水利工程中大自然黄金角度的运用初探

倪修武，周本川

(四川省通济堰管理处，四川眉山，620860)

引言

成都平原，素有天府之国的美誉。《华阳国志》卷三《蜀志》:李冰修都江堰后，成都平原“沃野千里，号为陆海，旱则引水浸润，雨则杜塞水门，故记曰水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之天府也”，时隔115年(公元前141年)，“西汉景帝时，蜀郡守文翁在岷江流域筑湔堰，在武阳县(今四川彭山)引岷江水筑大堰，开六水门灌溉”(《中国水利百科全书·水利史分册》)。据考证，六水门即为通济堰前身。通济堰的建造从此也开发出了眉嘉平原这片富庶之地。两千多年来，都江堰、通济堰源源不断地输送优质的水源润泽养育着成都平原芸芸众生。

都江堰、通济堰能实现两千多年可持续利用，有许多可挖掘的科学价值。其中进水口的设置也有其独特之处。

1 都江堰、通济堰治水哲学思想

都江堰、通济堰的治水智慧体现了“道法自然”、“天人合一”的哲学思想。在工程总体设计上，遵循了“乘势利导、因时制宜”的治水指导思想，主要表现为工程进水口均选在水源充沛之地，既保证了水资源可持续利用，又缓解了水患，得到趋利避害的效果。尤其是在进水口设计上，都江堰按照“砌鱼嘴立湃缺，深淘滩、浅作堰”设计思路；通济堰取水于新津岷江、西河、南河交汇处，进水口也开凿于宝资山自然河道弯道下游。二堰引水方向和自然河道均呈大自然黄金角度(137.5°)，既体现出顺应自然的数学之美，也蕴含了先辈的治水智慧。如今，大自然黄金角的科学价值已被认识。

2 大自然黄金角度

大自然是最为严谨的，有着它严格的运行准则和规律，中国文化群经之首《易经》就是通过探索大自然固有规律来指导人类发展《道德经》云：“人法地、地法天、天法道、道法自然”，老子用顶针的文法，将天、地、人乃至整个宇宙的深层规律精辟涵括、阐述出来。“道法自然”揭示了整个宇宙的特性，囊括了天地间所有事物的根本属性，宇宙天地间万事万物均效法或遵循“自然而然”的规律。爱因斯坦曾经说过，上帝不会掷骰子，一切都是安排好了。科学家发现即便一种最常见的车前草，它身上也有着最不普通的东西，那就是它的叶子排列得极其规整有序，车前草叶柄基部呈螺旋式从根部向顶端分布着，且相邻两片叶子之间弧度大小皆为137.5°，按照这种排列模式，每片叶子便可占有最多的空间，获得最多的阳光，承受最多的雨露。再看向日葵，向日葵的果实也都是按照137.5°这个恒定的发散角排列的。英国的科学家沃格尔曾用计算机模拟向日葵果实排列的方法，他将其排列为137.4°和137.6°。结果发现，就是这正负误差0.1°，会使得向日葵“吃亏”不小。前者花盘上的果实出现了间隙，且只能看到一组顺时针方向的螺旋线；后者花盘上的果实也会出现间隙，会看到一组逆时针方向的螺旋线；而只有当发散角刚好为137.5°时，花盘上的果实才呈现彼此紧密镶合状，以及没有缝隙的两组反向螺旋线，最终也就得到了最多最饱满的葵花籽。137.5°有何奇妙之处呢？如果我们用黄金分割率0.618来划分360°的圆周，所得角度约等于222.5°。而在整个圆周内，与222.5°角相对应的外角就是137.5°，所以137.5°角是圆的黄金分割角，也叫黄金角。

3 都江堰、通济堰黄金角度的运用

都江堰、通济堰堰首依山势而建，进水口均建在与自然河道流水方向成黄金角度(图1)约78M处(图2)，黄金角的设计使河水到此按0.618∶0.372分流。同时，根据岷江河道流速和含沙量，进水口取在黄金角顶下游78m位置，在满足进水口流量前提下，起到了兼顾防洪和减少泥沙淤积量的作用。

图1 都江堰宝瓶口和通济堰进水口黄金角度卫星地图

图2 都江堰宝瓶口和通济堰进水口与黄金角角顶距离(均约为78m)

3.1 防汛的作用

在洪水季节，就都江堰而言，有了黄金角的设计，河水主流方向不是正对宝瓶口口门，而是正对离堆，洪水时，主流直冲离堆，再向左折转，呈垂直方向流向宝瓶口，因而在口门右侧形成一个立轴漩涡阻水。洪水流量愈大，流速愈高，阻水作用也愈大。宝瓶口进流受到限制，上游水位抬高，迫使更大部分水流从飞沙堰顶溢流回外江，这样，在特大洪水时，有80%以上的洪水可从飞沙堰溢流，起到了“水旱从人”的作用。当岷江百年一遇洪水流量7700m3/s时宝瓶口进流仅740m3/s，还不到岷江洪水流量的10%，这种流量的自动调节能力就是都江堰建成后，成都平原避免了旱洪灾害的根本原因。通济堰虽采用闸门调节进水量，这样设计同样巧妙避开了自然河道主流的冲击，也有效地降低了防洪压力。

3.2 减少淤积的作用

在都江堰河段，多年平均悬移质输沙量约为868×104t,D50=0.075mm；推移质输沙量为150×104t～200×104t，D50=61.0mm,河床质D50=168mm。悬移质基本属于冲泻性的范围，泥沙淤积问题主要是在洪水季节运动的卵石推移质。在小水时段，卵石难以起动，推移质泥沙很少，所以内江分水六成并无多少泥沙。洪水时主流从外江宣泄，自然也挟带了大部分运动的卵石推移质，内江进水口(宝瓶口)与主河流呈黄金夹角的设计，河流在此形成环流，卵石推移质在角顶一侧输移进入外江，根据实测资料分析，进入内江的卵石输移量只占岷江总量的26%左右。通济堰也是同样的原理，洪水季节卵石推移质在黄金角角顶一侧输移进入主河道，进水口淤积主要是洪水季节关闭进口闸门时，部分悬移质冲泻受阻沉积而成，在进口前方80m处修建拦沙埂后，此问题已彻底解决。

4 结语

随着历史的进程，社会生产力的发展，都江堰和通济堰渠首结构和渠系均曾有过多次变迁，并且历代都有重要的维修和扩建。正是有了许许多多治水人物的精心筹划、累积经验、不断完善，才使这两座伟大工程日益发挥更大的作用。她们是水利科学技术的宝库，也是我国水利科技史中光辉的里程碑。就水利引水工程黄金角度的运用来说，其科学价值值得深度挖掘。在此，笔者希望对黄金角度肤浅认识起到抛砖引玉的作用，期待更多的专家学者能借助精准实验平台，通过有效的科学实验，进行严谨的科学论证，总结出可复制的经验，为古人的治水智慧添加科学注解，促使大自然黄金角的价值在水利工程建设中发挥更广泛的作用。