创新、和谐、发展——都江堰水利工程的启示

王光谦，钟德钰

（青海大学 三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，810086，西宁）

都江堰水利工程以布局精巧、规模宏大、功省用饶、经久不衰等特点闻名遐迩，是我国古代水利工程“因势利导、因地制宜”治水思想的集中体现，也是世界水利史上持续发展并发挥效益的成功典范。都江堰工程的建设与运用使成都平原成为“水旱从人，不知饥馑，时无荒年”的“天府之国”。如今，都江堰已发展为具有农业灌溉、供水、防洪、发电、养殖、旅游及传承历史文化等多重综合服务功能的特大型水利工程，对四川省的经济社会发展具有重要作用。本文回顾都江堰悠久的发展历程，分析了其得以运行2 275年的科学原理，并剖析了都江堰对现代水利工程建设的启示和意义。

一、自然概况

都江堰水利枢纽位于四川省灌县（现都江堰市）县城以西1 km的岷江干流上，距离成都市60 km。岷江是长江上游重要的一级支流之一，发源于四川与甘肃交界处的岷山南麓，在宜宾汇入长江。都江堰连接水源区和灌区，渠首以上的岷江为水源区，主河道长340 km，落差3 009 m，平均河道比降为8‰，流域面积2.32万km2；渠首工程以下为灌区，流域面积2.17万 km2，灌溉面积 69.5万 hm2。

都江堰渠首鱼嘴工程将岷江分为两支，左汊为内江，即都江堰引水河口；右汊为外江，即岷江正流。内江总干渠水经飞沙堰溢洪排沙后在宝瓶口处壅水沉沙，之后分为蒲阳河、柏条河、走马河、江安河四大干渠水系，其尾水注入青白江、毗河，与湔江、石亭江、绵远河汇集，在金堂注入沱江。内江灌溉成都平原岷江以东地区及川中丘陵，合称内江灌区。外江正流从外江闸右端进入沙黑总河，经小罗堰闸排水后，分为沙沟河和黑石河；此二条干渠灌溉成都平原岷江以西及西河以西农田，为外江灌区。

二、发展历程及工程现状

秦昭王五十一年 （公元前256年），李冰率民众于岷江出口处修建都江堰，同时穿通郫江、检江，开辟支流府河及清水河。都江堰修建的首要目的是保障战略后方蜀地的防洪安全，其次是开辟水上通道以便秦顺流而下攻楚。《史记》中记载：“蜀守冰凿离碓，辟沫水之害，穿二江成都之中。此渠皆可行舟，有馀则用溉浸，百姓飨其利。”可见，都江堰出于军事战略目的修建，兼具防洪、航运、灌溉三大功能。

秦以后，历代对都江堰的维修与发展，涵盖岁修、大修、改建渠首工程、扩大灌区面积等规模不同的工程。例如，公元前157年，西汉蜀郡太守文翁“穿湔江口，灌溉繁田千七百亩”，首次扩大都江堰灌区面积，并开始形成岁修制度。都江堰灌区面积在东汉至唐代向成都平原西南及西北方向延伸，到唐末达到“天孙纵有闲针线，难绣西川百里图”的程度。宋代堰官则进一步完善了岁修制度，规定每年“冬季断流、春季淘滩”；同时还在离堆岩壁上刻“水则”以观测记录水位。元明两代，都江堰堰工技术突飞猛进。公元1335年，张宏对都江堰进行了历时5个月的大修，以铁龟作鱼嘴，此后维持40年无大修；到明代，“笼石”“铁石”等治堰技术的应用进一步推动了都江堰堰工技术的发展和工程结构的成熟。清代在治理和维护都江堰的同时，雍正年间还改革了水费收缴办法并设置水利同知，更形成了 “三字经”“六字诀”“八字格言”等高度凝练的都江堰治水理念。近代以来，受战乱及洪水等影响堰务荒废，到新中国成立前，都江堰灌区面积萎缩至18.8万hm2。

新中国成立后，都江堰先后实施整修渠首、调整渠系、建设配套闸群等措施，扩大了灌区面积，逐步发展为引、蓄、提相结合的特大型水利工程系统，使得都江堰灌区在国民生产总值、农业生产总值、工业生产总值等方面为四川经济发展作出了巨大贡献。20世纪90年代以来，通过增加生态供水量、优化用水结构、启动“数字水调”等方法，都江堰实现了水利工程现代化，新增节水灌溉面积23.6万hm2。1994年，都江堰启动府南河综合整治工程，总投资达27亿元，提升和优化了都江堰的防洪、灌溉、生态等功能。此外，都江堰灌区还通过水利信息化工程建设，形成了完善的基础信息采集与枢纽自动化控制系统，逐步深化了“数字水调”。

三、都江堰蕴含的科学原理

都江堰工程蕴含着深刻的水沙动力学原理，这些知识在两千多年前被总结形成系统理论并用于指导实践工程，至今仍能带给我们许多启示。

1.小水傍岸，大水取直

都江堰鱼嘴工程位于岷江干流江心洲，通过其分水作用将岷江分为内江和外江。枯水季节，水流流速慢，惯性小，深泓线曲率大，主流靠近凹岸（即内江一侧），江心洲出露水面，使得内江过水断面大于外江，大部分水量沿百丈堤下泄流入内江，形成枯水季节内江分六成、外江分四成的形势。洪水季节，水流流速大，惯性作用强，深泓线趋直，主流偏离左汊而居于河道中间，江心洲淹没过流，外江过水断面面积增大，形成内江分四成、外江分六成的形势。因此，鱼嘴工程是利用“小水傍岸，大水取直”的水流主流摆动规律实现按需分水的关键。

2.正面取水，侧面排沙

受流域水沙特性影响，都江堰河段来流悬移质泥沙颗粒细小，输运过程中表现为冲泻质，一泻千里，几乎不参与造床。因此，洪水期的推移质运动是造成该河段泥沙淤积的主要原因。枯水季节，由于水流速度小于卵石起动流速，推移质输沙强度小，分水比较大的内江泥沙淤积问题并不显著。到了洪水期，外江分水较大，因而泥沙主要由外江携带。此外，飞沙堰位于下段右汊凸岸，宝瓶口则位于左汊凹岸，内江进口的局部河势微弯，在离心力和侧压力的合力作用下，形成弯道环流，使得底部水流的流向指向飞沙堰，底流横切越过堰顶，卵石推移质及近底悬移质可由此排入外江。根据实测资料分析，进入内江的卵石输移量只占岷江总量的26%左右。这一机制实现了 “正面取水，侧面排沙”，泄洪量的增加能够进一步增强飞沙堰的排沙作用与分流比。为实现这一目的，在工程上遵循“深淘滩，低作堰”等原则，确保飞沙堰高度适中：过低则宝瓶口引水量不足，过高则无法形成弯道环流排沙。

3.壅水泄洪沉沙

宝瓶口是都江堰灌区的总取水口，入水口宽度约20 m。上游来流较小时，水流直接进入宝瓶口，流态接近明渠流动；上游来流较大时，由于宝瓶口过流宽度有限，过流能力不足，促使上游相当河段内形成壅水促使泥沙落淤，同时抬高的内江水位促使多余水流溢出飞沙堰进入外江，实现泄洪功能。壅水泄洪沉沙对于保障成都平原防洪安全、减小灌溉用水含沙量、实现灌区稳定取水具有重要作用。

四、都江堰工程的启示

1.因势利导，实现自然与社会和谐发展

“因势利导，因地制宜”是都江堰建造设计的核心理念，也是其发展历程的高度凝练，其价值内涵是在自然的禀赋能力之内谈发展，把水资源作为最大的刚性约束，从而做到以水定城、以水定地、以水定人、以水定产。

都江堰地势高于下游成都平原和川中丘陵，具有居高临下之势，因此当岷江流至都江堰时，地势由高山峡谷突变为平原，河床陡然开阔，水势趋缓。李冰充分利用山形地势优势设置渠首，使处于入口的都江堰在以较高地势控制整个成都平原灌溉用水的同时，又能扼制住水力坡降较大的岷江来流不直泻下游灌区，从而达到防洪、分水、排沙、引水的目的。另一方面，“兴利除弊”的治水导向则体现了民生对经济社会发展的“指南针”作用，堰务昌盛与人民幸福相互牵动、互为基础，这是都江堰历经2 275年仍然发挥效益的动因。都江堰在建设之初就以服务民生为理念，其修建保障了成都平原的灌溉用水、降低了四川的防洪风险、发展了岷江的航运交通，极大改善了人民生活。新中国成立后，经过全方位的修缮和改造，都江堰成为全国第一个实灌面积突破 66.7万 hm2（1 000万亩）的特大型灌区，同时还拓展了生活、工业、生态等多目标供水服务功能，并逐步提升了自身的世界遗产、公共景区、旅游基地等文化价值。都江堰以“因势利导”为原则，把顺应自然、改造自然和利用自然巧妙地融为一体，保护了“绿水青山”，也开凿了满足社会发展的“金山银山”，达到了人与自然、人与人之间的和谐，这对于今天的中国在水资源开发、利用、保护方面仍具有重大的指导意义。

2.系统思维，形成技术原始创新

世界遗产委员会曾对都江堰作出了这样的评价：“全世界至今为止，年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。”时至今日，都江堰仍然保持了作为水利工程的基本属性，维系了灌区数千万群众生存发展。李冰组织修建都江堰是对“功成不必在我，功成必定有我”的成功诠释，这受益于其原理的创新、设计方案的精巧、岁修制度的完整。

都江堰渠首三大件——鱼嘴分流工程、飞沙堰工程及宝瓶口引水工程分别承担调节水流、泄洪排沙及控制流量的功能，然而在实际运用中，三者的功能在时间和空间上是相互关联、统一协调的。实际上，以分水功能为主的鱼嘴工程也处于局部蜿蜒河道里，其通过弯道环流作用实现了第一层次的排沙：将表层含沙量较少的水流输入内江干渠，而卵石及河底悬沙则随底层水流进入外江。相似的，飞沙堰与宝瓶口的衔接在进一步排沙的同时，也起到了分流作用。都江堰渠首工程展现了阶梯联动式的调水调沙思想，将上游流速大、含沙多的岷江水流转变为流量平稳、沙量较小的灌溉用水进入成都平原，由此实现了防洪、灌溉、航运等综合效益。

都江堰的可持续发展不仅在于设计之初系统的顶层设计，还在于其后久久为功的长效管理。秦代完成了都江堰的建设开发，其后历代逐步扩大灌区，并以“岁修”为主要方式进行维护。自宋代制定“旱则引灌，涝则疏导”等制度与方法后，都江堰的工程管理趋于规范化、系统化。新中国成立以来，通过对都江堰的闸坝、输水河渠及水库管理的完善，进一步调整了都江堰的空间布局，使之充分适应经济社会发展格局、生态保护任务、城镇需水结构和资源环境承载能力。以系统论设计蓝图，不毕其功于一役，使都江堰具备了历史跨度长、发挥效益久的重要特点。

3.与时俱进，创新引领发展

都江堰的创新之处分为三个层次：“因势利导，因地制宜”的理念创新，“四六分流、取清排浑”的理论创新，以及渠首“三大件”、岁修“三字经”等技术创新，此三个层次的创新都以原始创新的模式为主，体现了中国古代水利工程蓬勃的创造力。

都江堰建造的时代缺乏科学基础而盛行迷信盲从，李冰却力排万难，经过实地考察与严谨思考，以发展与保护辩证统一的新理念指导主流摆动、弯道环流、泥沙冲淤等新理论，采用杩槎截流、竹笼挡水和淘滩岁修等新技术修造了前无古人的都江堰。不仅如此，汉晋以来，都江堰岁修都沿用竹笼卵石筑堰，此法虽“不与水敌”、工简费省但不耐久，因此元代李秉彝和吉普当则提出了将建筑材料更新为铸铁和条石的技术改革，我国的堰工技术、铸铁技术正是在这样的不断创新中逐渐发展起来。而在清代雍正年间，巡抚宪德则改革了岁修经费的征收办法和劳力摊派办法，将“计块出夫”“按粮派夫”等办法改为按照田亩大小、得水先后及用水多少摊收，并设专门的水利同知以统管都江堰灌区水系的维修管理工作，这是都江堰制度管理的一大创举。在漫长的历史进程中，都江堰始终在社会需求的推动下更新理念、创新技术、革新制度，以此保持与时俱进。

五、结 语

都江堰的设计原理及筑修技术集中体现了中国古代科学的整体观、统一观和持续观，以因势利导为理念把顺应自然、改造自然和利用自然巧妙地融为一体；在以民生为本将工程的服务功能最大化的同时，尽可能合理公平地分摊建造及维护所需的劳动力和财力；以顶层设计集合供水、防洪、灌溉、航运等多种服务功能；以久久为功保持工程的生命活力；以全面创新顺应时代发展与人民需求。正是这种人与自然、人与社会之间和谐相处的整体思想，实事求是、遵循科学的设计基础和革新进取的勇气，使得都江堰做到了“在保护中发展，在发展中保护”，为四川经济和社会的全面协调可持续发展提供了可靠支撑和保障，是我国水利工程建设的典范。