从都江堰看我国传统水利科技与文化

李可可

（武汉大学水利水电学院，430072，武汉）

都江堰是我国古代留存至今的一项伟大水利工程，无论是其工程特点、灌区维护与管理，还是工程本身的系统性，都充分反映了我国传统水利科技的智慧。它存在了2 275年，是我国传统水利科技与文化的先进性、可继承性的有力证明，值得我们深入挖掘与学习。

一、都江堰的工程特点

都江堰枢纽作为成都平原巨大的防洪、航运、灌溉、供水工程，必须要解决分水引水、防洪泄洪、排沙清淤等问题。如图1所示，都江堰枢纽布置在岷江河道的一个大弯段上，工程主要由都江鱼嘴（简称鱼嘴）、飞沙堰和宝瓶口三大部分组成。

1.引水分水

根据古文献记载，创建都江堰首先要解除岷江对成都平原的洪水冲击，即“辟沫水害”；其次是开运渠解决成都平原的航运问题，即“穿二江成都之中，此渠皆可行舟”；最后是服务于农业灌溉，即“有馀则用溉浸，百姓飨其利”。无论是分洪排洪，还是开发航运、发展灌溉，都要设法将岷江的水流稳定地引入成都平原。

都江鱼嘴是引水的第一步。鱼嘴将岷江一分为二，外江为岷江河道，内江为引水渠道。鱼嘴自动调节进入内、外江的水量，丰水季节，引入内江的水量约占岷江来水量的四成；枯水季节，内江水量则变为六成。都江堰“三字经”中的“分四六，平潦旱”，就是指这一神奇的分水现象。用河流科学解释，水流流经河流弯段时，遵从“大水走直，小水走弯”的流动规律，丰水季节，水流的“主流”（古人称为“主溜”，现代河流科学称为“中泓”）比较径直，偏向外江，所以岷江来水量的60%就自动进入外江；枯水季节，“主流”比较弯曲，中泓线偏向内江，所以60%的岷江来水进入内江。鱼嘴巧妙地布置在岷江丰枯水时主流发生偏转的临界点以下，遵从弯段水流主流的流动规律，即可实现自动分流。

第二步泄洪。洪水季节，进入内江的水量虽然只占岷江来水四成，但仍可能超出灌区防洪承受能力，多余的水量必须泄除。飞沙堰就起着泄洪的作用。飞沙堰位于内江堤与人字堤之间，堰顶高程低于内江堤和人字堤（“深淘滩，低作堰”中的“低作堰”，就是指飞沙堰的堰顶要作得低，便于分洪、飞沙），当洪水位高于飞沙堰堰顶时就会自动溢洪；当遭遇极端特大洪水，内江主流会直冲飞沙堰，将用竹笼装石砌筑而成的飞沙堰冲溃，洪水由此直泄外江，从而避免洪水对成都平原造成的破坏。

第三步稳定水量。流经飞沙堰后，内江来水最终由宝瓶口引入成都平原。宝瓶口是一段人工开凿的明渠，以其狭长状似瓶颈而得名。用水力学的宽顶堰进流公式，推算宝瓶口的引水量可知：当内江的水量比较小时，随着上游来水量的减少，宝瓶口的引水量会随之减少，但减少的速度会随之变慢；当内江的水量比较大时，随着内江来水量的增大，宝瓶口的引水量会随之增大，但增大的速度也会随之变慢。所以，宝瓶口起到自动稳定引水流量的作用。传说李冰创建都江堰时，在宝瓶口前立了一个石人，流经这里的水会保持“盛不没肩，竭不至足”的稳定状态。可见宝瓶口自动稳定引水量效果之明显。

图1 都江堰水利工程示意图

2.防洪泄洪

都江堰枢纽位于岷江进入成都平原的冲积扇顶点处，可以自流控灌整个川西平原。都江堰兴建前，岷江洪水由此泛滥至成都平原，带来频繁而严重的洪涝灾害。都江堰兴建后，岷江在此一分为二，约40%～60%的水量在工程控制下引入成都平原，岷江化害为利，洪水得到有效治理。

如前所述，洪水季节，内江引入的多余水量还可通过飞沙堰溢出至外江，使成都平原免于洪水冲击。飞沙堰与宝瓶口联合运用，宝瓶口束狭水流、壅高水位，飞沙堰的溢洪宽度是宝瓶口宽度的十几倍，溢洪效果非常显著，整个枢纽工程因此免于防洪压力。

3.排沙清淤

都江堰所在的岷江河道中水流挟带的泥沙，是平均粒径600 mm的推移质，处理此类泥沙的最好方式是借助水流的冲力使其沿河床滚动，排至指定位置。都江堰枢纽工程中，有三处具备处理泥沙功能的结构，分述如下：

一是鱼嘴。鱼嘴可自动使上游河床泥沙的85%左右排入外江，剩下约15%的泥沙进入内江。鱼嘴位于岷江河道的弯段上，根据弯道水流泥沙的运动规律，表层清水流动方向指向内江，使内江引入含沙量少的清水；底层水流流动方向指向外江，推动河流上的推移质泥沙向外江滚动，从而使岷江水流中挟带的绝大多数泥沙进入外江。这一现象在现代河流、水利工程的规划布局中常有运用，即所谓的“凹岸引水，凸岸排沙”。

二是飞沙堰。进入内江的泥沙虽然只占岷江含沙量约15%，但仍有引起淤塞的风险，而飞沙堰完美地解决了这个问题。飞沙堰布置在岷江弯段上，本身也修成一个微弯的堰岸，以强化“弯道环流”效果。内江泥沙经由飞沙堰时，被底流冲向凸岸——飞沙堰，泥沙的沉积点正好是飞沙堰的堰顶，可以非常顺利地被水流挟带“飞”入外江。正是这奇特的飞沙现象，使这道低堰得名 “飞沙堰”。与泄洪相似，内江的水量越大，飞沙堰的排沙作用越强，当遇到特大洪水将飞沙堰冲垮时，内江洪水挟带的沙石全部由缺口冲入外江，避免洪水泥沙对枢纽工程和灌区的毁坏。

三是凤栖窝。进入内江又没有被水流冲过飞沙堰的泥沙只占内江泥沙总量的10%～15%，这部分泥沙会在飞沙堰下端较宽的河道中，受流速减慢和洄旋流影响，被带至对岸的凤栖窝淤积。凤栖窝为天然河岸凹坑加以人工挖凿而成，是都江堰枢纽工程的沉沙池，每年岁修时，必须人工清淤。传说李冰当年在凤栖窝下埋有石羊、石马，最晚明清以后被人们用卧铁代替，每年清掏时必须见到石羊马或卧铁（都江堰“三字经”中“深淘滩”即指此），以保证其沉沙作用的充分发挥。

由以上分析可知，都江堰枢纽工程的三大组成部分各自发挥作用，完美地解决了引水、溢洪、排沙、稳定引水量等问题。鱼嘴自动分水、分沙，飞沙堰自动泄洪、排沙，宝瓶口自动稳定引水流量，整个枢纽工程的运行无需任何人力干预，只有对自然规律极其巧妙的利用，令人惊叹。尤其值得指出的是，泥沙，是每个水利工程必须面对与解决的问题，古今中外，水利工程能免于被洪水冲毁者易，能免于被泥沙淤填者难，古今中外，水利工程被泥沙淤填堙塞而致失效毁坏者不计其数。而都江堰建成至今从未有过因泥沙淤填而不能运行之事，其原因就在于泥沙处理之巧妙与有效。

二、都江堰的维护与管理特点

今天所讲的都江堰，既指都江堰枢纽工程，也指都江堰灌区，二者效益能延绵2 000余年不衰，还有一个重要原因，就是历史上从无中断的工程维护与灌区管理。

1.枢纽工程的维护与管理

都江堰枢纽工程的维护形式主要有岁修、大修，维护的内容主要是维修更换鱼嘴、飞沙堰的竹笼装石，清掏凤栖窝淤砂等。在20世纪70年代以前，鱼嘴、内金刚堤、外金刚堤、飞沙堰、人字堤等都是用竹笼装石堆砌而成，所需材料在当地随处可得，就地取材，十分方便。

竹笼装石直径一般为50～60 cm，长10 m或以上，广泛运用于都江堰枢纽工程和灌区范围内，可用于堤堰、护岸、护坡，引导水流、分水等。竹笼装石要按一定的顺序将石块按大小装入竹笼，讲究石块之间的粒径比例和级配，达到竹笼充实、稳定、孔隙率低的效果。

杩槎是都江堰维护工程必不可少的设施。单个的杩槎是由三根木桩扎成的正三棱锥体，中间捆以横杆。运用时，将多个杩槎交叉排好，形成一个统一的迎水面，迎水面上分别用木片或竹片钉成整体的平面，再在其上铺设竹席、草垫或夹粘土草席，形成一个挡水面。杩槎用于岁修或大修时，布置于鱼嘴内江入口处，用以阻挡上游来水进入内江，形成无水施工环境，方便内江河道和凤栖窝的泥沙清掏，以及内外金刚堤、飞沙堰的维护。

都江堰的传统维护管理技术还有羊圈、干砌卵石等，无不是就地取材、简便有效，其中对卵石的大量使用，使河床中淤积的大量砂石被搬离河道，化害为利，一举多得。

竹笼装石、杩槎、羊圈、干砌卵石等传统的都江堰工程建筑、维护、施工技术，都是就地取材，技术易于传授、习得、推广与掌握，因而2 000余年来深深扎根于当地群众，代代相传。

2.灌区的维护与管理

都江堰灌区在2 000多年的历史中，也形成了丰富的维护与管理经验。灌区管理的目的是持续发挥灌溉效益，内容涉及工程运行管理、岁修管理、灌溉管理等方面。都江堰的灌区管理，历史上均由灌溉农户自主进行，所需人力、物力、财力按受益农田的面积征取，在不同历史阶段、不同区域形成了不同的组织、制度与形式，积累了各具特色的丰富经验。如清代至民国普遍实行的“堰长制”，就是灌区管理的重要组织制度。

灌区的灌溉用水管理，历史上实行的是“分水制”，即：以灌溉面积为依据，按上游来水量的比例进行分水。内江分引岷江40%～60%的水量，经宝瓶口进入灌区，然后再经各分水渠的鱼嘴将上游来水不断枝分，引至广袤的成都平原。各分水鱼嘴的分水比例，是按灌溉面积的多少和比例来划分的，以保证每块农田都拥有均等的灌溉水量。灌区内各大小分水鱼嘴在明清时期逐步被分水平梁所取代。各灌溉干渠自上而下设有不同的分水点，每个分水点上，以平梁确定分水比例，不同分水点之间，以燃香计时来确定分水的时长。由此形成的轮灌制度，能合理有效灌溉农作物，保证丰收。

无论是都江堰枢纽工程还是灌区内各干支斗渠及其配套的小型农田水利工程，其建设、维修、重建都简便易行，技术易于掌握，组织制度深得人心。加之工程的灌溉效益巨大，所以灌区的百姓无不自觉自愿投入其中，这是都江堰工程的效益能延绵2 000余年不衰且不断扩大的重要原因。

三、都江堰的系统性与生命力

1.都江堰是一个有机的系统

都江堰枢纽工程并非是三大组成部分的简单相加，而是三者彼此配合，形成一个有机的整体和系统。例如，离开了鱼嘴的分水分沙和宝瓶口的束水壅水，飞沙堰就不可能如此高效地排沙；而没有飞沙堰的泄洪，其上游的鱼嘴就不可能实现 “分四六，平潦旱”这一神奇的自动分水功能，而下游宝瓶口自动稳定流量的功能也会大打折扣。

对一个系统而言，一个因子的变化会导致另一个因子随之发生变化，一个子系统的改变就会导致整个系统的改变。如鱼嘴在分水的同时也解决了分沙问题，分水分沙比例随上游来水来沙条件变化。与此同时，宝瓶口强烈的壅水作用也更强化了飞沙堰的溢洪与排沙，使飞沙堰在来水流量越大时飞沙效果也越好。

2.都江堰是一个类生命体工程

我们今天看到的都江堰渠首三大工程，在历史上是经过了漫长的调整与演化的。不同的历史时期，气候、水文、河道、来水来沙等条件不同，工程的各组成部分也随之调整、改变。鱼嘴的位置并非一成不变；飞沙堰的位置、堰的长度与形态、堰顶的高程，在历史上也多有变动。2 000余年来，枢纽工程各处的竹笼装石年复一年地被重建取代，今天的都江堰与2 000多年前的原貌并不相同。正是不断的调整、变动才赋予都江堰生命力，使它在外部地理环境、气候水文、河道水沙等条件不断发生变化的过程中，能不断主动地进行微调，始终保持三大主体工程的功能得到最好发挥，保证了都江堰的生命力。这种调整与变化如同生命体的新陈代谢，是都江堰永远充满活力的来源。

四、都江堰背后的传统水利科技与文化

都江堰是我国传统水利科技与文化的一个典范。一管可以窥豹，从都江堰可以看到我国传统水利科技与文化的特点及价值。

1.都江堰体现了我国传统水利技术的智慧

在成都平原发展生产，首先要解除岷江的洪水灾害，其次是化害为利，分水以利航运、灌溉。都江堰枢纽既不修拦断岷江的水坝，又不设置闸门、溢洪道等建筑物，而是完全通过运用自然规律，合理布局工程，在没有任何人力干预的前提下，使枢纽工程实现了“全自动”分水、分沙、溢洪、稳定引水，调水调沙运用自如。

都江堰不修建拦河大坝，不会改变河段的水沙运动规律，不会破坏河流的自然条件，也不会对水系、水环境产生负面影响。工程在无任何人为干预、人为控制的情况下，可以圆满地实现防洪、引水、航运、排沙、灌溉等多功能目标，充分反映了传统水利技术的智慧；而这些功能，现代水利工程往往要通过建拦河坝、引水闸、溢洪道、冲沙孔等设施才能完成。

我国传统水利技术以不破坏自然为重要原则，注重观察自然，认识和把握自然规律，再将其运用于工程实践中，服务于人类的生活生产与社会的文明进步。若没有对岷江河流水沙运动自然规律的深刻认识与把握，没有对自然的敬畏，就不可能有都江堰如此巧妙而伟大的工程布局。

2.都江堰体现了我国传统水利的思想与文化

我国传统文化中最重要的价值观是“天人合一”，它是我国古人在处理人与自然关系过程中追求的一种理想境界，也是我国传统水利的思想核心。与西方哲学观不同，我国传统哲学认为，人与天地自然并非对立，天地既不是人类的主宰，自然也不是人类掠夺的对象，而是天地人三者为一整体。人立于天地之间，不能逃脱天地万物的约束，不能独立于自然规律之外，而是与天地万物平等的存在，人类可以运用自身的智慧，效天法地，取天地万物为我所用。传统哲学“天人合一”的思想及由此衍生出的文化观念无处不在，体现在水利上，有两个主要表现：

一是敬畏天地，顺应自然，在自然面前保持主动克制。都江堰枢纽工程的内外江分水，最大的分水量为岷江来水量的60%，这是工程引水量的一个极限，也是今天世界水文学家提出的河流水资源开发利用率的最大值。古人在用水量方面的主动克制，与现代人动辄将河流上游来水量“吃光喝尽”的思路，形成了强烈的对比。

二是人道不能违背天道，而“天道公平”。体现在灌溉用水管理上，就是“水利均沾”的原则。都江堰灌区的用水、分水是按农田面积的数量进行分配的，每块农田分得的水量随丰枯变化有多有少，但同一年份中每亩农田分得的水量是几乎均等的。其原因就在于，历史上，灌区水量按河流来水量比例而不是按水量分配。现代灌区则是按 “设计灌溉面积”、引水渠“设计流量”等指标确定每亩农田的灌溉水量，遇天旱枯水年份，很多农田得不到应有的灌溉，造成灌区实际灌溉面积小于设计灌溉面积的尴尬情况。都江堰灌区历史上的分水、用水原则，也反映了儒家“为国为家者，不患寡而患不均，不患贫而患不安”的思想观念。

3.都江堰体现了我国传统水利的实践性特点

都江堰枢纽工程在历史实践中得到不断“微调”，工程、技术、维修与管理制度也是在反复实践中总结经验、吸取教训而形成、完善的。同时，都江堰灌区的面积不断扩大，新灌区不断出现，旧的工程维护、灌溉管理经验不可一一照搬，也要在实践中不断调整、完善。2 000余年来，灌区范围内出现了灵活而丰富的工程技术、经费筹集、灌溉管理制度等，使得都江堰灌区在历史上未出现因财力、人力不济而得不到及时维护的情况，未出现过灌区工程老化失修的情况，为今天的灌区管理提供了宝贵的经验与借鉴。

都江堰枢纽工程维修管理经验的实用性非常明显。经过长期实践获得的经验与技术规范，最终以朗朗上口的都江堰“三字经”、治水“八字真言”等形式流传下来。这些技术和规范简便易学，维修材料随处可得，规范易操作等，使灌区群众不需官方动员、培训就能积极主动地投入到工程管理与维护中。

4.都江堰体现了我国传统水利的系统观

我国古代水利工程数目繁多、形式多样，除都江堰以外，还有很多工程都形成了复杂的系统，如现存福建莆田仍在发挥重要效益的木兰陂、明清时期京杭大运河山东运河段汶上、堽城分水枢纽等。

系统观是我国古代的一种普遍的哲学观，它着眼于对众多事物现象的综合性观察、总结、理解与把握，注重实用，在实践的基础上积累经验。在技术上，表现为对方法和手段的不断修正与调整，使之能逐步揭示事物的规律，探索出事物的本质。与西方科技相比，系统观更能反映出事物间的内在联系与事物的本质特点，尤其在面对宏观复杂系统时，更易提示出事物之间的有机联系与相互作用。而西方科技是建立在对单个事物的观察、抽象、分析、演绎与逻辑推理之上的，是将有机复杂的事物进行人为割裂，再分别进行局部的观察与分析。所以，大型水利工程要面对非常复杂的自然、地理、水文、河流等系统时，运用我国传统水利的系统观显然更有优势，都江堰就是传统水利系统观运用成功的佼佼者。

五、从都江堰看现代水利如何重拾古代智慧

都江堰是中国水利史的缩影，其中的科技也是中国传统科技的典范。都江堰各部分相互配合、相互作用，组成了一个有机的整体，共同完成工程的多目标任务。它能有效而巧妙地控制、调动和运用自然规律中的因素，其中所蕴含的科学哲理之丰富与精深，令人叹为观止。它在无任何人为干预、操作、调度的前提下，自动分水、排沙、泄洪，延绵2 000余年，不仅没有对岷江河道、枢纽周边地区及灌区产生任何负面效应，反而促进了整个成都平原生态、环境、社会与经济的协调发展与提高。由于灌溉面积连续增加带来的“绿洲效应”，整个成都平原在全部农业化后的生态环境始终保持良好状态。都江堰的建造者对于工程所在地区的自然环境、河道条件、地貌地质、水流泥沙等多种因素及其规律都有充分正确的认识，又在长期的实践中对河道、水流、泥沙等因素的反作用有了深刻理解。这些对自然规律的认识，最终反映在工程的科技智慧中。

回顾近几十年来我们对江河治理和对水资源的利用，都是沿用西方近现代科学技术，用分解割裂的方法、微观片面的眼光来解决复杂的自然与社会问题，不断尝试驾驭自然、改造自然、掠夺自然，引发了一系列河流水系、水环境、水生态等严重问题。洪涝灾害日益频繁、水资源短缺、河流水系严重污染、水环境遭受破坏，与水有关的社会矛盾日益突出，成为我们不得不面对的现实难题。

今天，“可持续发展”已成为各国明智的选择。我国也提出了“人水和谐”“保持河流健康”等新的治水理念。为了挽救被人类破坏的河流水系与水生态环境，一些发达国家已经认识到保护河流生态系统的重要性，采取措施恢复河流的生态系统以修复其自然功能，并适当控制“人力”对于河流生态系统的干预，以适当释放“自然力”；拆除超役、失去功能或带来隐患的水坝、堰闸。这说明近现代西方水利思想与科技已走到一个转折点，正在寻求新的突破。

我国是世界闻名的文明古国，有着极其悠久的治水历史，这是世界上任何一个国家所不能比拟的。要达到“人水和谐”，学习国外的现代治水科技与治水经验固然重要，但也不能忽视我国的传统治水经验。

我国的传统水利科技思想中有非常强烈的尊重自然规律、顺从自然常规的意识。在传统的水利工程中，人与自然是一体的，是彼此响应、相互协调的，二者是和谐的。这种“自然”意识，正是现代水利工程所缺乏的、需要反省的，也是我国现代水利工作者需要重新拾取的宝贵历史财富。

我国的传统哲学具有强烈的“实用—经验”理性，这使得中国人“重实际而黜玄想”，不太注重纯科学的玄思与探索，不追求精密严谨的思辨体系，但却较早完成了贯穿自然、社会与人生的世界观的构筑。时至今日，科学技术已高度发达，如何减少科技应用对自然生态环境的破坏，如何使科技服务于全人类的平等、幸福，是必须面对与解决的问题。中国传统哲学与科技思想，恰好可以弥补现代科学技术的缺陷，为今天的人们提供启示。而都江堰，恰恰架起了一座连接古今、连接科技与智慧、连接文化哲学与现代科技的桥梁。