张思晨

说起挖运河，大家往往会想到隋炀帝杨广（569～618年）。但其实，大运河的历史远比隋炀帝修的运河早得多。作为中国东部平原上的伟大工程，大运河的开发肇（zhào）始于春秋时期的邗（hán）沟。邗沟沟通了淮河与长江，成为大运河河道最早成形的一段，至今已有2500多年的历史。

大运河包括隋唐大运河、京杭大运河和浙东大运河三部分，沟通了海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大水系，是世界水利史上的伟大工程之一，并在2014年6月22日获准列入世界遗产名录。这样浩大的工程，要穿越复杂的地理环境，就必须解决一系列科学技术上的难关。下面让我们走近大运河，去探究大运河里的科技智慧吧！

开凿“几”字形河道降低落差

在大运河修建过程中，会碰到河道距离短但落差大的情况。例如，扬州城南门二里桥一带的运河河道过于顺直，地势落差较大，水势直泄长江，难以蓄积。在这种情况下，直线河道无法保障水流平稳，过往船只难以安全通行。那么，要如何解决这一问题呢？

明万历二十五年（1597年），时任扬州知府郭光废弃了原来用以保持运河水位的水堰（yàn，挡水的低坝），依当地地理、地势状况截直就曲，用回湾（使原有河道发生较大拐弯）降低水的流速——自城南門二里桥河口起，往西开挖新河，再折向南，复转弯向东，迂回六七里，开凿出“几”字形河道，阻止水流外泄。这样，截直就曲，河线延长，就降低了水位落差，减缓了河水下泄速度，抬高了上游水位，保持大运河水面平缓，避免了船只搁浅之患。

后人称此为“三湾抵一坝”，自此，扬州城区古运河除偶尔清淤疏浚以外，其航道走向没有太大的变动。

复式船闸：让船只“翻山越岭”

大运河全长约2700千米，河道漫长，常经过湖区、天然河、河运交汇等复杂的地形和水域。这种复杂的水域存在动态水位差，为了保障河道畅通，大运河工程需要具备水位调节功能。古人建造了梯级船闸系统来控制水位升降，使船只能够“翻山越岭”。

中国是世界上最早发明船闸的国家，也是最早建造多级船闸的国家。423年，扬州最先建造了两个斗门——运河上的“第一闸门”。船闸的前身被称作堰域，它是横拦运河的坝。最初的闸是一种单闸（相当于现在的节制闸），是古代常用的闸型，沿用时间最长。从元代开始，京杭大运河上已出现成系列的单闸。

随着航运的发展，单闸的弊端逐渐显现，为方便行船和节约水资源，运河上出现了复式船闸。带有闸室的复式闸与单闸相比，一方面减少了开闸过船时两闸之间的蓄水流失，另一方面通过闸门调节水位上下，使船只可以平顺过闸。984年（北宋时期）出现了世界上最早的复式船闸——真州闸。

扬州三湾

复式船闸由两个闸门、一个闸室组成。没有船只通行时，两个闸门均为关闭状态。当有船只通行时，一侧闸门打开，另一侧闸门依然关闭。船只驶入闸室后，打开的闸门再次关闭，并在两闸之间充水或放水，用以确保稳定两闸门之间的水位差（水面平稳）。之后，打开另一侧闸门，让船只通行。

 船只通过复式船闸示意图（绘图/骆玫）

随着复式船闸在北宋时期的创建与普及，至元明时期，复式船闸进一步发展，形成了梯级船闸，使得浩荡的运输船队得以平稳地“翻山越岭”，是古代航运技术发展的一大重要成就。

澳闸：运河上的节水“神器”

北宋时期复式船闸的创建是航运工程技术的一大进步，但是在大运河某些水源匮乏的河段，船只过闸时，需要大量的水进入闸室；此外，船闸反复开启会造成运河内本就匮乏的水源进一步减少，为了保障航运水源的稳定性，古人发明了澳闸。

澳闸是在复闸基础上进一步发展而来，其附加的水澳具有向运河补水和重复利用船只过闸用水的双重功效。北宋的曾孝蕴最先提出修筑澳闸，建议在“扬之瓜洲，润之京口，常之奔牛”极度缺水地段修筑节水澳闸。位于今江苏省镇江市的京口闸，是澳闸的典型代表。

江苏省宿迁市皂河镇的复式船闸

澳闸由澳、复式船闸和建在船闸一侧的水闸组成，水闸与澳相通。澳，指的是在船闸旁边建上、下两个叫作水澳的小型水库，用以蓄积流水、雨水或接纳江河水；再开凿小渠通向船闸，并以闸门控制。

 京口澳闸系统示意图（绘图/骆玫）

澳闸所需的水取自水澳，并非运河，不仅可以反复利用还可以向运河补水。澳、澳闸和复式船闸组成了可泄、可引、可蓄的完整工作枢纽。澳闸这个巧妙的设计，大大节约了运船过闸的耗水量，当时迅速在淮扬运河、江南运河中缺水的河段普及。

坝闸分洪，保障安全

黄河汛期时，经常出现河内水位过高、水势过大的情况，为避免洪水满溢威胁船只和航道安全，古人修建了滚水坝和减水闸等泄洪工程，确保大运河汛期安全。

滚水坝最早始建于秦朝，经过历朝历代的发展，在明代时已经有了规范的设计建造要求。滚水坝是一种拦水建筑物，其主要作用为抬高上游水位、拦蓄泥沙，限制水位高低。例如大运河之上的戴村坝系京杭大运河沿线重要水利枢纽，由玲珑坝、乱世坝、滚水坝组成。滚水坝的作用是汶水开始上涨、小汶河水位超过安全界限后向西漫水，以防小汶河决口。

减水闸同样是重要的分洪设施，其中值得一提的是建造于明朝万历十二年（1584年）的扬州市宝应县刘堡减水闸。刘堡减水闸的西侧是宝应湖，宝应湖风急浪高、水流湍急，但作为漕运（古代由官方督管的水道运输）要道，大量的船只需要由此通过。为了保障漕运安全，刘堡减水闸应运而生。该闸可以在水流过大时开启泄洪，使河内多余的河水经里河、排河东向入海，沿途还可以灌溉农田，造福百姓。

作为世界上开凿最早、规模最大的人工运河，大运河从设计、施工到管理，涉及测量、计算、机械、流体力学等多方面的科学技术知识。大运河的修建过程反映了中国古代劳动人民的聪明才智和创造精神，至今仍带给我们无限的启发。

刘堡减水闸