古代的水利科学

周魁一：中国水利学会水利史研究会会长,水利部江河水利志工作指导委员会副主任,科技部自然灾害综合研究组成员,水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心特聘专家.

地形高程测量

[水准概念的提出]

最早提出水平定义的是墨子.他说：“平,同高也.”(《墨子诂经上》)言简意赅.庄子指出：“水静则明烛须眉.平中准,大匠取法焉.”(《庄子天道》)这是关于工匠利用水平原理进行水准测量的早期文献.可见至迟在公元前4世纪已在工程实践中实际应用.

以上分析还有文字起源方面的依据.东汉著名经学家和文字学家许慎在《说文解宇》中解释“癸”字的字义时,就曾提到：“癸,冬时水土平可揆度也,像水从四方流入地中之形.”原来癸字的甲骨文字形是“x”或“Х”,正是相交的两条水沟.许慎说明,这相交的两条水沟是冬天用来进行土木工程施工定平的,癸字的本义是测度、量度,可见,其起源当是水准测量.

[水准仪形制及使用]

肃宗乾元二年(759)李筌完成的军事著作《太白阴经》.杜佑(735-813)所著《通典》的兵典部分引用了《太白阴经》对水准的记载、北宋曾公亮(999-1078)在其所撰《武经总要》中还附有水准形制和测量方式图.“山岗沟涧水之高下浅深,皆可以分寸度之.”后者除文字记述外还附有水准仪形制及使用方法(见图1).之所以在兵书中强调,是因为水攻作战的需要,而其基本条件是“须先设水平测度高下始可用之”.

欧洲水准仪在维特鲁威的《建筑十书》中有明确记载、即在木板上做出“长五尺,宽一指,深一指半的沟,在那里装水.这时,如果水平均地接触上缘,就了解它是水平的.”(见图2.)古罗马人之后,测量仪器停滞了10多个世纪,在中世纪漫长的黑夜之后,科学以梦想不到的力量一下子重新兴起和迅速发展,直到18世纪创造了现代水准仪.

[战国秦汉之际大规模水准测量实践]

西汉征和年间,齐人延年曾上书建议将黄河自今河曲县向东改道人渤海.他说：“可案图书,观地形,令水工准高下,开大河上领,出之胡中,东注之海.”(《汉书沟洫志》)时在公元前90年.元光六年(公元前129)大司农郑当时建议在关中开挖总长300多里的漕渠时,也曾“令齐人水工徐伯表”.大范围的攀山越岭的水利建设,只靠原始的挖掘水沟来测量高程是不可思议的,尤其是在不通视条件下的龙首渠隧洞竖井测量(见图3),测量仪器是不可缺少的.

[宋代水准测量的普遍应用]

在欧洲中世纪科学停滞不前的时代,我国水利科学技术却得到了前所未有的迅速发展.在运河、排水、城市供水、灌溉工程上都有应用.

例如：

运河规划：在进行广济河通入清河的规划工作中,景德三年(1006)胡守节说：“臣与水平匠缘清河检校,其自徐州至楚州(治今淮安市)滩峻处,等”

防洪排水：元祜六年(1091)苏轼在颍州(今阜阳市)任太守,有人欲排颍河水入淮河,苏轼“遣吏以水平准之”.结果发现,淮河汛期高水位时,淮河干流水位高于打算开挖排水的丈八沟,遂据以否定了这项工程计划.

可见,当年已有专业水准测量的技术人员,即“水平匠”,可以做到较高的精度.

[郭守敬主持的京杭运河测量规划并提出以海平面为测量基准概念]

元代至元十二年(1275)在进行京杭大运河贯通的可行性论证中,郭守敬(1231－1316)曾做过跨流域的规划测量.京杭运河贯通的关键地段是如何跨越山东地垒.在地垒北边有御河(今卫河),南边有泗水,中间有发源于沂蒙山的汶河,“乃得济州(今山东济宁)、大名、东平、汶、泗与御河相通形势,为图奏之.”并提出“以海面较京师(今北京)至汴梁(今开封)地形高下之差”.1828年,德国数学家高斯提出以海平面作为测量基准,比郭守敬约晚500年(见图4).

泥沙运动力学理论与应用

[对河流挟沙力的定量描述和在治黄方略的应用]

张戎的贡献：西汉末年,河流泥沙运动理论上升到一个新阶段.这是和当时黄河频繁决溢以及积极探索治黄方略的时代背景有关.

黄河两岸连贯性大堤大约始建于战国初年,由于黄河高含沙、善淤积的特点,建堤之后,河道不再四处游荡,而河床却因此逐年淤高,经过300多年的堆积,下游堤防高度一般已有一丈以上,个别低洼地段,堤高竟达四五丈.这种形势被当时人形容为“犹筑垣而居水也”.

可见那时黄河已形成为地上河.黄河连年决溢.新的形势对黄河修防提出了新的要求.在战国以来社会经济和科学技术发展的基础上,治河理论和河工技术都有明显的进步.

在公元前的几十年里,先后提出有分疏说、滞洪说、改道说、避让说、水力刷沙说等治河方略,其中王莽时代的大司马史张戎从河流泥沙运动理论出发所提出的水力刷沙说,在河工史上占有突出的地位.

他在阐述治黄方略时说：“水性就下,行疾,则自刮除,成空而稍深.河水重浊,号为一石水而六斗泥.今西方诸郡,以至京师东行,民皆引河、渭山川水溉田,春夏干燥少水时也,故使河流迟,贮淤而稍浅.雨多水暴至则溢决.而国家数堤塞之,稍益高于平地,犹筑垣而居水也.可各顺其性,毋复灌溉,则百川流行,水道自利,无溢决之害矣.”

张戎敏锐地抓住黄河最突出的特点是多泥沙.黄河易决口的关键在于中游泥沙被河水携带至下游,淤高河床.黄河河床高出两岸地面,左右两道大堤像两堵墙一样把河水圈在堤内.暴雨洪水时,自然难免决堤而出.如果不能针对这一症结施治,只靠一再加高堤防来防御,那只是治标而未治本.他在这里提出的是最早的河流挟沙力概念的定性表述.

欧阳修的表述：至和二年(1055),以散文驰名的欧阳修(1007－1072)曾应用水流挟沙理论来解释黄河的河床演变规律.他说：“河本泥沙,无不淤之理.淤常先.淤高,水行渐壅,乃决上流之低处,此势之常也.然避高就下,水之本性,故河流己弃之道,自古难复.”

欧阳修指出,像黄河这样的高含沙河流,下游淤积是普遍规律；由于淤积常自下游开始并逐渐上移,因而决口地点也有类似的变动.他还举出横陇决口后的河床淤积情况来说明.实际也是这样.新河道形成之初,水流与河道比降基本适应,但由于泥沙输送入海,必将在海口淤积,河道随之延伸,侵蚀基点因而抬高,于是河道比降变缓,淤积势必向上游发展.

万恭和潘季驯的治黄方略及其理论贡献：中国古代对于泥沙运动规律的认识在明代后期达到了高峰.其理论贡献主要在于“束水攻沙”和“蓄清刷黄”方针的提出.隆庆六年至万历二年(1572－1574)任总理河道的万恭(1515－1592)负责黄河和运河的治理.

当时山东虞城县(今河南商丘市东北)的一位秀才向万恭建议说：“以人治河,不若以河治河也.”这确是振聋发聩的设想.

这位秀才解释说：“夫河性急,借其性而役其力,则可浅可深,治在吾掌耳.法日：如欲深北,则南其堤,而北自深：如欲深南,则北其堤,而南自深；如欲深中,则南北堤两束之,冲中坚焉,而中自深.此借其性而役其力也,功当万之于人.”

他并且设想,用堤防束水攻沙可以使河床刷深.河床变深,水行地中,则自然可以任堤防废毁而弃置不用了.万恭十分赞赏这位秀才的高见,并归纳出结论性的认识：夫水专则急,分则缓：河急则通,缓则淤等今治河者,第幸其合,势急如奔马.从而顺其势堤防之,约束之,范我驰驱,以入于海,淤安可得停淤不得停,则河深.河深则永不溢,亦不舍其下而趋其高,河乃不决.

潘季驯(1521－1595)是中国古代最杰出的治河专家之一.曾四次担任总理河道一职.主持治理黄河、淮河和运河,前后历时27年.在河流泥沙运动理论方面,他继承了万恭创造性的发展,进一步提出了“束水攻沙”和“蓄清刷黄”的治河理论体系,并设计了一整套堤防系统,努力把他的理论在黄河上付诸实现,期望由此一举根治黄河.

首先,滔季驯提出“借水攻沙,以水治水”.

针对明代前期治河以分水为主的思想,他阐述了河水不仅不应分流,而且应尽量将支流汇入,以提高冲刷河床淤积的能量.他说：盖筑塞似为阻水,而不知力不专则沙不刷,阻之者乃所以疏之也；合流似为益水,而不知力不宏则沙不涤,益之者乃所以杀之也.旁溢,则水散而浅；返正,则水束而深.水行沙面,则见其高；水行河底,则见其卑.此既治之后与未治之先,光景大相悬绝也.每岁修防不失,即此便为永图.借水攻沙,以水治水.

阻与疏、益与杀、深与浅、高与卑本来是对立的概念,但在“河不两行”、“筑堤束水,以水攻沙”的条件下实现了统一,由相反转而相成.潘季驯治河精辟地体现了对立统一的辩证思想.他对自己的治河方略充满了信心,将“束水攻沙”生动地比喻为“以水刷沙,如汤沃雪”,好像把一锅开水浇在雪地上一样,黄河泥沙问题将迎刃而解.

第二,潘季驯在“束水攻沙”的基础上进一步提出了“蓄清刷黄”.

《明史潘季驯传》对潘氏的主要贡献也作了“当藉淮之清,以刷河之浊,筑高堰束淮入清口,以敌河之强”的归纳.清代著名学者方苞(1668－1749)更高度评价潘季驯的这一治河措施：“《考工记》云：‘善沟者,水漱之.’明嘉靖中,潘公季驯以治河显名,论者以比禹功.其实不过引山东骆马诸湖之水入黄河东北岸,以荡其沙；引洪泽湖之水自清口入黄河西南岸,以荡其沙,用是黄运安流百有余年.”

对多沙河床中巨石运动规律的认识

中国华北平原诸河多沙,黄河更以其高含沙量位居世界诸大河之冠.因此,河流泥沙运动力学起源于我国是顺理成章的.不过流传下来的文献资料却不多,尤其是有丰富实践经验的治河工人的理论总结不多,但在有关文献的零散记载中确有真知灼见者.

清乾嘉时代的著名学者纪昀(1724－1805)在其《阅微草堂笔记》中记载了一篇极为精彩的故事,文字朴素简练,兹照录如下：“沧州南一寺临河干,山门圮于河,二石兽并沉焉.阅十余岁,僧募金重修,求二石兽于水中,竟不可得.以为顺流下矣.棹数小舟,曳铁钯,寻十余里无迹.一讲学家设帐寺中,闻之笑曰：‘尔辈不能究物理.是非木柿,岂能为暴涨携之去用石性坚重,沙性松浮,湮于沙上,渐沉渐深耳.沿河求之,不亦颠乎’众服为确论.一老河兵闻之,又笑曰：‘凡河中失石,当求之于上流.盖石性坚重,沙性松浮,水不能冲石,其反激之力,必于石下迎水处啮沙为坎穴.渐激渐深,至石之半,石必倒掷坎穴中.如是再啮,石又再转.转转不已,遂反溯流逆上矣.求之固颠,求之地中,不更颠乎’如其言,果得于数里外.然则天下之事,但知其一,不知其二者多矣.可据理臆断欤！

石兽沉于沙质河底,是向下游移动,向河底沉降,还是向上游滚动前两种人“据理臆断”,结果背离石块运动的客观规律,只有长年累月在河道上观察,有丰富河工经验的老河兵,才能从理论到实践圆满地解决了这个问题,并顺利找到了沉落的石兽.其中老河兵分析石兽在沙质河床上的运动状态的文字尤为精彩和准确,并为现代泥沙运动模型试验研究所证实.当试验石块(相当于原型,38厘米)沉于试验水槽的底沙之上,首先在石块上游底部产生回流,中刷底沙,形成冲坑.冲出之底沙大半被水流带走,少部分堆积石块后部,起初形成沙唇,之后沙唇合并.当冲坑发展到足够大时,石块失去平衡,向前倾倒至冲坑中(如图5).

[飞沙堰：应用弯道环流侧向排沙理论的实例]

岷江是一条推移质泥沙含量大的河流.位于岷江出山口下游的都江堰能够成功地运转两千多年,重要的经验是历代遵循着“深淘滩,低作堰”的六字诀,其中“深淘滩”指的是每年春天要按照经验高程,疏浚鱼嘴前面凤棱窝一带的内江河床；而“低作堰”则是强调控制内江右岸鱼嘴下游飞沙堰的高程.近代的经验一般规定飞沙堰堰顶高程只需高出河床2米左右,以免影响飞沙堰的排沙效果.

飞沙堰之所以能够飞沙,是由于利用了这段弯曲河床形成的弯道环流的缘故(见图6,图7).而都江堰的飞沙堰恰恰设置在这个弯道的下游凸岸,高程又较低,因此在大水期间,飞沙堰不仅可以侧向溢流,以保证内江宝瓶口进水不至于过多；而且利用弯道水流的横向输沙作用,还可以加大飞沙堰排沙量,减少进入宝瓶口的沙卵石,减轻灌区和风窝处的清淤负担,可谓一举两得.此点已为四川省水科所实验验证.古人的智慧于此又可见一斑,切不可等闲视之.

[阮元提出黄河入海口延伸对下游河床淤积影响的理论分析]

清代后期对黄河河道特性和冲淤规律的认识有新的进展.道光初年著名经学家阮元(1764－1849)写了一篇《黄河海口日远、运口日高图说》的文章.在其中详细阐述了河道延伸与黄河河床抬高之间的关系.他指出：“乾隆初年之海口,非康熙初年之海口矣.嘉庆初年之海口,非乾隆初年之海口矣,盖远数百里矣.”

这是由于黄河挟沙入海沉淀于海口,海岸线逐渐向海中延伸的缘故.他进一步分析由于海口外移,河道延伸,河流纵比降势必自动调整和变缓,因而河床也必将随之抬高.

他说：“夫以愈久愈远之海口,行陕州以东之黄河,自中州至徐淮二府,逐里逐步无不曰加曰高.低者填之使平,坳者填之使仰,此亦必然之势也.”

也就是说,黄河出山陕峡谷一端和海口另一端的高程是相对固定的,然而由于侵蚀基点向海中延伸,将打破原来的；中淤平衡.随着河流纵比降的变缓,河流输沙能力相应降低,泥沙淤积将使得河床低者抬高,而洼者补齐,从而达到新的平衡.而随着海口进一步外延,平衢再一次被打破,从而导致“逐里逐步无不曰加曰高”的结果.

于是他认为,“运口昔日清(淮河)高于黄(河),今常黄高于清者,岂非海口日远之故乎”.阮元还绘图说明以上见解(见图8).

关于西方科学思维与我国传统科学思想特点的初步讨论

由上可知,我国与古希腊与罗马帝国的水利科学的发现与发明,时间上虽有先后,其总体水平则可以比肩而立.我国水利的发展虽晚于巴比伦、埃及等文明古国,比起奴隶制高度发达的古希腊也略逊一筹,但中国却较早地完成了向封建社会的过渡,生产关系的变革有力地推动了水利工程建设,以至从春秋战国开始,大规模水利工程建设,如芍陂、漳水十二渠、部江堰、郑国渠等大型溜溉工程相继完成,秦汉时期治理黄河和兴建跨流域运河的工程,都已显示出中国水利科学技术在世界的领先地位,这种领先的势头一直持续到十五世纪.

此后,以欧洲文艺复兴为代表的资本主义的兴起,极大地推动科学技术的进步,科学开始分化为自然科学和社会科学两大部类,而每一部类又逐渐分化为诸多学科,由于学科的分解,有利地推动了科学的深入和发展,生产力突飞猛进,它使我们直接感受到丰富多彩的物质生活,以及使得久远以来人们上天入地的梦想成为现实.十八世纪产业革命以来西方水利获得飞速的发展,其水利科学技术也领先于世界.

在古代四千年治水活动中,我国传统水利取得了光辉的成就和在世界水利史上的先进地位,与此同时,传统水利也显现出明显的弱点.传统水利科学技术的弱点表现为理论概括不够,定量分析不多和实验观测少.

第一,重视实践经验,而疏于理论概括.和古希腊为代表的欧洲传统科学技术比较重视理论问题有所不同,我国传统科学技术的显著特点表现在重视解决实际问题.经学家阮元在编写古代科学家传记时说到,传统科学“但言其当然,而不言其所以然”.当然科学技术的进展没有理论思维是不可想象的,例如在中国封建社会初期,科学技术的理论总结就取得了相当的成绩.但从总体看来则仍然显现出主要是经验性或描述性的科学形态的特点.

第二,定量分析较少,即使类似潘季驯《河防一览》、靳辅《治河方略》这样的大家著述,对传统水利的认识也停留在对现象的直接观察上,局限于定性分析和趋势的描述,未能应用当时已有较高水平的数学,进行量化并进而上升到理论公式.明末著名科学徐光启对于水利工作中不重视数学和测量的应用曾有中肯地批评.他在所撰《漕河议》中强调数学应用的重要,认为无论研究当前水利形势或监测日后演变,离开数学计算是不行的.例如制定治河规划,应该对水系各河从源至尾进行系统测量,指出工程测量和计算是“师于地不听于天,向所谓可得而知之术也”.

第三,缺乏科学实验：实验观测是科学发展的基本研究方法之一.爱因斯坦认为西方科学发展是以两个伟大成就为基础,即希腊哲学家发明的形式逻辑体系和文艺复兴以来所提倡的为探寻自然现象得以发生的因果关系而进行的系统实验.而在我国古代进行实验观测的事例十分罕见.由于没有科学实验的鉴定,既不能对工程实践的结果进行预测和总结,也不能通过实验归纳上升为理论认识.

由于存在这些弱点,使得我国传统水利科学技术虽然在唐宋时期已发展到最高水平,但此后就停滞不前.而文艺复兴以后欧洲科学技术获得解放和迅猛发展,文艺复兴不是复古,而是精神的解放和科学的创新.

于是至18世纪开始,西方水利科技开始形成一统天下的优势,西方科学分析理念和学科的分解与深入作为普遍规律也被我们所吸纳.但当科学的分析深入发展至今天,人们又逐渐领悟到事物本来是统一的和整体的,在科学的新时代里,我国传统的注重整体与综合研究的科学理念又将重新成为科学进步发展的思维方式并显现出无以伦比的优势.