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都江堰工程思考及其啟示


王芳芳1, 2,吳時強1

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210029; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

摘要:分析都江堰工程的水力學(xué)原理、規(guī)劃管理理念和人文思想,認為都江堰工程自動分水排沙、泄洪引水的水力學(xué)原理和反映在規(guī)劃管理上的科學(xué)哲理,以及天人合一、可持續(xù)發(fā)展的人文思想,能給人們以水利工程建設(shè)以至人類發(fā)展模式的啟示。

關(guān)鍵詞:都江堰;水力學(xué)原理;規(guī)劃管理;人文思想

Abstract: This paper analyzed the hydraulic mechanism, planning management notion and humanistic thought of Dujiangyan project, and thought that the project is a wonderful combination of the hydraulic mechanism of automatic water distribution, sand discharge and flood diversion.Besides, the project has also displayed scientific philosophy in its planning management, the humanistic thought of the harmony between man and nature, and the concept of sustainable development, which may give us some enlightment for the construction of water conservancy project and human development pattern.

Key words: Dujiangyan Project; hydraulic mechanism; planning management; humanistic thought

戰(zhàn)國末年(公元前256—前251年),秦國蜀郡守李冰興建都江堰工程。該工程坐落于成都平原西部的岷江上,溝通了成都平原和岷江、長江的聯(lián)系。都江堰渠首樞紐由魚嘴、飛沙堰、寶瓶口以及百丈堤、金剛堤、人字堤等部分組成,最終達到了自動分水、排沙、泄洪、穩(wěn)定引水的目的(圖1)。2 200 多年來,都江堰在防洪、灌溉、改善環(huán)境、繁榮文化、促進經(jīng)濟社會發(fā)展等方面,造福人民,蔭及子孫,成就了成都平原物產(chǎn)豐富、人杰地靈“天府之國”的美譽[1]。

都江堰工程以魚嘴分水工程、飛沙堰溢洪排沙工程、寶瓶口引水工程三大工程完美結(jié)合而著稱。三大工程因勢利導(dǎo),巧妙地利用水力學(xué)原理解決了引水、泄洪和排沙的矛盾。工程本身結(jié)構(gòu)合理,功能健全,蘊含了豐富的規(guī)劃與管理的理念,為后人留下了一套筑堰治河、引水排沙、維修管理的技術(shù),成為我國乃至世界治水文化一顆經(jīng)久不衰的璀璨明珠。

都江堰工程引起了眾多領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。劉玉泉等[2]對都江堰三大工程從流體力學(xué)原理進行了詳細解釋;高樹有等[3-5]對都江堰工程發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進行了回顧,且對工程的科學(xué)價值及布局合理性對水沙控制效果等進行了分析;許志方等[6]從現(xiàn)代水利科技角度說明了都江堰工程的技術(shù)特點及原理;林承坤等[7]分析都江堰工程能夠經(jīng)久不衰的原因;張倩倩等[8]探討了都江堰工程對現(xiàn)代工程項目管理的啟示;吳自力[9]從人力資源管理角度進行了借鑒;李可可等[10]分析了都江堰工程治水科技與文化的形成與發(fā)展。筆者對都江堰主要工程的水力學(xué)原理進行分析,從工程布局和功能角度探討值得借鑒的規(guī)劃管理理念及人文思想啟示。

圖1 都江堰渠首工程示意圖

1 都江堰工程簡介

都江堰工程主要包括魚嘴、飛沙堰、寶瓶口等眾多渠首工程。

魚嘴工程又稱“魚嘴分水堤”,是都江堰的分水工程,因其形如魚嘴而得名,其作用是把岷江分成內(nèi)外二江。西邊叫外江,主要用于排洪輸沙;東邊沿山腳的叫內(nèi)江,主要用于灌溉,起到一級分水排沙作用。李冰的治水三字經(jīng)中的“分四六,平潦旱”,“分四六”是對內(nèi)外江分水比例的概括,通過魚嘴實現(xiàn)對岷江水量的合理調(diào)配:枯水期水流經(jīng)魚嘴上面的彎道繞行,主流直沖內(nèi)江,內(nèi)江進水量約六成,外江進水量約四成;洪水期水勢不再受彎道制約,主流直沖外江,內(nèi)外江江水的比例顛倒為內(nèi)江約四成,外江約六成。

飛沙堰工程位于內(nèi)江下游與外江交匯處,具有泄洪、排沙和調(diào)節(jié)水量的顯著功能??菟冢w沙堰阻擋內(nèi)江水流入外江,將其引入寶瓶口;洪水期,內(nèi)江多余的水越過飛沙堰流入外江;如遇特大洪水,可自行潰堤,讓大量江水回歸岷江主流。飛沙堰更重要的功用是利用彎道環(huán)流飛沙。

寶瓶口工程起節(jié)制閘作用,能自動控制內(nèi)江進水量,是前山(今名灌口山、玉壘山)伸向岷江的長脊上鑿開的一個口子,是人工鑿成控制內(nèi)江進水的咽喉,其進口高程略高于內(nèi)江底部高程,以其斷面為瓶狀而得名,主要用來引水灌溉。合理安排寶瓶口與飛沙堰的位置,可實現(xiàn)都江堰第二級分水排沙的功能。

2 都江堰工程的水力學(xué)原理

2.1 “魚嘴分四六”

內(nèi)外江水流的主要影響因素是主流線位置和過流斷面形狀。主流線位置決定了主流方向,彎曲河道主流線的位置具有“低水傍岸,高水居中”的特點,由于內(nèi)江位于彎道凹岸,外江位于彎道凸岸,隨著來流流量的變化,都江堰魚嘴上游主流線位置橫向擺動:枯水期,主流線靠凹岸,內(nèi)江分水多,利于灌區(qū)取水;洪水期,主流線向凸岸靠近,內(nèi)江分水比例減少,洪水主要由外江宣泄,因此有利于枯水期內(nèi)江引水、洪水期外江泄洪。過流斷面形狀可改變流量變化中內(nèi)外江流量配比(表1),同時在來流變化時,岸坡坡度對內(nèi)外江流量變化速率的影響也不同。魚嘴前河道斷面呈非對稱彎道斷面(圖2),呈現(xiàn)凹岸側(cè)底坡窄深,凸岸平緩,因此,水位由低到高時,凸岸過水流量變化速率顯著大于凹岸,且變化速率相差越來越大,如圖3所示:來流增加過程中,外江過流量增加速率始終大于內(nèi)江,且變化速率的差值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;當(dāng)岷江來流為1 000 m3/s時,內(nèi)外江流量比例相當(dāng),變化速率相近,但當(dāng)岷江來流達到5 500 m3/s時,變化差值達到最大,有利于外江泄洪、內(nèi)江引水??梢姡~嘴位置的選定尤為重要,合理魚嘴位置可按需調(diào)節(jié)內(nèi)外江分水比例,使得內(nèi)江引水“枯而不干,洪而不澇”,達到削峰減谷的效果。

圖2分四六原理

圖3 內(nèi)外江相對流量增加速率表1 都江堰渠首工程泄洪流量

岷江流量/(m3·s-1)內(nèi)江流量/(m3·s-1)外江流量/(m3·s-1)寶瓶口流量/(m3·s-1)飛沙堰流量/(m3·s-1)內(nèi)外江流量比飛沙堰占內(nèi)江流量比/%內(nèi)江占岷江流量比/%10005504504201301∶0.8223.655.0200010209805205001∶0.9649.051.040001800220064011601∶1.2264.445.055002300320070016001∶1.3969.641.855002300320052017801∶1.3977.441.860002460354068017801∶1.4472.441.070002800420070021001∶1.5075.040.0

注:飛沙堰流量包括水平槽和人字堤的溢流量在內(nèi),但所占比例很小;摘自《四川都江堰灌區(qū)工程手冊》(1993年)。

2.2 彎道螺旋流

當(dāng)水流經(jīng)過彎道時,液體質(zhì)點受到離心力和重力的共同作用。離心力作用下,凹岸水位抬高,凸岸水位降低,造成水面橫比降;重力作用下,水面橫比降引起斷面橫向壓力差,這種沿垂線均勻分布的壓力差和沿垂線非均勻分布的離心力,疊加形成橫向力矩而產(chǎn)生橫向環(huán)流,此環(huán)流與縱向水流結(jié)合在一起,形成順主流方向呈螺旋形向前運動的水流,取橫斷面的水流流動結(jié)構(gòu)即為橫向環(huán)流,見圖4(b)。

取水深方向單元水體進行受力分析,水流流經(jīng)彎道時受到離心力和側(cè)壓力共同作用,產(chǎn)生離心力f1,將橫比降公式帶入側(cè)壓力公式可得側(cè)壓力f2。

f1=ρu2/r

(1)

f2=α0ρ

+

(2)

式中: ρ為水流密度;u為流向速度分量;r為河道曲率半徑;α0為流速分布系數(shù),可由縱向流速分布求得;vcp為縱向平均流速;τr0為河底橫向阻力;h為水深。

由式(1)~(2)可知,側(cè)壓力f2縱向分布均勻,指向凸岸,而u縱向分布的不均勻?qū)е码x心力f1由底層向表層逐漸增大,指向凹岸。f1f2的共同作用在河流橫斷面內(nèi)產(chǎn)生一個合力矩,導(dǎo)致河流在向前流動的同時伴隨有橫向環(huán)流,橫向環(huán)流將泥沙石塊由凹岸帶向凸岸(圖4)。另外,從剖面圖橫斷面合力分布(圖4(b))可以看出,隨著流速分布沿水深方向不均勻程度增大,橫向力矩增大,排沙能力增加。因此,飛沙堰的排沙作用隨泄洪量增加而增強,洪水越大,分流比越高,排沙效果越顯著。

2.3 凹岸取水,凸岸排沙

都江堰樞紐區(qū)河床為砂卵石淤積層,易沖易淤。岷江進入都江堰河段后,由于內(nèi)江分流后輸沙能力降低及河道比降變緩,卵石推移質(zhì)沿程淤積,內(nèi)江河口和飛沙堰對岸的鳳棲窩河段淤積尤其嚴重[11]。都江堰河段為一天然彎道,特別是內(nèi)江段處于彎道凹岸側(cè),水深較深,流速較大,易形成彎道螺旋流。重力作用下,泥沙在水流中分布也不均勻,表層水流含泥沙較少,底層水流含泥沙較多;由于彎道環(huán)流的作用,表層水流流向凹岸,沖刷岸壁沿底層返回,底層水流攜帶泥沙流向凸岸,從而將底沙上掀至岸坡,造成凸岸淤積(見圖4(b))。寶瓶口處于凹岸,正對含泥沙較少的表層水流,以“正面取水”之勢將較清澈的河水引到下游進行灌溉;而處于凸岸的飛沙堰正對底層水流,以“側(cè)面排沙”之勢將較渾濁的河水排入外江[2]

(a) 平面圖

(b) 剖面圖
圖4 彎道螺旋流示意圖

2.4 兩級分水排沙

分水排沙是河流開發(fā)利用中很重要的技術(shù)難題,都江堰工程布局合理,幾大工程相互配合,形成多級分水排沙功效,共同解決了岷江泄洪以及取水排沙的難題。岷江水流從都江堰上游挾沙而來,都江堰河段床沙級配粒徑范圍0.15~510 mm,級配寬達4個數(shù)量級[12],沙粒在洪水期以卵石推移質(zhì)為主,枯水期以懸移質(zhì)和較小沙礫為主。魚嘴將岷江水流分成內(nèi)江和外江兩部分,經(jīng)過都江堰河段上游自然彎道的淘刷和淤積,將大部分卵石沙礫分到外江宣泄,同時魚嘴位置的選取決定了內(nèi)外江分流比,此處為第一級分水排沙。經(jīng)過魚嘴一級分水排沙作用,流入內(nèi)江水流以懸移質(zhì)和較小沙礫為主,由于內(nèi)江處于彎道凹岸,根據(jù)螺旋流原理,寶瓶口“正面取水”,飛沙堰“側(cè)面排沙”,共同組成第二級分水排沙。一方面,寶瓶口是人工雕琢而成的引水口,其進口底部高程高出內(nèi)江河底高程,保證了引水質(zhì)量,進口寬度控制了流量,因此可以第二次調(diào)節(jié)進入灌區(qū)的水沙;另一方面,飛沙堰利用螺旋流原理底部淘沙,合理設(shè)計堰高,可以起到第二次排沙和分流的作用。

3 都江堰工程的規(guī)劃管理理念

圖5 都江堰工程與規(guī)劃管理體系

魚嘴、飛沙堰和寶瓶口,無論是結(jié)構(gòu)布局還是功能布局,都是巧奪天工,渾然一體,形成了布局合理的系統(tǒng)工程。魚嘴分流,飛沙堰排沙,寶瓶口引水灌溉,聯(lián)合發(fā)揮分流分沙、泄洪排沙、引流沖沙的重要作用,過程銜接之完美,配合之默契,可謂渾然天成。都江堰工程巧妙的結(jié)構(gòu)布局和功能無形之中蘊含了許多規(guī)劃管理的理念。筆者從規(guī)劃管理的角度分析都江堰工程三大主要工程,旨在挖掘出值得現(xiàn)代規(guī)劃與管理者可借鑒的幾點啟示。

3.1 規(guī)劃三步曲

a. 目標明確,有效結(jié)合。都江堰工程集航運、防洪、灌溉于一身,最終目的是惠民。寶瓶口用于引水灌溉和防洪,是工程目的之所在,魚嘴分流分沙和飛沙堰阻流排沙二者共同保證了引水目標的實現(xiàn),形成了“寶瓶口引水灌溉—魚嘴分流分沙—飛沙堰阻流排沙”的“鐵三角”關(guān)系,最終達到了惠民的目的。從規(guī)劃角度可引申出“目標明確,有效結(jié)合”的理念,只有目標明確,才有前進的方向和動力,才能啟動整個項目,此外還需要有效的相互結(jié)合的技術(shù)和手段作為支撐。

b. 整體規(guī)劃,調(diào)控大局。魚嘴的主要功能是分水分沙。魚嘴“分四六”的功能從整體上控制內(nèi)外江分流分沙比,一定程度上保證了寶瓶口枯水期、洪水期均可以取到水。魚嘴位于上游,調(diào)控了下游內(nèi)外江水沙量的整體分布,具有關(guān)鍵的決定性作用。對規(guī)劃者來說,魚嘴意義在于“整體規(guī)劃,調(diào)控大局”,在目標確定情況下,認真研究各個關(guān)鍵因素的相互關(guān)系,確定整體實施方案。

c. 細化調(diào)整,伸縮有度。飛沙堰主要用于排水飛沙。李冰治水三字經(jīng)“深淘灘,低作堰”中,“深淘灘”指每年必須清除內(nèi)外江底淤積的泥沙,使河床保持一定的深度,保證江水暢流;“低作堰”使飛沙堰高度低于堤岸,以便更好、更有效地發(fā)揮溢洪作用,避免造成水災(zāi)。這里“低作堰”強調(diào)了飛沙堰高度選取的重要性,堰頂高度直接決定飛沙堰協(xié)調(diào)引水與排沙矛盾功效的發(fā)揮。從引水的角度,飛沙堰不能過低,以滿足寶瓶口引水灌溉要求;從排沙的角度,飛沙堰也不能過高,使具備排沙的功能。因此,在方案思路已定情況下,在處理具體細節(jié)上,“飛沙堰”給規(guī)劃者一點啟示:細化調(diào)整,伸縮有度。工程項目離不開規(guī)劃,一般都是整體思路明了,細節(jié)繁瑣又不確定,但差錯往往出在細節(jié),因此細節(jié)的規(guī)劃研究才是重點與難點。大體框架建好后,要進行細化、量化,還要反復(fù)調(diào)整修改,這就是“細化調(diào)整”。至于細化到何種程度,考慮是否周到,要有分寸,這也是最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié),不能一味求“細”,反而重心偏離,效率低下,甚至產(chǎn)生誤導(dǎo),這就要求“伸縮有度”。

都江堰工程與規(guī)劃管理體系見圖5。

3.2 管理二要素

a. 分配合理,各司其職。都江堰工程設(shè)計建設(shè)過程中因勢利導(dǎo)、因地制宜,三大工程各具特點,對位置、結(jié)構(gòu)、尺寸、方向等的設(shè)計布置,與岷江的河勢、周邊的地理條件、上游來水來沙條件等相互結(jié)合;功能上,寶瓶口引水灌溉、魚嘴分流分沙、飛沙堰阻流排沙,功能相互獨立,不可替代;設(shè)計上,在構(gòu)建飛沙堰和魚嘴時,采用竹籠填石法,就地取材,充分利用岷山附近盛產(chǎn)的大竹制作竹籠、打樁護灘等,以江內(nèi)淤積卵石為原料填充竹籠筑堰和護坡,不僅清理了河底淤積,而且解決了材料的問題??梢?,三大工程因勢利導(dǎo),因地制宜,各具特點,各司其職,不可替代,各自發(fā)揮著獨特的功能。同樣,對管理者來說,要結(jié)合個人所長、合理全面分配人力物力財力,要求成員各司其職、獨當(dāng)一面,才能降低成本,提高效率,而不是盲目分配、相互依賴、沒有擔(dān)當(dāng)。

b. 精誠團結(jié),緊密協(xié)作。都江堰工程的經(jīng)久不衰離不開各個子工程相輔相成,互為補充。同樣,對于現(xiàn)代化的企業(yè)管理來說,在分配合理、各司其職的團隊基礎(chǔ)上,最重要的是精誠合作、緊密協(xié)作的理念,大家心往一處想,勁往一處使,集思廣益,互通有無,團結(jié)協(xié)作,必然會干出一番事業(yè)。

4 都江堰工程的人文思想

4.1 天人合一

“天人合一”是人與自然間關(guān)系的一種理想境界。人類活動要順應(yīng)自然規(guī)律,不能破壞與超越自然規(guī)律;自然規(guī)律又要為人所用,使之服務(wù)于人類的經(jīng)濟繁榮與社會進步。有史以來,人類的進步大多是以向自然界索取作為代價的,很少能夠達到“共贏”,生產(chǎn)力低下的古代更是如此。然而,古人因地制宜,因勢利導(dǎo),利用地理環(huán)境的特點,發(fā)揮人類無窮的智慧,在都江堰工程上實現(xiàn)了“天人合一”。都江堰工程巧妙地利用岷江的自然環(huán)境,合理布局各渠首建筑物,使其成為有機統(tǒng)一體:都江堰除了魚嘴、飛沙堰、寶瓶口三大主要工程之外,還有百丈堤、金剛堤、人字堤等,這些工程的位置、形態(tài)及方向等,與岷江河床走勢、不同季節(jié)上游的來水來沙變化等相互結(jié)合,達到巧妙引水、分水、泄洪、排沙等目的。魚嘴并未橫跨江面筑成一道攔河大壩,而是“不與水?dāng)场钡仨樦拥乐鹨坏婪炙?,并與其上游的百丈堤及下游的金剛堤聯(lián)合作用,達到分流分沙的目的。與現(xiàn)代化的攔河大壩和閘門調(diào)控相比,其優(yōu)越性依然存在,甚至更有“天成之美”。

都江堰工程作為中國傳統(tǒng)水利工程無壩引水的典例,實現(xiàn)了排、灌兩便,既不修筑攔斷岷江的堰壩,又不設(shè)立取水調(diào)水的控制閘門,在無任何人為干預(yù)(如開閘、引水、泄洪等)的情況下,能夠自動地、自如地調(diào)配水量,使灌區(qū)內(nèi)“水旱從人,不知饑饉”,造就了“天府之國”。

4.2 可持續(xù)發(fā)展

a. 設(shè)計理念。作為中國古代水利工程無壩引水的典例,都江堰工程的布置充分利用了河流水文以及地形特點,既滿足了引水或通航的需求,又沒有改變河流原有的地理特征,因地制宜、無壩蓄水、無閘分流、順應(yīng)自然、保護生態(tài)環(huán)境是其一大特點。然而,20世紀以來,現(xiàn)代水利科技技術(shù)取代了這一水利模式,許多天然河道被閘壩截斷,缺乏科學(xué)規(guī)劃,盲目興建一些水利工程,導(dǎo)致下游斷流、地下水枯竭、生態(tài)環(huán)境遭受嚴重威脅。

b. 治水技術(shù)。為了解決卵石淤積問題,古代人們建立了一套完整的引水排沙技術(shù):利用三大渠首工程巧妙地解決了引水、泄洪及排沙的矛盾;就地取材,合理利用河底淤積卵石筑堰治水,防護岸堤,減少了河床淤積,增加了河道過流能力,保證了內(nèi)外江河床穩(wěn)定,從而進一步保證了分沙穩(wěn)定;管理維修使多余泥沙及時清除,被破壞工程得到及時修復(fù)。這也是都江堰工程2 200多年經(jīng)久不衰,成為世界上現(xiàn)存最古老的水利工程之一的主要原因[7]

c. 經(jīng)營管理。在工程運營管理上,都江堰工程堅持嚴格的歲修制度,形成了獨特的治水經(jīng)驗和準則,如“三字經(jīng)”、“六字訣”、“八字格言”等。在灌區(qū)經(jīng)營管理方面,形成了獨特的“官堰民渠”經(jīng)營管理體制,官民合作,共同受益?,F(xiàn)階段,《都江堰灌區(qū)水利管理制度》等系列制度的制定,表明在設(shè)備和管理方法上都有了很大的改進,進一步提高了經(jīng)濟效益和社會效益,形成了良性漸進式的持續(xù)發(fā)展模式。

d. 施工取材。都江堰河底多卵石推移質(zhì),河段周邊多竹林。李冰等就地取材,采用卵石、竹子和木材,制作的竹籠、榪槎、木樁等構(gòu)件具有良好的消能防沖性能和生態(tài)功能。然而,20世紀以來,隨著鋼材和水泥在水工建筑物中普遍運用,對環(huán)境和生態(tài)造成嚴重破壞,應(yīng)該引起反思。

“道法自然、因地制宜”的設(shè)計理念,可持續(xù)的技術(shù)和管理措施以及施工取材,無不反映都江堰工程的可持續(xù)發(fā)展思想。2 200余年來,都江堰工程不僅沒有對岷江河道、樞紐所在的周邊地區(qū)以及灌區(qū)產(chǎn)生任何生態(tài)與環(huán)境的負面效應(yīng),反而促進了整個成都平原社會經(jīng)濟效益和環(huán)境生態(tài)效益的提高與協(xié)調(diào)發(fā)展。面對各種環(huán)境生態(tài)問題接踵而至的今天,都江堰工程體系非常值得深入研究和借鑒。

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Reflection and enlightment of Dujiangyan Project

WANG Fangfang1,2, WU Shiqiang1

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing HydraulicResearch Institute, Nanjing 210029, China; 2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, China)

DOI:10.3880/j.issn.1004-6933.2017.05.004

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51379128)

作者簡介:王芳芳(1988—),男,博士研究生,主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面研究。E-mail:wff08020102@163.com

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