創(chuàng)新、和諧、發(fā)展
——都江堰水利工程的啟示

王光謙，鐘德鈺

（青海大學(xué) 三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，810086，西寧）

都江堰水利工程以布局精巧、規(guī)模宏大、功省用饒、經(jīng)久不衰等特點(diǎn)聞名遐邇，是我國(guó)古代水利工程“因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜”治水思想的集中體現(xiàn)，也是世界水利史上持續(xù)發(fā)展并發(fā)揮效益的成功典范。都江堰工程的建設(shè)與運(yùn)用使成都平原成為“水旱從人，不知饑饉，時(shí)無(wú)荒年”的“天府之國(guó)”。如今，都江堰已發(fā)展為具有農(nóng)業(yè)灌溉、供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游及傳承歷史文化等多重綜合服務(wù)功能的特大型水利工程，對(duì)四川省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要作用。本文回顧都江堰悠久的發(fā)展歷程，分析了其得以運(yùn)行2 275年的科學(xué)原理，并剖析了都江堰對(duì)現(xiàn)代水利工程建設(shè)的啟示和意義。

一、自然概況

都江堰水利樞紐位于四川省灌縣（現(xiàn)都江堰市）縣城以西1 km的岷江干流上，距離成都市60 km。岷江是長(zhǎng)江上游重要的一級(jí)支流之一，發(fā)源于四川與甘肅交界處的岷山南麓，在宜賓匯入長(zhǎng)江。都江堰連接水源區(qū)和灌區(qū)，渠首以上的岷江為水源區(qū)，主河道長(zhǎng)340 km，落差3 009 m，平均河道比降為8‰，流域面積2.32萬(wàn)km2；渠首工程以下為灌區(qū)，流域面積2.17萬(wàn) km2，灌溉面積 69.5萬(wàn) hm2。

都江堰渠首魚嘴工程將岷江分為兩支，左汊為內(nèi)江，即都江堰引水河口；右汊為外江，即岷江正流。內(nèi)江總干渠水經(jīng)飛沙堰溢洪排沙后在寶瓶口處壅水沉沙，之后分為蒲陽(yáng)河、柏條河、走馬河、江安河四大干渠水系，其尾水注入青白江、毗河，與湔江、石亭江、綿遠(yuǎn)河匯集，在金堂注入沱江。內(nèi)江灌溉成都平原岷江以東地區(qū)及川中丘陵，合稱內(nèi)江灌區(qū)。外江正流從外江閘右端進(jìn)入沙黑總河，經(jīng)小羅堰閘排水后，分為沙溝河和黑石河；此二條干渠灌溉成都平原岷江以西及西河以西農(nóng)田，為外江灌區(qū)。

二、發(fā)展歷程及工程現(xiàn)狀

秦昭王五十一年 （公元前256年），李冰率民眾于岷江出口處修建都江堰，同時(shí)穿通郫江、檢江，開辟支流府河及清水河。都江堰修建的首要目的是保障戰(zhàn)略后方蜀地的防洪安全，其次是開辟水上通道以便秦順流而下攻楚。《史記》中記載：“蜀守冰鑿離碓，辟沫水之害，穿二江成都之中。此渠皆可行舟，有馀則用溉浸，百姓饗其利?！笨梢?jiàn)，都江堰出于軍事戰(zhàn)略目的修建，兼具防洪、航運(yùn)、灌溉三大功能。

秦以后，歷代對(duì)都江堰的維修與發(fā)展，涵蓋歲修、大修、改建渠首工程、擴(kuò)大灌區(qū)面積等規(guī)模不同的工程。例如，公元前157年，西漢蜀郡太守文翁“穿湔江口，灌溉繁田千七百畝”，首次擴(kuò)大都江堰灌區(qū)面積，并開始形成歲修制度。都江堰灌區(qū)面積在東漢至唐代向成都平原西南及西北方向延伸，到唐末達(dá)到“天孫縱有閑針線，難繡西川百里圖”的程度。宋代堰官則進(jìn)一步完善了歲修制度，規(guī)定每年“冬季斷流、春季淘灘”；同時(shí)還在離堆巖壁上刻“水則”以觀測(cè)記錄水位。元明兩代，都江堰堰工技術(shù)突飛猛進(jìn)。公元1335年，張宏對(duì)都江堰進(jìn)行了歷時(shí)5個(gè)月的大修，以鐵龜作魚嘴，此后維持40年無(wú)大修；到明代，“籠石”“鐵石”等治堰技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了都江堰堰工技術(shù)的發(fā)展和工程結(jié)構(gòu)的成熟。清代在治理和維護(hù)都江堰的同時(shí)，雍正年間還改革了水費(fèi)收繳辦法并設(shè)置水利同知，更形成了 “三字經(jīng)”“六字訣”“八字格言”等高度凝練的都江堰治水理念。近代以來(lái)，受戰(zhàn)亂及洪水等影響堰務(wù)荒廢，到新中國(guó)成立前，都江堰灌區(qū)面積萎縮至18.8萬(wàn)hm2。

新中國(guó)成立后，都江堰先后實(shí)施整修渠首、調(diào)整渠系、建設(shè)配套閘群等措施，擴(kuò)大了灌區(qū)面積，逐步發(fā)展為引、蓄、提相結(jié)合的特大型水利工程系統(tǒng)，使得都江堰灌區(qū)在國(guó)民生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值、工業(yè)生產(chǎn)總值等方面為四川經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，通過(guò)增加生態(tài)供水量、優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)、啟動(dòng)“數(shù)字水調(diào)”等方法，都江堰實(shí)現(xiàn)了水利工程現(xiàn)代化，新增節(jié)水灌溉面積23.6萬(wàn)hm2。1994年，都江堰啟動(dòng)府南河綜合整治工程，總投資達(dá)27億元，提升和優(yōu)化了都江堰的防洪、灌溉、生態(tài)等功能。此外，都江堰灌區(qū)還通過(guò)水利信息化工程建設(shè)，形成了完善的基礎(chǔ)信息采集與樞紐自動(dòng)化控制系統(tǒng)，逐步深化了“數(shù)字水調(diào)”。

三、都江堰蘊(yùn)含的科學(xué)原理

都江堰工程蘊(yùn)含著深刻的水沙動(dòng)力學(xué)原理，這些知識(shí)在兩千多年前被總結(jié)形成系統(tǒng)理論并用于指導(dǎo)實(shí)踐工程，至今仍能帶給我們?cè)S多啟示。

1.小水傍岸，大水取直

都江堰魚嘴工程位于岷江干流江心洲，通過(guò)其分水作用將岷江分為內(nèi)江和外江?？菟竟?jié)，水流流速慢，慣性小，深泓線曲率大，主流靠近凹岸（即內(nèi)江一側(cè)），江心洲出露水面，使得內(nèi)江過(guò)水?dāng)嗝娲笥谕饨?，大部分水量沿百丈堤下泄流入?nèi)江，形成枯水季節(jié)內(nèi)江分六成、外江分四成的形勢(shì)。洪水季節(jié)，水流流速大，慣性作用強(qiáng)，深泓線趨直，主流偏離左汊而居于河道中間，江心洲淹沒(méi)過(guò)流，外江過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大，形成內(nèi)江分四成、外江分六成的形勢(shì)。因此，魚嘴工程是利用“小水傍岸，大水取直”的水流主流擺動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)按需分水的關(guān)鍵。

2.正面取水，側(cè)面排沙

受流域水沙特性影響，都江堰河段來(lái)流懸移質(zhì)泥沙顆粒細(xì)小，輸運(yùn)過(guò)程中表現(xiàn)為沖瀉質(zhì)，一瀉千里，幾乎不參與造床。因此，洪水期的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)是造成該河段泥沙淤積的主要原因?？菟竟?jié)，由于水流速度小于卵石起動(dòng)流速，推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度小，分水比較大的內(nèi)江泥沙淤積問(wèn)題并不顯著。到了洪水期，外江分水較大，因而泥沙主要由外江攜帶。此外，飛沙堰位于下段右汊凸岸，寶瓶口則位于左汊凹岸，內(nèi)江進(jìn)口的局部河勢(shì)微彎，在離心力和側(cè)壓力的合力作用下，形成彎道環(huán)流，使得底部水流的流向指向飛沙堰，底流橫切越過(guò)堰頂，卵石推移質(zhì)及近底懸移質(zhì)可由此排入外江。根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，進(jìn)入內(nèi)江的卵石輸移量只占岷江總量的26%左右。這一機(jī)制實(shí)現(xiàn)了 “正面取水，側(cè)面排沙”，泄洪量的增加能夠進(jìn)一步增強(qiáng)飛沙堰的排沙作用與分流比。為實(shí)現(xiàn)這一目的，在工程上遵循“深淘灘，低作堰”等原則，確保飛沙堰高度適中：過(guò)低則寶瓶口引水量不足，過(guò)高則無(wú)法形成彎道環(huán)流排沙。

3.壅水泄洪沉沙

寶瓶口是都江堰灌區(qū)的總?cè)∷冢胨趯挾燃s20 m。上游來(lái)流較小時(shí)，水流直接進(jìn)入寶瓶口，流態(tài)接近明渠流動(dòng)；上游來(lái)流較大時(shí)，由于寶瓶口過(guò)流寬度有限，過(guò)流能力不足，促使上游相當(dāng)河段內(nèi)形成壅水促使泥沙落淤，同時(shí)抬高的內(nèi)江水位促使多余水流溢出飛沙堰進(jìn)入外江，實(shí)現(xiàn)泄洪功能。壅水泄洪沉沙對(duì)于保障成都平原防洪安全、減小灌溉用水含沙量、實(shí)現(xiàn)灌區(qū)穩(wěn)定取水具有重要作用。

四、都江堰工程的啟示

1.因勢(shì)利導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)自然與社會(huì)和諧發(fā)展

“因勢(shì)利導(dǎo)，因地制宜”是都江堰建造設(shè)計(jì)的核心理念，也是其發(fā)展歷程的高度凝練，其價(jià)值內(nèi)涵是在自然的稟賦能力之內(nèi)談發(fā)展，把水資源作為最大的剛性約束，從而做到以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)。

都江堰地勢(shì)高于下游成都平原和川中丘陵，具有居高臨下之勢(shì)，因此當(dāng)岷江流至都江堰時(shí)，地勢(shì)由高山峽谷突變?yōu)槠皆?，河床陡然開闊，水勢(shì)趨緩。李冰充分利用山形地勢(shì)優(yōu)勢(shì)設(shè)置渠首，使處于入口的都江堰在以較高地勢(shì)控制整個(gè)成都平原灌溉用水的同時(shí)，又能扼制住水力坡降較大的岷江來(lái)流不直瀉下游灌區(qū)，從而達(dá)到防洪、分水、排沙、引水的目的。另一方面，“興利除弊”的治水導(dǎo)向則體現(xiàn)了民生對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的“指南針”作用，堰務(wù)昌盛與人民幸福相互牽動(dòng)、互為基礎(chǔ)，這是都江堰歷經(jīng)2 275年仍然發(fā)揮效益的動(dòng)因。都江堰在建設(shè)之初就以服務(wù)民生為理念，其修建保障了成都平原的灌溉用水、降低了四川的防洪風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)展了岷江的航運(yùn)交通，極大改善了人民生活。新中國(guó)成立后，經(jīng)過(guò)全方位的修繕和改造，都江堰成為全國(guó)第一個(gè)實(shí)灌面積突破 66.7萬(wàn) hm2（1 000萬(wàn)畝）的特大型灌區(qū)，同時(shí)還拓展了生活、工業(yè)、生態(tài)等多目標(biāo)供水服務(wù)功能，并逐步提升了自身的世界遺產(chǎn)、公共景區(qū)、旅游基地等文化價(jià)值。都江堰以“因勢(shì)利導(dǎo)”為原則，把順應(yīng)自然、改造自然和利用自然巧妙地融為一體，保護(hù)了“綠水青山”，也開鑿了滿足社會(huì)發(fā)展的“金山銀山”，達(dá)到了人與自然、人與人之間的和諧，這對(duì)于今天的中國(guó)在水資源開發(fā)、利用、保護(hù)方面仍具有重大的指導(dǎo)意義。

2.系統(tǒng)思維，形成技術(shù)原始創(chuàng)新

世界遺產(chǎn)委員會(huì)曾對(duì)都江堰作出了這樣的評(píng)價(jià)：“全世界至今為止，年代最久、唯一留存、以無(wú)壩引水為特征的宏大水利工程?！睍r(shí)至今日，都江堰仍然保持了作為水利工程的基本屬性，維系了灌區(qū)數(shù)千萬(wàn)群眾生存發(fā)展。李冰組織修建都江堰是對(duì)“功成不必在我，功成必定有我”的成功詮釋，這受益于其原理的創(chuàng)新、設(shè)計(jì)方案的精巧、歲修制度的完整。

都江堰渠首三大件——魚嘴分流工程、飛沙堰工程及寶瓶口引水工程分別承擔(dān)調(diào)節(jié)水流、泄洪排沙及控制流量的功能，然而在實(shí)際運(yùn)用中，三者的功能在時(shí)間和空間上是相互關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的。實(shí)際上，以分水功能為主的魚嘴工程也處于局部蜿蜒河道里，其通過(guò)彎道環(huán)流作用實(shí)現(xiàn)了第一層次的排沙：將表層含沙量較少的水流輸入內(nèi)江干渠，而卵石及河底懸沙則隨底層水流進(jìn)入外江。相似的，飛沙堰與寶瓶口的銜接在進(jìn)一步排沙的同時(shí)，也起到了分流作用。都江堰渠首工程展現(xiàn)了階梯聯(lián)動(dòng)式的調(diào)水調(diào)沙思想，將上游流速大、含沙多的岷江水流轉(zhuǎn)變?yōu)榱髁科椒€(wěn)、沙量較小的灌溉用水進(jìn)入成都平原，由此實(shí)現(xiàn)了防洪、灌溉、航運(yùn)等綜合效益。

都江堰的可持續(xù)發(fā)展不僅在于設(shè)計(jì)之初系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，還在于其后久久為功的長(zhǎng)效管理。秦代完成了都江堰的建設(shè)開發(fā)，其后歷代逐步擴(kuò)大灌區(qū)，并以“歲修”為主要方式進(jìn)行維護(hù)。自宋代制定“旱則引灌，澇則疏導(dǎo)”等制度與方法后，都江堰的工程管理趨于規(guī)范化、系統(tǒng)化。新中國(guó)成立以來(lái)，通過(guò)對(duì)都江堰的閘壩、輸水河渠及水庫(kù)管理的完善，進(jìn)一步調(diào)整了都江堰的空間布局，使之充分適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展格局、生態(tài)保護(hù)任務(wù)、城鎮(zhèn)需水結(jié)構(gòu)和資源環(huán)境承載能力。以系統(tǒng)論設(shè)計(jì)藍(lán)圖，不畢其功于一役，使都江堰具備了歷史跨度長(zhǎng)、發(fā)揮效益久的重要特點(diǎn)。

3.與時(shí)俱進(jìn)，創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展

都江堰的創(chuàng)新之處分為三個(gè)層次：“因勢(shì)利導(dǎo)，因地制宜”的理念創(chuàng)新，“四六分流、取清排渾”的理論創(chuàng)新，以及渠首“三大件”、歲修“三字經(jīng)”等技術(shù)創(chuàng)新，此三個(gè)層次的創(chuàng)新都以原始創(chuàng)新的模式為主，體現(xiàn)了中國(guó)古代水利工程蓬勃的創(chuàng)造力。

都江堰建造的時(shí)代缺乏科學(xué)基礎(chǔ)而盛行迷信盲從，李冰卻力排萬(wàn)難，經(jīng)過(guò)實(shí)地考察與嚴(yán)謹(jǐn)思考，以發(fā)展與保護(hù)辯證統(tǒng)一的新理念指導(dǎo)主流擺動(dòng)、彎道環(huán)流、泥沙沖淤等新理論，采用榪槎截流、竹籠擋水和淘灘歲修等新技術(shù)修造了前無(wú)古人的都江堰。不僅如此，漢晉以來(lái)，都江堰歲修都沿用竹籠卵石筑堰，此法雖“不與水?dāng)场?、工?jiǎn)費(fèi)省但不耐久，因此元代李秉彝和吉普當(dāng)則提出了將建筑材料更新為鑄鐵和條石的技術(shù)改革，我國(guó)的堰工技術(shù)、鑄鐵技術(shù)正是在這樣的不斷創(chuàng)新中逐漸發(fā)展起來(lái)。而在清代雍正年間，巡撫憲德則改革了歲修經(jīng)費(fèi)的征收辦法和勞力攤派辦法，將“計(jì)塊出夫”“按糧派夫”等辦法改為按照田畝大小、得水先后及用水多少攤收，并設(shè)專門的水利同知以統(tǒng)管都江堰灌區(qū)水系的維修管理工作，這是都江堰制度管理的一大創(chuàng)舉。在漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中，都江堰始終在社會(huì)需求的推動(dòng)下更新理念、創(chuàng)新技術(shù)、革新制度，以此保持與時(shí)俱進(jìn)。

五、結(jié) 語(yǔ)

都江堰的設(shè)計(jì)原理及筑修技術(shù)集中體現(xiàn)了中國(guó)古代科學(xué)的整體觀、統(tǒng)一觀和持續(xù)觀，以因勢(shì)利導(dǎo)為理念把順應(yīng)自然、改造自然和利用自然巧妙地融為一體；在以民生為本將工程的服務(wù)功能最大化的同時(shí)，盡可能合理公平地分?jǐn)偨ㄔ旒熬S護(hù)所需的勞動(dòng)力和財(cái)力；以頂層設(shè)計(jì)集合供水、防洪、灌溉、航運(yùn)等多種服務(wù)功能；以久久為功保持工程的生命活力；以全面創(chuàng)新順應(yīng)時(shí)代發(fā)展與人民需求。正是這種人與自然、人與社會(huì)之間和諧相處的整體思想，實(shí)事求是、遵循科學(xué)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和革新進(jìn)取的勇氣，使得都江堰做到了“在保護(hù)中發(fā)展，在發(fā)展中保護(hù)”，為四川經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展提供了可靠支撐和保障，是我國(guó)水利工程建設(shè)的典范。