古代的水利科學

1、古代的水利科學古代的水利科學周魁一：中國水利學會水利史研究會會長，水利部江河水利志工作指導委員會副主任，科技部自然災害綜合研究組成員，水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心特聘專家。地形高程測量水準概念的提出最早提出程度定義的是墨子。他說：平，同高也。(?墨子詁經(jīng)上?)言簡意賅。莊子指出：水靜那么明燭須眉。平中準，大匠取法焉。(?莊子天道?)這是關于工匠利用程度原理進展水準測量的早期文獻?？梢娭吝t在公元前4世紀已在工程理論中實際應用。以上分析還有文字起源方面的根據(jù)。東漢著名經(jīng)學家和文字學家許慎在?說文解宇?中解釋癸字的字義時，就曾提到：癸，冬時水土平可揆度也，像水從四方流入地中之形。原來癸字的甲骨

2、文字形是x或，正是相交的兩條水溝。許慎說明，這相交的兩條水溝是冬天用來進展土木工程施工定平的，癸字的本義是測度、量度，可見，其起源當是水準測量。水準儀形制及使用肅宗乾元二年(759)李筌完成的軍事著作?太白陰經(jīng)?。杜佑(735-813)所著?通典?的兵典局部引用了?太白陰經(jīng)?對水準的記載、北宋曾公亮(999-1078)在其所撰?武經(jīng)總要?中還附有水準形制和測量方式圖。山崗溝澗水之高低淺深，皆可以分寸度之。后者除文字記述外還附有水準儀形制及使用方法(見圖1)。之所以在兵書中強調(diào)，是因為水攻作戰(zhàn)的需要，而其根本條件是須先設程度測度高低始可用之。歐洲水準儀在維特魯威的?建筑十書?中有明確記載、即在木

3、板上做出長五尺，寬一指，深一指半的溝，在那里裝水。這時，假如程度均地接觸上緣，就理解它是程度的。(見圖2。)古羅馬人之后，測量儀器停滯了10多個世紀，在中世紀漫長的黑夜之后，科學以夢想不到的力量一下子重新興起和迅速開展，直到18世紀創(chuàng)造了現(xiàn)代水準儀。戰(zhàn)國秦漢之際大規(guī)模水準測量理論西漢征和年間，齊人延年曾上書建議將黃河自今河曲縣向東改道人渤海。他說：可案圖書，觀地形，令水工準高低，開大河上領，出之胡中，東注之海。(?漢書溝洫志?)時在公元前90年。元光六年(公元前129)大司農(nóng)鄭當時建議在關中開挖總長300多里的漕渠時，也曾令齊人水工徐伯表。大范圍的攀山越嶺的水利建立，只靠原始的挖掘水溝來測量高

4、程是不可思議的，尤其是在不通視條件下的龍首渠隧洞豎井測量(見圖3)，測量儀器是不可缺少的。宋代水準測量的普遍應用在歐洲中世紀科學停滯不前的時代，我國水利科學技術卻得到了前所未有的迅速開展。在運河、排水、城市供水、灌溉工程上都有應用。例如：運河規(guī)劃：在進展廣濟河通入清河的規(guī)劃工作中，景德三年(1006)胡守節(jié)說：臣與程度匠緣清河檢校，其自徐州至楚州(治今淮安市)灘峻處，防洪排水：元祜六年(1091)蘇軾在潁州(今阜陽市)任太守，有人欲排潁河水入淮河，蘇軾遣吏以程度準之。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淮河汛期高水位時，淮河干流水位高于打算開挖排水的丈八溝，遂據(jù)以否認了這項工程方案?？梢姡斈暌延袑I(yè)水準測量的技術人員

5、，即程度匠，可以做到較高的精度。郭守敬主持的京杭運河測量規(guī)劃并提出以海平面為測量基準概念元代至元十二年(1275)在進展京杭大運河貫穿的可行性論證中，郭守敬(12311316)曾做過跨流域的規(guī)劃測量。京杭運河貫穿的關鍵地段是如何跨越山東地壘。在地壘北邊有御河(今衛(wèi)河)，南邊有泗水，中間有發(fā)源于沂蒙山的汶河，乃得濟州(今山東濟寧)、大名、東平、汶、泗與御河相通形勢，為圖奏之。并提出以海面較京師(今北京)至汴梁(今開封)地形高低之差。1828年，德國數(shù)學家高斯提出以海平面作為測量基準，比郭守敬約晚500年(見圖4)。論文聯(lián)盟.Ll.泥沙運動力學理論與應用對河流挾沙力的定量描繪和在治黃方略的應用張戎

6、的奉獻：西漢末年，河流泥沙運動理論上升到一個新階段。這是和當時黃河頻繁決溢以及積極探究治黃方略的時代背景有關。黃河兩岸連接性大堤大約始建于戰(zhàn)國初年，由于黃河高含沙、善淤積的特點，建堤之后，河道不再四處游蕩，而河床卻因此逐年淤高，經(jīng)過300多年的堆積，下游堤防高度一般已有一丈以上，個別低洼地段，堤高竟達四五丈。這種形勢被當時人形容為猶筑垣而居水也。可見那時黃河已形成為地上河。黃河連年決溢。新的形勢對黃河修防提出了新的要求。在戰(zhàn)國以來社會經(jīng)濟和科學技術開展的根底上，治河理論和河工技術都有明顯的進步。在公元前的幾十年里，先后提出有分疏說、滯洪說、改道說、避讓說、水力刷沙說等治河方略，其中王莽時代的大

7、司馬史張戎從河流泥沙運動理論出發(fā)所提出的水力刷沙說，在河工史上占有突出的地位。他在闡述治黃方略時說：水性就下，行疾，那么自刮除，成空而稍深。河水重濁，號為一石水而六斗泥。今西方諸郡，以致京師東行，民皆引河、渭山川水溉田，春夏枯燥少水時也，故使河流遲，貯淤而稍淺。雨多水暴至那么溢決。而國家數(shù)堤塞之，稍益高于平地，猶筑垣而居水也?？筛黜樒湫裕銖凸喔?，那么百川流行，水道自利，無溢決之害矣。張戎敏銳地抓住黃河最突出的特點是多泥沙。黃河易決口的關鍵在于中游泥沙被河水攜帶至下游，淤高河床。黃河河床高出兩岸地面，左右兩道大堤像兩堵墻一樣把河水圈在堤內(nèi)。暴雨洪水時，自然難免決堤而出。假如不能針對這一癥結(jié)施治

8、，只靠一再加高堤防來防御，那只是治標而未治本。他在這里提出的是最早的河流挾沙力概念的定性表述。歐陽修的表述：至和二年(1055)，以散文著名的歐陽修(10071072)曾應用水流挾沙理論來解釋黃河的河床演變規(guī)律。他說：河本泥沙，無不淤之理。淤常先下流。下流淤高，水行漸壅，乃決上流之低處，此勢之常也。然避高就下，水之本性，故河流己棄之道，自古難復。歐陽修指出，像黃河這樣的高含沙河流，下游淤積是普遍規(guī)律；由于淤積常自下游開場并逐漸上移，因此決口地點也有類似的變動。他還舉出橫隴決口后的河床淤積情況來說明。實際也是這樣。新河道形成之初，水流與河道比降根本適應，但由于泥沙輸送入海，必將在?？谟俜e，河道隨

9、之延伸，侵蝕基點因此抬高，于是河道比降變緩，淤積勢必向上游開展。萬恭和潘季馴的治黃方略及其理論奉獻：中國古代對于泥沙運動規(guī)律的認識在明代后期到達了頂峰。其理論奉獻主要在于束水攻沙和蓄清刷黃方針的提出。隆慶六年至萬歷二年(15721574)任總理河道的萬恭(15151592)負責黃河和運河的治理。當時山東虞城縣(今河南商丘市東北)的一位秀才向萬恭建議說：以人治河，不假設以河治河也。這確是振聾發(fā)聵的設想。這位秀才解釋說：夫河性急，借其性而役其力，那么可淺可深，治在吾掌耳。法日：如欲深北，那么南其堤，而北自深：如欲深南，那么北其堤，而南自深；如欲深中，那么南北堤兩束之，沖中堅焉，而中自深。此借其性而

10、役其力也，功當萬之于人。他并且設想，用堤防束水攻沙可以使河床刷深。河床變深，水行地中，那么自然可以任堤防廢毀而棄置不用了。萬恭非常贊賞這位秀才的高見，并歸納出結(jié)論性的認識：夫水專那么急，分那么緩：河急那么通，緩那么淤今治河者，第幸其合，勢急如奔馬。從而順其勢堤防之，約束之，范我馳驅(qū)，以入于海，淤安可得停?淤不得停，那么河深。河深那么永不溢，亦不舍其下而趨其高，河乃不決。潘季馴(15211595)是中國古代最出色的治河專家之一。曾四次擔任總理河道一職。主持治理黃河、淮河和運河，前后歷時27年。在河流泥沙運動理論方面，他繼承了萬恭創(chuàng)造性的開展，進一步提出了束水攻沙和蓄清刷黃的治河理論體系，并設計了

11、一整套堤防系統(tǒng)，努力把他的理論在黃河上付諸實現(xiàn)，期望由此一舉根治黃河。首先，滔季馴提出借水攻沙，以水治水。針對明代前期治河以分水為主的思想，他闡述了河水不僅不應分流，而且應盡量將支流匯入，以進步?jīng)_刷河床淤積的能量。他說：蓋筑塞似為阻水，而不知力不專那么沙不刷，阻之者乃所以疏之也；合流似為益水，而不知力不宏那么沙不滌，益之者乃所以殺之也。旁溢，那么水散而淺；返正，那么水束而深。水行沙面，那么見其高；水行河底，那么見其卑。此既治之后與未治之先，光景大相懸絕也。每歲修防不失，即此便為永圖。借水攻沙，以水治水。阻與疏、益與殺、深與淺、高與卑本來是對立的概念，但在河不兩行、筑堤束水，以水攻沙的條件下實現(xiàn)

12、了統(tǒng)一，由相反轉(zhuǎn)而相成。潘季馴治河精辟地表達了對立統(tǒng)一的辯證思想。他對自己的治河方略充滿了信心，將束水攻沙生動地比喻為以水刷沙，如湯沃雪，好似把一鍋開水澆在雪地上一樣，黃河泥沙問題將迎刃而解。第二，潘季馴在束水攻沙的根底上進一步提出了蓄清刷黃。?明史潘季馴傳?對潘氏的主要奉獻也作了當藉淮之清，以刷河之濁，筑高堰束淮入清口，以敵河之強的歸納。清代著名學者方苞(16681749)更高度評價潘季馴的這一治河措施：?考工記?云：善溝者，水漱之。明嘉靖中，潘公季馴以治河顯名，論者以比禹功。其實不過引山東駱馬諸湖之水入黃河東北岸，以蕩其沙；引洪澤湖之水自清口入黃河西南岸，以蕩其沙，用是黃運安流百有余年。對

13、多沙河床中巨石運動規(guī)律的認識中國華北平原諸河多沙，黃河更以其高含沙量位居世界諸大河之冠。因此，河流泥沙運動力學起源于我國是順理成章的。不過流傳下來的文獻資料卻不多，尤其是有豐富理論經(jīng)歷的治河工人的理論總結(jié)不多，但在有關文獻的零散記載中確有真知灼見者。清乾嘉時代的著名學者紀昀(17241805)在其?閱微草堂筆記?中記載了一篇極為精彩的故事，文字樸素簡練，茲照錄如下：滄州南一寺臨河干，山門圮于河，二石獸并沉焉。閱十余歲，僧募金重修，求二石獸于水中，竟不可得。以為順流下矣。棹數(shù)小舟，曳鐵鈀，尋十余里無跡。一講學家設帳寺中，聞之笑曰：爾輩不能究物理。是非木柿，豈能為暴漲攜之去?用石性堅重，沙性松浮，

14、湮于沙上，漸沉漸深耳。沿河求之，不亦顛乎?眾服為確論。一老河兵聞之，又笑曰：凡河中失石，當求之于上流。蓋石性堅重，沙性松浮，水不能沖石，其反激之力，必于石下迎水處嚙沙為坎穴。漸激漸深，至石之半，石必倒擲坎穴中。如是再嚙，石又再轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)不已，遂反溯流逆上矣。求之下流固顛，求之地中，不更顛乎?如其言，果得于數(shù)里外。然那么天下之事，但知其一，不知其二者多矣?？蓳?jù)理臆斷歟!石獸沉于沙質(zhì)河底，是向下游挪動，向河底沉降，還是向上游滾動?前兩種人據(jù)理臆斷，結(jié)果背離石塊運動的客觀規(guī)律，只有常年累月在河道上觀察，有豐富河工經(jīng)歷的老河兵，才能從理論到理論圓滿地解決了這個問題，并順利找到了沉落的石獸。其中老河兵分析

15、石獸在沙質(zhì)河床上的運動狀態(tài)的文字尤為精彩和準確，并為現(xiàn)代泥沙運動模型試驗研究所證實。當試驗石塊(相當于原型，38厘米)沉于試驗水槽的底沙之上，首先在石塊上游底部產(chǎn)生回流，中刷底沙，形成沖坑。沖出之底沙大半被水流帶走，少局部堆積石塊后部，起初形成沙唇，之后沙唇合并。當沖坑開展到足夠大時，石塊失去平衡，向前傾倒至沖坑中(如圖5)。論文聯(lián)盟.Ll.飛沙堰：應用彎道環(huán)流側(cè)向排沙理論的實例岷江是一條推移質(zhì)泥沙含量大的河流。位于岷江出山口下游的都江堰可以成功地運轉(zhuǎn)兩千多年，重要的經(jīng)歷是歷代遵循著深淘灘，低作堰的六字訣，其中深淘灘指的是每年春天要按照經(jīng)歷高程，疏浚魚嘴前面鳳棱窩一帶的內(nèi)江河床；而低作堰那么是

16、強調(diào)控制內(nèi)江右岸魚嘴下游飛沙堰的高程。近代的經(jīng)歷一般規(guī)定飛沙堰堰頂高程只需高出河床2米左右，以免影響飛沙堰的排沙效果。飛沙堰之所以可以飛沙，是由于利用了這段彎曲河床形成的彎道環(huán)流的緣故(見圖6，圖7)。而都江堰的飛沙堰恰恰設置在這個彎道的下游凸岸，高程又較低，因此在大水期間，飛沙堰不僅可以側(cè)向溢流，以保證內(nèi)江寶瓶口進水不至于過多；而且利用彎道水流的橫向輸沙作用，還可以加大飛沙堰排沙量，減少進入寶瓶口的沙卵石，減輕灌區(qū)和風棲窩處的清淤負擔，可謂一舉兩得。此點已為四川省水科所實驗驗證。古人的智慧于此又可見一斑，切不可等閑視之。阮元提出黃河入海口延伸對下游河床淤積影響的理論分析清代后期對黃河河道特性

17、和沖淤規(guī)律的認識有新的進展。道光初年著名經(jīng)學家阮元(17641849)寫了一篇?黃河?？谌者h、運口日高圖說?的文章。在其中詳細闡述了河道延伸與黃河河床抬高之間的關系。他指出：乾隆初年之海口，非康熙初年之?？谝印＜螒c初年之?？?，非乾隆初年之海口矣，蓋遠數(shù)百里矣。這是由于黃河挾沙入海沉淀于海口，海岸線逐漸向海中延伸的緣故。他進一步分析由于?？谕庖?，河道延伸，河流縱比降勢必自動調(diào)整和變緩，因此河床也必將隨之抬高。他說：夫以愈久愈遠之?？?，行陜州以東之黃河，自中州至徐淮二府，逐里逐步無不曰加曰高。低者填之使平，坳者填之使仰，此亦必然之勢也。也就是說，黃河出山陜峽谷一端和?？诹硪欢说母叱淌窍鄬潭ǖ模?/p>

18、而由于侵蝕基點向海中延伸，將打破原來的；中淤平衡。隨著河流縱比降的變緩，河流輸沙才能相應降低，泥沙淤積將使得河床低者抬高，而洼者補齊，從而到達新的平衡。而隨著海口進一步外延，平衢再一次被打破，從而導致逐里逐步無不曰加曰高的結(jié)果。于是他認為，運口昔日清(淮河)高于黃(河)，今常黃高于清者，豈非海口日遠之故乎。阮元還繪圖說明以上見解(見圖8)。論文聯(lián)盟.Ll.關于西方科學思維與我國傳統(tǒng)科學思想特點的初步討論由上可知，我國與古希臘與羅馬帝國的水利科學的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造，時間上雖有先后，其總體程度那么可以比肩而立。我國水利的開展雖晚于巴比倫、埃及等文明古國，比起奴隸制高度興旺的古希臘也略遜一籌，但中國卻較早

19、地完成了向封建社會的過渡，消費關系的變革有力地推動了水利工程建立，以致從春秋戰(zhàn)國開場，大規(guī)模水利工程建立，如芍陂、漳水十二渠、部江堰、鄭國渠等大型溜溉工程相繼完成，秦漢時期治理黃河和興建跨流域運河的工程，都已顯示出中國水利科學技術在世界的領先地位，這種領先的勢頭一直持續(xù)到十五世紀。此后，以歐洲文藝復興為代表的資本主義的興起，極大地推動科學技術的進步，科學開場分化為自然科學和社會科學兩大部類，而每一部類又逐漸分化為諸多學科，由于學科的分解，有利地推動了科學的深化和開展，消費力突飛猛進，它使我們直接感受到豐富多彩的物質(zhì)生活，以及使得長遠以來人們上天入地的夢想成為現(xiàn)實。十八世紀產(chǎn)業(yè)革命以來西方水利獲

20、得飛速的開展，其水利科學技術也領先于世界。在古代四千年治水活動中，我國傳統(tǒng)水利獲得了光芒的成就和在世界水利史上的先進地位，與此同時，傳統(tǒng)水利也顯現(xiàn)出明顯的弱點。傳統(tǒng)水利科學技術的弱點表現(xiàn)為理論概括不夠，定量分析不多和實驗觀測少。第一，重視理論經(jīng)歷，而疏于理論概括。和古希臘為代表的歐洲傳統(tǒng)科學技術比擬重視理論問題有所不同，我國傳統(tǒng)科學技術的顯著特點表如今重視解決實際問題。經(jīng)學家阮元在編寫古代科學家傳記時說到，傳統(tǒng)科學但言其當然，而不言其所以然。當然科學技術的進展沒有理論思維是不可想象的，例如在中國封建社會初期，科學技術的理論總結(jié)就獲得了相當?shù)某煽?。但從總體看來那么仍然顯現(xiàn)出主要是經(jīng)歷性或描繪性的科學形態(tài)的特