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问水都江堰(一)  

2012-02-27 09:58:11|  分类: 《天下》2011年第 |  标签: |举报 |字号 订阅

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/李寻、李海阳

关于都江堰,相信绝大多数的中国人都不陌生,人们都知道,这是战国时期,秦国的蜀郡太守李冰主持修建的一项著名的水利工程。笔者二十多年前曾去过都江堰,完全是旅游,加之太年轻,所以也没看明白什么。这次为准备这期水利问题的专辑,读到了周魁一先生所写的关于都江堰的数篇文章,并在这些文章的引领下,又拜读了谭徐明教授的《都江堰史》,才明白了原来都江堰蕴含着这么高的科学智慧,也意识到了这座举世无双的水利工程面临着多么严重的现实威胁。在采访周魁一先生时,曾当面向周先生请教都江堰水利工程的设计问题,周先生的讲解专业,且浅显易懂,仿佛上了一堂美妙的水利科学课,对都江堰更加神往。遂有此次都江堰之行,到现场再度体会中国古代先民那些伟大的智慧。

都江堰位于现在的四川省都江堰市,距成都市60公里左右,旁边还有著名的道教旅游景区——青城山。如今,这里的广告词是“问道青城山,拜水都江堰”。而笔者天性驽钝,对于宗教这类通往彼岸世界的人类精神活动向来缺少慧根,想不出来该问什么。倒是对于“水”这种老子评价为“几近于道”的现实物质,产生了无休止的问题,故此文名之曰:问水都江堰。

问水都江堰 - 休闲读品杂志社 - 《休闲读品·天下》网易官方博客

 

   ◎ 都江堰鱼嘴

   鱼嘴是分水堤前的尖端建筑,位于岷江干流弯道上的江心,把岷江分为内外二江,外江宽而浅,是岷江的正流,主要起排洪作用;内江窄而深,流入宝瓶口,主要用于灌溉。枯水季节水位较低,则60%的江水流入河床低的内江,保证了成都平原的生产生活用水;洪水来临,由于水位较高,大部分江水从江面较宽的外江排走,这种自动分配内外江水量的设计就是都江堰"三字经"中所说的“分四六,平潦旱”。 同时,内江水道由于狭窄而流速慢,外江水道由于宽阔而流速快,沙随水走,所以,将大量砂石裹携到外江水道,减少了灌溉渠道的淤积。宋代以后,鱼嘴的位置和建造材料都有改变,但其作用没有改变。

 

1 都江堰是什么

依笔者的理解,都江堰至少有两层含义:第一,是项水利工程措施;第二,是一种中国古代的水利科学原理。要完整地理解都江堰的内容,必须把握住这两个方面,缺一不可。

我们先从作为水利工程的都江堰说起。

发源于岷山的岷江一路挟沙裹石,奔腾南下,沿成都平原西部山地的内缘形成一道下切的河谷,一直流到四川乐山,又接纳了大渡河、青衣江后继续南下,在宜宾汇入长江,这是古老的岷江河道。都江堰水利工程,就是在岷江由青藏高原进入四川盆地的入口处,修建了一个人工的分流渠道的进水口即宝瓶口,通过宝瓶口,将一部分岷江水引流向东和东南,与成都平原有的河流、池塘构成一个完整的兼具灌溉与航运动能的水利体系。这条分流渠的总渠在都江堰这段称之为内江,而岷江原有的古河道称之为外江。之所以能通过一个分水渠道让一部分岷江水改变方向,自流灌溉,是由天然地形条件决定的。成都平原位于四川盆地西部,青藏高原向四川盆地过渡的地带,整个平原自西北向东南倾斜,西部山区海拨高达4000米,东南部只有400米,地面坡降从西北的8‰逐步过滤到3‰,利于自流灌溉和航运。①引出来的岷江水在古代时就能灌溉数百万亩良田,在现代,1994年时,就超过了1000万亩的水平。正是因为都江堰的修建,成都平原成了物产丰饶的天府之国。充沛的岷江来水曾让成都平原河湖纵横,所以,古人对此又有“陆海”即“陆地上的海洋”之称。一条岷江能有这么大的水量吗?有的,岷江虽然不算太长,只有711公里,但水量丰沛,年平均水量900亿立方米,远远超过全长5000多公里的黄河,黄河干流的年平均水量只有560亿立方米。②

乍看起来,都江堰的核心工程是宝瓶口,就是在河流左岸的玉垒山间凿开一条水道,让分流出来的岷江水由此改变方向,由向南流变为向东流,被凿出来的这座新的小山头被称之为“离堆”,大概是“离开主山的石堆”之意,这条水道的工程量巨大,令人每每惊叹于在没有现代工程技术的先秦时代,古人是如何能完成如此巨大的工程量的。然而,这并不是都江堰的奥妙所在,因为问题远不是分出一部分水来并让其改道那么简单。细追问下去,问题就来了,从岷江分多少水出来够下游灌溉所用?怎么控制分水量?河流均有丰水期与枯水期,如何保证丰水期不受洪涝灾害,枯水期仍有水灌溉?岷江上游是多地震带,山岩松懈,故河水含砂石量较大,据研究,岷江上游携带的推移质(被水推着移动的石砾)平均年移量在150万吨,河床上卵石粒径一般为124248毫米,最大的1000毫米。③那么,如何在这里拦下砂石,保证送到下游灌溉的只是清水?也就是说,都江堰解决的是水量调剂、防洪排沙等一系列的问题,而且,解决的手段之巧妙、思考之系统整体、对自然条件之充分利用都达到极致。

我们得花些笔墨把各个系统工程解释清楚。

都江堰面向岷江来处的第一道工程叫鱼嘴,这个工程的主要功能是分流和排沙,在这里,正面宽达350700米的岷江被一分为二,一边为右边的内江(面向水流来的方向),一边为左边流向岷江古河道的外江。从直观的观察就能看到:内江窄,约100多米,外江宽,约200多米,内江深,外江浅。内江河段全线呈前宽后窄形,头部鱼嘴入水处宽约13070米,而到宝瓶口,河道仅宽2317米,出了宝瓶口又变宽了,正是由于这种形状,此处才称为宝瓶口。内江河道底部要比外江河道底部低23米以上(据现场导游介绍,未查到准确的数据),事实上,内外江河道底部的高程差在不同时期也是不同的。这种系统设计,实现了水量控制和排沙功能。岷江在鱼嘴处一分为二,水量分配原则是“四六分水”,即丰水季节保证外江水量为岷江总水量的60%,内江水量为40%;枯水季时则倒过来,外江水量为40%,内江水量为60%。排沙原则是“二八分沙”,即80%的砂石排往外江,20%的砂石进入内江。现代水利科学的观察证明了这些原则基本上都实现了,奥妙就在于内外江河道的一窄一宽、一深一浅上了。内江河道深,保证了在枯水季60%的岷江水都汇入内江河道,因为水往低处流嘛!而丰水季时,由于内江水道前宽后窄,有降低水流速度的功能,水就憋起来了,水位上涨后,分流到横截面宽阔的外江水道的水量就大了,达到总水量的60%,同时,同样的原理,内江水道由于狭窄而流速慢,外江水道由于宽阔而流速快,沙随水走,所以,将80%的砂石就裹携到了外江水道。

但是,仍有20%的砂石起进入了内江水道,而且,如果上游连降暴雨,水量再增大,怎么办?为了解决这个问题,智慧的先民们又在鱼嘴和宝瓶口之间,沿内江右岸设置了三处不同堰顶的泄洪排沙设施(古代称为湃缺):平水槽、飞沙堰和人字堤。如今平水槽已被封堵,人字堤虽在,但多年没有发生作用,只有飞沙堰仍在发挥作用。当上游来水量过大、鱼嘴分水处已完成不了“四六分水”的任务时,飞沙堰就起作用了。所谓飞沙堰,其实只是一道长达100多米、宽10米左右的隔开内外江的矮堰,(堰和坝不同,一是堰比较矮,二是堰允许水流过堰顶,而坝只是挡水,放水要通过坝上附设的闸板才行。直观地说,堰很像现在很多城市里能见到的滚水坝或橡胶坝),此堰十分低矮,堰顶距内江水面只有0.62米左右。现在正是枯水季,依笔者现场目测,也就是1米左右。当水量增高时,水就漫过堰顶,流向外江,以达到“四六分水”之攻效。同时,这段江呈弧形状态,内江中心水流慢,边缘水流急,这样,就将一部分砂石冲过了堰顶,排入了外江。据现在一位看守飞沙堰的工人说,洪水大时,过堰水流携带的砂石碰磨堰顶的声音清晰可闻。为加大排沙量,在飞沙堰的对面,即内江的左岸还有一个小巧而实用的设计:凤栖窝,即在左岸的山崖上挖进去一个凹窝,窝下是深挖的一个大坑。这个凤栖窝有两项功能,一是制造回水,以增大冲向对岸飞沙堰的水流速度,加大排沙量;二是沉淀一些没被冲带过飞沙堰的砂石,起到沉沙池的作用。①通过这些设计,使得飞沙堰又排除了15%的砂石,余下只有5%左右的砂石进入内江河道。内江河道是人工开掘出的河道,需要定期维护,一般每年的冬季,要在鱼嘴附近用杩槎和竹笼(中国传统的水工构件)建立起一道临时的水坝,将岷江水全部分往外江,人们利用此时机疏浚内江河道,在春季灌溉之前的清明节,拉开这道临时水坝,放水入内江,称为放水节。1974年在鱼嘴稍南约几十米的地方建立起了一道水闸,这个“放水节”的活动也随之取消。对于内外江水量的分配和水流的控制是经过精心的观察与控制的,具体的两个标志是设置在宝瓶口的水尺与埋在凤栖窝附近的卧铁。水尺设在宝瓶口离堆对面即内江左岸,有22划,每划1尺,沿用至今。清代以13划为飞沙堰顶的高程,超过这个水位,内江就会通过飞沙堰向外江泄洪。20世纪60年代增加灌溉面积后,内江用水量增多,增加到14划(相应地飞沙堰顶也应增高),超过16划开始启用防洪抢险预案。卧铁是疏浚内江河道底部的高程标志。据说,李冰留下了“深淘滩,低作堰”的治水六字决。“深淘滩”就是说内江河道疏浚时,要挖得深些,挖深些不要紧,因为河道的截面积决定了即使深些,也不会造成下游的洪灾;低作堰是说堰顶不能太高,太高了就会造成水灾。但是“深淘滩”也不是没边的,深到什么程度,就深到凤栖窝附近卧铁的程度;“低作堰”也不能太低了,低到什么程度,就是宝瓶口水尺上的13划(今14划)的程度。宝瓶口水尺标志着飞沙堰堰顶的合理高程,凤栖窝卧铁标志着内江河底的合理高程。在这两者之间,便是内江水道的合适流水量,以确保灌区内旱涝无虞。这种对水量和流速的利用,已完全与现代河流动力学的原理一致,而对水量大小的控制,也不亚于现代计算机精确计算后的数量关系,更为难得的是,实现这种水量与排沙量控制的,竟是这么简单且少量的人工措施。

看完上面的简要介绍,我们就能理解周魁一先生对都江堰做的总结性的评价了,他指出都江堰之所以能历经2000年而不衰,成为世界四大文明发祥地中借助灌溉发展起来的硕果仅存的大型水利工程,其精华就在于“乘势利导、因地制宜的设计思想和无坝引水、自动调水调沙的枢纽设计,蕴涵着对河流自身规律的尊重和人与自然和谐的传统自然观”(参见周先生为《都江堰史》写的前言)。

下面我们讲都江堰的第二层含义。都江堰之“都”是说这个水利工程是岷江上的总的水利枢纽,同时,也意味着都江堰的建堰原则是这一流域治水的总的原则。事实上,岷江自都江堰内江以下一分为四,又四分为八,分出许多支渠,组成网状的灌溉体系,每个支渠的分水原则与都江堰完全一致,这样的“分堰”古代有数百座之多。所以,从这个角度上讲,都江堰是无坝引水灌溉的科学理论之代称。它不只是一个自古遗存下来的水利工程,也是一种具有超前眼光、与自然和谐相处的水利科学理论,在今天,仍有着十分强烈的现实意义。

2 都江堰及中国古代水利工程的优缺点

今天的都江堰当然不是秦国李冰修建时的那个样子。自秦以后,都江堰屡经毁建,现在我们看到的都江堰,其鱼嘴和飞沙堰是19341936年间重建的,建国后又加以重修。因为1933825日,岷江上游茂县叠溪发生了七级地震,地震造成的多个堰塞湖在109日溃决,洪水冲毁了都江堰渠首工程,此后多次重建。非要稽古的话,今日都江堰宝瓶口的工程是战国时的真正遗迹,而自鱼嘴以下的各工程虽然代有重修,但结构原理与战国相差无几,工程设施、布置、建筑物的形制基本都没有大的改变。所变动的是鱼嘴的位置,清代时就往前移了数百米,现在仍是清代的位置,这可能是迁就河道冲淤变化所致。1974年和1991年分别在外江鱼嘴后近百米和飞沙堰后200多米处各修建了电动水闸,以加大内江流量,提高灌溉面积。

2200多年的历史纵深来看都江堰,或许我们可以总结出中国古代这一类型水利工程的优缺点。

先说其优点:

1、每次建设工程量小,建造成本低。除去李冰劈开宝瓶口的工程量较为巨大外,鱼嘴、飞沙堰、金刚堤的工程量并不算太大,且取材方便,用的石头就是河道内冲积下来的卵石加上周边出产的竹木。在当时完全是人工作业的情况,重建一次数月时间就够了。

2、适应河道的天然形态,没有破坏水资源的自然循环和生态环境。都江堰为无坝引水设计,不影响河水中鱼类及其它生物的生存环境。在古代,堤、堰都是用卵石干砌工艺建成,就是在卵石之间没有不透水的粘结物,“允许河水和坡面水入渗,使得堤防没有扬压力,对边坡稳定和地表水回归都有好处,在灌区上游河渠修筑干砌卵石堤防时,地下水能自由入渗,可以送到下游灌区回归渠道。都江堰有很多渠道,当宝瓶口断流后,到下游仍有几个或几十个流量。这就是干砌卵石渠道可利用回归水的好处。” ①够神奇的。现代都江堰堤堰多用浆砌卵石(即用水泥沙浆固定粘结起卵石),就没有了这些好处,虽然增加了堤堰的坚固性,降低了日常维护的频率。

3、在顺应河流的自然天性的条件下,对整个工程,包括整个灌区有着精细系统的设计,比如前文介绍的调水调沙的数量计算和调配方式,十分精妙,若得天成。

再说其缺点:

1、对上游来水的依赖性强,调节能力弱。都江堰建立的前提是岷江有充分的来水,只能分流不能蓄水,如果上游来水量小,小到连灌溉用水都不够的时候,它就没作用了。不像现在在上游修个水库,能蓄一定的水,有较大的调节作用。

2、日常维护量较大,需每年维修。维修的内容一是清理河道内淤积的砂石,二是修补被水流冲坏的堤岸等。

3、没有对水能的综合利用概念,没有利用水能去发电。当然,这也是以现代的概念来看才存在的问题,中国古人没有电力概念与技术,所以不存在这个问题。但很多现代人轻视都江堰,甚至想在离其很近的地方修水库,让都江堰名存实亡,其主要的原因就是都江堰没有发电功能。

如果全面客观地看待都江堰优缺点的话,会发现,造就这些优缺点的共同原因还是中国古代建筑材料技术落后导致的,即中国古代没有水泥这种粘结卵石的材料。没有这种材料,就不能修太高的大坝,而不能修太高的大坝,就创造不出现代水库这样的水利工程,只能在易毁的低堰基础上思考对河水的控制与利用问题,于是就发展出了一套浑然天成的无坝引水技术。尽管中国有顺应自然的哲学理念,但这种理念并不是构成都江堰的全部原因(只是部分原因,如对水流的自动分配设计上),更主要的原因还是总体技术水平的落后(或者说缺少全面系统的科学革命)。从本质上看,都江堰是一个科学的工程,是人类科学活动的产物,而科学活动的本质就是人工对自然的挑战,因此,不能以清静无为的哲学观点理解都江堰工程中简陋的那一面。事实上,中国古人也一直在与时俱进,试图以更新的技术来改造都江堰,元、明、清三代就多次以砌石代替竹笼,以增加其坚固性,减少其日常维护工作量,而且大量使用铁,比如在料石之间,凿孔灌入铁汁锚固。李冰时代没那么多铁,自然不会使用这种方法,元、明、清以铁这种当时颇为“现代”的金属作为建堰材料,说明古人并非泥古不化,而是不断以新技术手段改造都江堰。如果那时中国人发明出了水泥,那么,可能早就修建水库大坝了。说这话的意思是想强调,并不是古人顺天应命的哲学理念造成了都江堰的这种状态,而是整体上科学技术还比较落后,他们只能在当时的材料和工艺条件限制下动脑子,才造出了这么富有智慧的都江堰。

3 西方现代水利工程的优缺点

我所说的西方现代水利工程主要是指现代水库大坝和发电站。因为水泥、钢材、发电等一系列新科技出现在20世纪初,在西方先出现了这些新水利工程技术,并传入中国,进而被一部分中国的科学家和政治家片面接受,甚至达到了迷信的程度。从那时起,直到现在,水库加电站成了最主要的水利工程。

和都江堰一样,发源于西方的现代水利工程也有正反两方面的特点。

先说其优点:

1、调节能力强:由于水库大坝筑得高且结实,蓄水量大,有了远比都江堰强的调节能力。

2、利用水能发电,使水力产生了崭新的附加效益。

再说其缺点:

1、严重破坏了河道的天然水文特征和自然生态。这一点现代反对建水坝的活动家们已经讲得十分透彻了,此处不再多言。

2、一次性投入工程量很大,且水库寿命有限。都江堰可以说存在了2000多年,或者说它以每年重建设一次的形式获得这么久的生命。但现在,没有人敢说世界上有一座现代水库其寿命可达到千年以上的。如果出现因大坝老化和库内淤积造成的其寿命到头的话,那可不是一个可以通过重建恢复的问题,其后果是什么,至今还没有负责任的说法。

另外,有人认为,现代水利工程在科学思维的系统性上要超过中国古代的水利工程,然而,笔者不以为然。以都江堰为例,其渠首工程的规划设计与全灌区渠系的规划设计是一个浑然天成的整体,其视野之宽广,考虑因素之周详,整体协调之得当,远远超过了任何一处现代水利工程。而现代水利工程是专业化分工后的产物,不是因为有了对水库的综合规划与设计才发明出水泥和发电设备,而是因为先分别有了水泥和发电设备之后,西方人认为这两者的结合可以建造出主要用于发电的水库。现代水库的功能往往很单一,而且经常顾此失彼,对生态的破坏就不说了,当年第一批建大坝的人压根儿就没想过这个问题。就从对水资源的利用上看,几乎每个水库都存在着对下游用水量估计不足的问题,随着下游工业化和城市化的发展,如果满足下游的用水需要,则水库里的水就不够发电的了。由此可见,其思维在整体性和系统性上之差。

但由于现代水利工程有立竿见影的效果,特别是有发电带来的经济效益,加之,近代以来中国整体上被掌握了现代科学技术的西方世界侵略奴役的历史,使得很多中国人对西方的科学技术产生了盲目迷信的心理,认为西方来的一切都是好的,都是进步的,应该无条件的学习效仿。相比而言,一切中国古代的东西,都成了保守落后的东西,而加以抛弃。在这种大背景下,都江堰迎来了它的厄运。

节选自《休闲读品·天下》2011年第四辑

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