王光謙，鐘德鈺

（青海大學 三江源生態(tài)與高原農牧業(yè)國家重點實驗室，810086，西寧）

都江堰水利工程以布局精巧、規(guī)模宏大、功省用饒、經久不衰等特點聞名遐邇，是我國古代水利工程“因勢利導、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。都江堰工程的建設與運用使成都平原成為“水旱從人，不知饑饉，時無荒年”的“天府之國”。如今，都江堰已發(fā)展為具有農業(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功能的特大型水利工程，對四川省的經濟社會發(fā)展具有重要作用。本文回顧都江堰悠久的發(fā)展歷程，分析了其得以運行2 275年的科學原理，并剖析了都江堰對現(xiàn)代水利工程建設的啟示和意義。

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。岷江是長江上游重要的一級支流之一，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340 km，落差3 009 m，平均河道比降為8‰，流域面積2.32萬km2；渠首工程以下為灌區(qū)，流域面積2.17萬 km2，灌溉面積 69.5萬 hm2。

都江堰渠首魚嘴工程將岷江分為兩支，左汊為內江，即都江堰引水河口；右汊為外江，即岷江正流。內江總干渠水經飛沙堰溢洪排沙后在寶瓶口處壅水沉沙，之后分為蒲陽河、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、綿遠河匯集，在金堂注入沱江。內江灌溉成都平原岷江以東地區(qū)及川中丘陵，合稱內江灌區(qū)。外江正流從外江閘右端進入沙黑總河，經小羅堰閘排水后，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?！妒酚洝分杏涊d：“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?，都江堰出于軍事戰(zhàn)略目的修建，兼具防洪、航運、灌溉三大功能。

秦以后，歷代對都江堰的維修與發(fā)展，涵蓋歲修、大修、改建渠首工程、擴大灌區(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，到唐末達到“天孫縱有閑針線，難繡西川百里圖”的程度。宋代堰官則進一步完善了歲修制度，規(guī)定每年“冬季斷流、春季淘灘”；同時還在離堆巖壁上刻“水則”以觀測記錄水位。元明兩代，都江堰堰工技術突飛猛進。公元1335年，張宏對都江堰進行了歷時5個月的大修，以鐵龜作魚嘴，此后維持40年無大修；到明代，“籠石”“鐵石”等治堰技術的應用進一步推動了都江堰堰工技術的發(fā)展和工程結構的成熟。清代在治理和維護都江堰的同時，雍正年間還改革了水費收繳辦法并設置水利同知，更形成了 “三字經”“六字訣”“八字格言”等高度凝練的都江堰治水理念。近代以來，受戰(zhàn)亂及洪水等影響堰務荒廢，到新中國成立前，都江堰灌區(qū)面積萎縮至18.8萬hm2。

新中國成立后，都江堰先后實施整修渠首、調整渠系、建設配套閘群等措施，擴大了灌區(qū)面積，逐步發(fā)展為引、蓄、提相結合的特大型水利工程系統(tǒng)，使得都江堰灌區(qū)在國民生產總值、農業(yè)生產總值、工業(yè)生產總值等方面為四川經濟發(fā)展作出了巨大貢獻。20世紀90年代以來，通過增加生態(tài)供水量、優(yōu)化用水結構、啟動“數(shù)字水調”等方法，都江堰實現(xiàn)了水利工程現(xiàn)代化，新增節(jié)水灌溉面積23.6萬hm2。1994年，都江堰啟動府南河綜合整治工程，總投資達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)還通過水利信息化工程建設，形成了完善的基礎信息采集與樞紐自動化控制系統(tǒng)，逐步深化了“數(shù)字水調”。

三、都江堰蘊含的科學原理

都江堰工程蘊含著深刻的水沙動力學原理，這些知識在兩千多年前被總結形成系統(tǒng)理論并用于指導實踐工程，至今仍能帶給我們許多啟示。

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，通過其分水作用將岷江分為內江和外江?？菟竟?jié)，水流流速慢，慣性小，深泓線曲率大，主流靠近凹岸（即內江一側），江心洲出露水面，使得內江過水斷面大于外江，大部分水量沿百丈堤下泄流入內江，形成枯水季節(jié)內江分六成、外江分四成的形勢。洪水季節(jié)，水流流速大，慣性作用強，深泓線趨直，主流偏離左汊而居于河道中間，江心洲淹沒過流，外江過水斷面面積增大，形成內江分四成、外江分六成的形勢。因此，魚嘴工程是利用“小水傍岸，大水取直”的水流主流擺動規(guī)律實現(xiàn)按需分水的關鍵。

2.正面取水，側面排沙

受流域水沙特性影響，都江堰河段來流懸移質泥沙顆粒細小，輸運過程中表現(xiàn)為沖瀉質，一瀉千里，幾乎不參與造床。因此，洪水期的推移質運動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流速，推移質輸沙強度小，分水比較大的內江泥沙淤積問題并不顯著。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，內江進口的局部河勢微彎，在離心力和側壓力的合力作用下，形成彎道環(huán)流，使得底部水流的流向指向飛沙堰，底流橫切越過堰頂，卵石推移質及近底懸移質可由此排入外江。根據(jù)實測資料分析，進入內江的卵石輸移量只占岷江總量的26%左右。這一機制實現(xiàn)了 “正面取水，側面排沙”，泄洪量的增加能夠進一步增強飛沙堰的排沙作用與分流比。為實現(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：過低則寶瓶口引水量不足，過高則無法形成彎道環(huán)流排沙。

3.壅水泄洪沉沙

寶瓶口是都江堰灌區(qū)的總取水口，入水口寬度約20 m。上游來流較小時，水流直接進入寶瓶口，流態(tài)接近明渠流動；上游來流較大時，由于寶瓶口過流寬度有限，過流能力不足，促使上游相當河段內形成壅水促使泥沙落淤，同時抬高的內江水位促使多余水流溢出飛沙堰進入外江，實現(xiàn)泄洪功能。壅水泄洪沉沙對于保障成都平原防洪安全、減小灌溉用水含沙量、實現(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.因勢利導，實現(xiàn)自然與社會和諧發(fā)展

“因勢利導，因地制宜”是都江堰建造設計的核心理念，也是其發(fā)展歷程的高度凝練，其價值內涵是在自然的稟賦能力之內談發(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。

都江堰地勢高于下游成都平原和川中丘陵，具有居高臨下之勢，因此當岷江流至都江堰時，地勢由高山峽谷突變?yōu)槠皆?，河床陡然開闊，水勢趨緩。李冰充分利用山形地勢優(yōu)勢設置渠首，使處于入口的都江堰在以較高地勢控制整個成都平原灌溉用水的同時，又能扼制住水力坡降較大的岷江來流不直瀉下游灌區(qū)，從而達到防洪、分水、排沙、引水的目的。另一方面，“興利除弊”的治水導向則體現(xiàn)了民生對經濟社會發(fā)展的“指南針”作用，堰務昌盛與人民幸福相互牽動、互為基礎，這是都江堰歷經2 275年仍然發(fā)揮效益的動因。都江堰在建設之初就以服務民生為理念，其修建保障了成都平原的灌溉用水、降低了四川的防洪風險、發(fā)展了岷江的航運交通，極大改善了人民生活。新中國成立后，經過全方位的修繕和改造，都江堰成為全國第一個實灌面積突破 66.7萬 hm2（1 000萬畝）的特大型灌區(qū)，同時還拓展了生活、工業(yè)、生態(tài)等多目標供水服務功能，并逐步提升了自身的世界遺產、公共景區(qū)、旅游基地等文化價值。都江堰以“因勢利導”為原則，把順應自然、改造自然和利用自然巧妙地融為一體，保護了“綠水青山”，也開鑿了滿足社會發(fā)展的“金山銀山”，達到了人與自然、人與人之間的和諧，這對于今天的中國在水資源開發(fā)、利用、保護方面仍具有重大的指導意義。

2.系統(tǒng)思維，形成技術原始創(chuàng)新

世界遺產委員會曾對都江堰作出了這樣的評價：“全世界至今為止，年代最久、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程?！睍r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)千萬群眾生存發(fā)展。李冰組織修建都江堰是對“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、設計方案的精巧、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調節(jié)水流、泄洪排沙及控制流量的功能，然而在實際運用中，三者的功能在時間和空間上是相互關聯(lián)、統(tǒng)一協(xié)調的。實際上，以分水功能為主的魚嘴工程也處于局部蜿蜒河道里，其通過彎道環(huán)流作用實現(xiàn)了第一層次的排沙：將表層含沙量較少的水流輸入內江干渠，而卵石及河底懸沙則隨底層水流進入外江。相似的，飛沙堰與寶瓶口的銜接在進一步排沙的同時，也起到了分流作用。都江堰渠首工程展現(xiàn)了階梯聯(lián)動式的調水調沙思想，將上游流速大、含沙多的岷江水流轉變?yōu)榱髁科椒€(wěn)、沙量較小的灌溉用水進入成都平原，由此實現(xiàn)了防洪、灌溉、航運等綜合效益。

都江堰的可持續(xù)發(fā)展不僅在于設計之初系統(tǒng)的頂層設計，還在于其后久久為功的長效管理。秦代完成了都江堰的建設開發(fā)，其后歷代逐步擴大灌區(qū)，并以“歲修”為主要方式進行維護。自宋代制定“旱則引灌，澇則疏導”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。新中國成立以來，通過對都江堰的閘壩、輸水河渠及水庫管理的完善，進一步調整了都江堰的空間布局，使之充分適應經濟社會發(fā)展格局、生態(tài)保護任務、城鎮(zhèn)需水結構和資源環(huán)境承載能力。以系統(tǒng)論設計藍圖，不畢其功于一役，使都江堰具備了歷史跨度長、發(fā)揮效益久的重要特點。

3.與時俱進，創(chuàng)新引領發(fā)展

都江堰的創(chuàng)新之處分為三個層次：“因勢利導，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”等技術創(chuàng)新，此三個層次的創(chuàng)新都以原始創(chuàng)新的模式為主，體現(xiàn)了中國古代水利工程蓬勃的創(chuàng)造力。

都江堰建造的時代缺乏科學基礎而盛行迷信盲從，李冰卻力排萬難，經過實地考察與嚴謹思考，以發(fā)展與保護辯證統(tǒng)一的新理念指導主流擺動、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修造了前無古人的都江堰。不僅如此，漢晉以來，都江堰歲修都沿用竹籠卵石筑堰，此法雖“不與水敵”、工簡費省但不耐久，因此元代李秉彝和吉普當則提出了將建筑材料更新為鑄鐵和條石的技術改革，我國的堰工技術、鑄鐵技術正是在這樣的不斷創(chuàng)新中逐漸發(fā)展起來。而在清代雍正年間，巡撫憲德則改革了歲修經費的征收辦法和勞力攤派辦法，將“計塊出夫”“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。在漫長的歷史進程中，都江堰始終在社會需求的推動下更新理念、創(chuàng)新技術、革新制度，以此保持與時俱進。

五、結 語

都江堰的設計原理及筑修技術集中體現(xiàn)了中國古代科學的整體觀、統(tǒng)一觀和持續(xù)觀，以因勢利導為理念把順應自然、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功能最大化的同時，盡可能合理公平地分攤建造及維護所需的勞動力和財力；以頂層設計集合供水、防洪、灌溉、航運等多種服務功能；以久久為功保持工程的生命活力；以全面創(chuàng)新順應時代發(fā)展與人民需求。正是這種人與自然、人與社會之間和諧相處的整體思想，實事求是、遵循科學的設計基礎和革新進取的勇氣，使得都江堰做到了“在保護中發(fā)展，在發(fā)展中保護”，為四川經濟和社會的全面協(xié)調可持續(xù)發(fā)展提供了可靠支撐和保障，是我國水利工程建設的典范。