清流观点 | 黄万里：论都江堰的科学价值与发展前途
论都江堰的科学价值与发展前途
黄万里·1985年岷江出灌县，分流奔放，入盆地如入大海，在地质历史上冲积成盆地三角洲，这就是成都平原。古人东别为沱，凿离堆，扩展冲积范围达六千多平方公里。今人又开人民渠，导水入沱江而涪江，于是范围益广。这样，分散地铺开了岷江洪水，淤灌了平原农田，沟通了水道运输，化害为利。
所有这些，总其成于灌口枢纽，是为都江堰。都，总也；江指岷江；堰则为鱼嘴、飞沙堰与宝瓶口等工程。工程简单而有效，虽岁必翻修，三五年必大修，但其利溥，岁岁翻修不足道，二千余年来未能有易。
试看那郑国渠，当时曾是强秦的粮基，但随后湮没，莫得考其确址，今泾惠渠是重新开出的。再看那宁夏的秦渠、汉渠，湮没已久，现存渠线相距甚近，未必是当年遗迹。
唯有都江堰，二千余年来分洪、淤灌、筏运经久不衰，且获发展，何也?一则合乎工程经济原理，二则依从水沙流规律，三则遵守治河法则，其启示后世者也够宏伟了！兹分论如次。
都江堰没有永久工程
都江堰没有永久工程，也就是没有基本建设，没有一次投资，P=0;都江堰只有岁修工程，也就是只有常年维持费，往时平均以四万银元M=40000；姑且算早年只灌溉一百万亩，则每年每亩只摊费4分银元。地主每年收租一老担谷子，这摊费纵使再扩大十倍，也不算苛。以后灌溉面积扩大到三百万亩，如今保灌八百多万亩，则每亩摊费更小了。
依据收租的谷价推算，灌溉水所创造的价值不会小于每亩一银元。仍按一百万亩田计，则每年增益在一百万元以上，即F》1000000，所以年增益F》年维持费M(基建投资P=0)。在不需投资的条件下常年效益远远超过常年开支，工程经济价值因此成立，岁修易于推行:
F》Pr+M=M，(P=0，r=年利率)
没有人认为岁修M需四万银元，所费浩繁，不如投些资本(P)，经营基本建设，以减免岁修费用。这就要求在假设新的年维持费M'=0的条件下Pr≤M。设r=0.1，则:
P≤(M-M')/r=40000/0.1=400000(银元)
即永久工程投资不得大于四十万银元，假定以后不需岁修开支，这是做不到的，亦即改为永久工程的可行性不成立。
都江堰的工程经济启示些什么呢?
在历史上钢筋混凝土没有发明以前，没法修永久性工程，都江堰工程做出了榜样：简陋的工程方法和到处存在的工程材料尽可年年翻修，同样可以做到经济价值或可行性成立。
那么，如今有条件修永久工程了，可不可以修呢?当然是可以的，但其造价或投资P仍不得超过:
P≤ (M-M') /r
譬如说，投资修永久性外江闸和内江飞沙堰等后，每年仍需“深淘滩”的
费用M'=10000(银元)，则
P≤(40000-10000)/0.1=300000(银元)
即投资不得超过三十万银元，否则宁愿维持原来年年岁修的老办法，依据
经济原理无法替代它。这就是都江堰在工程效益方面对后世重要的启示。
据说曾有一法国工程师到此叹为观止，说不可能有一个经济上合理的工程方法替代它（都江堰）。
但是，偏偏有不少具备近代技术的工程师经常跃跃欲试。或云经济可行性应由年效益F决定，上式中M应改为F，F按百万亩受益，每亩受益5元计，应在五百万银元以上:
P≤(F-M')/r=49900000(银元)
即投资虽高达四千九百九十万元,经济上也是可行的。这计算法在根本没有都江堰的工程方法已先存在的情况下,似是可行的。但既有都江堰创造在先,就必须对比都江堰的工程经济，应舍弃F改用M。用F计算,只是必要的条件；用M才是必要而且足够的条件,才是合理的经济核算。
上述简略的估算,说明都江堰在经济方面创造性的伟大所在。在这个工程经济核算问题上,后世的技术家们犯过多少错误！并不是只限于都江堰的技术经济。
对于扩大了灌溉亩数后，例如今扩大到八百多万亩，F大增为F'，那可不可用F'计算呢?这样算出的投资额仍只是必要而非足够的演算。还需比较设计各种工程方法，譬如(1)仍靠杩槎可能增水入内江达到什么最大程度，以保灌八百多万亩?(2)竹笼飞沙堰可以抬高到什么程度以保证通过增大的流率?每项工程都要分别比较设计岁修性工程、半永久性工程和永久工程，计算其工程投资和常年维持费，甚至在不同灌溉亩数下分别计算比较，这原是极繁复的问题。愿大家明确：肯这样负责地设计比较，正是技术工作者服务道德和技能的表现。愿大家警惕：我们稍一怠慢，就会招致错误地凝固数以万计的不产生效益的劳动力!
都江堰的功效表现在(1)防洪，(2)灌溉，(3)治河与(4)通航四方面的成功。《史记.河渠书》:“凿离滩，辟沫水之害；穿二江成都之中。”此渠皆可行舟，有余则用溉浸，百姓飨其利”，自古如此，固班班可考也。
成功的原因是对于水沙流规律一(1)水流的规律，和(2)水流输沙的规律—有着正确的认识。本节专谈都江堰所援用的水沙流规律。都江堰的布置说明先贤们认识到下列一些事实:
(1)岷江洪水在内江无闸控制下是可以而且应该分流到沱江，并“穿二江成都之中”的。
(2)分流之后外江水势就会大杀，挟带底沙卵石的力量因此减小，河床将会淤高。可能未分流前岷江灌口这段河道原本就是淤积着的。所以必须“深淘滩”，以淘去外江滩上的淤积。
(3)分隔内外江之堤不宜修得太高，以免汛水在杩槎拆开之后进入内江太多，使成都受害。所以宜“低作堰”，这堰须是滚水坝，这堰还须能把内江部分悬沙随水滚回外江，故称飞沙堰。
读者切莫等闲看待先贤们这三项认识。特别是第(1)项水流在三角洲上，不管是湖相的或大海的，就该分流而不该集流，这点从来治理长江和黄河的技术家们都未能认识到。在长江荆江段大水时把各口都封住，如今只剩下松滋和藕池两口，还说要把这仅剩的两分流口也封住，以利封支强干云云。在黄河，束洪流于两堤之中，历史上二十几道口子皆封闭，只在特大洪水不得已时开一口泄水杀洪云云。这个问题涉及治河的基本策略，说来话长，请参考黄万里:《论治理黄河的方略》。
关于第二点，按岷江在都江堰的一段河床纵坡1/250~1/200，这样陡的坡通常发生在河流上游正在冲刷的减坡性河段。但在岷江，因上游来沙多而粗，其中底沙卵石占不少成分，输入盆地后堆积成三角洲，因此在这样陡的坡上还在进行着淤积，这河段是增坡性的。灌县处于湖相盆地的边缘，水沙流倾入静水池而沉积，成都平原迄今尚在造陆过程中，逐渐趋向于平衡而尚未达到平衡。
都江堰以下在这样淤积的过程里，河床理应不断升高，成都平原理应仍在不断受着岷江诸支派的泛滥而堆积起来。没有明显出现这类堆积现象，是因为都江堰把超过平衡的输移卵石量从河床里淘了起来。所以“深淘滩”是使灌口到青神平羌峡间湖相盆地三角洲各河段大致获得长期平衡的原因。这就是都江堰对其下游的防洪与治河方面成效卓著的表现。当然，对于特大洪水，如1981年发生泛滥和淹没，甚至大卵石跃起到两岸，总是不可免的。
第三点:“低作堰”是在三角洲顶点对左右分流各支中沙流的权衡调节:使一方面保持水沙“穿二江成都之中”得到充分的灌溉水量，但又不过多而泛滥;另方面使汛期悬沙大部集于外江以便排洪排沙，不足之处辅以人工淘滩。
三
论都江堰对于治河法则的创造
“深淘滩、低作堰”是古人在掌握了水沙流规律对都江堰工程的专门指示:而“遇弯截角、逢正抽心”不仅适用于都江堰，而且是治理堆积性(增坡性)河流的普遍性法则。
美国原仅有二百年立国历史，到1936年才从治理密西西比河下游的经验，认识到裁弯取直是正确的法则。在这以前，普遍认为取直后洪流将径奔下游，使下游流率增大，水位抬高，因而是不利的。不知当弯道和捷径同时存在下，两道并流，增加了河槽临时蓄水的容量，只会使下游洪水流率和水位减低。而我都江堰二千二百年前就已建立了这个治河法则。
“逢正抽心”意思是在正直的河段要淘挖河道中心的深槽，使其在这里淤高，以免再抬高上游弯段的水位，招致更多的淤积。德国治理这种直段的方法是束水攻沙，束水后这里陡坡更陡，使直段积沙易于冲下去，同时也主张辅以淘挖，故两者并不矛盾。但束水工程往往因为两个弯道中间夹着直段经常会全面下移，束水设备可能会被抛弃在后面而成为无用。
都江堰年年淘滩是否能对于岷江下游河槽起着水沙流平衡的作用，宜从岷江实测资料里查考。作者1939年率队测量岷江乐山至成都段河道，绘有完全的河道平面、纵断面和许多横断面图，并埋设有水准桩。这些资料应保存在四川省水利厅中。可以就地量测对照，以观45年来各河段是否淤积、冲刷或近乎平衡。
1
应该遵守实质性的内涵原则
都江堰在综合防洪、灌溉、治河和通航各方面的成效显著，在工程上对于杩槎、鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口都曾制订了位置和尺度，二千年来人们沿袭守成，岁岁翻修不改有易。今时移境迁，人们需要更多的水灌溉扩大了的面积，必须对原有的法则有所改变，那么究竟什么是可以更改的，什么是不可更改的呢?
显然，应该遵守的不是那些古来制订的工程位置和尺度，那些只是规定的表面上的现象;而应该是那些实质性的内涵原则，它们才是先贤启示后世的治水法则，如前面所列述的:
(1)工程经济原理:P≤(M-M')/r，F》Pr+M'
(2)水沙流规律:保证内江需要的进水量，限制其分流洪水流率，保证内外江河槽不淤高。
(3)治河法则:淘滩浚槽，裁弯取直。
考查比较各种方案，可用这三条法则检验:对于一定的灌溉范围，防洪标准、沙流平衡、通航尺度，那个Pr+M'=最小的方案理应当选。问题的复杂在于各个方案对四种要求的程度不一致，于是舍取之间就必待平衡斟酌了。
但是在考查中否定某方案倒是很简单的，只要检查下列三条:
(1)方案违背了工程经济原理:P≥(M-M')/r,虽然F>>>Pr+M'
(2)方案违背了水沙流规律，例如虽然保证灌水量而分洪太多;河槽将会淤高或两岸遭冲毁。
2
发展都江堰灌区的规划宜循下列思路依次进行。
(1)按季节每15天时段，制订每亩合理的灌溉水量，尽量扩大灌区，定出各支派分区多时段的灌溉水量和控制流率(即最大的施灌立米秒)。这要求增加岷江灌溉时期总的水量，并增加进入内江的比量。又要求提前泡田日子，以减小全程最关键的控制流率。往往因岷山春季雪融较迟，拖延了开始泡田的日子，因而缩短了泡田期限，不得不增加泡田流率，在一定供水流率下减少了泡田亩数。这两点要求在岷江上游及其山区支流建设调节水库。
(2)汛期内外江的进口流率宜按比例分配;更多地注意内江防洪，只宜表现在控制飞沙堰、平水口等内江湃水入外江流率方面。建议内江进口不增设闸。正南江总是岷江的排洪干道。
(3)保证都江堰各部河槽不淤高，内外江必须设立水准标志，年年淘挖。由于内江灌溉引水及分洪流率皆增大，外江流率相对减小，其输沙率也减小，特别是洪水相对减小后可能带动的卵石年输量减少，都江堰上下将淤积更甚。因此，要求山区调节水库同时拦截卵石下行，以减轻都江堰每年淘滩的负担。外江节制闸用来替代杩槎者要在中部深槽一孔改设较宽的闸。闸门用大跨式圆形卷筒式，开放时向上卷起。闸底栏需低于河床底一米多。这样可使汛期水沙畅流，且保证河底卵石能以向下移动。
(4)飞沙堰可改修成一段为溢洪道，其顶高许可高于古训之顶;另一段为活动排水排沙闸，在闸后内江加设横斜低洼的排沙沟，可按需要启闭，使尽量排出内江的悬沙与底沙。宝瓶口上游之槽底可设置倒坡与底栏，以堵截或减少沙石入口。
(5)为了都江堰改进防洪，发展灌溉，与减少砂石输移，需要在岷江上游及山区支流调洪、蓄水并拦沙。这些拦沙坝宜设于人烟稀少的山区支流，并可利用长输水道引水上山集中水头发电。拦河坝用大爆破堆石坝较经济，其位置、坝高、引水水头均需使调节流率、发电功率等配合在一定效益之下最为经济。所有这些工程，应按统筹论(俗误称“系统工程”)统一规划，不得偏废。
(6)都江堰以下直到青神平羌峡整个成都派域(派域指分流成许多支派而属一个整体的地域)要保证在长期下不淤填，也不冲刷，也就是河道长期内趋向于平稳状态。这需要测有河道的纵断面，考查其全面冲淤情况。若冲淤太大，河道就需整治。
摄影/孙吉、华桦
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作者简介：
黄万里(1911年8月20日—2001年8月27日），出生于江苏川沙（今上海浦东），黄炎培之子，美国康奈尔大学硕士和伊利诺伊大学博士，清华大学水利系教授，毕生致力于中国跨学科研究河流水文与水流泥沙，主张从江河及其流域地貌生成的历史和特性出发，全面、整体地把握江河的运动态势；认识和尊重自然规律，把因势利导作为治河策略的指导思想，主要学术论著有《洪流估算》、《工程水文学》、《论治理黄河方略》等。
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