都江堰“乘势利导”与长江河势“九辩”

2023-08-22董耀华

水利水电快报 2023年8期

董耀华

(长江科学院水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,湖北武汉 430010)

0 引言

都江堰始建于公元前256年,顺利运行2 000多年,是中国古代最早的水利工程之一,也是世界上最成功的无坝引水工程。都江堰两大主要功能是成都平原灌溉与岷江防洪,渠首三大主要工程是鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口(图1)[1-2]。据传李冰留下“深淘滩、低作堰”治堰准则,清朝人将其扩展为都江堰治水“三字经”,并总结出“乘势利导、因时制宜”和“遇湾截角、逢正抽心”两个版本的八字格言。

都江堰作为控制岷江由岷山进入成都平原的灌溉渠首工程,与三峡工程作为控制长江上游山区进入中下游冲积平原和“治江三阶段”战略计划[3](以防洪除害为主,兼及开发利用,以堤防、分蓄洪、水库拦洪为措施而分时期各有侧重)的防洪骨干工程,具有殊途同归与异曲同工之效,两者均属于长江河势的控导与防洪工程;同时存在着工程特性和后续任务等共性“忧患”——都江堰后期历朝历代改造修缮或多或少地改变了其“无坝引水”特征,三峡工程“积极准备、充分可靠、有利无弊”指导方针[3]的全面实现尚任重道远且待历史检验;而且共同体现了中国水利人亘古至今的“治河·治江·治水”理念——河流泥沙与治河防洪的“治河”理论,长江治理保护与开发利用的“治江”实践以及兴水利、除水害的“治水”使命。

鉴于都江堰-三峡工程、岷江-长江以及成都平原-长江中下游之间的相似与关联,本文首先重新剖析了都江堰治水经,然后综合提出了“大河势”思维,最后对长江河势的时空演变进行了初步辩识。

图1 都江堰渠首工程布置示意

1 都江堰“乘势利导”

芦田和男等[4]将河床演变划分为3类——“小规模”(如:沙纹、沙垄、逆向沙垄)、“中规模”(如:沙洲、弯道、河工建筑物周围)和“大规模”(如:修建水库、河道整治)河床演变,借鉴和类比于此,都江堰治水“三字经”和八字格言也可以划归为3类——“大河演”(“乘势利导、因时制宜”)、“中河演”(“遇湾截角、逢正抽心”)和“小河演”(“深淘滩、低作堰”)治水经。都江堰“大河演”治水经“乘势利导、因时制宜”中的“势”应该既包涵河流的水势、沙势与地势(山河形胜及河流形态)等“狭义”河势思想,也可以拓展到民势、国势与时势等“广义”河势思想;借鉴古代“宇宙”说法——“上下四方曰宇,往古来今曰宙”(尸佼《尸子》),“乘势利导”可以广义地涵盖“因时制宜”;相较于现代治河“因势利导”表述,“乘势利导”所表达的治水理念似乎更加“时势”“动态”和积极主动。

现代水力学及河流动力学研究中,张瑞瑾[5]最早提出了“动态”河势定义——“河道水流的流态(或河势),具有很广的含义,一切标志河道水流总体倾向的现象,都被纳入这一概念之中”。林一山[3]最早倡导了河势规划方法——“运用河流辩证法的理论,研究工程所涉及河段的河床演变及其规律,特别是主流的轨迹及其形态,制定出因势利导的方案”,创造性地总结出长江第一坝葛洲坝工程的“一体两翼”布置方案(二江主泓布置泄水闸、三江和大江布置航道),并提出了长江荆江主泓南移方案。董耀华[6]提出了“静态”河势线(河势贴体拟合方法)——纵向与河势或主流(河道中心线、深泓线、主控岸线、流量中线等)拟合,横向与河势控制断面吻合的河势线;由此构建的河势贴体二维正交网格实现了河道平面二维水流泥沙的较好模拟,并为河道一、二维数模“无缝”嵌套以及河长精准计算提供了可能与便利。

古代都江堰治水经中的“狭义”河势思想与现代河势、大河演等思想与理论十分契合,与此关系密切的近现代宏观河流学相关理论与实践包括:① 冲积河流“均衡理论”[7]——在印度、巴基斯坦,主要是通过对灌溉渠道的观测,讨论了河流的调整作用及形态特征;② Mackin“平衡河流”[8]——冲积河流自动调整的最终结果在于力求使来自上游的水量和沙量能通过河段下泄,或称“平衡倾向性”;③ Lane输沙平衡关系[9]——QS∝QSD50(Q为流量、S为坡降、QS为床沙质输沙率、D50为床沙中值粒径);④ 张海燕河流最小能耗理论[10]——冲积河流的两个倾向性是单位河长的能耗率(γQJ)趋于最小和能耗率在一河段中趋于沿程均匀化;⑤ Schumm 河流输沙分区理论[11]——基于流域产沙与河道输沙特性,将河流划分为产沙区、泥沙输送区和泥沙沉积区;⑥ 河流分级Horton法[12]——最小不分枝的河流属于第1级,仅仅接纳第1级支流的属于第2级,接纳1、2两级支流的属于第3级,依次类推;⑦ 河流形态学[13]——基于流域、水系和干流河道三要素,研究河流分类-分级-分段以及干流河道的平面-剖面-断面形态;⑧ 冲积河流稳定性指标[1]——K=D/hJ(D为泥沙代表粒径、h为水深、J为坡降);⑨ 黄万里“治河四策”[14]——“蓄”(拦河截流)、“塞”(筑堤防洪)、“浚”(浚深河道)、“疏”(溢洪疏浚)等。

综上所述,本文综合提出了基于宏观河流学的“大河势”思维:① “大河势”思维——都江堰“狭义”河势(水势、沙势与地势)与“广义”河势(民势、国势与时势),“大河演”,“动态”河势,河势规划以及“静态”河势线等思想方法;② 宏观河流学研究——以“河流形态学(几何)-河床演变学(运动)-河流动力学(动力)”研究为基石,相关理论实践包括但不限于冲积河流“均衡理论”、Mackin“平衡河流”、Lane输沙平衡关系、张海燕河流最小能耗理论、Schumm河流输沙分区理论、河流分级Horton法、河流形态学、冲积河流稳定性指标以及黄万里“治河四策”等。

2 长江河势“九辩”

传承都江堰“乘势利导”治水经应推陈出新,鉴于都江堰-三峡工程、岷江-长江、成都平原-长江中下游之间的相似与关联,以及三峡工程运用后长江河势的显著变化,本文尝试对长江河势时空演变与因果关系的9个方面开展初步辩识。“九辩”内容体现都江堰“狭义”和“广义”河势思想,围绕“河流形态-河床演变-河流动力”宏观河流学研究内容,遵循《墨子·非命》“三表法”(有本之者,有原之者,有用之者)和本文“实践-理论-科学”不可或缺关系的辩识(图2)。

图2 实践-理论-科学

2.1 江源称谓地位之辩

长江(图3)江源之辩历经了3个认知阶段:① 岷山导江—— “岷山导江,泉流深远,盛为四渎之首”(《尚书》),“又东北三百里,曰岷山。江水出焉,东北流注于海……”(《山海经》),“岷山在蜀郡氐道县,大江所出……”(郦道元《水经注》);② 金沙江三江源——北源楚玛尔河、中源沱沱河和南源当曲;③ 沱沱河正源——遵循“江源维远”原则,目前大多数认为沱沱河上游姜根迪如冰川为长江正源。

图3 长江流域河流水系示意

长江称谓至少有4种:① “江”或“大江”——佐证于《山海经》和郦道元《水经注》;② 干流江段代称——分别以沱沱河、通天河、金沙江、川江、荆江代称长江;③ 扬子江——“狭义”指扬州以下江段,“广义”指岷江以下干流或整个长江,扬子江更能体现独立河流的“河口优先原则”[13];④ 长江Changjiang River——现代正式称谓,但英文称谓Yangtze River依然通行。

按干流河道长度计,长江世界排序第三(前两位为尼罗河和亚马孙河);按流域面积计,长江未进入世界前十位(前十位为亚马孙河、刚果河、鄂毕河、密西西比河、尼罗河、叶尼塞河、拉普拉塔河、勒拿河、尼日尔河和阿穆尔河);按流域综合面积(流域面积A0.5乘以河长L)计,长江世界排序第六(前五位为亚马孙河、尼罗河、刚果河、鄂毕河、叶尼塞河)[13]。

2.2 干流支流水系之辩

长江干流与支流水系之间辩识:基于独立河流与非独立河流分类方法[13],长江干流作为独立河流也可表述为长江流域、长江水系、长江干流、干流水系和干流河道等;长江流域非独立河流包括所有支流、水系和湖泊,并遵循“河流水系一致原则”[15]。长江干支流河流水系分级方法及辩识包括:

(1) 长流规干支流划分[16]。将长江水系划分为干流和支流,再将支流区分为“峡谷地带河流”(如雅砻江、大渡河、清江、沅江等)、“丘陵平原地区的河流”(如岷江、沱江、嘉陵江、汉江、湘江、资水、赣江等)和“中下游地区直接汇入江湖的中小河流”等3种类型;与此划分方法类似,密西西比河也将整个流域分为干流、支流和小支流三级进行全面规划与分别控制[17]。

(2) 长江流域水系划分与河流分级[15]。基于水系划分(“自大河而小河/树枝模式”)与河流分级(“自小河而大河/根系模式”)研究方法,将长江水系推荐划分为干流水系与雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、洞庭湖、汉江、鄱阳湖、太湖等8个支流水系,并遵循“干流水系优先原则”;基于改进的河流分级Horton法[12],选取流域面积不小于2 000 km2或河长不小于100 km“最小单元河流”,借助河流树状图表方法(图4),确定长江流域(不含太湖)河流总数为374条、长江最高河流分级数为6级(表1)。

注:长江干流河长仅截取500 km示意。图4 岷江水系河流树状图

表1 长江流域河流分级成果

(3) 长江流域河流水系“谱系”[13]。综合提出的河流数量分别为1(长江干流)、4(干流河道、洞庭湖、鄱阳湖、太湖)、9(推荐划分水系)、24、49、63、374和581长江流域河流水系“谱系”(图5)。

图5 长江流域河流水系“谱系”

2.3 干流河道分段之辩

干流河道分段具有流域分区与河道分段双重功能,分段理论(方法)包括:① 山区与平原河道分段(2段划分)[1]——山区河道演变以侵蚀下切为主,河床变形幅度小、速度慢,河床边界受岩性和构造影响较大,河漫滩一般不很发育,河流走向比较顺直;② Schumm 河流输沙分区理论(3段划分)[11];③ 河流5区分段(5段划分)[18]——以流域分区为主导(“体”),以干流河道分段为目标(“用”),先按照河源、上游、中游、下游和河口5区进行流域分区,后选取河势和(或)汇流控制节点进行干流河道分段,综合确定合适的河流分段数。④ 2类分段节点(3类划分)[19]——依据世界十大江河常见或习惯分段法,总结出2类分段节点(河势控制与汇流控制)和3类划分方法(河势、汇流与混合节点)。

综合长江干流河道分段方法(表2)[18]：① 3段划分——长江中下游分段节点有“湖口”(鄱阳湖汇口)和“汉口”(汉江汇口)之辩;② 5段划分——凸显长江源与长江口的特殊性与重要性;③ 2段划分——长江中下游河流地貌与流域水系等差异性小,河道形态与河床演变等相似性大;④ 新2段划分——三峡工程运用后长江干流正由5段、3段或2段划分朝着“新2段”划分演变[20];⑤ 分段节点——宜昌、徐六泾属于河势控制节点,直门达/巴塘河口、湖口属于汇流控制节点。

表2 长江干流河道分段方法

2.4 河段划分及河型分类之辩

河段划分基于“中小河演”河道单元,上接“大河演”干流河道分段,属于“广义”河流分段(基于流域特性、河道特性和兼顾两者的所有河流分段)[18]。作为例证,Biedenharn等在研究密西西比河下游裁弯河床演变时,也采用了“主河段”与“次河段”划分方法[21]。

长江治理规划通常基于河段划分,表3[18]给出了基于河流名称、水系、行政、河势和航道等长江干流河段划分方法。但长江河床演变研究则更多地基于河型分类,通常基于Leopold法(顺直、弯曲和辫状)[22]或钱宁法(顺直、弯曲、分汊和游荡)[1],采用顺直(微弯)、弯曲(蜿蜒)和分汊等3类河型分类(游荡河型仅见于长江源区和赣江下游等少数河段);而Brice-Nanson河型分类方法(单一与分汊河道)(图6)[23](参考2012年Gerald Nanson学术报告Anabranching Rivers and the Principle of Least Action)研究和应用得较少,但值得推荐:① 该方法河道形态鲜明且与河势思想契合,顺直与弯曲河型差异仅在于河道弯曲的“量”差而非“质”变;② 长江上游三峡河段3宽谷短段(大宁河、香溪河和庙南)与3峡谷长段(瞿塘峡、巫峡、西陵峡)间隔形态,长江中下游河道也多呈现节点控制短河段与分汊/弯曲长河段“宽窄相间”的平面形态。

图6 Nanson河型分类示意

表3 长江干流河段划分方法

2.5 水沙变化及输沙特性之辩

长江干流水沙变化、水沙关系及输沙特性相关辩识总结如下:

(1) 基于频率统计、适配线拟合、相关分析和累积曲线等4种方法和干流寸滩、宜昌、监利、汉口和大通等5站水沙变化研究,长江干流年径流量基本保持不变,年输沙量呈减小趋势,2000年后呈加速减小趋势[24];基于独立河流“河口优先原则”[13],长江干流代表水沙站应选大通站。

(2) 三峡工程运用前(截至2005年)长江水沙关系基本遵循“水多沙多、水少未必沙少”规律[25];下荆江裁弯(1966年)、葛洲坝工程(1981年)和三峡工程(2003年)对坝下游干流河道的水文站年径流量与年输沙量双累积曲线的影响十分明显(图7)[24],显现了人类活动对长江水沙关系的影响。

图7 三峡工程运用前长江大通站年径流量与年输沙量双累积曲线

(3) 三峡工程运用后清水下泄和欠饱和输沙改变了长江中下游河道输沙规律及特性(图8)[11],影响了坝下游河道冲泻质、床沙质、推移质(底沙)与床沙的占比或级配,增大了泥沙测量困难(底沙漏测)与误差(积点与积深测沙方法误差)[26],凸显了输沙率法与地形法估算河道冲淤量的方法差异[27]。

图8 Schumm河流输沙分区理论

2.6 河床演变及河道形态之辩

三峡工程运用后长江干流河道“大规模”河演表现为水库泥沙淤积、下游河道冲刷、江湖关系变化和河势变化调整等4个“逻辑”递进阶段(图9)[20]。长江干流河道已由自然河流的产沙-输送-沉积三区划分演变为人类活动影响下上游水库淤积-下游河道冲刷的两区演变模式。

图9 三峡工程运用后长江演变4个递进阶段

强烈的河床演变必然带来河道形态的剧烈变化,包括:① 河道断面变化——三峡工程坝下游河道冲刷表现为冲深(窄深化)还是展宽(宽浅化)一直备受争议;已有研究表明葛洲坝工程(1980～1993年)下游河道呈现窄深化演变趋势[28],而美国17座水库下游231个断面中河宽变化不大占22%、增大占46%、缩小占26%[29]。② 河道纵向变化——三峡工程坝下游河床下切产生或加剧了芦家河段、荆江河段、洞庭湖汇流和鄱阳湖汇流等新旧河床控制节点变化[30]。

2.7 河湖关系及侵蚀基面之辩

河湖关系本质上也属于干支流关系,历史上长江中下游北岸云梦泽与彭蠡泽逐渐消失(仅残存洪湖与龙感湖等),南岸洞庭湖与鄱阳湖的面积与容积持续锐减,例如:随着荆江裁弯、调弦口建闸、葛洲坝和三峡工程运用,洞庭湖四口分流比已由新中国成立初期近50%锐减至10%左右,分流时段与分沙比也相应减小。

分解及对比长江主要河湖、洞里萨湖-湄公河、大湖-圣劳伦斯河等河湖关系(表4)表明:洞庭湖、鄱阳湖和太湖与长江干流的河湖关系较为复杂,且以洞庭湖-长江关系为最复杂。河湖关系及变化对长江河势的最大影响是干流河道侵蚀基面(洞庭湖与鄱阳湖汇流节点)的改变,其连锁影响关系及结果是:河湖分流分沙与汇流汇沙变化加剧了长江干流河道冲淤变化,改变了干流河道槽蓄能力、水沙关系、输沙特性、洪水演进及河湖洪水遭遇,最终导致了长江干流河道洪、枯水位异常及水位-流量关系变化[31]。

表4 河湖关系分解及对比

2.8 自然河流与人类活动之辩

长江自然演变特征不断减弱而人类活动影响不断增强,长江干流“新2段划分”(三峡工程以上和以下)、干流河道两区演变模式(上游水库淤积-下游河道冲刷)、河湖关系及侵蚀基面变化等均凸显了人类活动的巨大影响。

人类活动对自然河流的影响可划归为两类:① 影响河流资源为主——水资源利用工程(灌溉、供水、引调水)、泥沙资源利用工程(采砂、吹填)、岸线洲滩利用工程(港口码头、围滩垦殖)、河道航道利用工程(通航、运河)等;② 影响河流环境为主——防洪治河工程(水库、堤防、护岸、河道整治)、水生态环境影响工程(排污、取排水)、河道影响工程(跨河工程、临河工程)等。尽管很多人类活动同时具有河流资源与河流环境双重影响(如水库、取用水、岸线洲滩利用等),但是区分两者是必要的。例如:杨立信[32]基于“调水是解决水资源时空分布不均的最重要、最有效的方式”定义,强调调水工程必须以解决“资源性”(河流资源)而非“水质性”(河流环境)缺水需求为首要任务;又如洪水资源化的最大困难是如何实现防洪减灾(河流环境)与水资源利用(河流资源)之间时空转换。

Lane输沙平衡[9](图10)与河流稳定性指标[1]分别较好地代表了自然河流状态与人类活动影响下的河床演变特性(表5),自然河流更强调“大河演”输沙平衡与河势(如深泓线与主流线等河势线)稳定,容许河流输沙调整;人类活动多关注“中小河演”河岸与河道局部稳定,容易导致“过度”治理。例如:长江中下游护岸和下荆江人工裁弯限制了弯曲河段凹岸冲刷、凸岸淤积及蜿蜒迁移的自然演变;又如洞庭湖与鄱阳湖湖控工程可能会阻隔干流河道与通江湖泊之间的自然连通与江湖关系等。

图10 Lane输沙平衡关系图解

表5 Lane输沙平衡与河流稳定性指标对比

2.9 治理保护与开发利用之辩

《中国环境问题院士谈》[33]对“自然保护”的释疑是“保护自然并不意味着全部保持自然的原始状态,除了进行严格保护的少数地区和对象外,一般是在合理利用和改造过程中进行保护”;沈国舫院士甚至建议用“生态环境建设”代替“生态恢复重建”,以强调改善生态环境的积极行动。

河流治理技术也可划归为“河流恢复River Restoration”与“河流修复River Rehabilitation”两类[34],其中河流修复治理属于积极的河流保护措施。新中国成立以来实施的荆江分洪闸建设、荆江大堤加固与护岸工程、下荆江裁弯等均属于服务于防洪安全与河势稳定的治理保护措施;而荆北放淤计划[3]、荆北平原长江分洪道计划[3]、三峡—荆江新运河航道构想[35]、长江中游河床节点控制治理[30]以及长江经济带建设等规划也需要充分考虑长江治理与保护的高度融合。

长江治理多强调保护、长江开发不回避利用,需要协调“高质量”治理保护与“可持续”开发利用关系并服务于长江大保护总体战略。借鉴德国学者“四倍因子”理论(半份消耗、倍数产出)[33],“高质量”与“可持续”可能存在“N倍风险悖论”——短期内可能会出现投入的“隐形成本”多N1倍而产出的“显性收益”少N2倍的“倒挂”风险(N=N1+N2),其主要原因是传统的收益计算主要依据于技术经济的盈利算法而忽略或少计生态环境的“负面”效益。