航道上，有多處較為明顯的彎道代閘技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。

　　1.1 北渠的兩個(gè)大“s”彎道

　　靈渠北渠開鑿于湘江北岸平坦的一級(jí)階地上，全部為人工渠段，是典型的彎道代閘河段。渠首連接大天平壩和分水塘，渠尾連通湘江。因人字形攔河壩修成后，船只無法過壩，故以新水道連接海洋河與湘江，北渠也稱為“湘江新道”。北渠全長(zhǎng)3.25 km，其中北陡口渠底高程為211.8 m，渠尾與湘江匯合口的渠底高程為206.31 m，渠底高差5.14 m，水面落差達(dá)6.72 m，渠道平均坡降1.7‰。其進(jìn)水口至渠尾直線距離僅1.9 km(根據(jù)衛(wèi)星地圖測(cè)量)，如果按照直線距離開挖渠道，則平均坡降可達(dá)2.7‰。古人通過人工開挖了兩個(gè)連續(xù)彎曲的“S”型渠段，第一個(gè)“S”型渠段是從觀音閣到花橋村，第二個(gè)“S”型渠道是從花橋村到洲子上村附近(見圖1)。全線共延長(zhǎng)渠線超過1 300 m，成功地降低了渠道比降。

　　1.2 南渠從始安水口到清水河注入靈渠處的航道

　　這段航道是在始安水原有天然河道的基礎(chǔ)上人工疏浚擴(kuò)挖而成，因此被稱為半人工運(yùn)河段。此段渠道寬9～15 m不等，全段地勢(shì)較為陡峻，坡降很大，因此河道多彎曲。其中，自距分水塘9.4～10 km一段，共長(zhǎng)600 m，但其直線距離僅是一半，共有近似180°的反曲線七八處;自距分水塘10.03 km南至10.09 km的60 m渠道是一個(gè)大彎道，直線距離只有20 m;這兩段是典型的彎道代閘渠道。

　　1.3 南渠黃龍堤至大陡之間的人工渠道

　　黃龍堤位于南渠自然河段靠近古嚴(yán)關(guān)處(見圖2)，是一處橫亙?cè)谀锨�自然河道段的砌石溢流�?由大條石砌成，頂寬3.5 m，內(nèi)為直岸，外坡寬約4.7～5.3 m，共長(zhǎng)87.6 m，壩兩端連筑石堤岸，下端堤長(zhǎng)25.5 m，上端堤長(zhǎng)48.8 m。黃龍堤在宋代就存在了，慶歷四年(1044年)，桂林衙前秦晟等人曾經(jīng)監(jiān)修靈渠及其黃龍堤，清道光二十六年(1846年)興安知縣李天鈺重修，并題刻“黃龍堤”三字石碑。黃龍堤溢水道原為靈河故道，在未開新渠前，水流直接經(jīng)黃龍堤溢水道向西而去，但是因?yàn)檫@段河道坡度較大，水淺流急，不利船舶航行。因此，古人筑黃龍堤把靈河故道堵住，攔截河水從新開的渠道翻轉(zhuǎn)一個(gè)大的彎道匯入原渠道，新開渠道長(zhǎng)度大致為原始河道的5倍多，大幅減緩了坡降，平穩(wěn)了水流，航行條件得到顯著改善。

　　2 彎道代閘技術(shù)在靈渠中所發(fā)揮的作用

　　渠道坡降指渠道上、下游兩個(gè)斷面之間渠底沿水流方向下降或上升的高差與該渠段水平長(zhǎng)度的比值，也稱渠道比降。彎道代閘技術(shù)在靈渠工程中的應(yīng)用，大大降低了渠道的坡降，其作用除了利于船舶航行之外，還有三個(gè)重要的功能，分別是合理分圖2黃龍堤示意水、增加灌溉面積和保護(hù)渠道，這是之前人們關(guān)注不多的。

　　2.1 利于行舟

　　根據(jù)水利水運(yùn)工程原理，內(nèi)河船舶的航行阻力主要由水流阻力與坡降阻力構(gòu)成3。水力坡降，又稱比降，水力學(xué)專有名詞，指河流或渠道水面單位距離的落差，常用百分比、千分比或萬分比表示。

　　W為船舶(隊(duì))總排水質(zhì)量(kg);J為船舶(隊(duì))長(zhǎng)度范圍內(nèi)平均水面坡降;a為考慮船舶上灘時(shí)水面比降局部增大的修正系數(shù)，一般取a=1.1～1.24。由此可知，坡降越大，對(duì)船舶航行的阻力越大。因此，古人在靈渠上使用將渠道延長(zhǎng)降低坡降的彎道代閘技術(shù)，對(duì)于船舶航行具有十分重要的作用。清康熙年間興安知縣陳關(guān)調(diào)，曾親自參與靈渠的整修和管理，他的《陡河曲》一詩也認(rèn)識(shí)到了靈渠使用彎道代閘這一技術(shù)的意義和作用:“水理不宜直，人心不宜曲。人曲無生氣，水直難接續(xù)。古者開成手，鑿河誠(chéng)意篤。源引海洋波，迂回勢(shì)滿足。

　　2.2 合理分水

　　長(zhǎng)期以來，流傳著這樣一種看似合理實(shí)則錯(cuò)誤的觀點(diǎn):小天平和大天平的長(zhǎng)度“三七開”(3∶7的比例，即小天平3、大天平7)，決定了南北二渠的水量也是“三七開”，即所謂“三七分水”。事實(shí)上，根據(jù)水力學(xué)原理，“對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程，其過流能力與斷面形狀、面積、襯砌表面粗糙程度和渠道坡降等因素有關(guān)”6，因此南北二渠水量，決定于南北二渠的過水能力。只有南渠與北渠的輸水能力在一定比例時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)“三七分水”的情況。其中，由于南渠“地勢(shì)高而流緩”，長(zhǎng)達(dá)33.15 km，平均坡降僅0.9‰;北渠“地勢(shì)低而流駛”，直線距離僅1.9 km，如果不延長(zhǎng)渠線，坡降將高達(dá)2.7‰，水流將會(huì)十分疾速。因此，在北渠應(yīng)用彎道代閘技術(shù)，對(duì)調(diào)節(jié)分配南北二渠的水量，就具有十分重要的決定性作用。而且利用北渠的設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)水量，工程量相對(duì)南渠要小得多，且更容易操作和調(diào)整。

　　如果把北渠與湘江故道等長(zhǎng)或取直線，則渠道坡度將會(huì)更大，不但難以滿足航行要求，還會(huì)因?yàn)楸鼻�的流速加大而破壞鏵嘴的分水效果，入南渠的流量將會(huì)變得十分微小，甚至斷流，靈渠的作用將蕩然無存。如果南北二渠沒有適當(dāng)?shù)倪^水?dāng)嗝媾c流速，僅靠鏵嘴的位置設(shè)置及小、大天平的長(zhǎng)度的“三七比”，絕對(duì)無法達(dá)到”三七分水”的目的。

　　因此，北渠渠道的定線設(shè)計(jì)具有很高的科學(xué)水平，體現(xiàn)了中國(guó)古人治水智慧之高超，也是靈渠科學(xué)價(jià)值的重要體現(xiàn)。

　　2.3 增加灌溉面積

　　早在春秋時(shí)期，著名政治家管子就提出了“迂其道而遠(yuǎn)之”7的技術(shù)，也就是使水迂回流到更遠(yuǎn)的地方，使渠道控制盡可能大的灌溉面積。根據(jù)現(xiàn)代水力學(xué)原理，合理選擇渠道坡降，不僅關(guān)系到渠道輸水能力的大小和渠道的穩(wěn)定性，而且也影響灌溉面積的大小。有了適宜的坡降，水流就會(huì)沿著渠道順著地形地勢(shì)繞道遠(yuǎn)去，并通過支渠、農(nóng)渠等下一級(jí)渠道，把灌溉用水按需要分配到田間。到2017年底止，靈渠灌溉面積達(dá)到6.5萬畝，應(yīng)該與古人使用了彎道代閘技術(shù)令渠道蜿蜒曲折有關(guān)。

　　2.4 保護(hù)渠道

　　春秋時(shí)期管子曾經(jīng)指出:“夫水之性，以高走下則疾，至于漂石;”8意思是水的性質(zhì)，如從高處往下流就快，以至于把石頭沖走;如果坡降大了，水流速度過快，就會(huì)沖壞渠道。根據(jù)現(xiàn)代水力學(xué)原理，輸水渠道設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇一個(gè)合理的坡降，坡降過大過小均不合適。因此，靈渠能夠延續(xù)使用2 200多年而經(jīng)久不衰，與使用彎道代閘技術(shù)降低了坡降、讓水流迂回向緩有較大關(guān)系。

　　3 靈渠是最早應(yīng)用彎道代閘技術(shù)的人工運(yùn)河

　　關(guān)于彎道代閘技術(shù)，雖然早在我國(guó)春秋時(shí)期就有人提出了，但這一原理最先僅是使用在灌溉技術(shù)上9。“凡行奠水，磬折以叁伍;欲為淵，則句于矩”全句可釋讀為:凡需修筑從水庫中引水的水渠，在平地上的曲折度一般應(yīng)相當(dāng)于“磬折”那樣的角度，亦即如同參宿兩側(cè)的角度，這樣水流才能暢通，才不會(huì)形成回流渦(即鄭玄注:“行停水，溝形當(dāng)如，磬直行三，折行五，以引水者疾焉。”)如果想讓水渠的水流在轉(zhuǎn)彎的地方形成一處相對(duì)不流動(dòng)的靜止水區(qū)，那就應(yīng)該把水渠轉(zhuǎn)彎時(shí)的角度修成矩形(90度)，這樣在轉(zhuǎn)彎的外角處就會(huì)形成一處靜水區(qū)。形成一處靜水區(qū)有什么用處呢?主要是便于從這里引出一條支渠，用于灌溉主干渠附近的農(nóng)田10。此一技術(shù)在運(yùn)河中的應(yīng)用，在中國(guó)古代早期運(yùn)河中，無論是春秋時(shí)期的陳蔡運(yùn)河還是邗溝，均未發(fā)現(xiàn)相關(guān)記載。目前，中國(guó)古代水利水運(yùn)工程當(dāng)中，除了靈渠以外，應(yīng)用彎道代閘技術(shù)較為著名的水利工程有:已經(jīng)成功申報(bào)世界文化遺產(chǎn)的京杭大運(yùn)河山東省德州段運(yùn)河和河北省東光段運(yùn)河，其中德州段形成了“九曲十八彎”的龍形走勢(shì)，河北省境內(nèi)東光段運(yùn)河在連鎮(zhèn)鎮(zhèn)南北兩端各有兩處彎道代閘技術(shù)使用實(shí)例。但是，他們的建造年代，均為13世紀(jì)末元朝定都北京后，至元(元世祖忽必烈年號(hào))十八年(公元1281年)到至元三十年(公元1293年)之間，迄今僅700余年。而建于2 200多年前的靈渠，當(dāng)之無愧的是世界上最早應(yīng)用彎道代閘技術(shù)的杰出范例。

　　歷史上最早在宋代周去非的《嶺外代答》中就記載了靈渠南渠沿著山邊曲線環(huán)繞的形態(tài):“遂鑿渠繞山曲，凡行六十里，乃至融江而俱南”11。

　　4 結(jié)論

　　總體而言，“彎道代閘”的航道設(shè)計(jì)能夠很好地配合靈渠周圍的地貌，解決水流的落差和流速等航運(yùn)問題，并起到增加灌溉面積和保護(hù)渠道的作用，“這一理念在世界運(yùn)河航道設(shè)計(jì)的實(shí)踐中體現(xiàn)了極強(qiáng)的中國(guó)水利技術(shù)原創(chuàng)性，是中國(guó)航道工程的杰出代表12。”因此，靈渠符合世界文化遺產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)(ⅳ):“可作為一種建筑或建筑群或景觀的杰出范例，展示出人類歷史上一個(gè)(或幾個(gè))重要階段。”

　　彎道代閘技術(shù)是靈渠最早應(yīng)用于航道設(shè)計(jì)上的原創(chuàng)技術(shù)，在降低坡降、利于通航、合理分水、增加灌溉面積、保護(hù)渠道等方面均有重要作用，在世界水利史上具有獨(dú)特的重要地位。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 興安地方志編纂委員會(huì).靈渠志[M].南寧:廣西人民出版社,2010.

　　[2] 鄭連第.靈渠工程史述略[M].北京:水利電力出版社,1986.

　　《靈渠彎道代閘技術(shù)應(yīng)用略述》來源：《水利發(fā)展研究》，作者：劉建新