都江堰“乘勢利導”與長江河勢“九辯”

董耀華

(長江科學院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室,湖北 武漢 430010)

0 引 言

都江堰始建于公元前256年,順利運行2 000多年,是中國古代最早的水利工程之一,也是世界上最成功的無壩引水工程。都江堰兩大主要功能是成都平原灌溉與岷江防洪,渠首三大主要工程是魚嘴、飛沙堰和寶瓶口(圖1)[1-2]。據(jù)傳李冰留下“深淘灘、低作堰”治堰準則,清朝人將其擴展為都江堰治水“三字經”,并總結出“乘勢利導、因時制宜”和“遇灣截角、逢正抽心”兩個版本的八字格言。

都江堰作為控制岷江由岷山進入成都平原的灌溉渠首工程,與三峽工程作為控制長江上游山區(qū)進入中下游沖積平原和“治江三階段”戰(zhàn)略計劃[3](以防洪除害為主,兼及開發(fā)利用,以堤防、分蓄洪、水庫攔洪為措施而分時期各有側重)的防洪骨干工程,具有殊途同歸與異曲同工之效,兩者均屬于長江河勢的控導與防洪工程;同時存在著工程特性和后續(xù)任務等共性“憂患”——都江堰后期歷朝歷代改造修繕或多或少地改變了其“無壩引水”特征,三峽工程“積極準備、充分可靠、有利無弊”指導方針[3]的全面實現(xiàn)尚任重道遠且待歷史檢驗;而且共同體現(xiàn)了中國水利人亙古至今的“治河·治江·治水”理念——河流泥沙與治河防洪的“治河”理論,長江治理保護與開發(fā)利用的“治江”實踐以及興水利、除水害的“治水”使命。

鑒于都江堰-三峽工程、岷江-長江以及成都平原-長江中下游之間的相似與關聯(lián),本文首先重新剖析了都江堰治水經,然后綜合提出了“大河勢”思維,最后對長江河勢的時空演變進行了初步辯識。

圖1 都江堰渠首工程布置示意

1 都江堰“乘勢利導”

蘆田和男等[4]將河床演變劃分為3類——“小規(guī)?！?如:沙紋、沙壟、逆向沙壟)、“中規(guī)?！?如:沙洲、彎道、河工建筑物周圍)和“大規(guī)?！?如:修建水庫、河道整治)河床演變,借鑒和類比于此,都江堰治水“三字經”和八字格言也可以劃歸為3類——“大河演”(“乘勢利導、因時制宜”)、“中河演”(“遇灣截角、逢正抽心”)和“小河演”(“深淘灘、低作堰”)治水經。都江堰“大河演”治水經“乘勢利導、因時制宜”中的“勢”應該既包涵河流的水勢、沙勢與地勢(山河形勝及河流形態(tài))等“狹義”河勢思想,也可以拓展到民勢、國勢與時勢等“廣義”河勢思想;借鑒古代“宇宙”說法——“上下四方曰宇,往古來今曰宙”(尸佼《尸子》),“乘勢利導”可以廣義地涵蓋“因時制宜”;相較于現(xiàn)代治河“因勢利導”表述,“乘勢利導”所表達的治水理念似乎更加“時勢”“動態(tài)”和積極主動。

現(xiàn)代水力學及河流動力學研究中,張瑞瑾[5]最早提出了“動態(tài)”河勢定義——“河道水流的流態(tài)(或河勢),具有很廣的含義,一切標志河道水流總體傾向的現(xiàn)象,都被納入這一概念之中”。林一山[3]最早倡導了河勢規(guī)劃方法——“運用河流辯證法的理論,研究工程所涉及河段的河床演變及其規(guī)律,特別是主流的軌跡及其形態(tài),制定出因勢利導的方案”,創(chuàng)造性地總結出長江第一壩葛洲壩工程的“一體兩翼”布置方案(二江主泓布置泄水閘、三江和大江布置航道),并提出了長江荊江主泓南移方案。董耀華[6]提出了“靜態(tài)”河勢線(河勢貼體擬合方法)——縱向與河勢或主流(河道中心線、深泓線、主控岸線、流量中線等)擬合,橫向與河勢控制斷面吻合的河勢線;由此構建的河勢貼體二維正交網格實現(xiàn)了河道平面二維水流泥沙的較好模擬,并為河道一、二維數(shù)?！盁o縫”嵌套以及河長精準計算提供了可能與便利。

古代都江堰治水經中的“狹義”河勢思想與現(xiàn)代河勢、大河演等思想與理論十分契合,與此關系密切的近現(xiàn)代宏觀河流學相關理論與實踐包括:① 沖積河流“均衡理論”[7]——在印度、巴基斯坦,主要是通過對灌溉渠道的觀測,討論了河流的調整作用及形態(tài)特征;② Mackin“平衡河流”[8]——沖積河流自動調整的最終結果在于力求使來自上游的水量和沙量能通過河段下泄,或稱“平衡傾向性”;③ Lane輸沙平衡關系[9]——QS∝QSD50(Q為流量、S為坡降、QS為床沙質輸沙率、D50為床沙中值粒徑);④ 張海燕河流最小能耗理論[10]——沖積河流的兩個傾向性是單位河長的能耗率(γQJ)趨于最小和能耗率在一河段中趨于沿程均勻化;⑤ Schumm 河流輸沙分區(qū)理論[11]——基于流域產沙與河道輸沙特性,將河流劃分為產沙區(qū)、泥沙輸送區(qū)和泥沙沉積區(qū);⑥ 河流分級Horton法[12]——最小不分枝的河流屬于第1級,僅僅接納第1級支流的屬于第2級,接納1、2兩級支流的屬于第3級,依次類推;⑦ 河流形態(tài)學[13]——基于流域、水系和干流河道三要素,研究河流分類-分級-分段以及干流河道的平面-剖面-斷面形態(tài);⑧ 沖積河流穩(wěn)定性指標[1]——K=D/hJ(D為泥沙代表粒徑、h為水深、J為坡降);⑨ 黃萬里“治河四策”[14]——“蓄”(攔河截流)、“塞”(筑堤防洪)、“浚”(浚深河道)、“疏”(溢洪疏浚)等。

綜上所述,本文綜合提出了基于宏觀河流學的“大河勢”思維:① “大河勢”思維——都江堰“狹義”河勢(水勢、沙勢與地勢)與“廣義”河勢(民勢、國勢與時勢),“大河演”,“動態(tài)”河勢,河勢規(guī)劃以及“靜態(tài)”河勢線等思想方法;② 宏觀河流學研究——以“河流形態(tài)學(幾何)-河床演變學(運動)-河流動力學(動力)”研究為基石,相關理論實踐包括但不限于沖積河流“均衡理論”、Mackin“平衡河流”、Lane輸沙平衡關系、張海燕河流最小能耗理論、Schumm河流輸沙分區(qū)理論、河流分級Horton法、河流形態(tài)學、沖積河流穩(wěn)定性指標以及黃萬里“治河四策”等。

2 長江河勢“九辯”

傳承都江堰“乘勢利導”治水經應推陳出新,鑒于都江堰-三峽工程、岷江-長江、成都平原-長江中下游之間的相似與關聯(lián),以及三峽工程運用后長江河勢的顯著變化,本文嘗試對長江河勢時空演變與因果關系的9個方面開展初步辯識?！熬呸q”內容體現(xiàn)都江堰“狹義”和“廣義”河勢思想,圍繞“河流形態(tài)-河床演變-河流動力”宏觀河流學研究內容,遵循《墨子·非命》“三表法”(有本之者,有原之者,有用之者)和本文“實踐-理論-科學”不可或缺關系的辯識(圖2)。

圖2 實踐-理論-科學

2.1 江源稱謂地位之辯

長江(圖3)江源之辯歷經了3個認知階段:① 岷山導江—— “岷山導江,泉流深遠,盛為四瀆之首”(《尚書》),“又東北三百里,曰岷山。江水出焉,東北流注于海……”(《山海經》),“岷山在蜀郡氐道縣,大江所出……”(酈道元《水經注》);② 金沙江三江源——北源楚瑪爾河、中源沱沱河和南源當曲;③ 沱沱河正源——遵循“江源維遠”原則,目前大多數(shù)認為沱沱河上游姜根迪如冰川為長江正源。

圖3 長江流域河流水系示意

長江稱謂至少有4種:① “江”或“大江”——佐證于《山海經》和酈道元《水經注》;② 干流江段代稱——分別以沱沱河、通天河、金沙江、川江、荊江代稱長江;③ 揚子江——“狹義”指揚州以下江段,“廣義”指岷江以下干流或整個長江,揚子江更能體現(xiàn)獨立河流的“河口優(yōu)先原則”[13];④ 長江Changjiang River——現(xiàn)代正式稱謂,但英文稱謂Yangtze River依然通行。

按干流河道長度計,長江世界排序第三(前兩位為尼羅河和亞馬孫河);按流域面積計,長江未進入世界前十位(前十位為亞馬孫河、剛果河、鄂畢河、密西西比河、尼羅河、葉尼塞河、拉普拉塔河、勒拿河、尼日爾河和阿穆爾河);按流域綜合面積(流域面積A0.5乘以河長L)計,長江世界排序第六(前五位為亞馬孫河、尼羅河、剛果河、鄂畢河、葉尼塞河)[13]。

2.2 干流支流水系之辯

長江干流與支流水系之間辯識:基于獨立河流與非獨立河流分類方法[13],長江干流作為獨立河流也可表述為長江流域、長江水系、長江干流、干流水系和干流河道等;長江流域非獨立河流包括所有支流、水系和湖泊,并遵循“河流水系一致原則”[15]。長江干支流河流水系分級方法及辯識包括:

(1) 長流規(guī)干支流劃分[16]。將長江水系劃分為干流和支流,再將支流區(qū)分為“峽谷地帶河流”(如雅礱江、大渡河、清江、沅江等)、“丘陵平原地區(qū)的河流”(如岷江、沱江、嘉陵江、漢江、湘江、資水、贛江等)和“中下游地區(qū)直接匯入江湖的中小河流”等3種類型;與此劃分方法類似,密西西比河也將整個流域分為干流、支流和小支流三級進行全面規(guī)劃與分別控制[17]。

(2) 長江流域水系劃分與河流分級[15]?；谒祫澐?“自大河而小河/樹枝模式”)與河流分級(“自小河而大河/根系模式”)研究方法,將長江水系推薦劃分為干流水系與雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個支流水系,并遵循“干流水系優(yōu)先原則”;基于改進的河流分級Horton法[12],選取流域面積不小于2 000 km2或河長不小于100 km“最小單元河流”,借助河流樹狀圖表方法(圖4),確定長江流域(不含太湖)河流總數(shù)為374條、長江最高河流分級數(shù)為6級(表1)。

注:長江干流河長僅截取500 km示意。圖4 岷江水系河流樹狀圖

表1 長江流域河流分級成果

(3) 長江流域河流水系“譜系”[13]。綜合提出的河流數(shù)量分別為1(長江干流)、4(干流河道、洞庭湖、鄱陽湖、太湖)、9(推薦劃分水系)、24、49、63、374和581長江流域河流水系“譜系”(圖5)。

圖5 長江流域河流水系“譜系”

2.3 干流河道分段之辯

干流河道分段具有流域分區(qū)與河道分段雙重功能,分段理論(方法)包括:① 山區(qū)與平原河道分段(2段劃分)[1]——山區(qū)河道演變以侵蝕下切為主,河床變形幅度小、速度慢,河床邊界受巖性和構造影響較大,河漫灘一般不很發(fā)育,河流走向比較順直;② Schumm 河流輸沙分區(qū)理論(3段劃分)[11];③ 河流5區(qū)分段(5段劃分)[18]——以流域分區(qū)為主導(“體”),以干流河道分段為目標(“用”),先按照河源、上游、中游、下游和河口5區(qū)進行流域分區(qū),后選取河勢和(或)匯流控制節(jié)點進行干流河道分段,綜合確定合適的河流分段數(shù)。④ 2類分段節(jié)點(3類劃分)[19]——依據(jù)世界十大江河常見或習慣分段法,總結出2類分段節(jié)點(河勢控制與匯流控制)和3類劃分方法(河勢、匯流與混合節(jié)點)。

綜合長江干流河道分段方法(表2)[18]：① 3段劃分——長江中下游分段節(jié)點有“湖口”(鄱陽湖匯口)和“漢口”(漢江匯口)之辯;② 5段劃分——凸顯長江源與長江口的特殊性與重要性;③ 2段劃分——長江中下游河流地貌與流域水系等差異性小,河道形態(tài)與河床演變等相似性大;④ 新2段劃分——三峽工程運用后長江干流正由5段、3段或2段劃分朝著“新2段”劃分演變[20];⑤ 分段節(jié)點——宜昌、徐六涇屬于河勢控制節(jié)點,直門達/巴塘河口、湖口屬于匯流控制節(jié)點。

表2 長江干流河道分段方法

2.4 河段劃分及河型分類之辯

河段劃分基于“中小河演”河道單元,上接“大河演”干流河道分段,屬于“廣義”河流分段(基于流域特性、河道特性和兼顧兩者的所有河流分段)[18]。作為例證,Biedenharn等在研究密西西比河下游裁彎河床演變時,也采用了“主河段”與“次河段”劃分方法[21]。

長江治理規(guī)劃通?；诤佣蝿澐?表3[18]給出了基于河流名稱、水系、行政、河勢和航道等長江干流河段劃分方法。但長江河床演變研究則更多地基于河型分類,通?；贚eopold法(順直、彎曲和辮狀)[22]或錢寧法(順直、彎曲、分汊和游蕩)[1],采用順直(微彎)、彎曲(蜿蜒)和分汊等3類河型分類(游蕩河型僅見于長江源區(qū)和贛江下游等少數(shù)河段);而Brice-Nanson河型分類方法(單一與分汊河道)(圖6)[23](參考2012年Gerald Nanson學術報告Anabranching Rivers and the Principle of Least Action)研究和應用得較少,但值得推薦:① 該方法河道形態(tài)鮮明且與河勢思想契合,順直與彎曲河型差異僅在于河道彎曲的“量”差而非“質”變;② 長江上游三峽河段3寬谷短段(大寧河、香溪河和廟南)與3峽谷長段(瞿塘峽、巫峽、西陵峽)間隔形態(tài),長江中下游河道也多呈現(xiàn)節(jié)點控制短河段與分汊/彎曲長河段“寬窄相間”的平面形態(tài)。

圖6 Nanson河型分類示意

表3 長江干流河段劃分方法

2.5 水沙變化及輸沙特性之辯

長江干流水沙變化、水沙關系及輸沙特性相關辯識總結如下:

(1) 基于頻率統(tǒng)計、適配線擬合、相關分析和累積曲線等4種方法和干流寸灘、宜昌、監(jiān)利、漢口和大通等5站水沙變化研究,長江干流年徑流量基本保持不變,年輸沙量呈減小趨勢,2000年后呈加速減小趨勢[24];基于獨立河流“河口優(yōu)先原則”[13],長江干流代表水沙站應選大通站。

(2) 三峽工程運用前(截至2005年)長江水沙關系基本遵循“水多沙多、水少未必沙少”規(guī)律[25];下荊江裁彎(1966年)、葛洲壩工程(1981年)和三峽工程(2003年)對壩下游干流河道的水文站年徑流量與年輸沙量雙累積曲線的影響十分明顯(圖7)[24],顯現(xiàn)了人類活動對長江水沙關系的影響。

圖7 三峽工程運用前長江大通站年徑流量與年輸沙量雙累積曲線

(3) 三峽工程運用后清水下泄和欠飽和輸沙改變了長江中下游河道輸沙規(guī)律及特性(圖8)[11],影響了壩下游河道沖瀉質、床沙質、推移質(底沙)與床沙的占比或級配,增大了泥沙測量困難(底沙漏測)與誤差(積點與積深測沙方法誤差)[26],凸顯了輸沙率法與地形法估算河道沖淤量的方法差異[27]。

圖8 Schumm河流輸沙分區(qū)理論

2.6 河床演變及河道形態(tài)之辯

三峽工程運用后長江干流河道“大規(guī)?！焙友荼憩F(xiàn)為水庫泥沙淤積、下游河道沖刷、江湖關系變化和河勢變化調整等4個“邏輯”遞進階段(圖9)[20]。長江干流河道已由自然河流的產沙-輸送-沉積三區(qū)劃分演變?yōu)槿祟惢顒佑绊懴律嫌嗡畮煊俜e-下游河道沖刷的兩區(qū)演變模式。

圖9 三峽工程運用后長江演變4個遞進階段

強烈的河床演變必然帶來河道形態(tài)的劇烈變化,包括:① 河道斷面變化——三峽工程壩下游河道沖刷表現(xiàn)為沖深(窄深化)還是展寬(寬淺化)一直備受爭議;已有研究表明葛洲壩工程(1980～1993年)下游河道呈現(xiàn)窄深化演變趨勢[28],而美國17座水庫下游231個斷面中河寬變化不大占22%、增大占46%、縮小占26%[29]。② 河道縱向變化——三峽工程壩下游河床下切產生或加劇了蘆家河段、荊江河段、洞庭湖匯流和鄱陽湖匯流等新舊河床控制節(jié)點變化[30]。

2.7 河湖關系及侵蝕基面之辯

河湖關系本質上也屬于干支流關系,歷史上長江中下游北岸云夢澤與彭蠡澤逐漸消失(僅殘存洪湖與龍感湖等),南岸洞庭湖與鄱陽湖的面積與容積持續(xù)銳減,例如:隨著荊江裁彎、調弦口建閘、葛洲壩和三峽工程運用,洞庭湖四口分流比已由新中國成立初期近50%銳減至10%左右,分流時段與分沙比也相應減小。

分解及對比長江主要河湖、洞里薩湖-湄公河、大湖-圣勞倫斯河等河湖關系(表4)表明:洞庭湖、鄱陽湖和太湖與長江干流的河湖關系較為復雜,且以洞庭湖-長江關系為最復雜。河湖關系及變化對長江河勢的最大影響是干流河道侵蝕基面(洞庭湖與鄱陽湖匯流節(jié)點)的改變,其連鎖影響關系及結果是:河湖分流分沙與匯流匯沙變化加劇了長江干流河道沖淤變化,改變了干流河道槽蓄能力、水沙關系、輸沙特性、洪水演進及河湖洪水遭遇,最終導致了長江干流河道洪、枯水位異常及水位-流量關系變化[31]。

表4 河湖關系分解及對比

2.8 自然河流與人類活動之辯

長江自然演變特征不斷減弱而人類活動影響不斷增強,長江干流“新2段劃分”(三峽工程以上和以下)、干流河道兩區(qū)演變模式(上游水庫淤積-下游河道沖刷)、河湖關系及侵蝕基面變化等均凸顯了人類活動的巨大影響。

人類活動對自然河流的影響可劃歸為兩類:① 影響河流資源為主——水資源利用工程(灌溉、供水、引調水)、泥沙資源利用工程(采砂、吹填)、岸線洲灘利用工程(港口碼頭、圍灘墾殖)、河道航道利用工程(通航、運河)等;② 影響河流環(huán)境為主——防洪治河工程(水庫、堤防、護岸、河道整治)、水生態(tài)環(huán)境影響工程(排污、取排水)、河道影響工程(跨河工程、臨河工程)等。盡管很多人類活動同時具有河流資源與河流環(huán)境雙重影響(如水庫、取用水、岸線洲灘利用等),但是區(qū)分兩者是必要的。例如:楊立信[32]基于“調水是解決水資源時空分布不均的最重要、最有效的方式”定義,強調調水工程必須以解決“資源性”(河流資源)而非“水質性”(河流環(huán)境)缺水需求為首要任務;又如洪水資源化的最大困難是如何實現(xiàn)防洪減災(河流環(huán)境)與水資源利用(河流資源)之間時空轉換。

Lane輸沙平衡[9](圖10)與河流穩(wěn)定性指標[1]分別較好地代表了自然河流狀態(tài)與人類活動影響下的河床演變特性(表5),自然河流更強調“大河演”輸沙平衡與河勢(如深泓線與主流線等河勢線)穩(wěn)定,容許河流輸沙調整;人類活動多關注“中小河演”河岸與河道局部穩(wěn)定,容易導致“過度”治理。例如:長江中下游護岸和下荊江人工裁彎限制了彎曲河段凹岸沖刷、凸岸淤積及蜿蜒遷移的自然演變;又如洞庭湖與鄱陽湖湖控工程可能會阻隔干流河道與通江湖泊之間的自然連通與江湖關系等。

圖10 Lane輸沙平衡關系圖解

表5 Lane輸沙平衡與河流穩(wěn)定性指標對比

2.9 治理保護與開發(fā)利用之辯

《中國環(huán)境問題院士談》[33]對“自然保護”的釋疑是“保護自然并不意味著全部保持自然的原始狀態(tài),除了進行嚴格保護的少數(shù)地區(qū)和對象外,一般是在合理利用和改造過程中進行保護”;沈國舫院士甚至建議用“生態(tài)環(huán)境建設”代替“生態(tài)恢復重建”,以強調改善生態(tài)環(huán)境的積極行動。

河流治理技術也可劃歸為“河流恢復River Restoration”與“河流修復River Rehabilitation”兩類[34],其中河流修復治理屬于積極的河流保護措施。新中國成立以來實施的荊江分洪閘建設、荊江大堤加固與護岸工程、下荊江裁彎等均屬于服務于防洪安全與河勢穩(wěn)定的治理保護措施;而荊北放淤計劃[3]、荊北平原長江分洪道計劃[3]、三峽—荊江新運河航道構想[35]、長江中游河床節(jié)點控制治理[30]以及長江經濟帶建設等規(guī)劃也需要充分考慮長江治理與保護的高度融合。

長江治理多強調保護、長江開發(fā)不回避利用,需要協(xié)調“高質量”治理保護與“可持續(xù)”開發(fā)利用關系并服務于長江大保護總體戰(zhàn)略。借鑒德國學者“四倍因子”理論(半份消耗、倍數(shù)產出)[33],“高質量”與“可持續(xù)”可能存在“N倍風險悖論”——短期內可能會出現(xiàn)投入的“隱形成本”多N1倍而產出的“顯性收益”少N2倍的“倒掛”風險(N=N1+N2),其主要原因是傳統(tǒng)的收益計算主要依據(jù)于技術經濟的盈利算法而忽略或少計生態(tài)環(huán)境的“負面”效益。

3 結 語

“乘勢利導”治水經高度濃縮了都江堰“大河演”、“大河勢”思維,長江河勢“九辯”充分體現(xiàn)了都江堰“狹義”和“廣義”河勢思想,“九辯”內容相互關聯(lián)且逐步遞進,通過不斷提升長江河勢從“辯”到“治”的認識水平,旨在服務于治江新階段的長江流域“高質量”治理保護與“可持續(xù)”開發(fā)利用。

弘揚都江堰治水經和辯識長江河勢應與時俱進,需要不斷豐富和完善“大河勢”思維、宏觀河流學研究和“治河·治江·治水”理念等新時代治水經。古往今來,治水與治國戚戚相關、與水文化和人文化一脈相承——“上善如水、下流無悔”。建議加強長江水文化建設——凈化水利科研氛圍、重視水利成果積累和鼓勵水利人員堅守。

致 謝

感謝長江水利委員會都江堰工程及其水文化調研團戴潤泉團長及團員(共9人)與四川水利廳領導專家的大力支持!