古代的水利科學(xué)

1、古代的水利科學(xué)古代的水利科學(xué)周魁一：中國水利學(xué)會(huì)水利史研究會(huì)會(huì)長，水利部江河水利志工作指導(dǎo)委員會(huì)副主任，科技部自然災(zāi)害綜合研究組成員，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心特聘專家。地形高程測(cè)量水準(zhǔn)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(zhǔn)，大匠取法焉。(?莊子天道?)這是關(guān)于工匠利用程度原理進(jìn)展水準(zhǔn)測(cè)量的早期文獻(xiàn)?？梢娭吝t在公元前4世紀(jì)已在工程理論中實(shí)際應(yīng)用。以上分析還有文字起源方面的根據(jù)。東漢著名經(jīng)學(xué)家和文字學(xué)家許慎在?說文解宇?中解釋癸字的字義時(shí)，就曾提到：癸，冬時(shí)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(jìn)展土木工程施工定平的，癸字的本義是測(cè)度、量度，可見，其起源當(dāng)是水準(zhǔn)測(cè)量。水準(zhǔn)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(duì)水準(zhǔn)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(zhǔn)形制和測(cè)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(zhǔn)儀形制及使用方法(見圖1)。之所以在兵書中強(qiáng)調(diào)，是因?yàn)樗プ鲬?zhàn)的需要，而其根本條件是須先設(shè)程度測(cè)度高低始可用之。歐洲水準(zhǔn)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(shí)，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(cè)量儀器停滯了10多個(gè)世紀(jì)，在中世紀(jì)漫長的黑夜之后，科學(xué)以夢(mèng)想不到的力量一下子重新興起和迅速開展，直到18世紀(jì)創(chuàng)造了現(xiàn)代水準(zhǔn)儀。戰(zhàn)國秦漢之際大規(guī)模水準(zhǔn)測(cè)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(zhǔn)高低，開大河上領(lǐng)，出之胡中，東注之海。(?漢書溝洫志?)時(shí)在公元前90年。元光六年(公元前129)大司農(nóng)鄭當(dāng)時(shí)建議在關(guān)中開挖總長300多里的漕渠時(shí)，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(cè)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(cè)量(見圖3)，測(cè)量儀器是不可缺少的。宋代水準(zhǔn)測(cè)量的普遍應(yīng)用在歐洲中世紀(jì)科學(xué)停滯不前的時(shí)代，我國水利科學(xué)技術(shù)卻得到了前所未有的迅速開展。在運(yùn)河、排水、城市供水、灌溉工程上都有應(yīng)用。例如：運(yùn)河規(guī)劃：在進(jìn)展廣濟(jì)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(zhǔn)之。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，淮河汛期高水位時(shí)，淮河干流水位高于打算開挖排水的丈八溝，遂據(jù)以否認(rèn)了這項(xiàng)工程方案。可見，當(dāng)年已有專業(yè)水準(zhǔn)測(cè)量的技術(shù)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(yùn)河測(cè)量規(guī)劃并提出以海平面為測(cè)量基準(zhǔn)概念元代至元十二年(1275)在進(jìn)展京杭大運(yùn)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(cè)量。京杭運(yùn)河貫穿的關(guān)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(jì)州(今山東濟(jì)寧)、大名、東平、汶、泗與御河相通形勢(shì)，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(xué)家高斯提出以海平面作為測(cè)量基準(zhǔn)，比郭守敬約晚500年(見圖4)。論文聯(lián)盟.Ll.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論與應(yīng)用對(duì)河流挾沙力的定量描繪和在治黃方略的應(yīng)用張戎

6、的奉獻(xiàn)：西漢末年，河流泥沙運(yùn)動(dòng)理論上升到一個(gè)新階段。這是和當(dāng)時(shí)黃河頻繁決溢以及積極探究治黃方略的時(shí)代背景有關(guān)。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(diǎn)，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(gè)別低洼地段，堤高竟達(dá)四五丈。這種形勢(shì)被當(dāng)時(shí)人形容為猶筑垣而居水也?？梢娔菚r(shí)黃河已形成為地上河。黃河連年決溢。新的形勢(shì)對(duì)黃河修防提出了新的要求。在戰(zhàn)國以來社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)開展的根底上，治河理論和河工技術(shù)都有明顯的進(jìn)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(shí)代的大

7、司馬史張戎從河流泥沙運(yùn)動(dòng)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(shí)說：水性就下，行疾，那么自刮除，成空而稍深。河水重濁，號(hào)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(shí)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?，毋復(fù)灌溉，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(diǎn)是多泥沙。黃河易決口的關(guān)鍵在于中游泥沙被河水?dāng)y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(shí)，自然難免決堤而出。假如不能針對(duì)這一癥結(jié)施治

8、，只靠一再加高堤防來防御，那只是治標(biāo)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(yīng)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(shì)之常也。然避高就下，水之本性，故河流己棄之道，自古難復(fù)。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(chǎng)并逐漸上移，因此決口地點(diǎn)也有類似的變動(dòng)。他還舉出橫隴決口后的河床淤積情況來說明。實(shí)際也是這樣。新河道形成之初，水流與河道比降根本適應(yīng)，但由于泥沙輸送入海，必將在海口淤積，河道隨

9、之延伸，侵蝕基點(diǎn)因此抬高，于是河道比降變緩，淤積勢(shì)必向上游開展。萬恭和潘季馴的治黃方略及其理論奉獻(xiàn)：中國古代對(duì)于泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)在明代后期到達(dá)了頂峰。其理論奉獻(xiàn)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(fù)責(zé)黃河和運(yùn)河的治理。當(dāng)時(shí)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(shè)以河治河也。這確是振聾發(fā)聵的設(shè)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(jiān)焉，而中自深。此借其性而

10、役其力也，功當(dāng)萬之于人。他并且設(shè)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(rèn)識(shí)：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(shì)急如奔馬。從而順其勢(shì)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(dān)任總理河道一職。主持治理黃河、淮河和運(yùn)河，前后歷時(shí)27年。在河流泥沙運(yùn)動(dòng)理論方面，他繼承了萬恭創(chuàng)造性的開展，進(jìn)一步提出了束水攻沙和蓄清刷黃的治河理論體系，并設(shè)計(jì)了

11、一整套堤防系統(tǒng)，努力把他的理論在黃河上付諸實(shí)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(duì)明代前期治河以分水為主的思想，他闡述了河水不僅不應(yīng)分流，而且應(yīng)盡量將支流匯入，以進(jìn)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(duì)立的概念，但在河不兩行、筑堤束水，以水攻沙的條件下實(shí)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(dá)了對(duì)立統(tǒng)一的辯證思想。他對(duì)自己的治河方略充滿了信心，將束水攻沙生動(dòng)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(jìn)一步提出了蓄清刷黃。?明史潘季馴傳?對(duì)潘氏的主要奉獻(xiàn)也作了當(dāng)藉淮之清，以刷河之濁，筑高堰束淮入清口，以敵河之強(qiáng)的歸納。清代著名學(xué)者方苞(16681749)更高度評(píng)價(jià)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(shí)不過引山東駱馬諸湖之水入黃河?xùn)|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(yùn)安流百有余年。對(duì)

13、多沙河床中巨石運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)力學(xué)起源于我國是順理成章的。不過流傳下來的文獻(xiàn)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(guān)文獻(xiàn)的零散記載中確有真知灼見者。清乾嘉時(shí)代的著名學(xué)者紀(jì)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(xué)家設(shè)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(jiān)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(dāng)求之于上流。蓋石性堅(jiān)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(dòng)，向河底沉降，還是向上游滾動(dòng)?前兩種人據(jù)理臆斷，結(jié)果背離石塊運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的文字尤為精彩和準(zhǔn)確，并為現(xiàn)代泥沙運(yùn)動(dòng)模型試驗(yàn)研究所證實(shí)。當(dāng)試驗(yàn)石塊(相當(dāng)于原型，38厘米)沉于試驗(yàn)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(dāng)沖坑開展到足夠大時(shí)，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(yīng)用彎道環(huán)流側(cè)向排沙理論的實(shí)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(yùn)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(qiáng)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(shè)置在這個(gè)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(jìn)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(jìn)入寶瓶口的沙卵石，減輕灌區(qū)和風(fēng)棲窩處的清淤負(fù)擔(dān)，可謂一舉兩得。此點(diǎn)已為四川省水科所實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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?？谘由鞂?duì)下游河床淤積影響的理論分析清代后期對(duì)黃河河道特性

17、和沖淤規(guī)律的認(rèn)識(shí)有新的進(jìn)展。道光初年著名經(jīng)學(xué)家阮元(17641849)寫了一篇?黃河?？谌者h(yuǎn)、運(yùn)口日高圖說?的文章。在其中詳細(xì)闡述了河道延伸與黃河河床抬高之間的關(guān)系。他指出：乾隆初年之海口，非康熙初年之海口矣。嘉慶初年之海口，非乾隆初年之?？谝?，蓋遠(yuǎn)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(jìn)一步分析由于?？谕庖?，河道延伸，河流縱比降勢(shì)必自動(dòng)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(yuǎn)之海口，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(shì)也。也就是說，黃河出山陜峽谷一端和?？诹硪欢说母叱淌窍鄬?duì)固定的，然

18、而由于侵蝕基點(diǎn)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(yīng)降低，泥沙淤積將使得河床低者抬高，而洼者補(bǔ)齊，從而到達(dá)新的平衡。而隨著海口進(jìn)一步外延，平衢再一次被打破，從而導(dǎo)致逐里逐步無不曰加曰高的結(jié)果。于是他認(rèn)為，運(yùn)口昔日清(淮河)高于黃(河)，今常黃高于清者，豈非?？谌者h(yuǎn)之故乎。阮元還繪圖說明以上見解(見圖8)。論文聯(lián)盟.Ll.關(guān)于西方科學(xué)思維與我國傳統(tǒng)科學(xué)思想特點(diǎn)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(xué)的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造，時(shí)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(huì)的過渡，消費(fèi)關(guān)系的變革有力地推動(dòng)了水利工程建立，以致從春秋戰(zhàn)國開場(chǎng)，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(shí)期治理黃河和興建跨流域運(yùn)河的工程，都已顯示出中國水利科學(xué)技術(shù)在世界的領(lǐng)先地位，這種領(lǐng)先的勢(shì)頭一直持續(xù)到十五世紀(jì)。此后，以歐洲文藝復(fù)興為代表的資本主義的興起，極大地推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)開場(chǎng)分化為自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)兩大部類，而每一部類又逐漸分化為諸多學(xué)科，由于學(xué)科的分解，有利地推動(dòng)了科學(xué)的深化和開展，消費(fèi)力突飛猛進(jìn)，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(yuǎn)以來人們上天入地的夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。十八世紀(jì)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(xué)技術(shù)也領(lǐng)先于世界。在古代四千年治水活動(dòng)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(jìn)地位，與此同時(shí)，傳統(tǒng)水利也顯現(xiàn)出明顯的弱點(diǎn)。傳統(tǒng)水利科學(xué)技術(shù)的弱點(diǎn)表現(xiàn)為理論概括不夠，定量分析不多和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(xué)技術(shù)比擬重視理論問題有所不同，我國傳統(tǒng)科學(xué)技術(shù)的顯著特點(diǎn)表如今重視解決實(shí)際問題。經(jīng)學(xué)家阮元在編寫古代科學(xué)家傳記時(shí)說到，傳統(tǒng)科學(xué)但言其當(dāng)然，而不言其所以然。當(dāng)然科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展沒有理論思維是不可想象的，例如在中國封建社會(huì)初期，科學(xué)技術(shù)的理論總結(jié)就獲得了相當(dāng)?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(xué)形態(tài)的特