我国在内河水运网建设有上千座水利水电枢纽，通航建筑物(船闸、升船机)是内河水运网的节点控制工程也是船舶通过大坝的唯一通道，其运行安全和效率直接影响内河水运网的“通”和“畅”。同时，过鱼设施为鱼类过坝提供了安全有效的洄游通道，在沟通大坝上下游鱼类基因交流及维系河流生态连通性等方面意义重大。

9月19日，南京一中第36期“院士1课堂”如期开讲！中国工程院院士、内河水运工程专家胡亚安带领崇文学子全面回顾我国内河水运建设成就，详细阐释船闸、升船机及过鱼设施的工作原理与特点，同时重点围绕涵盖多学科领域的科学问题，剖析未来国家高等级航道网建设的目标及面临的科技挑战。

最古老、最低碳的运输——水运

结合本期主题，胡院士首先向同学们介绍了水运的发展。在没有现代交通运输工具的前提下，水运是我们最古老的运输方式之一，承载着粮食、商品、文化和人员的往来。即使在当下，内河水运发展同样被世界各国关注、重视。习近平总书记曾强调：“要充分发挥内河航运作用，发展江海联运，把全流域打造成黄金水道。”

内河水运具有成本低、运量大、能耗小等独特优势，是国家综合运输体系的重要组成部分。水运的能耗、成本、二氧化碳排放量是最小的，这也让水运成为最经济、最低碳的一种运输方式。“航道是内河水运网的核心骨干，目前我国内河航道总里程已达12.8万公里，通航千吨级船舶的高等级航道1.61万公里，我们应该是实现了从瓶颈制约向基本适应的重大转变。”

在水运过程中，如何实现船舶从下游到上游，或者从上游向下游？胡院士由这个问题引出了何为“通航建筑物”。通航建筑物是调节水位、改善流态、渠化河流的重要手段，可以解决自然地形和水文条件给航运、生态环境带来的一系列问题。兴建拦河闸坝和通航建筑物等，可以改善船舶通航条件。

胡院士介绍，通航建筑物一般有船闸和升船机两种形式，船闸适用于平原的河网地区，升船机适用于高山峡谷地区。目前中国建设了1000多座通航建筑物，占世界的1/3左右。40年来，在经济和科技创新的驱动下，我国建成了世界上规模最大、水头最高、技术和运行环境最复杂的通航建筑物，通航建筑物的成就领跑世界。

船舶走楼梯——船闸

船闸和升船机是如何建设的？运作起来又有何原理？胡院士从多个学科角度分别为同学们讲解。

首先是船闸。船闸是通过输水廊道和阀门来控制向闸室充、泄水，实现闸室水位升降，使得船舶顺利地克服水位差过坝，形象比喻为“船舶走楼梯”。船闸主要由闸室、闸首、输水系统、引航道四部分组成。其中输水系统和阀门是实现船闸过船功能的核心，直接关系船闸安全高效运行。

当有船需要经船闸从上游到下游时，船闸打开上游阀门充水，使船闸内的水位上升至和上游水位持平时，打开上游的闸门，船进到船闸里来。然后关闭上游阀门和闸门。打开下游阀门泄水，使船闸内的水位下降至和下游水位持平，然后打开通往下游的闸门，船就可以出船闸了。反之，当船舶由下游向上游行驶时，操作程序与此相反。在这个过程中，船闸巧妙地利用水的连通器原理，通过控制阀门向闸室内蓄水或放水，使闸室内的水位与外面的水面形成连通器，进而一起达到和上水位或下水位等高，从而实现船的升降。

胡院士强调，人字闸门以三铰拱的作用承受水压力，常用作承受单向水头、在静水条件下启闭的工作闸门。当人们将它关闭的时候，上游方向的水就会往下流，因为它的门面向上游凸出，从而使得人字门越压越紧。胡院士说，船闸的工作原理涉及到物理力学、数学几何构造等多门基础学科的知识。

胡院士科普，船闸的前身是秦朝时修建的古代陡门，古人在灵渠修陡门36座来克服运河水位差，使得船舶能够航行过去。二十世纪80至90年代，我国相继建成“万里长江第一坝”葛洲坝等一系列船闸，使我国船闸的水平迅速迈进国际先进行列。大家所熟知的三峡大坝中的船闸，便是世界上水头最高、技术最复杂的船闸工程。

船舶坐电梯——升船机

船闸是用水的作用力来实现水位的升降，但是升船机是把整个船厢“连船带水”一起提上来，是利用机械装置升降船舶以克服航道上集中水位落差的通航建筑物，俗称“船舶坐电梯”。

胡院士介绍，升船机主要由主体（躯体）、闸首、引航道三部分组成。升船机也有不同形式，垂直升船机就像生活中常见的“垂直电梯”，斜面升船机相当于商场的自动扶梯，旋转式升船机类似于摩天轮。升船机涉及到多学科领域，水动力学、结构、机械、电气控制等多学科领域，科学技术问题十分复杂。

与船闸相比，升船机具有以下特点：在运转时基本上不耗水，在水量不充沛的河流和运河上，建造升船机较为有利；升船机升降速度远较船闸闸室灌泄水速度快，船舶过坝时间短；在高水头通航建筑物中升船机的造价相对较低；机电设备是升船机安全运行的重要保障，升船机建造与安装要求有较高的设计与工艺水平。

“交通强国”任重道远

全世界修建了众多座大坝，破坏了河流连通性、阻碍了鱼类洄游通道，造成了鱼类资源下降，应当如何解决这一生态问题？与水运通道一样，人类为鱼儿修建了鱼道，使得鱼儿能回栖，简称“鱼儿过坝”。胡院士告诉同学们，未来修建更多的过鱼设施、解决鱼儿的生存条件是重要的发展方向。同时更要处理好航运、生态和文化的高度协同，努力打造绿色的航运体系。

如今船舶的人工智能技术正在快速融入交通运输系统，通用的人工智能方兴未艾，将与交通运输发生深层次的化学反应，“交通强国”任重道远。“我们的基础学科是科学研究和工程科技创新的基础，所以说大家学好基础科学知识，对我们将来迎接工程挑战、未来挑战至关重要。”胡院士鼓励同学们践行南京一中的“求真”精神，立报国强国大志向，做挺膺担当的奋斗者。在追求知识的同时，敢于挑战现有技术力量，勇于探索前沿的科学解决方案，为祖国的水运事业贡献力量。