水利学·水利建设蓬勃发展期(三国至唐宋)——水利基础理论与技术的完善和成熟·水利科学技术的完善

水利学·水利建设蓬勃发展期(三国至唐宋)——水利基础理论与技术的完善和成熟·水利科学技术的完善

水利工程的大量兴建和不断完善促进了水利科学技术的进步，这一时期，传统的水利科学技术进入了它的成熟期。

1.基础河工理论的萌芽和成长

古代河工基础理论方面的成就主要表现在有关河流水位的观测、汛期涨落规律、流量计算、河流泥沙理论等方面。

(1) 古代的水位测量

水位概念起源很早，实施水位测量始于秦代的都江堰工程。据公元345年成书的《华阳国志》记载，李冰修都江堰时，“于玉女房下白沙邮作三石人，立三水中，与江神要 (约定); 水竭不致足，盛不没肩”。这三尊石人就是人形水尺，肩和脚就是水尺刻度。这个水尺所表明的是，如果水面浅至石人脚，灌溉水量就会不足;当江水涨到石人肩，灌区将会发生洪水灾害。可见，这里水尺读数就不只是水位的概念，也代表了水量的大小。也就是说，由于都江堰进水断面和河底坡降相对稳定，因而从水位的高低可以预测灌区灌溉水量的丰欠。这是堰流理论最早的实际应用。宋代都江堰水尺移至宝瓶口的离堆上，称为水则。水则共十划，“水及六则，流始足用;过则从侍郎堰减水河泄而归于江”。1765年在宝瓶口重新建立水则，总计二十四划。春耕时若要用水充足，水位应及十三划，这个水则一直应用到现在。

除都江堰水则外，宋代在我国北方和南方的水利工程中普遍实用水则。例如北宋在今海河流域下游地区有一系列洼淀。当年洼淀主要服务于防止辽兵入侵的军事目的，因此需要维持一定水深，以达到深则不可行船，浅则难以徒涉。为此，景祐二年(1035)在雄县设立水则，以便人为控制洼淀的蓄泄。在南方，水则应用更为普遍。在太湖苏州垂虹桥附近，宋代有两个著名的水则，其中左水则碑是专门记录特大洪水的。据1564年出书的《吴江水考》记载：“水在一则，则高低田俱无恙;过二则，极低田淹;过三则，稍低田淹;……过七则，极高田俱淹。”当时左水则碑只记录有两次特大水灾，一次是南宋绍熙五年(1194)大水淹到第六则;另一次是元至元二十三年(1286)大水淹到第七则。另有一个右水则，碑上刻有十二月，每月又分上中下三旬，是用来记录一年之中各旬水位的。1120年北宋朝廷规定：在太湖流域天然河湖和水利工程附近，都要修建水则。吴江水则碑也是始于这一年的。其时，水位观测员称“较水者”。

黄河上用于防汛的水则称作“水志”。乾隆三十二年(1765)在陕州(今三门峡市)黄河万锦滩、巩县洛河和武陟沁河木栾店设水志桩，用于水位测量并据以向下游报汛。永定河上在这一时期也设置了水志桩。

古代江河两岸崖壁上多刻有洪水和枯水的印记。这些印记是历史洪水和枯水的重要资料。例如长江干支流两岸现存洪水题记近千，枯水题记也有三百多条。其中以四川涪陵白鹤梁最著名。白鹤梁是长江中出露的基岩，只有长江枯水时才显露出来。其上刻有自唐广德二年(764)以来一千二百多年间的枯水题记一百六十三处，据此而取得的长江历史洪枯水流量的研究成果，已在葛洲坝等大型水利工程建设中得到应用。

(2) 流量计算

流量是流速与过水断面面积的乘积。对于河流、渠道等明渠来说，流速主要取决于坡降、糙率等要素。过水断面与流量的关系比较直观，古人早有认识。对于比降与流速之间的关系则知之较迟。大约在二千五百年前战国时代成书的《管子》中提出了渠道比降的概念。北宋元丰二年(1079)在进行汴渠改建的工程论证中曾比较洛水、汜水、索水的水量能否满足汴渠航运的需要。首先比较过水断面面积，实测结果是，上游来水的河道断面之和为2136平方尺，比下游汴渠断面多974平方尺。其次进行流速比较，当年只注意到 “以河、洛湍缓不同，得其赢余可以相补”，引进了流量概念，但只有定性描述，而缺乏精确测量。这是流量计算的最初形式。

明末清初，流量测验有了显著的进步。康熙皇帝对于数学和测量学有较高的造诣。据《东华录》记载，康熙三十一年 (1692) 它提出流量的测量方法是：“算术精密，即河道闸口水亦可算昼夜所流分数。其法：先量闸口阔狭，计一秒所流几何，积至一昼夜，则所流多寡可以数计矣。”其中闸口阔狭是过水断面。一秒钟水流距离是流速。但流速的测量方法仍未见说明。

《数理精蕴》、《数迪》相继表述流量施测方法是，把一木板置于河中，“用验时仪坠子候之，看六十秒内木板流远几丈”。采用多大的修正系数来完善和弥补测量的不足，当年还缺乏妥善的办法。至1775年法国水力学家谢才提出了计算明渠水流与水面比降关系的公式，才解决了流量计算这一困扰已久的难题。

2.堵口、埽工与河道整治工程——传统治河工程及其施工技术

中国河工技术源远流长，其中堵口、埽工抢险工程和河道整治工程最有特色。隋唐以洛阳为东京，北宋又开封，黄河决口的影响巨大，受到朝廷重视。这一时期黄河决溢频繁，堤防和堵口工程不断，相应的治河工程技术走向成熟。

(1)堵口技术

汛期大堤决口，必须及时堵上，否则黄河一旦夺溜，便会造成大改道。已经造成改道的大决口，要挽河回复故道，一般选择枯水期进行。古代堵口，限于材料和施工条件，一般采用由草土树枝和用绳索捆绑而成的埽。卷埽呈长筒形，直径有至十米者，以其庞大的体积和重量抵御决口水溜的冲击。堵口方式有平堵和立堵两种。

在黄河上多采用立式堵口，一般还要修筑挑水坝和开挖引水河。这是由于决口后，原河道水流迅速落低，造成主槽淤积，淤积常达几公里至10多公里。为减少堵口的压力，先在原河道淤积段开挖引河，以分散堵口时的流量。然而决口后，主溜趋向决口口门，为了更好地发挥引河分减水流的作用，应在决口上游同侧的适当地点修建挑水坝，挑水坝的长度和方向应将主溜挑至引河中泓为宜。

堵口的施工布置，根据决口的大小和水势的缓急，分别采用单坝近堵、双坝进堵等方法。

当决口口门上下水头差较小时，一般在决口上游或下游只修一道坝堵口。也就是从决口上坝头开始进占，同时在坝后修筑上戗保护，至决口另一端合龙，俗称 “独龙过江”。

如果口门太大，水势湍急，口门上下游水头相差较大时，则同时修筑双坝进占。即在正坝的上游或下游相距60—70米处另修一道边坝。二坝之间用泥土跟进铺筑。至合龙时，上下游水头往往高达3—4米。由于二坝同时进占，在正坝和边坝的上下游各形成一个水头落差，也就是将决口上下游水头由两坝各自分担1—2米，从而使堵口合龙的压力大为减轻。如果决口水势更大，也有采用在正坝之外上下游各修一道边坝，同时进占的，称作三坝进堵。

(2)埽工技术

埽工是中国特有的一种用于护岸、堵口、截流的水工建筑物，主要用在黄河等北方多沙河流上。埽是用树枝、薪草、竹等软料分层夹以土石，卷制捆扎而成的构件。每个构件叫埽个或埽捆，简称埽。小型的也称埽由。将若干个埽捆叠加连接起来，沉入水中并加以固定，则称为埽工。埽工是中国独创的一种水工建筑物，起源很早，大约已有二千五百年的历史了。战国时期的史料记载：“治水者茨防决塞。”茨防就是早期的埽工，汉代对于埽工已有熟练的运用。埽工的名称在宋代始见于文献。

金之《河防通议》及《宋史·河渠志》等文献对埽工制作方法和用料都有详细记载。大体是：事先选择宽敞的堤面作为埽场。埽场上密铺草绳，草绳上铺梢枝和芦苇等软料，其上再压上石料，逐层相叠，最上层安放一根大竹索作为心索，然后卷裹和捆扎，并用较粗的苇绳拴住两头。埽捆便做成了。埽捆的体积往往很大，“高自十尺至四十尺者”，需要在统一指挥下几十上百人喊着号子，一齐用力推到需要的地方，沉入水底，然后将心索牢牢拴在堤岸的木桩上。一个埽工往往需要几十个埽捆重叠排列而成，长达数百米甚至上千米。最后在埽体上自上而下打入贯穿木桩。木桩直插河底，将埽体固定。埽捆之间的空隙则需随时用梢草堵塞，务使密不过水。埽工制作在清代乾隆年间有重大改进，出现了厢埽，即沉厢式修筑。厢埽施工时先在堤外安置一个捆厢船，在堤与船之间密铺缆绳，再逐层铺上事先捆扎好的埽捆，然后层层下压并松缆下沉，直至河底。各层之间用木桩贯穿和连接。秫秸和土的比例一般为1∶0.3—1∶0.5。这种埽工施工方法直到今天在宁夏黄河上仍有应用。

埽工可以按其不同功用作成不同形状，有鱼鳞埽、磨盘埽、萝卜埽等形象生动的名称。

(3) 河道整治工程与实践

河流的自然冲淤变化往往不利于洪水的输送和河防的修守。需要进行河道整治。古代的河道整治工程包括裁弯取直、疏浚以及修建治导和护岸建筑物等。系统的河道整治最早见于公元69年的王景治理黄河和汴渠。据《后汉书》记载，当年曾进行裁弯疏浚和修筑堤防、水门等建筑物的工作。

黄河上的裁弯工程首见于公元前一世纪初年。当年黄河在今临清南形成三道大湾，主流直冲当时的贝丘县。为此曾开新河槽，进行裁弯取直。在黄河上裁弯非一般工程可比，工程量大而技术复杂。由于那时对黄河治理的实践经验和理论认识都不足，裁弯之后三年黄河又重新坐弯。后代逐渐认识到黄河下游的弯曲形态是游荡性河道的特性，“一弯变则弯弯变”，裁弯往往达不到预期的效果，于是以后没有人再在黄河上进行裁弯。

而古代在清水河道上裁弯取直成功的事例则很多。北宋年间在吴淞江的三条支流上进行过几次裁弯。其中白龙江在直线距离只有十里的一段，河道迂回长达四十里之多。经裁弯后，水道通利，防洪条件大为改善。

河道疏浚也是经常性的整治工程，以调整河流纵断面的泄水能力。太湖下游地形平缓，河道易于淤积。十世纪初年，为保证太湖排水，曾设立一支由一万多人组成的专业疏浚队伍，称作捞浅军。捞浅军分作四路，工作以疏浚为主，并结合罱泥肥田和修筑道路等，对改善太湖下游防洪条件有重要作用。

人力疏浚对含沙量不高的小河作用明显，对于淤积严重的黄河下游人力疏浚则一筹莫展。北宋年间曾发明“浚川耙”和“铁龙爪扬泥车”等简单机械进行疏浚的尝试。浚川耙是一个长八尺的大钉耙，钉耙两端有绳索系于船上，利用大船拖动，搅动泥沙。由于动力不足，且水流的挟沙能力并没有提高，被搅动的泥沙很快重新淤积。

这一时期水利科学技术有长足进步，而学术著作传世较少。灌溉工程方面的《四明它山水利备览》和《水部式》、防洪方面的《河防通议》和《宋史·河渠志》是这一时期学术著作的代表。