力学赏析——宋礼、白英与漕运

weixin

朱棣登位后，为了应对来自北方蒙古的威胁，加强边疆控制，遂决定迁都北京。然而，迁都最重要的问题就是粮食问题，由于北京附近并不是产粮区，就必须把苏杭一带的粮食运抵北京，在漕运不通时，只能出海绕渤海转运，路途损耗严重，高达十分之九，且常有沉船溺舟之风险。在这一背景下，朱棣下令开通漕运，永乐九年(1411)令工部尚书宋礼治理会通河。本文将借助这一事件简要说说力学在水利工程中的应用，并尝试分析力学与工程之间的关系！

漕运，即以人工河道运输粮食，也称河运。在我国历史上，漕运一直都是朝廷的重点工程，镌刻着中华民族的民族精神。《史记河渠》记载：“禹治水于吴，通渠贯江湖。”《越绝书》记载，秦始皇从嘉兴“治陵水道，到钱塘越地，通浙江”。这些都是人工开凿河道的记载。自隋唐以后，以京杭大运河为航线的漕运就一直是历代朝廷最重要的政治事务，明清时期，设漕运总督统管全国漕运事务，品级为从一品或正二品，官职之高可见朝廷的重视程度。

漕运与长城一样，也是伴随着历史的进程不断修建、演化的。早在春秋战国时期，吴王夫差征伐各国时常开凿运河运兵、运粮，如伐越开东江（胥浦）、伐齐开江南运河、以及沟通长江淮河的邗（han 二声）沟，这被称为京杭大运河的最早开凿的两段（请结合下图看）。隋朝时期黄河以南开通济渠（以战国时期鸿沟为基础）（后称汴河），连通黄河与淮河，黄河以北开永济渠连通黄河与海河，永定河就是海河的支流可通北京。

隋唐时期的大运河：网络图片

可见，修建大运河就是在几条河流之间开挖人工河流，让各河流内的水相通，这样船就可以沿着河流达到河流经过的各地。此时的大运河就是连通了长江、淮河、黄河、海河，再利用他们的支流，构筑出了巨大的水运网络。

到了元朝，洛阳不再作为首都，大运河绕道洛阳就显得绕了“远路”，因此又挖通济州河（连接泗水和济水，下图中东平至黄河段，后来成为会通河的一部分）、会通河（引汶绝济直通永济渠，永济渠即卫运河），通惠河（通州和朝阳区）三个河道，将大运河重新连接，成了一条直线（见下图）。

元京杭大运河

黄河夺淮：黄河和淮河通过苏北灌溉总渠、淮沐新河、新淮河、射阳河等河流相连，黄河在1194年至1855年间曾一度以淮河的河道作出海口。

元与隋唐运河比较：图片来源于网络

但是，本来想着取直后可以缩短航程，实际上却出了很大的问题。连接济宁至临清之间的会通河因水量小，导致运输量锐减（岸狭水浅，不任重载）。因此，元朝时期的大运河作用十分有限，北方的物资主要依赖海运。元末农民起义四起，会通河基本荒废。洪武二十四年 (1391)，黄河在原武（今河南原阳）决堤，会通河彻底淤积堵塞。朱棣迁都北京后，决定打通会通河，恢复漕运，永乐九年 (1411) 令工部尚书宋礼治理会通河。

宋礼 (1361-1422) 字大本，河南永宁人。洪武年间，任山西按察司佥事，左迁户部主事。建文初年，被推荐为陕西按察佥事，复坐事左迁刑部员外郎。朱棣即位后，命署礼部事，以敏练擢礼部侍郎。永乐二年拜工部尚书，掌管全国屯田、水利、土木、工程、交通运输、官办工业等，疏通会通河属于他的本职工作。

工程可分为前后两期，前期工程宋礼以济宁州同知（知府的副职）潘叔正为技术顾问。主要进行了三项工程：

  · 对会通河淤积段进行疏浚；

  · 局部改道；

  · 对原有的节制闸进行整修。

首先解释疏浚，即疏通、扩宽或挖深河湖等水域的工程术语。早期以人工进行河道开挖施工为主，水少时可在施工区域先做围堰（将河道先堵起来施工中间），使河道断流施工，水大时就需要人工进行水下作业。如今，疏浚已有了专门的机械——挖泥船施工，有绞吸式、耙吸式、抓斗式、铲斗式、链斗式等五种挖泥船类型。与疏浚相关的另一项工程是吹填工程，即将挖取的泥沙通过排泥管线输送到指定地点进行填筑作业，一般有两个目的：

  · 一是放淤固堤，如利用挖泥船在黄河河道上挖泥并加固堤防；

  · 二是场平工程，先打桩勾画出场平区域，然后填入挖泥船挖出的泥沙。

南海的人工岛礁就是这样施工的。将疏浚出来的泥沙用于吹填，是一大进步，在最初的时候，一般疏浚的泥沙都就近倾倒，而白白浪费掉。

被誉为“造岛神器”的“天鲲”号挖泥船。

局部改道好理解，即根据水源、流势改变河流的路径。节制闸可用来通过闸门开闭调节上游水位、控制下泄水流流量，通常建于分水闸和泄水闸的稍下游，抬高水位以利分水和泄流，并与分水闸和泄水闸组成闸枢纽。会通河上在一些比降（两点之间高度与水平距离之比）大的地方设置节制闸，无船通过时关闭，有船通过时打开，起到蓄水济运的目的。

节制闸与分水闸、泄水闸组成的闸枢纽

图片来自网络

这可谓宋礼治理会通河的一期工程。一期工程从兖州、青州、济南、东昌（今聊城）四府聚集丁夫15万，又从邓州、莱州调拨兵工1.5万，分六批兵明，冒寒忍暑，披星戴月，苦干18个月，新开河道120里，西距元代运道30里（局部改道）。重浚后的运道“深一丈三尺，广三丈二尺”。然而，虽然河道通了，水却流不进修好的河道内。

如果从力学角度看，水流动主要依据重力做功，我们常说的“水往低处流”，水流不能流进河道说明水源地比新修的河道地势低。虽然道理都知道，然而怎么才能让水从高处来呢？宋礼眼看着流不进水的河道苦闷不已，幸好在汶上（山东济宁汶上县）访得白英老人，与宋礼高论治河之理，改变治河策略，我们将白英参与会通河后称为二期工程。

白英 (1363-1419)，山东汶上彩山村人，是运河上的民夫领班（约10人1班，领班被称为老人），对山东境内大运河及其附近地势、水情十分熟悉。白英首先指出依照元代会通河水源是通过在汶河上凿堽城坝引汶水入洸河，洸水流至任城（今济宁），再通过会源闸分流南北济运，但任城地势并不高，与南旺（请在下图中找见南旺湖）相比低了5米，因此水就不能流进河道。实际上，一期工程的失败主要在于沿用了元代的设计，主要是分水枢纽选址失败导致水流不尽河道！

白英建议把位于会通河道最高点的南旺镇作为分水点，并建议在南旺修建分水闸门，建议利用天然地形，扩大会通河沿岸的南旺、安山、昭阳、马场等处的几个天然湖泊（这个湖在下图中也可以找到），修建成"水柜"（即水库，调节运河供水），并且设置"斗门"（就是在河道上的进水闸门），以便蓄滞和调节水量。同时，开挖河渠，把附近州县的几百处泉水引入沿河的各"水柜"中。

明代会通河

元修济州河南北穿南旺湖，将南旺湖分为南旺湖（河西）和南旺东湖。白英修建南旺引水渠（小汶河）分南旺东湖为马踏湖和蜀山湖。图片来源于网络

二期工程也主要包括三项（建议在阅读下面三项工程时，在地图中找见对应的地名，这样可以形象直观的理解白英的设计理念）：

1.筑戴村坝，堵塞堽城斗门不让汶水经洸河流往济宁（上图可找见各地名），于汶水下游戴村坝河（今汇河）筑坝阻挡汶水，使其全部经小汶河流到南旺，这是会通河流域的最高点，自此入运河，水可自流（上图可找见各地名）；

2.开挖小汶河，即上图中标注①南旺引水渠，废弃了原来从汶上袁口北到寿张沙湾一段旧河床，东移20里另开新河，南北两端接于旧河，并根据节水便航的需要，分段建闸60多座；

3.建南旺枢纽工程。首先，将汶水引至南旺运河后，在汶河入运河口处建立一座分水鱼嘴，将汶水分流，七分北流，故民间称“七分朝天子，三分下江南”。同时，利用运河两岸的湖泊、洼地蓄水，建水闸。南旺附近形成了安山湖、南旺湖、蜀山湖、马踏湖、马场湖五处湖泊，合称北五湖（水柜），水量太多时，通过水闸将洪水泄入湖泊；水量不足时，再将湖水放入运河，来补给运河水源。

永乐十三年 (1415)，漕运通海运罢，自此明朝以河运替代海运，每年400万担（多时可达500万担）取道于此。永乐十七年 (1419) 南旺枢纽工程整体竣工，白英随宋礼进京复命，病逝于途中。此时，运河沿岸早已“岸堤垂柳，莺转鸟鸣，湖映晓霞，帆影鱼跃”，人民安居乐业，生活富裕。永乐18年 (1420)，追封白英为“功漕神”，并建庙立祠。清雍正1728年加封永济神，光绪5年 (1879)，敕封白英为“白大王”。正德七年 (1512年)，宋礼被尊为河神，并在汶上、南旺建祠和庙并塑神像，供后人每年祭祀。

整体来看，白英的策略就是在河道的最高点南旺建立分水枢纽，水从高处来确保水能流入河道。如果抛开具体工程段中力学问题，如边坡稳定性，河岸、河床冲刷，建筑物力学等等，仅从河流流动、流向来看，这里所用到的最根本的力学原理大概就是，水在重力作用下由势能转变为动能的能量转换原理，实现水自高而低的自然流动。

然而，简单的力学原理真要应用于实际工程变为现实，却往往并不简单。从会通河的疏浚工程来看，为了达到使河流获得足够的“能力”流入河道，就需要对地形、水情有充分的了解，然后找水源、选坝址、划河线，更要进行河道、建水坝、闸门等多项配套设施的施工工作。为了使河中的水流满足势能转化条件，会通河上先后投入46.5万兵民（二期工程投入30多万人），前后8年（永乐九年-十七年），综合使用“导、截、拦、蓄、泄”等措施方才满足这一条件。审视工程与力学原理，简明的力学原理——势能转变为动能，这里，掌握原理的“轻易性”与工程浩荡的“挑战性”形成了鲜明的对比。

我们常说“工程中有许多力学问题”，又说“力学是各类工程的理论基础”，似乎感觉力学是工程，工程也是力学。实际上，力学和工程之间还有相当大的差距。力学遵循自然原理，为工程提出一般化设计思路；而工程的目标在于千方百计的实现力学原理的各类要素，而能否实现就成为工程中的挑战性（会通河前期工程就失败了）。也正是这样的原因，研究如何满足力学原理中的各类要素，设计、并制造出各类工具或工程，就成为各类工程技术学科。

举例而言，力学中讲力的本质：“力是改变物体运动的原因”，“力-物体-运动”就构成工程设计思路，并在各自领域产生各类工程学科。如，为了产生“力”，就出现了以装载机、起重机、铲车、挖掘机等各类机械为代表的机械工程；然后，物体至少有两个要素，一是组成物体所用的材料、另一个是物体由材料组成的各种结构，就出现了材料科学与结构工程；最后，运动可以认为是功能要求，或静止平衡，或运动，或变形，土木、水利工程中结构稳固才能安全使用，航天工程要实现卫星或飞船的绕天体运动，模具、成型中要让原材料变形成各种形状。种种工程学科，总在力学的主线上展开，而具体到每一个工程学科，如机械、土木、水利、航空航天…… 具体设计、制造方案仍然需要遵循力学原理。

没有力学，工程设计与管理就缺少了逻辑上的可靠性，成功了不知道为什么，失败了同样也不知道为什么。一旦发生灾难，希望吸取教训下次改正也没有改正的方向。据微信中相传，前一段时间埃航飞机事故，就是为了安装大体积发动机而随意更改飞机外形而引发的航空灾难。航空工业中必须满足力学原理，飞机才可能飞起来，不满足力学原理要么飞不起来，要么飞起来也不能安全飞行。

我总感觉，力学与工程之间似乎是一种“魂”与“体”的关系。没有力学，只凭工程师的经验进行设计，就会漫无边际，无章可循，只要工况稍有变化就极容易可能出问题。如果只谈力学，而缺少具体工程实施，力学就只能是四处飘荡的“游魂”，永远不能为造福人类做出贡献。只有力学与工程相结合（灵魂附体），不仅让力学有了落脚点，工程设计也可显现出了她的内在逻辑性。

为此，力学专业的同学应该多关注一些工程案例，能将自己所学的力学分析方法应用于工程实际，为国家建设贡献力量；工程专业的同学，应该多掌握一些力学知识，让自己的设计满足力学原理，使其成为真正造福人类的“工具”，只有在力学指导下的工程，才能真正的成为人类探索和认识自然，改造世界的有利帮手。

参考文献：
[1] 薛焕炳. 江南运河与吴古故水道[J]. 江南论坛, 2014(7):59-61.
[2] 张嵚的《明朝中前期的盛世与帝王们》http://blog.sciencenet.cn/blog-1225851-863675.html
[3] 节制闸的作用. http://blog.sciencenet.cn/blog-1381954-864484.html
[4] 宋礼访白英——治理会通河史话

来源：力学酒吧微信公众号（ID：Mechanics-Bar），作者：张伟伟 太原科技大学。