代写水利文章——岷江中游的都江堰水利工程中

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Abstract
Key words
摘要
主题词
1 引言
2 岷江和成都平原
3 都江堰水利工程
4 水利工程中的地球科学思想
5 纪念李冰
参考文献

Abstract In 256 BC, Li Bing, the Magistrate of Shu Prefecture ( ancient name of the western SichuanBasin), managed to
build up the Dujiangyan water-conservancy system, that is the unique largewater-conservancy construction in the world, which has been built up before the Christian era andcontinue to be used for more then 2 200 years. Now it makes the most of the water-conservancy works.Dujiangyan water-conservancy system has been built up along the middle reach of theMinjiangRiver in the Chengdu Plain.Both of the Minjiang River and the Chengdu Plain have been developed by erosion anddeposition of rivers for lift up of the eastern Qinghai-Xizang Plateau since the later stage of theMiddle Pleistocene. The Minjiang River has the largest discharge of river within Sichuan Basin,which may supply the development of civilization ”http://www.1daixie.com/dxwz/” on fertile land in the Chengdu Plainwith abundantwater resources, in turn, the 80%of discharge of the Minjiang River is concentrated in the periodofMay to October, that may result in big floods on the Chengdu Plain.Three major projects in the canal-head area of Dujiangyan have been built up in the jointof themiddle reach sector of theMinjiangRiverwith the upper reach sector. Yuzui Watershed Weir at thefront point of central bar divides the river into two currents alongNeijiang River and Waijiang Riverrespectively, the former directly to the Chengdu Plain, and the latter discharges the superfluouswater. Feishayan spillway built at the convex bank of the Neijiang River may keep a right level ofwater for the current. Especially, over the Spillway, the water-flow in form of circular motion andvortex may send sands and blocks from the Neijiang River into the Waijiang River. Baopingkouexcavated at the south part of the Yulei Mountain, is an especial way which leads and controls thecurrent to the Chengdu Plain.More, three channels have been excavated as major canals for irrigation, shippinget al. onthe Chengdu Plain. Among them, two channels join together at Chengdu and flow on into theMinjiang River, which makes the city develop into a great metropolis.Significantly, several ancient hydrologic measurement marks have been made in conservancyprojects, and the annual repair-engineering institution has been set up.These projects not only have been used as an effective water-conservancy installation, but alsoscientifically solved the headachy problem of aggradation in water-conservancy construction.It is believed that important principle and idea aboutwater-control have been understood in thattime. Based on principles of geological action of river and hydrodynamics of river, such as erosionand deposition, channel feature and channel processet al., Li Bingmade the best use of advantageof natural conditions and avoided harmof disadvantage of them, which spurDujiangyan to constructsand to develops a forest-paddy field ecological environment system, including forest area along theupper reach of the river and paddy-field agriculture area on the Chengdu Plain, and to create and tobring up the“land of abundance”of Sichuan.Li Bing is a great ancient scientist and engineering export.

Key words　　Dujiangyan, Li Bing, Minjiang River, Chengdu Plain, geological action ofriver

摘要　　岷江中游的都江堰水利系统为256BC战国时代蜀郡太守李冰主持修建,经长期发展完善,至今仍发挥着巨大的作用,为世界上使用历史最长的古老水利系统。该水利系统利用岷江由上游山区进入中游平原的自然条件,根据河流地质作用的原理,因地制宜,因势利导,修建了分流、泄洪、治沙和引水等工程,达到了灌溉、防洪和通航的目的。而且,设置了相应的监测设施,确立了维护制度,营造了我国西部地区最大的水田农业生态区,与岷江上游山地森林生态区组成森林-水田农业生态系统。

主题词　　都江堰　李冰　岷江　成都平原　河流地质作用

1 引言
四川都江堰水利系统位于岷江中游的成都平原地区,始建于256BC战国后期秦昭王时期,为现存世界上历史最悠久、至今仍发挥巨大作用的水利工程体系。因岷江古称湔江、都江,该水利系统最早名为湔堋、湔堰,现习惯称为都江堰,于2000年被联合国列为“世界文化遗产”。
自古岷江水害成都平原。对此,战国时期蜀国已进行过规模较大的治岷工程,穿凿一条泄洪水道,由都江堰市分岷江洪水向东,流入沱江,即“东别为沱”1)。李冰在此基础上,组织蜀民在岷江上游和中游的交接部位修建鱼咀分水堰、飞沙堰和溢洪道,开凿内江进水咽喉宝瓶口,分流引水,不但避害,更重于趋利,用于灌溉和通航。同时,在岷江中游成都平原上开挖水渠,疏通河道,灌溉田地,行舟放筏,促使沃野千里的成都平原成为富饶繁荣的天府之国。
李冰主持修建的都江堰水利系统,2000多年来不断得到发展和完善,显示了强大的持久生命力,其原因就在于通过观察和实践,当时对有关第四纪地质学、地貌学和河流水动力学等原理已有不少正确的经验总结和相当的认识;而且,遵循朴素的可持续发展的思想,因地制宜,因势利导,不违背自然规律,合理施工建设。正因为如此,都江堰水利系统不但经数千年不衰,更能发扬光大,成为世界文明史中的一朵奇葩。
2 岷江和成都平原
岷江发源于青藏高原东缘四川省松潘县境内岷山南麓贡嘎岭和郎加岭,海拔约4 100m,流至四川省宜宾市汇入长江,全长约735km。由于青藏高原强烈抬升,高原与四川盆地之间出现显著的地形落差。岷江上游自源头至都江堰位于高原范围内,水流湍急,340km的流程高度下降达3 300m左右。但是,从都江堰到乐山的岷江中游,发育众多支流,在成都平原上呈扇状撒开。它们与其北侧的沱江等共同组成成都平原上的散流水系。岷江穿越整个成都平原,水位落差约为300m左右。乐山以下河段,为岷江下游。
成都平原介于龙门山、邛崃山和龙泉山之间,总面积2.3×104km2。它是由发源于青藏高原东部的岷江、沱江等河流的多个冲积扇重叠联缀而成的复合冲积扇平原。自北而南,它包括涪江冲积平原、岷江-沱江冲积平原和青衣江-大渡河冲积平原,以及其间的丘陵台地。其中,位于中部的岷江-沱江冲积平原为成都平原的主体。总体上,成都平原地势平坦,由西北向东南微倾,平均坡度为3%~10%。
对岷江上游松潘盆地的研究表明[1],在新构造抬升和掀斜作用的制约下,盆地内250~160kaB.P.出现冲-洪积砾岩;继后,早期下切,出现22kaB.P.的阶地堆积。在成都平原的基岩面之上,位于地下72m深处的砂砾层的热释光年龄为120kaB.P.,其上广泛发育14C年龄为25~12ka B.P.的阶地沉积[2]。因此,可以得出结论,岷江水系和成都平原都是中更新世晚期以来形成的地貌单元。随着青藏高原的持续隆升和成都平原的断裂沉陷,岷江等河流的剥蚀和堆积作用也继续活跃,大量来自高原东部的物质被带到平原上释放和堆积,以致成都平原不断发展。换言之,岷江等河流地质作用维系着成都平原的形成和发展。不仅如此,由于河流带来了大量的泥沙、有机质和矿物质,有利于成都平原的农业经济的发展,因而河流还在一定程度上促成了成都平原人类文明的繁荣。
岷江上游的河川径流,主要由降雨形成。降雨主要受西南季风和太平洋副高压带的影响,因而,流域降雨年内分配极不均匀。据现代观测[3],4月降雨开始增大;5~10月,降雨占全年的80%;10月以后至翌年3月,降雨逐渐减少。此外,6~7月还有融雪补给。因此,5~10月为岷江的丰水期,其水量可占全年的80%。其中,尤以6~7月更为集中,占全年水量的33%。结果,夏季的一次暴雨,即使局部性强降雨,也会引发岷江洪水。当岷江洪水冲出山口,进入成都平原时,流速减缓,岸低河浅,造成大面积洪水泛滥。
李冰所主持的都江堰水利系统,就是在这样的地质、地貌背景下进行的人类活动。这种活动就是要使自然力造福于人类,以促进人类社会的发展和经济的繁荣。
3 都江堰水利工程
都江堰渠首工程位于岷江上游和中游的接合部位,是治理岷江的关键地段。那里的河床宽度迅速加宽,并形成江心洲和边滩,分支河道发育,水流循弯道环流,尔后又归总合流。都江堰的主要工程鱼咀、飞沙堰和宝瓶口及其配套项目也集中在这里。
鱼咀工程充分利用岷江的江心沙洲大小钓鱼,用笼石法把沙洲顶端改造成鱼咀状,并顺着沙洲的边缘修筑大堰,把江水分成南、北二股。鱼咀和大小钓鱼的东面一股为内江,又称北江,所分的江水循此进入成都平原加以利用;鱼咀和大小钓鱼的西面一股为外江, 又称南江,多余的江水由此河道向南外泄。历史上,鱼咀多次改修,用铸铁或条石和混凝土填实,进行加固。1974年春又建成渠首外江枢纽闸,使成都平原多引水6.6×108m3 1)。Yh
飞沙堰为利民台和人字堤两个江心沙洲之间加修一定高度的堰堤。其高度正好可以在用水季节拦阻足够的水量进入成都平原,又可在洪水期排泄多余的洪水及挟带的泥沙,故名飞沙堰。它起到了既能保水,又能减洪、排沙的作用,使成都平原既得到灌溉和通航,又减除洪水泛滥和淤积的危害。1992年春,在飞沙堰建成了工业引水挡水闸,满足了成都市工业和人口用水日益增长的需要。
宝瓶口为玉垒山南段人工开凿的控制性引水口,使玉垒山与其南端的离堆分开,充分利用岷江由山区到平原的落差,引导江水向东直接进入成都平原核心地区。同时,宝瓶口的断面大小,直接控制了流量的多少,使工程取得最佳的水利效益。解放后,用混凝土彻底加固了离堆和宝瓶口两壁。
都江堰水利系统的突出的时代先进性,表现在兴建水利工程的同时就设置了水文观测设施。“李冰于玉女房下白沙邮,作三石人立三水中与江神要水,竭不至足,盛不没肩”2)。记叙中的“白沙邮”位于鱼咀附近白沙河口地段,“三水”即岷江、外江和内江。文字中的“江神要水”有神话色彩,但以石人作测量河水的标尺,“竭不至足,盛不没肩”表明了各江的安全水位,这是非常明确的水文观测设施,也是我国见于文字记载的最古老的水尺,难能可贵。1974年3月,修建外江临时拦水闸时,发掘出石人两座。石人上的文字表明,为东汉(168年)水官所造。这虽非李冰的石人,亦能证明近2000年以前用石人作定性、量水的事实。可以相信,从李冰开始,都江堰水利系统就建立在水文观测资料的基础上的。Yh
都江堰的岁修是该水利系统的又一个重要的举措。岁修,就是在每年的枯水期,对内江进行断流维修,包括淘挖泥沙,加固鱼咀和飞沙堰等。因为经过每年的洪水期,河道及水利设施总会变形、侵蚀或淤积,需要在冬春季节进行修护。李冰确定了“深淘,浅包”3)的岁修原则。这个原则也就是后来所说的“深淘滩,低作堰”。深淘滩,指的是把内江淘挖得深一些,保证春夏季节成都平原农业和航运的用水。低作堰,指的是飞沙堰等堤坝不能堆得很高。当盛夏秋初岷江洪水期时,成都平原亦多雨,不高的飞沙堰可使涌入内江的过量洪水和泥沙漫堰排入外江,减免成都平原洪涝和沙淤的损失。据传,李冰曾在内江河床的一定深度埋了一个石马,作为淘滩的深度标记。淘到石马即为合适的深度,并以此推算作堰的高度。应该说,这些原则和标准都是总结长期观察得出的真知灼见,又在治水实践中巧妙地应用和反复证实的。Yh
在内江灌区,李冰主持开凿了郫江和捡江两条重要的干渠。由于古文献对此记载过简,成都平原的水道历经多次调整,当年的郫、检两江行经路线,学术界尚未统一意见。大体而言,郫江相当于现代的柏条河-府河,检江大体相当于走马河-锦江。两者会合于成都,然后南流过彭山回注岷江。此外,李冰还主持在岷江西侧开羊摩河,大体相当于今日的羊马河。作为都江堰水利系统的灌溉和航运的主干通道,干渠大大改善了成都平原的灌溉和航运的条件,特别对于成都城市的发展起了关键性作用。都江堰水利工程的兴建,促使成都平原成为“水旱从人,不知饥饿”的天府之国,促使成都成为繁荣昌盛的大都会。
4 水利工程中的地球科学思想
李冰主持兴建都江堰,时间早在2.2kaB.P.,当时不可能有完备的地球科学的理论和观测系统。但是,从古文献记载中,尤其是从留存至今的工程所体现的布局设置、工程特点、社会效益和长期实践中取得经验教训中,透射出2.2kaB.P.以李冰为代表的治河专家对许多第四纪地质学、地理学和地貌学问题的宝贵认识的思想光辉,特别对河流地质作用的认识和处理颇为深刻和十分巧妙。
首先,都江堰的选址是独具慧眼的。岷江是川江中流量最大的支流,又有相当大的比降和流速,为水利系统提供了丰沛的水源,又不易沉积堵塞。当代测定,岷江在都江堰市境内年均流量高达157×108m3,旧都江堰使用水量约为30×108m3,现代扩大灌区后总引用水量达81×108m3,占岷江来水量的一半多一点。
同时,灌区成都平原向东南缓倾的地形和起伏不大的地貌,适宜于无坝引水,自流灌溉和通航放筏。而且,平原上的河流冲积物来自青藏高原东部,经先天潜育,土质肥沃,适种宽广,生产潜力高。其中,集中分布在岷江冲积扇的灰色潮土,以油沙土为其代表,品质尤佳,再加之气候条件适宜,这些得天独厚的自然条件为都江堰取得的巨大的社会效益做好了准备。反过来,“天府之国”的资源又能支持都江堰水利系统得以维护和发展。彼此相得益彰,始终处于良性循环之中。
在工程布局上,鱼咀分水工程充分利用了江心洲的自然条件[4]。鱼咀及两侧堰堤位于江心,河道向东弯曲。东侧内江流经的部位为岷江凹岸,西侧外江流经部位为凸岸。这样的分叉型河道,河弯平顺,主叉道位于凹岸一侧,水流顺畅地进入主叉道,即内江。显然,这样的结构有利于调节鱼咀的分水功能。特别在枯水期,流量减小,水位降低,主流线自动偏向凹岸,很容易使多数的江水进入内江,满足灌区农业用水高峰期的需求;洪水期则河道相对变直,也能使较多的洪水注入外江泄洪。对弯道水流来说,当弯道横向环流的表流冲向凹岸时,凹岸常被侵蚀。其泥沙由横向环流的底流再搬运到凸岸堆积下来,形成迂回扇,其中一部分泥沙再沉积在江心洲。后者起到了保护鱼咀堰堤的作用。Yh
在虎头岩河段,由于玉垒山崖壁的阻挡和干扰,强化了横向环流,并出现涡流,使水流产生向西南方向飞沙堰流动的性能。这样,内江的过量水漫过堰顶自动溢出,同时,流水中的悬移泥沙,甚至卵石和泥沙推移质,也越过飞沙堰流向外江,飞沙堰真正起到了“飞沙”的作用。巧妙之处在于汛期流速越大,飞沙堰的排沙能力更大。因为即使内江流量每秒高达3 000m3,宝瓶口外水位升得很高,但仍控制在每秒700m3左右的进水量。洪水在宝瓶口外形成洄流,增强了飞沙堰的排沙减水的功能[5]。在特殊情况下,特大洪水把飞沙堰顶部的笼石(用竹片编制的蛇形空笼,内装卵石和泥沙,堆作人工堤)冲掉,大量洪水外泄时,甚至重达2t的混凝土块也能泄入外江1)。洪水过后,飞沙堰再行修复也并不困难。据现代观测推算,飞沙堰多年平均溢水量小于岷江多年平均径流量的3.85%,小于内江多年平均径流量的6.67%,其多年平均汛期溢流量小于岷江多年平均汛期径流量的5.17%,小于内江多年平均汛期径流量的9.18%;但是,飞沙堰多年平均排泄卵石和泥沙推移质的数量占岷江的5.26%,占内江的25.62%[6]。飞沙堰排泄推移质的能力是分流减水能力的2.79倍,说明飞沙堰的排沙效果是良好的。同时,也说明整个都江堰渠首工程的引水功能协调得很巧妙,既做到足量的调水,也不会由于引入太多的过量水,而对水利设施造成不必要的压力和危害。
都江堰水利系统与其它著名的古代大型水利工程相比,具有鲜明的特点。与稍晚的郑国渠和芍陂灌溉工程对比,由于工程思路不一样,其命运也很不一样。郑国渠兴建于秦王政时期(221BC),筑坝引泾水,渠道长逾150km,灌溉关中田地1 800km2以上。但是,至南北朝时逐渐废弃,唐时已完全湮没。芍陂工程位于安徽省寿县,据传也是在秦王政时期建成,陂(库)周约100~150km,蓄水灌田。工程量大,当时的效益也大。但是,自东汉至唐屡经修浚,仍于宋、元后湮废。而都江堰无坝分水,不占农田,挖滩作堰,正面引水,侧面排沙,自流灌溉,兼顾航运,发展城乡,避免和解决了许多水利工程带来的副作用和出现的难题。特别是调整好了人与自然的关系,在利用自然的同时预防自然环境的恶化,营造并长期维护了由岷江上游地区和成都平原组成的森林-水田农业生态系统的良性发展,因而造福千秋,惠泽万民。
5 纪念李冰
都江堰水利系统经久不衰,取得了巨大的社会效益,其兴建的主持人李冰受到四川人民,乃至全国人民的推崇和尊敬。汉代扬雄所著《蜀王本纪》和晋代常璩所著《华阳国志》都记作蜀相开明主持开凿玉垒山。一种意见认为李冰凿通的离堆应在乐山乌尤寺;另一种意见认为四川玉垒山同名者甚多,开明所凿玉垒山不在都江堰市,都江堰市的玉垒山为李冰主持所开。本文暂从后一种意见。即使前一种意见,李冰仍不失为兴建都江堰的主持人或代表人物。后人把李冰事迹与上古时代的大禹治水神话相提并论(“功追神禹”),甚至为李冰封王、尊神,表达了无以复加的崇拜之情。
据考1),李冰生于约302BC,273BC或272BC由秦昭襄王派遣入蜀任郡府。在任27(28)年,兴建都江堰时年46岁左右。约于245BC调任上郡守,卒于约235BC。可以推想,李冰到任后没有下车伊始,而是经过了10多年的考察和研究,“知天文地理”、“识察水脉”2),然后才主持动工建堰。Yh
李冰治岷,在当时是非常先进的,是创新的。在秦以前,蜀相开明等治水,以防洪减灾为基本目的,上文提到的“东别为沱”是最有代表性的。战国后期,我国的科学技术有了新的发展,铁器大量使用,生产力有很大的提高。李冰在前人的基础上,治水不但为减灾,更是为灌溉和通航,促进了农业和城市的发展,达到了新的高度。都江堰水利工程的兴建,表明当时已经掌握了比较完善的水利知识,对当地的水文、地理和地质特征有相当的了解,并具备了一定的观测和测量方法。在地球科学的思想认识上,他对河流地质作用的认识是杰出的,对河槽形势、河床演变、河流泥沙运动及流水动力学特征等都有朴实而清晰的认识,并加以实践应用。李冰充分利用天然地形、地物等,用人工建筑物干扰水流结构,影响河槽和河床的变化,调整河流侵蚀和堆积比例,达到治水和用水的目的,进而优化生态环境,推动社会发展。
除了都江堰以外,李冰还主持凿平青衣江的溷崖,治导什邡等县的洛水和邛崃等县的汶井江,疏通岷江兵阑河道、修筑道路,多方面整治国土。非常有意义的是,李冰根据广都地区龙泉山南段(今双流、仁寿、彭山等地)侏罗纪和白垩纪红层中有卤水浸出的现象,首次在蜀地开凿陂池,取卤水熬盐,结束了以往过分依赖巴地食盐的历史,开创了川西制盐的新篇章。李冰主蜀期间,蜀地生产力有很大的提高,成为有力支持秦王统一九州大业的根据地。
确实,李冰是一位精于地球科学原理的杰出的古代科学家和工程专家。李冰主持的都江堰等伟大的工程,给我们留下了宝贵的历史遗产。
谨以此文纪念李冰诞生2 305周年!

参　　考　　文　　献
1 Kirby E, Whipple K X, Burchfiel B Cet al. Neotectonics of the Min Shan, China: Implications for mechanisms drivingQuaternary deformation along the eastern margin of the Tibetan Plateau.Geological Society ofAmerica Bulletin, 2000,112(3):375~393
2 钱　洪,唐荣昌.成都平原的形成与演化.四川地震,1997,(3):1~7
3 林礼群.岷江上游流域水文特征.岷江水电,1992,(1):34~39
4 郭耀文.浅析河流地貌在都江堰建设上的意义.河海大学学报, 1998,26(3):102~104
5 朱学西.中国古代著名水利工程.北京:商务印书馆, 1997. 74~93
6　刘汝贤.试论飞沙堰分流分沙比.四川水利,1991,12(4):9~10