李可可
(武漢大學水利水電學院,430072,武漢)
都江堰是我國古代留存至今的一項偉大水利工程,無論是其工程特點、灌區(qū)維護與管理,還是工程本身的系統(tǒng)性,都充分反映了我國傳統(tǒng)水利科技的智慧。它存在了2 275年,是我國傳統(tǒng)水利科技與文化的先進性、可繼承性的有力證明,值得我們深入挖掘與學習。
都江堰樞紐作為成都平原巨大的防洪、航運、灌溉、供水工程,必須要解決分水引水、防洪泄洪、排沙清淤等問題。如圖1所示,都江堰樞紐布置在岷江河道的一個大彎段上,工程主要由都江魚嘴(簡稱魚嘴)、飛沙堰和寶瓶口三大部分組成。
根據(jù)古文獻記載,創(chuàng)建都江堰首先要解除岷江對成都平原的洪水沖擊,即“辟沫水害”;其次是開運渠解決成都平原的航運問題,即“穿二江成都之中,此渠皆可行舟”;最后是服務于農(nóng)業(yè)灌溉,即“有馀則用溉浸,百姓饗其利”。無論是分洪排洪,還是開發(fā)航運、發(fā)展灌溉,都要設法將岷江的水流穩(wěn)定地引入成都平原。
都江魚嘴是引水的第一步。魚嘴將岷江一分為二,外江為岷江河道,內(nèi)江為引水渠道。魚嘴自動調(diào)節(jié)進入內(nèi)、外江的水量,豐水季節(jié),引入內(nèi)江的水量約占岷江來水量的四成;枯水季節(jié),內(nèi)江水量則變?yōu)榱?。都江堰“三字?jīng)”中的“分四六,平潦旱”,就是指這一神奇的分水現(xiàn)象。用河流科學解釋,水流流經(jīng)河流彎段時,遵從“大水走直,小水走彎”的流動規(guī)律,豐水季節(jié),水流的“主流”(古人稱為“主溜”,現(xiàn)代河流科學稱為“中泓”)比較徑直,偏向外江,所以岷江來水量的60%就自動進入外江;枯水季節(jié),“主流”比較彎曲,中泓線偏向內(nèi)江,所以60%的岷江來水進入內(nèi)江。魚嘴巧妙地布置在岷江豐枯水時主流發(fā)生偏轉(zhuǎn)的臨界點以下,遵從彎段水流主流的流動規(guī)律,即可實現(xiàn)自動分流。
第二步泄洪。洪水季節(jié),進入內(nèi)江的水量雖然只占岷江來水四成,但仍可能超出灌區(qū)防洪承受能力,多余的水量必須泄除。飛沙堰就起著泄洪的作用。飛沙堰位于內(nèi)江堤與人字堤之間,堰頂高程低于內(nèi)江堤和人字堤(“深淘灘,低作堰”中的“低作堰”,就是指飛沙堰的堰頂要作得低,便于分洪、飛沙),當洪水位高于飛沙堰堰頂時就會自動溢洪;當遭遇極端特大洪水,內(nèi)江主流會直沖飛沙堰,將用竹籠裝石砌筑而成的飛沙堰沖潰,洪水由此直泄外江,從而避免洪水對成都平原造成的破壞。
第三步穩(wěn)定水量。流經(jīng)飛沙堰后,內(nèi)江來水最終由寶瓶口引入成都平原。寶瓶口是一段人工開鑿的明渠,以其狹長狀似瓶頸而得名。用水力學的寬頂堰進流公式,推算寶瓶口的引水量可知:當內(nèi)江的水量比較小時,隨著上游來水量的減少,寶瓶口的引水量會隨之減少,但減少的速度會隨之變慢;當內(nèi)江的水量比較大時,隨著內(nèi)江來水量的增大,寶瓶口的引水量會隨之增大,但增大的速度也會隨之變慢。所以,寶瓶口起到自動穩(wěn)定引水流量的作用。傳說李冰創(chuàng)建都江堰時,在寶瓶口前立了一個石人,流經(jīng)這里的水會保持“盛不沒肩,竭不至足”的穩(wěn)定狀態(tài)??梢妼毱靠谧詣臃€(wěn)定引水量效果之明顯。
圖1 都江堰水利工程示意圖
都江堰樞紐位于岷江進入成都平原的沖積扇頂點處,可以自流控灌整個川西平原。都江堰興建前,岷江洪水由此泛濫至成都平原,帶來頻繁而嚴重的洪澇災害。都江堰興建后,岷江在此一分為二,約40%~60%的水量在工程控制下引入成都平原,岷江化害為利,洪水得到有效治理。
如前所述,洪水季節(jié),內(nèi)江引入的多余水量還可通過飛沙堰溢出至外江,使成都平原免于洪水沖擊。飛沙堰與寶瓶口聯(lián)合運用,寶瓶口束狹水流、壅高水位,飛沙堰的溢洪寬度是寶瓶口寬度的十幾倍,溢洪效果非常顯著,整個樞紐工程因此免于防洪壓力。
都江堰所在的岷江河道中水流挾帶的泥沙,是平均粒徑600 mm的推移質(zhì),處理此類泥沙的最好方式是借助水流的沖力使其沿河床滾動,排至指定位置。都江堰樞紐工程中,有三處具備處理泥沙功能的結構,分述如下:
一是魚嘴。魚嘴可自動使上游河床泥沙的85%左右排入外江,剩下約15%的泥沙進入內(nèi)江。魚嘴位于岷江河道的彎段上,根據(jù)彎道水流泥沙的運動規(guī)律,表層清水流動方向指向內(nèi)江,使內(nèi)江引入含沙量少的清水;底層水流流動方向指向外江,推動河流上的推移質(zhì)泥沙向外江滾動,從而使岷江水流中挾帶的絕大多數(shù)泥沙進入外江。這一現(xiàn)象在現(xiàn)代河流、水利工程的規(guī)劃布局中常有運用,即所謂的“凹岸引水,凸岸排沙”。
二是飛沙堰。進入內(nèi)江的泥沙雖然只占岷江含沙量約15%,但仍有引起淤塞的風險,而飛沙堰完美地解決了這個問題。飛沙堰布置在岷江彎段上,本身也修成一個微彎的堰岸,以強化“彎道環(huán)流”效果。內(nèi)江泥沙經(jīng)由飛沙堰時,被底流沖向凸岸——飛沙堰,泥沙的沉積點正好是飛沙堰的堰頂,可以非常順利地被水流挾帶“飛”入外江。正是這奇特的飛沙現(xiàn)象,使這道低堰得名 “飛沙堰”。與泄洪相似,內(nèi)江的水量越大,飛沙堰的排沙作用越強,當遇到特大洪水將飛沙堰沖垮時,內(nèi)江洪水挾帶的沙石全部由缺口沖入外江,避免洪水泥沙對樞紐工程和灌區(qū)的毀壞。
三是鳳棲窩。進入內(nèi)江又沒有被水流沖過飛沙堰的泥沙只占內(nèi)江泥沙總量的10%~15%,這部分泥沙會在飛沙堰下端較寬的河道中,受流速減慢和洄旋流影響,被帶至對岸的鳳棲窩淤積。鳳棲窩為天然河岸凹坑加以人工挖鑿而成,是都江堰樞紐工程的沉沙池,每年歲修時,必須人工清淤。傳說李冰當年在鳳棲窩下埋有石羊、石馬,最晚明清以后被人們用臥鐵代替,每年清掏時必須見到石羊馬或臥鐵(都江堰“三字經(jīng)”中“深淘灘”即指此),以保證其沉沙作用的充分發(fā)揮。
由以上分析可知,都江堰樞紐工程的三大組成部分各自發(fā)揮作用,完美地解決了引水、溢洪、排沙、穩(wěn)定引水量等問題。魚嘴自動分水、分沙,飛沙堰自動泄洪、排沙,寶瓶口自動穩(wěn)定引水流量,整個樞紐工程的運行無需任何人力干預,只有對自然規(guī)律極其巧妙的利用,令人驚嘆。尤其值得指出的是,泥沙,是每個水利工程必須面對與解決的問題,古今中外,水利工程能免于被洪水沖毀者易,能免于被泥沙淤填者難,古今中外,水利工程被泥沙淤填堙塞而致失效毀壞者不計其數(shù)。而都江堰建成至今從未有過因泥沙淤填而不能運行之事,其原因就在于泥沙處理之巧妙與有效。
今天所講的都江堰,既指都江堰樞紐工程,也指都江堰灌區(qū),二者效益能延綿2 000余年不衰,還有一個重要原因,就是歷史上從無中斷的工程維護與灌區(qū)管理。
都江堰樞紐工程的維護形式主要有歲修、大修,維護的內(nèi)容主要是維修更換魚嘴、飛沙堰的竹籠裝石,清掏鳳棲窩淤砂等。在20世紀70年代以前,魚嘴、內(nèi)金剛堤、外金剛堤、飛沙堰、人字堤等都是用竹籠裝石堆砌而成,所需材料在當?shù)仉S處可得,就地取材,十分方便。
竹籠裝石直徑一般為50~60 cm,長10 m或以上,廣泛運用于都江堰樞紐工程和灌區(qū)范圍內(nèi),可用于堤堰、護岸、護坡,引導水流、分水等。竹籠裝石要按一定的順序?qū)⑹瘔K按大小裝入竹籠,講究石塊之間的粒徑比例和級配,達到竹籠充實、穩(wěn)定、孔隙率低的效果。
榪槎是都江堰維護工程必不可少的設施。單個的榪槎是由三根木樁扎成的正三棱錐體,中間捆以橫桿。運用時,將多個榪槎交叉排好,形成一個統(tǒng)一的迎水面,迎水面上分別用木片或竹片釘成整體的平面,再在其上鋪設竹席、草墊或夾粘土草席,形成一個擋水面。榪槎用于歲修或大修時,布置于魚嘴內(nèi)江入口處,用以阻擋上游來水進入內(nèi)江,形成無水施工環(huán)境,方便內(nèi)江河道和鳳棲窩的泥沙清掏,以及內(nèi)外金剛堤、飛沙堰的維護。
都江堰的傳統(tǒng)維護管理技術還有羊圈、干砌卵石等,無不是就地取材、簡便有效,其中對卵石的大量使用,使河床中淤積的大量砂石被搬離河道,化害為利,一舉多得。
竹籠裝石、榪槎、羊圈、干砌卵石等傳統(tǒng)的都江堰工程建筑、維護、施工技術,都是就地取材,技術易于傳授、習得、推廣與掌握,因而2 000余年來深深扎根于當?shù)厝罕?,代代相傳?/p>
都江堰灌區(qū)在2 000多年的歷史中,也形成了豐富的維護與管理經(jīng)驗。灌區(qū)管理的目的是持續(xù)發(fā)揮灌溉效益,內(nèi)容涉及工程運行管理、歲修管理、灌溉管理等方面。都江堰的灌區(qū)管理,歷史上均由灌溉農(nóng)戶自主進行,所需人力、物力、財力按受益農(nóng)田的面積征取,在不同歷史階段、不同區(qū)域形成了不同的組織、制度與形式,積累了各具特色的豐富經(jīng)驗。如清代至民國普遍實行的“堰長制”,就是灌區(qū)管理的重要組織制度。
灌區(qū)的灌溉用水管理,歷史上實行的是“分水制”,即:以灌溉面積為依據(jù),按上游來水量的比例進行分水。內(nèi)江分引岷江40%~60%的水量,經(jīng)寶瓶口進入灌區(qū),然后再經(jīng)各分水渠的魚嘴將上游來水不斷枝分,引至廣袤的成都平原。各分水魚嘴的分水比例,是按灌溉面積的多少和比例來劃分的,以保證每塊農(nóng)田都擁有均等的灌溉水量。灌區(qū)內(nèi)各大小分水魚嘴在明清時期逐步被分水平梁所取代。各灌溉干渠自上而下設有不同的分水點,每個分水點上,以平梁確定分水比例,不同分水點之間,以燃香計時來確定分水的時長。由此形成的輪灌制度,能合理有效灌溉農(nóng)作物,保證豐收。
無論是都江堰樞紐工程還是灌區(qū)內(nèi)各干支斗渠及其配套的小型農(nóng)田水利工程,其建設、維修、重建都簡便易行,技術易于掌握,組織制度深得人心。加之工程的灌溉效益巨大,所以灌區(qū)的百姓無不自覺自愿投入其中,這是都江堰工程的效益能延綿2 000余年不衰且不斷擴大的重要原因。
都江堰樞紐工程并非是三大組成部分的簡單相加,而是三者彼此配合,形成一個有機的整體和系統(tǒng)。例如,離開了魚嘴的分水分沙和寶瓶口的束水壅水,飛沙堰就不可能如此高效地排沙;而沒有飛沙堰的泄洪,其上游的魚嘴就不可能實現(xiàn) “分四六,平潦旱”這一神奇的自動分水功能,而下游寶瓶口自動穩(wěn)定流量的功能也會大打折扣。
對一個系統(tǒng)而言,一個因子的變化會導致另一個因子隨之發(fā)生變化,一個子系統(tǒng)的改變就會導致整個系統(tǒng)的改變。如魚嘴在分水的同時也解決了分沙問題,分水分沙比例隨上游來水來沙條件變化。與此同時,寶瓶口強烈的壅水作用也更強化了飛沙堰的溢洪與排沙,使飛沙堰在來水流量越大時飛沙效果也越好。
我們今天看到的都江堰渠首三大工程,在歷史上是經(jīng)過了漫長的調(diào)整與演化的。不同的歷史時期,氣候、水文、河道、來水來沙等條件不同,工程的各組成部分也隨之調(diào)整、改變。魚嘴的位置并非一成不變;飛沙堰的位置、堰的長度與形態(tài)、堰頂?shù)母叱?,在歷史上也多有變動。2 000余年來,樞紐工程各處的竹籠裝石年復一年地被重建取代,今天的都江堰與2 000多年前的原貌并不相同。正是不斷的調(diào)整、變動才賦予都江堰生命力,使它在外部地理環(huán)境、氣候水文、河道水沙等條件不斷發(fā)生變化的過程中,能不斷主動地進行微調(diào),始終保持三大主體工程的功能得到最好發(fā)揮,保證了都江堰的生命力。這種調(diào)整與變化如同生命體的新陳代謝,是都江堰永遠充滿活力的來源。
都江堰是我國傳統(tǒng)水利科技與文化的一個典范。一管可以窺豹,從都江堰可以看到我國傳統(tǒng)水利科技與文化的特點及價值。
在成都平原發(fā)展生產(chǎn),首先要解除岷江的洪水災害,其次是化害為利,分水以利航運、灌溉。都江堰樞紐既不修攔斷岷江的水壩,又不設置閘門、溢洪道等建筑物,而是完全通過運用自然規(guī)律,合理布局工程,在沒有任何人力干預的前提下,使樞紐工程實現(xiàn)了“全自動”分水、分沙、溢洪、穩(wěn)定引水,調(diào)水調(diào)沙運用自如。
都江堰不修建攔河大壩,不會改變河段的水沙運動規(guī)律,不會破壞河流的自然條件,也不會對水系、水環(huán)境產(chǎn)生負面影響。工程在無任何人為干預、人為控制的情況下,可以圓滿地實現(xiàn)防洪、引水、航運、排沙、灌溉等多功能目標,充分反映了傳統(tǒng)水利技術的智慧;而這些功能,現(xiàn)代水利工程往往要通過建攔河壩、引水閘、溢洪道、沖沙孔等設施才能完成。
我國傳統(tǒng)水利技術以不破壞自然為重要原則,注重觀察自然,認識和把握自然規(guī)律,再將其運用于工程實踐中,服務于人類的生活生產(chǎn)與社會的文明進步。若沒有對岷江河流水沙運動自然規(guī)律的深刻認識與把握,沒有對自然的敬畏,就不可能有都江堰如此巧妙而偉大的工程布局。
我國傳統(tǒng)文化中最重要的價值觀是“天人合一”,它是我國古人在處理人與自然關系過程中追求的一種理想境界,也是我國傳統(tǒng)水利的思想核心。與西方哲學觀不同,我國傳統(tǒng)哲學認為,人與天地自然并非對立,天地既不是人類的主宰,自然也不是人類掠奪的對象,而是天地人三者為一整體。人立于天地之間,不能逃脫天地萬物的約束,不能獨立于自然規(guī)律之外,而是與天地萬物平等的存在,人類可以運用自身的智慧,效天法地,取天地萬物為我所用。傳統(tǒng)哲學“天人合一”的思想及由此衍生出的文化觀念無處不在,體現(xiàn)在水利上,有兩個主要表現(xiàn):
一是敬畏天地,順應自然,在自然面前保持主動克制。都江堰樞紐工程的內(nèi)外江分水,最大的分水量為岷江來水量的60%,這是工程引水量的一個極限,也是今天世界水文學家提出的河流水資源開發(fā)利用率的最大值。古人在用水量方面的主動克制,與現(xiàn)代人動輒將河流上游來水量“吃光喝盡”的思路,形成了強烈的對比。
二是人道不能違背天道,而“天道公平”。體現(xiàn)在灌溉用水管理上,就是“水利均沾”的原則。都江堰灌區(qū)的用水、分水是按農(nóng)田面積的數(shù)量進行分配的,每塊農(nóng)田分得的水量隨豐枯變化有多有少,但同一年份中每畝農(nóng)田分得的水量是幾乎均等的。其原因就在于,歷史上,灌區(qū)水量按河流來水量比例而不是按水量分配?,F(xiàn)代灌區(qū)則是按 “設計灌溉面積”、引水渠“設計流量”等指標確定每畝農(nóng)田的灌溉水量,遇天旱枯水年份,很多農(nóng)田得不到應有的灌溉,造成灌區(qū)實際灌溉面積小于設計灌溉面積的尷尬情況。都江堰灌區(qū)歷史上的分水、用水原則,也反映了儒家“為國為家者,不患寡而患不均,不患貧而患不安”的思想觀念。
都江堰樞紐工程在歷史實踐中得到不斷“微調(diào)”,工程、技術、維修與管理制度也是在反復實踐中總結經(jīng)驗、吸取教訓而形成、完善的。同時,都江堰灌區(qū)的面積不斷擴大,新灌區(qū)不斷出現(xiàn),舊的工程維護、灌溉管理經(jīng)驗不可一一照搬,也要在實踐中不斷調(diào)整、完善。2 000余年來,灌區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)了靈活而豐富的工程技術、經(jīng)費籌集、灌溉管理制度等,使得都江堰灌區(qū)在歷史上未出現(xiàn)因財力、人力不濟而得不到及時維護的情況,未出現(xiàn)過灌區(qū)工程老化失修的情況,為今天的灌區(qū)管理提供了寶貴的經(jīng)驗與借鑒。
都江堰樞紐工程維修管理經(jīng)驗的實用性非常明顯。經(jīng)過長期實踐獲得的經(jīng)驗與技術規(guī)范,最終以朗朗上口的都江堰“三字經(jīng)”、治水“八字真言”等形式流傳下來。這些技術和規(guī)范簡便易學,維修材料隨處可得,規(guī)范易操作等,使灌區(qū)群眾不需官方動員、培訓就能積極主動地投入到工程管理與維護中。
我國古代水利工程數(shù)目繁多、形式多樣,除都江堰以外,還有很多工程都形成了復雜的系統(tǒng),如現(xiàn)存福建莆田仍在發(fā)揮重要效益的木蘭陂、明清時期京杭大運河山東運河段汶上、堽城分水樞紐等。
系統(tǒng)觀是我國古代的一種普遍的哲學觀,它著眼于對眾多事物現(xiàn)象的綜合性觀察、總結、理解與把握,注重實用,在實踐的基礎上積累經(jīng)驗。在技術上,表現(xiàn)為對方法和手段的不斷修正與調(diào)整,使之能逐步揭示事物的規(guī)律,探索出事物的本質(zhì)。與西方科技相比,系統(tǒng)觀更能反映出事物間的內(nèi)在聯(lián)系與事物的本質(zhì)特點,尤其在面對宏觀復雜系統(tǒng)時,更易提示出事物之間的有機聯(lián)系與相互作用。而西方科技是建立在對單個事物的觀察、抽象、分析、演繹與邏輯推理之上的,是將有機復雜的事物進行人為割裂,再分別進行局部的觀察與分析。所以,大型水利工程要面對非常復雜的自然、地理、水文、河流等系統(tǒng)時,運用我國傳統(tǒng)水利的系統(tǒng)觀顯然更有優(yōu)勢,都江堰就是傳統(tǒng)水利系統(tǒng)觀運用成功的佼佼者。
都江堰是中國水利史的縮影,其中的科技也是中國傳統(tǒng)科技的典范。都江堰各部分相互配合、相互作用,組成了一個有機的整體,共同完成工程的多目標任務。它能有效而巧妙地控制、調(diào)動和運用自然規(guī)律中的因素,其中所蘊含的科學哲理之豐富與精深,令人嘆為觀止。它在無任何人為干預、操作、調(diào)度的前提下,自動分水、排沙、泄洪,延綿2 000余年,不僅沒有對岷江河道、樞紐周邊地區(qū)及灌區(qū)產(chǎn)生任何負面效應,反而促進了整個成都平原生態(tài)、環(huán)境、社會與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展與提高。由于灌溉面積連續(xù)增加帶來的“綠洲效應”,整個成都平原在全部農(nóng)業(yè)化后的生態(tài)環(huán)境始終保持良好狀態(tài)。都江堰的建造者對于工程所在地區(qū)的自然環(huán)境、河道條件、地貌地質(zhì)、水流泥沙等多種因素及其規(guī)律都有充分正確的認識,又在長期的實踐中對河道、水流、泥沙等因素的反作用有了深刻理解。這些對自然規(guī)律的認識,最終反映在工程的科技智慧中。
回顧近幾十年來我們對江河治理和對水資源的利用,都是沿用西方近現(xiàn)代科學技術,用分解割裂的方法、微觀片面的眼光來解決復雜的自然與社會問題,不斷嘗試駕馭自然、改造自然、掠奪自然,引發(fā)了一系列河流水系、水環(huán)境、水生態(tài)等嚴重問題。洪澇災害日益頻繁、水資源短缺、河流水系嚴重污染、水環(huán)境遭受破壞,與水有關的社會矛盾日益突出,成為我們不得不面對的現(xiàn)實難題。
今天,“可持續(xù)發(fā)展”已成為各國明智的選擇。我國也提出了“人水和諧”“保持河流健康”等新的治水理念。為了挽救被人類破壞的河流水系與水生態(tài)環(huán)境,一些發(fā)達國家已經(jīng)認識到保護河流生態(tài)系統(tǒng)的重要性,采取措施恢復河流的生態(tài)系統(tǒng)以修復其自然功能,并適當控制“人力”對于河流生態(tài)系統(tǒng)的干預,以適當釋放“自然力”;拆除超役、失去功能或帶來隱患的水壩、堰閘。這說明近現(xiàn)代西方水利思想與科技已走到一個轉(zhuǎn)折點,正在尋求新的突破。
我國是世界聞名的文明古國,有著極其悠久的治水歷史,這是世界上任何一個國家所不能比擬的。要達到“人水和諧”,學習國外的現(xiàn)代治水科技與治水經(jīng)驗固然重要,但也不能忽視我國的傳統(tǒng)治水經(jīng)驗。
我國的傳統(tǒng)水利科技思想中有非常強烈的尊重自然規(guī)律、順從自然常規(guī)的意識。在傳統(tǒng)的水利工程中,人與自然是一體的,是彼此響應、相互協(xié)調(diào)的,二者是和諧的。這種“自然”意識,正是現(xiàn)代水利工程所缺乏的、需要反省的,也是我國現(xiàn)代水利工作者需要重新拾取的寶貴歷史財富。
我國的傳統(tǒng)哲學具有強烈的“實用—經(jīng)驗”理性,這使得中國人“重實際而黜玄想”,不太注重純科學的玄思與探索,不追求精密嚴謹?shù)乃急骟w系,但卻較早完成了貫穿自然、社會與人生的世界觀的構筑。時至今日,科學技術已高度發(fā)達,如何減少科技應用對自然生態(tài)環(huán)境的破壞,如何使科技服務于全人類的平等、幸福,是必須面對與解決的問題。中國傳統(tǒng)哲學與科技思想,恰好可以彌補現(xiàn)代科學技術的缺陷,為今天的人們提供啟示。而都江堰,恰恰架起了一座連接古今、連接科技與智慧、連接文化哲學與現(xiàn)代科技的橋梁。