“古有大禹治水，三过家门而不入；后有李冰治水，积劳成疾。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。希望大家能够记住这些故事，记住这些人。”

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。

文 | 张志会 中国科学院青促会会员、中国科学院自然科学史研究所副研究员

本文转载自微信公众号“格致论道讲坛”（ID: SELFtalks)，原文首发于2020年7月9日，原标题为《目前，中国共有约9.8万座水坝，已成为世界建坝的中心 | 张志会》，不代表瞭望智库观点。

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天人合一、人水和谐

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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，其宽度就有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。

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。水坝主要是用来蓄水，形成水库，壅高上游水位，这个坝已经具备水坝的基本功能。

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，结果小河狸们就情不自禁，开始不停地建坝。

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？它们聪明的小脑袋就想出了在河上来建造一个堤坝，在坝上安家的方法。

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。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，水害灾害频发，因此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，该怎么办呢？

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，世界上现存的最早的水坝距今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。

但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，一些非常顶尖的中国考古学家、水利专家，齐聚在杭州，一起干了一件事。

科学家们有非常先进的科技支撑，比方说遥感、GIS地理信息系统，他们发现我们的祖先在距今4700年到5100年前，已经开始在良渚古城建造一些水利系统。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。

良渚古城

图的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时，一并建造水坝？

主要是因为他们住在海拔只有2米的太湖的边上。水稍微一来，就要被水淹了。尤其是他们住的这个地方是天目山，是整个浙江省暴雨的中心。

设想一下，高山峡谷区有山洪，洪水排山倒海的向你涌过来，第一反应是什么？不是逃跑，而是腿软。在你还没有反应过来的时候，很可能就被水给淹没了。所以我们的祖先从那时开始已经建造这个复杂的水利系统。

通常来讲，是用现代的考古发掘来做一些现场的考察。下图是2015年老虎岭水坝的发掘现场。

老虎岭水坝发掘现场

这是老虎岭水坝的一个黄土剖面。凭什么说这就是水坝呢？在这个泥土堆里有一些白线，这是烂掉的草。

我们老祖宗们在沼泽地的边上，上面长满了草，下面有淤泥。他们先割掉上面的草，然后用铲子把淤泥铺在草上，顺势一卷，用芦苇一捆扎，形成一个土包。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”的特点是体量小，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会非常好。

我们的祖先就地取材，在家门口就可以解决这些事情。后来我们的专家们还发现，那些高坝甚至可以应对当地百年一遇的洪水。

当提到中国水历史时，我们首先想到非常有名气的“大禹治水”，不过大禹治水终究只是一个没有真凭实据的传说。而良渚古城的考古发现是实打实的证据，它特别的意义是把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，就已经领悟到“天人合一、人水和谐”。

水利工程的核心——选址

让我们顺着历史的长河，穿越到战国时期。下图显示的都江堰水利工程，历经两千年，现在还在泽被着成都平原。

当时在秦国的蜀郡，非旱即涝，老百姓称此为“泽国”。朝廷便选拔了非常擅长治水的李冰，来取代当地由政治家张若担任的太守。

选址，对于所有的水坝工程都非常重要。李冰事迹的高潮，体现在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，根据弯道动力学，水很容易聚拢到这个渠首的位置。鱼嘴，顾名思义，长得像鱼的嘴巴，很形象。当水流到鱼嘴这个位置，江面骤然变宽，速度也慢了下来。

鱼嘴就可以利用这种条件，结合当时的地形地势来实现水的分流。一部分水流向内江——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。

水量的变化与季节密切相关。在春季，农民伯伯要做一件非常重要的事，就是灌溉农田。春季水量本来很少，但“鱼嘴”可把六份的水量引进内江保证农田灌溉。在夏季，雨量非常丰富，为使成都平原免受水灾，“鱼嘴”可利用弯道动力学，把六成的水引向外江。

上图的中心是飞沙堰，岷江的水以时速四五百公里的速度下冲，中间夹杂着大量的泥沙。飞沙堰的一个主要功能是排水、排沙。它利用离心力原理，可把重达1000斤的石块翻回到外江。

这幅图的左下角叫宝瓶口，它原来是不存在的，但当时的人们完全靠人工在山体中开凿了一个水道，使水注入成都平原。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。

水往下流，一直到了飞沙堰，再往宝瓶口，如果这时水量依然超限，水可以往上返，飞沙堰会进行二次分控。这个宝瓶口的左上方是泄洪道，可以把多余的洪水排向外江。有没有非常惊叹？真是巧夺天工！

历经千百年来，水利发挥着它独特的魅力，我们可以想象，李冰依然站在岷江边上，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。

大小天平坝就是两个交叉的坝体，中间有一个108度的弧度。公元前221年，雄才大略的秦始皇统一六国，但他没有就此罢休，而是盯向了岭南。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。上图右下角红色箭头所指的是铧嘴，再往上走，两个小箭头对的地方是大小天平坝。

大小天平坝主要是在铧嘴的帮助下，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，实现了跨流域的调水。以上是灵渠的基本原理。

我脚下的地面，是由参差不齐的条石构成，因看起来像鱼鳞，老百姓就称它为“鱼鳞坝”。它真正的奥秘在哪里？它其实并不是我们现在看到的好像是平铺的，而是由很多长达一两米的条石竖直插立而成。

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，非常有意境——当水漫过坝面时，像有很多小鱼在上面弹跳。

坝面上的水流经过时，水里裹挟的泥沙会慢慢渗透到条石缝隙里。随着时间推移，水量加大，反而使这些泥沙更紧密，把大坝弄得更结实。

后来人们还发现大小天平坝的上下游有很多浮沙，按理来说，随着水的推进，会侵蚀坝体。所以人们不禁纳闷，为什么历经两千多年的风霜，这个坝体还这么坚实？因为文字记载有限，人们一直觉得这是一个千古之谜。

1979年，灵渠当地水利专家组织来修葺大小天平坝，发现了这样一个惊人的事实。早在2000多年前，我们的祖先就发明了用松木来巩固坝基的方法。

首先，用竖直的松木在沙石上打桩，像盖房子一样平铺、纵铺，再修建石坝。因此，水坝可以历经千年而不倒，是不是非常神奇？

随着历史发展，筑坝技术也在不断地被完善。中国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。

水利的现代化发展

后来到了20世纪30年代，出现了非常标准的拱坝和非常结实的重力坝。水坝的功能不断发展，日益综合化。

1936年，人类历史上出现了第一座现代意义的大坝——胡佛大坝。大家有没有感觉有点印象呢？电影《变形金刚》里的第七区，威反派代表震天就是被囚禁在这个大坝之下；电影《007》里，主角詹姆斯邦德，曾经在这个坝身上一跃而下。

这个水坝的特点是一个主坝高220米的混凝土重力拱坝。它常被称为“坝中美女”。

胡佛大坝的建成，彻底制服了以前非常凶猛的科罗拉多河。它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问题。

后来这个水坝上了美国的邮票，成为美国国家精神的象征，对世界上很多的国家产生了非常深远的影响。比如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。

以及塔吉克斯坦从1975开始建设，至今还没竣工的罗贡坝。它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完成建造。

从新中国成立开始，中国开展了史无前例的大坝工程的建设。

北京周边的水库——十三陵、密云、官厅水库，至今还对北京的供水起着非常重要的作用。因为大坝主要处在高山峡谷区域，或者是人迹罕见的山沟沟里，我们平常是见不到它们的。

目前，中国共有约9.8万座水坝，已成为世界建坝的中心。

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