水利科学技术研究及应用成果

秦汉三国时期，巴蜀地区科技发明内容甚多，许多在前文已有论述，如天文、铁农具的普及、百炼钢、医学等方面。下面着重讨论水利科学技术。

在正常情况下，古代都江堰必须每年岁修，每隔三五年得大修一次，此外随时都可能抢修。换言之，大堰的正常运行，必须以一整套工程管理为基础。

图9－15　竹笼鱼嘴

相传李冰还在都江堰渠首埋石马，作为每年岁修时“深淘滩”的标准。以牛马为神，是蜀文化及其原始宗教的一大特征。李冰利用蜀神石马，来调动蜀人参与岁修的积极性，同时它又兼具标尺与镇水石神的功能。这表明李冰时已有了严格的、科学的岁修。西汉、东汉蜀郡的“都水”衙门、三国蜀汉时期的堰官，其职能之一便是组织每年的岁修。

1．笼石技术

图9－16　竹笼

笼石技术是都江堰水利系统的重要技术之一。近年在成都方池街考古工地中，曾发现春秋、战国时期的竹笼遗迹，证明早在秦入巴蜀前，笼石技术已在西蜀的水利工程中普遍使用了。笼石技术应是成都平原的土著民族、主要是氐人的传统技术。关于都江堰使用笼石技术的资料，《元和郡县图志》卷31《剑南道上·导江县》说：“楗尾堰，在西南二十五里。李冰作之，以防江浃。破竹为笼，圆径三尺，长十丈，以石实中，累而壅水。汉成帝时，瓠子河决，王延世塞之，用此法也。《汉书》所谓‘下淇园之竹以为楗’。”《都江堰功小传》载笼石古法说，笼制长三丈，径一尺八寸，形扁而面平，椒眼参差，实以大小圆石。《都江堰工程述要》：每条长约丈，直径一尺八寸，顺篾宽三指，横篾宽一掌，笼成重百斤，取江滩卵石，纳石满笼中，层层累积，其间系以木桩。此二记载虽然较晚，但都是传统技术，变化不会太大。当然，笼的长短、大小，不仅各时代有所不同，主要应与使用在不同的位置有关。不过，都有一个共同原则：那就是无论洪水来势多凶多猛，这些竹笼必须安如磐石，稳如泰山，且须能承受住一年洪水的检验。这就要求笼石本身必须要有相当的重量。由于笼石太重，不可能搬运，当时一般是先把空竹笼放到需要的位置，并按地形需要的弯度把它摆好，然后再装卵石、封口。最下面一层的笼石一般都还要打木桩将其固定。都江堰治水三字经中有“笼编密、石装健”，即就此技术而言。笼眼根据当地卵石大小编成一石一眼。清末民国时期，一条笼约需竹65公斤、净重45公斤左右。装满卵石的标准竹笼，规定长度为10米，宽0.67米，高0.4米。竹笼的编制可长可短，可直可曲，但要按标准笼计算。笼石的特点在于利用竹笼的坚韧性能，把若干分散的卵石聚为庞大浑圆一体。笼石很重才能抵御洪水冲击，卵石间有大量孔隙，又能泄水，竹笼在填装卵石后仍有一定的弯曲度，能适应河床的弯曲变化。

图9－17　都江堰堵江石笼

竹笼除用于鱼嘴分水外，还广泛用于护岸工程、钉坝工程（支水）、笼坝工程（拦水埂）、溢流坝工程和护基工程等，在岁修、防洪抢险方面作用较大。若干条笼组合起来，可构成堤埂、护岸、导水埂、挑水坝、分水鱼嘴、溢洪坝等。成都平原，除都江堰渠首外，在其他水利设施中也广泛使用这种技术。

竹篾虽具有一定坚韧性，但性能变化较快，经水冲木撞，日晒雨淋，过不了几月便脆弱易断，到次年洪水来到之前，必须重换，成为岁修的主项。但它在古代那种科技水平条件下，总的看来仍是瑕不掩瑜。时至今日，笼石技术仍被都江堰工程局部保留。

图9－18　竹笼工程图

2．杩槎技术

图9－19　都江堰笼石与杩杈

杩槎技术是都江堰水利系统的重要技术之一。每到冬天枯水季节，在渠首用特有的“杩槎截流法”筑成临时围堰，修外江时拦水入内江，到了修内江时又拦水入外江。清明时节内江灌区需水春灌，便在渠首举行既隆重又热闹的仪式，拆除拦河杩槎，放水入灌渠，这个仪式叫做“开水”。杩槎主要用于拦水、分水，是都江堰最古老并一直保留到近现代的传统技术之一，使用量很大，效用非常明显。按传统规定，每年霜降节（10月23日前后）祀神（祀李冰），外江河口开始下杩槎截流，立春节（2月4日前后）外江岁修工程完成放水。随即在内江下杩槎截流，清明节内江岁修工程完成放水。这种统一的断流岁修，河干施工，既方便，又节省人力、物力，资金耗用不多。杩槎所用木料以本地所产桤木、麻柳木、青杠木等为主，长度视水深浅而定，约在6～8米间，直径约18～20厘米。杩槎结构非常简单，主要是用三根木柱架成，前两根名“罩面”，后一根叫“箭头”。捆束的竹绳叫“牵藤”。在杩槎二分之一处另绑横木，称“压盘木”。为加强稳固性，通常于杩槎二分之一处的盘杛上，加制竹篼，纳卵石于篼内，以增加压力，使其不易被水冲翻，名“压盘”。杩槎间互相连接之顺木叫“簷梁”，其道数视水之深浅而定。簷梁外竖排之木棍叫“杄子”。杄子外通常置三层竹篱笆（方眼）：第一层名“花栏”，第二层名“捶笆”，最外一层名“罩席”。罩席外加培黏土，以防渗漏。一个杩槎俗称一洞。古代都江堰渠首每年通常约用杩槎120洞左右，外江40～50洞，内江60～70洞。数十个杩槎相连，便构成了一个临时的挡水坝，然后再进行河道岁修。杩槎的安放与拆换都较方便，不但可以截流，且可当做水闸，调节水量。杩杈操作过程中，有许多专用名称，如将其抬送到河边，叫“抬杩”；放上船运到截流地点，叫“吆杩”；把杩杈放入水中扯正叫“立马”；绑好堰梁，压上石头使其稳定，叫“定杩”。

图9－20　杩槎

3．石人、石马

石人、石马是都江堰水利系统的水则、水标。在渠首，李冰设计了三个石人水则。《华阳国志·蜀志》说：李冰于玉女房下白沙邮作三石人，立三水中。与江神约：水竭不至足，盛不没肩。三石人，又称“三神石人”，应是土著蜀人所崇信的治水有功的三位神人，很可能是大禹、杜宇、鳖灵。立三石人时，李冰还举行了隆重而肃穆的盟约仪式，举酒与江神相约：水位在枯竭时不能低于石人的足部，水位在暴涨时不能淹没石人的肩部。这三个石人，分立于三水汇合口，实际上是三个水则，可观察、测定水位。据多年观测的资料，内江二王庙水位变幅为4米。按“水竭不至足，盛不没肩”来算，足部至肩部的距离就略大于4米，石像的高度估计至少应在5.5米以上。李冰所刻的三石人，与后来出土的东汉李冰石像不同。李冰是将这三尊石像分别立在三条江边，同时具有水则和镇水的功能。出土的东汉李冰石像，虽是模仿李冰的做法，但主要是作为水神，不具有水则的功能；且其仅高3.05米，小于内江水位变幅，也无法作为水则。三水，指渠首上游的岷江，鱼嘴分开的内、外江口，及外江又分水流入羊摩江的入水口^[38]。

内江凤栖窝凹岸一带，每年淤积大量沙石，为岁修的大项。“深淘滩，低作堰”六字诀，被视为治理都江堰的根本大法，“循之则治，失之则乱”。岁修淘滩时，人们经过不断的实践，探索出一个合适的深度，于是建立标记，作为淘滩的准则。相传李冰创建都江堰时，曾在凤栖窝下埋有石马做淘滩标记。明曹学佺《蜀中名胜记》卷6说“都江口旧有石马埋滩下”。道光时，强望泰淘河挖出二石兽，或以为是李冰时的石犀，或以为是李冰时埋的石马。

4．干砌卵石埂与木桩工程

图9－21　卵石砌埂图

干砌卵石埂与木桩工程也是都江堰水利系统的重要技术之一。干砌卵石埂是由卵石组成的点、线、面相结合的整体。按工程需要可砌成堤埂、护岸埂、鱼嘴分水堤、溢洪坝、坦坡（大头向下，小头向上，个个靠紧）、护岸脚等。埂面卵石要求长而扁，大小匀称，填心卵石则大小均可。木桩工程是为了加固卵石埂、竹笼埂打下河底1～2米深。用于堤埂、护岸埂基脚的保护，分水鱼嘴周围栽桩，导水埂两边栽桩，溢洪坝栽纵横格子桩等。

5．平梁制口、筒口

平梁制口、筒口是都江堰水利系统的重要技术之一。平梁制口、筒口分水是都江堰灌区官管的重要手段之一。在分水鱼嘴两侧的支河口上，早期多用竹笼，宽窄长度，通常由都江堰的职能管理机构（如清代的水利同知衙门），按向官府交纳赋税之多寡、按每年派出岁修民工之多寡、按两支渠的灌溉面积等比例来设置。事实上，它是古代堰官管理、制约灌区的一个重要手段。

6．分水、治沙的一些技术与方法

都江堰渠首修建在流量大、坡度陡、推移质泥沙多的峡江上，其上游年均输沙石总量约650万立方米。岷江至都江堰渠首，河道突然展开，由山谷进入平原，水缓沙停，势所必然。都江堰从渠首到灌区，每年都要对大小河渠进行岁修淘沙。要引水就必须治沙，在分水的同时治沙。分水治沙技术为都江堰水工技术中最重要的一项技术。都江堰的治沙总是和治水结合在一起的，治沙技术与水工技术形成一体。这也是都江堰作为天、地、人相和谐，环境保护、生态建堰与可持续发展相结合的最佳典范的根本原因之一。千百年来，都江堰的治沙技术一直是水利同行们高度关注的焦点，历代许多水利专家、各种各样的学者都进行过探索与总结。总的说来，都江堰的治沙技术诀窍是因地制宜，辨证施治。

古代都江堰治沙技术与方法的最大特征是借水排沙，其基本原理是选择适当的位置，配以必要的工程，利用不同的水脉，借助水流冲沙、排沙、治沙，逼使沙石欲停则动，达到用水渠道多进水、少进沙的理想效果。鱼嘴为分水排沙的第一关。它位于岷江大河湾凹岸下游，正好能够充分发挥水流弯道环流功能。当流量至每秒1700立方米以上时，岷江上游来水经过关口挑向左岸的盐井滩，再折向右岸的马角沱，又转冲内江。内江口处于“正面取水”，外江则处于“侧面排沙”的理想位置。据测量，当外江分流比为35.8%～39.1%，分沙比为42.3%～52.8%，分沙比明显大于分流比；而内江，每年进入的卵石仅占岷江总来量的26%。鱼嘴的这种无坝分水功能，为古代川西坝普遍采用。川西坝的小鱼嘴比比皆是，不胜枚举。在整个“以万亿计”的灌溉渠中，几乎在每条干渠、斗渠、支渠的分水处，都有一个小型的分水鱼嘴，以解决分水、排沙等问题。从某种意义看，川西坝的灌溉系统，也就是一整套鱼嘴分水、治沙系统。当然，这个系统的出现，与成都平原的地形有关。成都平原西北高、东南低，平均落差4.4‰，为鱼嘴分水、治沙、自流灌溉造就了先天优越条件。飞沙堰为都江堰渠首排沙第二关。当水流进入内江后，主流沿右岸走，直冲虎头岩，形成一波三折，前面又受宝瓶口塞水的阻拦，根据弯道环流原理可知，这时表层水冲向虎头岩，而底流就转向其对岸的飞沙堰，形成螺旋形环流，底层的推移质即横向被推出飞沙堰。当内江的进水流量达到每秒1000立方米时，飞沙堰的分沙比可达80%以上，剩下少量沙石多滞留在凤栖窝一带，只有较少一部分能从宝瓶口进入下游灌区。鱼嘴、飞沙堰引水与治沙辩证一体，二者时间上统一，空间上分开，真正做到了天、地、人巧妙结合。内江的主要功能是输水灌溉，外江的主要功能是排洪。洪水季节，外江排洪比为60%，排沙比却高达70%～80%。灌区内的其他小鱼嘴，若分流双支，一支的主要功能是灌溉，另一支的主要职能是泄洪，就要精心选择鱼嘴的位置和角度，借水势让排洪水道多分沙。若两支分渠皆为灌溉渠道，分水分沙的比例就应相等，不然势必引发矛盾。

壅水治沙是都江堰的治沙诀窍。都江堰渠首，从鱼嘴分水至宝瓶口长约1200余米，宽约70米。宝瓶口宽度仅为12～20米。水泻不及，迫使回流，出现壅水现象。流量愈大，壅水愈烈，流速愈慢。水中泥沙随之沉落，集中沉积在凤栖窝一带，为每年岁修疏淘之大项。鱼嘴至宝瓶口的内江河床段，又成集中沉沙的天然沉沙池。这又方便了每年的岁修。若无此壅水沉沙效应，灌区下游岁修工程将分外艰巨。凤栖窝一段河床，表面的沉积大卵石，平均直径通常在300毫米以上。清代早期，鱼嘴、飞沙堰消失，岷江直接从人字堤顶端分水，大大缩短了这壅水沉沙池的长度，大量泥沙淤积在宝瓶口以下，且淤沙总量更多得多。

鱼嘴以下，内江右岸设有三个溢洪道，即平水槽、飞沙堰和人字堤。从整个都江堰历史时期看，飞沙堰为其中的主要溢洪道。汛期江水大溜受宝瓶口阻顶，水位壅高，通过飞沙堰侧向溢洪。这时水流产生强大的横向漩流，掀起大量重质底沙，由左下而右上带过飞沙堰。在宝瓶口之前的治沙三项技术措施是“分沙”、壅水“沉沙”和“排沙”。这三项技术措施是通过鱼嘴、宝瓶口、飞沙堰三大建筑物的整体位置、合理布局、相互配合、相互制约、密切联系，又通过每年岁修的“深淘滩，低作堰”，方得以实施。

平梁制口是都江堰灌区常见的分水治沙技术之一。若两支渠同为灌溉渠，通常采用平梁分水、分沙。在平梁制口的上下游，严禁随意淘挖。若两支渠一支主灌、一支主排洪，则将灌溉河渠布置在凹岸。有天然的凹岸当然更好，若没有则用人工挖成凹岸。传统做法，一般让靠凹岸一边水渠的平梁呈一定斜度，堰顶从凹岸向凸岸略倾，斜度约1%，便可让凹侧支流进沙较少。

束水攻沙是都江堰传统行水治沙技术之一。在干、支溪的滩、洲之处，要达到“遇弯截角、逢正抽心”的效果，若仅靠人力淘挖，事倍功半，通常是借助水力冲深浅槽，事半功倍。具体做法是：将附近挖出的大卵石，作竹笼顺坝或丁坝，束窄过水断面加大流速，以便冲深抽心槽道。许多支渠一分为二，在下游合二为一。汛期，两支河槽受水不均，泄流不畅，最易出险，冲决河堤。此时往往用竹笼锁坝，堵塞曲支、“塞支强干”，使大流经正直河段，束水冲深渠槽。束水攻沙是治沙治水的一种辅助手段，借以扩大“截角”与“抽心”工程的效果。

行水输沙是古代都江堰灌区常用的分水治沙技术与方法。灌区内的河渠，一般都灌排兼用，春季引水灌田，夏秋排洪泄水，行水又输沙。传统观念认为，干、支溪中冲淤的泥沙，应相对平衡，过多会造成河堤溃决，洪水横溢，过少则说明分配不均，势必导致相邻河渠中泥沙过多。古代堰官一般通过一定的技术和方法，在让干、支溪通过一定流量的同时，也要输送一定的泥沙，使水沙平衡、冲淤平衡。对于失去平衡的干、支渠，则通过岁修等，使其恢复平衡。行水和输沙，对河渠断面要求不同。行水以流速大的窄深式渠道为好，输沙以宽浅式渠道为好。是从行水着眼，还是从输沙着眼？历史上，各县、乡、村多首先考虑行水，堰官则多着眼输沙。表面看，行水是主要的，但输沙效果不好，又会破坏平衡，导致相邻河溪网的“冲塞”，影响行水。要使河渠稳定、持久地行水，须着眼于输沙，有时输沙还是第一位的。宽浅式河渠不仅输沙效果较好，还因河渠宽浅，长途输水导致水温增高（都江堰水来自岷山融雪，水温偏低），进入田间有利育秧。宽浅的河渠还有一大好处，其岸坡普遍较低，不易垮塌，且便于淘修。历史上，都江堰灌区内干、支、斗、农等渠系配水工程，一般都做到行水输沙比例相近，故能将悬移质泥沙均分到灌区田间。除特大洪水和其他异常情况外，灌区田间，每年平均淤积厚度约为0.32～0.55毫米。