[1-1] 都江堰工程分水排沙的系统科学原理初探

第13卷第2期1991年6月江西工业大学学报Jo.,alofJI.ngxlPol争tee加n让U.lver`升t今Vo!.】〕.NoZJu二1991都江堰工程分水排沙的系统科学原理初探胡振鹏(土建系)摘要都江堰工程从河流水沙运动的整体出发,发挥系统自组织、自适应机制,以简单的工程设施调节复杂的水沙运动,把引水可幸,防洪安全和有效排沙和谐地统一在动态平衡之中.历代劳动人民以生产力发展为动力,利用信息反债.通过不断的工程维修扩建使都江堰科学、效益巨著、日趋完粤、活力无穷.这些系统科学思想对今天科学治水仍有很大的现实意义。关键词都江堰工程;引水;分洪;排沙;系统科学原理引言都江堰水利工程位于成都平原扇形三角洲顶部、四川都江堰市(原灌县)附近的崛江干流上。染首枢纽的主要上程设施包括:百丈堤、都江鱼咀、金刚堤、飞砂堰、人字堤和宝瓶日等,其作用为分水、溢洪、排砂、引水和护岸.其中鱼咀、一吃砂堰和宝瓶日为主要设施.图1是解放前夕的枢纽工程布置示意图.都江堰是战国时期蜀郡守李冰在公元前256一251年间率领劳动人民修建的.司马迁在《史记·河渠》中记述:“于蜀,蜀守冰,凿离堆,辟沫水之害;穿二江成都之中.此渠皆可行舟,有余则用溉浸,百姓享其利.”晋代人常璐在《华阳国志,蜀志》中更详细地记*国家自然科学基金资助项目收稿日期尹沪\_砂叭*歼釜刚珑入公二王庙堆口汤胡钊料趁分。`.”“`“峨|江灯刀/圈l都江.J莱首工程示意图1卯仓一06一毛5一述了李冰的业绩:“冰能知天文地理,·一冰乃鱼江作翔,穿哪江、检才l一,别支流,双过郡一「,以行舟船;峨山多梓柏大竹,颓随水流,坐致木材,功省用饶;义溉灌三郡、开稻田.于是,蜀沃野千里,号为陆海,旱则引水浸润,南则杜塞水门,故一记口`水旱从人,不知饥谨,时无荒年,天下谓之天府也”.都江堪1程设计科学、运行合理、效益卓著、活力无穷.两于多年来,不断为中华民族的历史添姆增色·如今已发展成为一座具有灌溉、航运和防洪等标甘双亚则珑代人’、z竺利工程.都江粗工程是我国历代劳动人民智慈的结晶.在社会、经济和生态环境等各方面都皇现了一座复杂水利工程的最优决策.有关学者一致公认,都江堰是古代朴素的系统上程急想的一次成功实践.大型水利工程一般都是自然系统与人工系统结合的复合系统.一方面具有自然系统的一些属性,另一方面又可以通过人的干预进行控制或调节来实现预定的功能.都江堰是一座两级分水、两级排沙的无坝引水工程.其功效卓著、活力无穷的重要原因之一在.f成功解决了引水、分洪和排沙的矛盾.对一座引水工程耐言,引水、分洪和排沙是相互影响、相互对立的三个方面.只有在引进充足水量满足「游用水要求的同时、既避免引水过多发生洪灾,又防止泥沙傲塞渠道,才能保证工程效益的正常发挥.许多现代水利工程一般都通过设置引水闸、分洪闸和冲沙闸,从时间、空间主将引水、分洪和排沙分开控制,从而满足上述要求.对都江堰工程而言,前人在没有全面认识白然规律和掌握水利科学知识的条件卜,根据朴素的系统工程思想,从河流水沙运动的植体出发,通过选择都江鱼咀、`坛沙堰和宝瓶口的合理位里和恰当规模,以调节为手段,发挥自然系统自适应.白组织的内在机制,以简单茸驭复杂,协调平衡各类矛盾.把引水可靠、防洪安全和排沙有效和谐地统一在水沙运动的动态平衡之中.下面从系统与外部环境的关系、系统中各工程设施的关系以及系统运竹的调控手段三方面具体论述上述原理,并对这些原理得以成川:实施的原因进行初步的探讨。2因势利导协调水沙运动都江堰在解决分水排沙矛盾时,突出了系统与周围环境的高度协调性.如图1所示,都红埋渠首工程有意布置在峨江出山口的一个弯道上,根据弯道水沙运动规律,通过合理选择有关工程设施的地理位置,成功实现了分水排沙功能.都江鱼咀是修筑在峨江干流江心洲上的分水堤,起第一级分水排沙作用.它把峨江分成内、外二江.内江主要作引水河道,将峨江部份水量引导到地势较高的宝瓶lL.外汀主要作泄洪物沙河道.在都江鱼咀的作用下,洪水季节,眠江60%的水量和绝大部分泥砂进人外江,内江仅引进40%的水盈.而在枯水季节.鱼咀将60%的水量引人内江,以满足下游灌区用水要水,仅将40%的水量排到外江.这就是古人所称的“鱼咀分四六”原则(12.从图l可以看到,内江位于河流弯道凹岸一侧,外江位于凸岸一侧。河流弯道水流特点是“低水傍岸、高水居中.’`2,.枯水季节,水流动能小,主流线曲率大,主流靠近凹岸.加上凹岸一侧河床深,内江过水断面大于外江.因此,在鱼咀作用卜,大部分水盆进人内江(图2).枯水季节河流中泥沙少,排砂不是主要矛盾.洪水季节,水流动能一16一大,惯性作用强,主流离开凹岸,将大部分水址送到外江L图2).挟沙力强,居于河道中间.加上此时外江过水断面大,“内宁L,负咀虽然洪水季节河道中泥砂多.似主流流速高、能公大,大部分泥沙随主流运动,排到外江中去了。因此,只要确定都九负咀的恰当位置,就可以按照人们的需要调节内、外汉分流排砂比例.洪水季节进人内江的水量远远超过下游用水要求,堰工程利用宝瓶口和飞沙堰进行第二级分水排砂。水流中还挟带了一定的泥沙.都江位较低时,一飞沙堰起拦水进人宝瓶日的作用.宝瓶fl是控制下游引水的咽喉.内江水象:宝瓶口在引进足够数量的清水到洪水期间则形成都江堰最壮观的分水排砂景卜游灌区同时,排到外江之中,引水、分洪与排砂从时、飞沙堰则让泥沙随着多余水量从堰项与鱼咀分水排砂原理类似,都江堰第二级分水排沙功能的实现也是利用飞砂堰和宝瓶口的合理位置对水沙运动进行调节.宝瓶rJ位于河流弯道凹岸一侧,飞沙堰则在凸岸一侧.水流在河流弯道中形成娜旋状环流:在水流顺扛向下运动的同时,层流流向凹岸,底层流流向凸岸(2).另一方面,在重力作用下,表层流中泥沙含量少,底层流中泥砂含量多.如图3所示,处于凹岸的宝瓶口正对表层流流向,空两方面高度统一在河道水砂运动之中.到下游;处于凸岸的-圈3·正面引水、摘西排少东认处于“正面取水.的势态,将泥沙含量较小的表层流引匕砂堰正对底层流流向,样,在河道螺旋环流的作用下,宝瓶口弓}水、高度统一挟带泥沙的底层流从堰顶翻越到外江.这飞沙堰橄洪排沙在空间上非常协调、时间上3调节为主简单驾驭复杂瓶日.控制.」头。那往服上程运行目标,第二级分水排沙过程必须比第一级更为精确、单靠宝吃沙堰的合理位置尚不能达到这一限熟.必娜对影响水沙运动的关键因素进行定址定量径制的手段就是“功垂不朽、千权永睡’的都扛堪治水·六字诀”一`深淘滩、低为一产六、,,心n毛自比、~娜,.忆.一~—`_~J,一_l,习,宝肠气劝卜yl刀日l水县i云子于日众云`肠协黑月一1,一作堰”.〔3〕“低作堰’指的是飞沙堰不宜修得太高.飞沙堰附近河道能否形成一种对引水排砂同时有利的流态完全取决于飞砂堰的高度.如图4所示,要使犯砂堰有效排砂,河道中必须保持良好的环流流态.若飞砂堰太高,这种环流就无法形成,挟带泥沙的底层流机越个,1屹沙堰.另一方面,若飞沙堰太低,对排沙当然有利,但大部分水量均从飞沙堰流进外江,宝瓶口的引水流量难以满足卜游用水要求.协调这一矛盾的办法就是找到适宜的坛沙堰堰顶高程,使飞沙堰在有效排沙的前提下.宝瓶「1引水流量尽可能大.在工程运行中,屹沙堰垠顶高程由宝瓶口崖壁上刻画的·水则·来确定.《宋史·河渠志》记述:“岁作侍郎堰(飞沙垠旧称作者注)必以竹为绳,自北引而南,准水则第四以为高下之度·”`深淘滩’指岁修时必须深掏宝瓶口「ll’J前的河床.由于飞沙堰堰顶高程受排沙制约已经确定,宝瓶IL口门前水面高低也随之确定了.而宝瓶l[lJ门宽度是固定不变的(约宽加米).这样,增加宝瓶1L引水流量的唯一途径是深淘宝瓶lJ前的河床,向卜扩大进水断面.因此在《灌江备考》中有“深淘一尺,得水一尺’之说.在工程实践中设有“卧铁’作为深淘的控制标准.4共生互补高效和谐可靠都江堰地处氓江推移质高沉积河段,飞砂堰的排沙效果也是十分惊人的,不仅100多公斤的卵石可以从堰顶排出,1966年竟从堰顶排出过两吨多重的石块,’飞沙堰上水流能量从何而来?宝瓶口以上内江河道宽70米左右,纵坡降达.05%.内江的螺旋状环流中,顺汀向一F的流速分量较大,横向流速分量较小.如果没有匕沙堰,湍急的水流到达宝瓶日l付,由于过水断面突然束窄,流速大大减少,大部分水流动能转变为势能,宝瓶:!日门前奎水,迫使泥沙沉积.,这就是所谓。静水停泥’过程。为了防止泥沙沉积.必须修建冲砂设施,并提供有能量的水流来冲沙,称之为·动水冲沙,。,静水停泥、动水冲沙”是现代水利一工程解决泥沙间题的常用方法.都江堰与上述方法完全不同.宝瓶口与匕沙堰相互配合、共生互补,形成了白组织机制.由卜宝瓶口附近设有飞沙堰,为即将束窄的水流提供另一条横向通道。附近河道中的螺旋环流态也随之发生急剧变化,顺江向卜的流速分量因宝瓶日「I门束窄被迫减少时,并非使动能转变为势能,而是使横向流速分量相应增大.同时,水中的泥沙运动状态也随之一18一改变.由」几水流以更大的速度冲向`飞砂堰.这样,为排沙提供了有利条件.我们知道,水流挟沙力与相应方问的流速的高次方成正比〔2,,蛇沙堰的排沙效果变得极其显普.这一过程,可用图5进行直观的说明.在宝瓶日、屹沙堰的自组织结构中,不仅泥沙返动不必经过“由动到静,再由静到动’的耗费能量的过程,而且把顺江向.t’流速分量赎少迫使泥沙沉积这一不利因求直接转变为排沙动力一横向流速分量增大,化害为利,共生厅.补。在物质(水址)和能量(流速)一定的条件卜,其排沙效果白然比“静水停泥.动水冲沙”模式要高得多.铃不娜肠拍沙挽武5反馈循环不断完善发展为什么没有掌握现代科学技术的古人能够创建科学合理、令今人为之赞叹的都汉堰?为什么两千多年来都江坦性益卓著、盛久不衰、活力无穷?前人是怎样找到了`深淘滩、仔作堰”这,一影响分水排砂关键因素及其定里控制准则的?从。、琉科学的反馈原理’l七发,不难找到这些问题的答案.大量的史料证实,都江堰不是在李冰一代或某一历史时期内全面建成的,而是通过沂代增修逐步发展完善的.从本文“引言’中引用的两条史料可知,李冰主修都江堰时,在峨江江心洲上修建了分水堤(“塑江作绷”),并引水到成都平原(“穿二扛成都之中’).当时的都江堰以航运为主,灌概为辅.经西汉孝文帝末年的扩建`们,到东汉、三国时代已发展成为设有专职官员进行管理的大型灌溉工程(’).唐代是郁江堰发展史上又一关键时期,经多次大规校扩建,修建了键尾堰(鱼咀),侍郎堰`飞砂堰)`”.从此,都江堰具备了多层次的分水排砂功能,各类工程设施的结构与布局已趋成熟,以后各代没有本质的变化.宋代不仅对都江堰进行扩建,而且制定了严格的岁修〔3),并为以后各代相沿袭.与各工程设施的布局、结构相比,掌握调节水砂运动的关键因素一“深淘滩,低作堰’及其精确的控制标准,则经历了更长的时间.《华阳国志·蜀志》记载:李冰“J飞柱女房下白沙邮作三石人,立三水中,与江神要:水竭不至足,盛不没肩’.这是都江堰址早的观测水位、控制分水的标记.《宋史·河渠志》首先详细描述了宝瓶11石壁上的水则及一月9一侍郎堰高度的确定方法.水则这一创举一直为后人继承,但各朝代刻画数不尽相同.有关“深淘滩、低作堰”的确凿记载,最旱出现在明洪武初年成书的《儿史·河染志》中〔”,明代在风栖窝河床中深埋铁棒两根,平卧礼心,名为“卧铁”,作为掏滩深度的终止标记在都江堰上程演变过程中,三个特点位得屯视:l)随肴生产力的发展,都江堰灌}`不断扩大,用水要求不断增长:2)完善了有专人组织实施的大修、岁修与抢修制度。〕;3)各类工程设施始终采用石料竹木等当地材料构筑,费用低廉,易修善管〔’,5,.自李冰主修都江堰后两千多年来,为了满足卜游灌以不断增长的用水要求,历代劳动人民在大修、岁修过程中,总是试图通过增减各类土程设施或改变它们的位置、规模及结构来增加宝瓶r]的引水流量.如果某一措施达到了顶定口的,同时在防洪和排沙方面未产生不利影响,这一措施就会保持卜来,甚至在卜一次大修岁修中强化;如果某一措施导致下游滋区发生洪灾,或泥沙淤积渠道,或危及工程安全,这一措施将会取消或淡化.这样就形成一个利用信息反馈,通过大修岁修改变工程布局、规模与结构的过程,在满足保证防洪安全、排沙有效和运行可靠的前提下,达到增加宝瓶lL引水流量的目的.这一过程几乎一年或几年重复一次.在漫长的历史进程中,人们几乎尝试了一切可能增加宝瓶口引水流量的方法,实践也无情地检验了这些方法.凡是科学合理、有效可靠的措施都保留卜来了,凡是违背客观规律的措施,或迟或早淘汰掉了.这样,尽管前人没有全面掌握自然规律和先进的科学技术,但在生产力不断发展的推动卜,在追求工程最佳效益的不懈探索中,经过实践的反复检验,逐步找到了各上程设施鼓适宜的位置、最完善的结构、址恰当的规模;逐步找到了影响分水排砂的关键因素及其定觉控制准则;终于使都江堰工程在社会,经济、生态环境和土程技术等各方面都呈现出饭优性能.6结语都江堰土程.林过分改变分uJJll径流的夭然状态前提卜,以简单的上程设施调节复杂的水沙运动,从而取得了显著的社会、经济和生态环境效益.前人在没有完全掌握客观规律的时候,以生产力发展为动力,从调理功能着r,利用有效的信息传递与反馈,辩证探方,`摸着石头过河”,使都江堰土程不断完善发展,始终保持着最优状态,从而盛久不衰、活力无穷.今天,我们虽然掌握了现代科学技术.但大刑水利水电上程结构复杂、规模庞大、功能齐全、影响范围J.’大,很多方面的内在机制尚未完全揭示.因此,都江堰上程中蕴含的这些系统科学思想对找们今天科学治水仍有很大的现实意义.本世纪七十年代以前,国外盛行以高坝大库(总库容为多年平均径流觉的数倍之多)全面控制河川径流.这些工程在取得巨大经济效益的同时,在社会和生态环境方而也产生了一些负作用〔6).1988年召开的。第六届世界水资源大会,提出了“叮以承受的水资源开发”战略思想(7).这一思想强调,对水资源的开发利用必须在生态系统叮以承受的幅度之内,使生态系统可以通过白适应、白组织机制来适应利用水资源时可能带来的不利形响.从木文的粗浅论述`J知,都江堰上程是`可以承受的水资源开发’战略的一个成功典范.一20一参考文献“〕长江流城办公室.“长江水利史略.”编写组长江水利史略,北京:水利电力出版社,197获书口一42c2〕式汉水利电力学院`河流泥沙工租学’编写组,河流泥沙工程学(上姗).北京:水利电力出版社,I始了:I站、刀夕、24J.口〕武汉水利电力学院“中国水利史稿.编写组.中国水利史稿(中开),北京:水利电力出版社,I夕召J:IJZ一IJ4仔〕式汉水利电力学院、水利水电科学研究院.中国水利史瑞.编写组.中国水利史摘(上册),北京:水利电力出版社,19对:I万2叮〕姚汉源.中国水利史纲要,北京:水利电力出版社,I好大绍招一绍J、44〔们佩茨.GE.(王兆印等译)蓄水河流对环境的影响,北京:中国环境科学出版社,I站8:J介绍〔7〕Pir那01以.D.Wactrfor.odlr〔比velo沁en气p八洲笼目山,oft址Vlht】WRAWor玉dCon,rC.onWat·crRe,o。六笼气otta.a,C.n吕d气1988:l:l刁INITIALRESEARCHONPRINCIPLESOFSYSTEMSCIENCEINTHEDUGIANGWEIRPROJECTHuZhenPeng(De脚r。”enlo.fCzvil才rchi绍ez“ralnEg如er翻离)A加tr.仁tDu乡angweirisawordl一几mousirrigaitonPr、』一。whiehwascons[r.,ctcdmo传calrythanwtothousadn羚ars890.ThisPaPerProbesintothePrindPlesofsysetm`iencconersolvingtheeontradict一onsamongleadingwatcr,diver肠ngnoodandscourin`scdiment.hTePirneiPlcsareu邻fulfortheexPloitationandutiligationofthewatcr邝·傲】UrCCSnOW.KeyWordsDujangWeirpro娜:;prineiplesofsystcmscienee;le呵in名wa协r;di-姆rtingfloed;scouringscdiment一2!一