水利學·水利建設蓬勃發展期(三國至唐宋)——水利基礎理論與技術的完善和成熟·水利科學技術的完善

水利工程的大量興建和不斷完善促進了水利科學技術的進步，這一時期，傳統的水利科學技術進入了它的成熟期。

1.基礎河工理論的萌芽和成長

古代河工基礎理論方面的成就主要表現在有關河流水位的觀測、汛期漲落規律、流量計算、河流泥沙理論等方面。

(1) 古代的水位測量

水位概念起源很早，實施水位測量始于秦代的都江堰工程。據公元345年成書的《華陽國志》記載，李冰修都江堰時，“于玉女房下白沙郵作三石人，立三水中，與江神要 (約定); 水竭不致足，盛不沒肩”。這三尊石人就是人形水尺，肩和腳就是水尺刻度。這個水尺所表明的是，如果水面淺至石人腳，灌溉水量就會不足;當江水漲到石人肩，灌區將會發生洪水災害。可見，這里水尺讀數就不只是水位的概念，也代表了水量的大小。也就是說，由于都江堰進水斷面和河底坡降相對穩定，因而從水位的高低可以預測灌區灌溉水量的豐欠。這是堰流理論最早的實際應用。宋代都江堰水尺移至寶瓶口的離堆上，稱為水則。水則共十劃，“水及六則，流始足用;過則從侍郎堰減水河泄而歸于江”。1765年在寶瓶口重新建立水則，總計二十四劃。春耕時若要用水充足，水位應及十三劃，這個水則一直應用到現在。

除都江堰水則外，宋代在我國北方和南方的水利工程中普遍實用水則。例如北宋在今海河流域下游地區有一系列洼淀。當年洼淀主要服務于防止遼兵入侵的軍事目的，因此需要維持一定水深，以達到深則不可行船，淺則難以徒涉。為此，景祐二年(1035)在雄縣設立水則，以便人為控制洼淀的蓄泄。在南方，水則應用更為普遍。在太湖蘇州垂虹橋附近，宋代有兩個著名的水則，其中左水則碑是專門記錄特大洪水的。據1564年出書的《吳江水考》記載：“水在一則，則高低田俱無恙;過二則，極低田淹;過三則，稍低田淹;……過七則，極高田俱淹。”當時左水則碑只記錄有兩次特大水災，一次是南宋紹熙五年(1194)大水淹到第六則;另一次是元至元二十三年(1286)大水淹到第七則。另有一個右水則，碑上刻有十二月，每月又分上中下三旬，是用來記錄一年之中各旬水位的。1120年北宋朝廷規定：在太湖流域天然河湖和水利工程附近，都要修建水則。吳江水則碑也是始于這一年的。其時，水位觀測員稱“較水者”。

黃河上用于防汛的水則稱作“水志”。乾隆三十二年(1765)在陜州(今三門峽市)黃河萬錦灘、鞏縣洛河和武陟沁河木欒店設水志樁，用于水位測量并據以向下游報汛。永定河上在這一時期也設置了水志樁。

古代江河兩岸崖壁上多刻有洪水和枯水的印記。這些印記是歷史洪水和枯水的重要資料。例如長江干支流兩岸現存洪水題記近千，枯水題記也有三百多條。其中以四川涪陵白鶴梁最著名。白鶴梁是長江中出露的基巖，只有長江枯水時才顯露出來。其上刻有自唐廣德二年(764)以來一千二百多年間的枯水題記一百六十三處，據此而取得的長江歷史洪枯水流量的研究成果，已在葛洲壩等大型水利工程建設中得到應用。

(2) 流量計算

流量是流速與過水斷面面積的乘積。對于河流、渠道等明渠來說，流速主要取決于坡降、糙率等要素。過水斷面與流量的關系比較直觀，古人早有認識。對于比降與流速之間的關系則知之較遲。大約在二千五百年前戰國時代成書的《管子》中提出了渠道比降的概念。北宋元豐二年(1079)在進行汴渠改建的工程論證中曾比較洛水、汜水、索水的水量能否滿足汴渠航運的需要。首先比較過水斷面面積，實測結果是，上游來水的河道斷面之和為2136平方尺，比下游汴渠斷面多974平方尺。其次進行流速比較，當年只注意到 “以河、洛湍緩不同，得其贏余可以相補”，引進了流量概念，但只有定性描述，而缺乏精確測量。這是流量計算的最初形式。

明末清初，流量測驗有了顯著的進步。康熙皇帝對于數學和測量學有較高的造詣。據《東華錄》記載，康熙三十一年 (1692) 它提出流量的測量方法是：“算術精密，即河道閘口水亦可算晝夜所流分數。其法：先量閘口闊狹，計一秒所流幾何，積至一晝夜，則所流多寡可以數計矣。”其中閘口闊狹是過水斷面。一秒鐘水流距離是流速。但流速的測量方法仍未見說明。

《數理精蘊》、《數迪》相繼表述流量施測方法是，把一木板置于河中，“用驗時儀墜子候之，看六十秒內木板流遠幾丈”。采用多大的修正系數來完善和彌補測量的不足，當年還缺乏妥善的辦法。至1775年法國水力學家謝才提出了計算明渠水流與水面比降關系的公式，才解決了流量計算這一困擾已久的難題。

2.堵口、埽工與河道整治工程——傳統治河工程及其施工技術

中國河工技術源遠流長，其中堵口、埽工搶險工程和河道整治工程最有特色。隋唐以洛陽為東京，北宋又開封，黃河決口的影響巨大，受到朝廷重視。這一時期黃河決溢頻繁，堤防和堵口工程不斷，相應的治河工程技術走向成熟。

(1)堵口技術

汛期大堤決口，必須及時堵上，否則黃河一旦奪溜，便會造成大改道。已經造成改道的大決口，要挽河回復故道，一般選擇枯水期進行。古代堵口，限于材料和施工條件，一般采用由草土樹枝和用繩索捆綁而成的埽。卷埽呈長筒形，直徑有至十米者，以其龐大的體積和重量抵御決口水溜的沖擊。堵口方式有平堵和立堵兩種。

在黃河上多采用立式堵口，一般還要修筑挑水壩和開挖引水河。這是由于決口后，原河道水流迅速落低，造成主槽淤積，淤積常達幾公里至10多公里。為減少堵口的壓力，先在原河道淤積段開挖引河，以分散堵口時的流量。然而決口后，主溜趨向決口口門，為了更好地發揮引河分減水流的作用，應在決口上游同側的適當地點修建挑水壩，挑水壩的長度和方向應將主溜挑至引河中泓為宜。

堵口的施工布置，根據決口的大小和水勢的緩急，分別采用單壩近堵、雙壩進堵等方法。

當決口口門上下水頭差較小時，一般在決口上游或下游只修一道壩堵口。也就是從決口上壩頭開始進占，同時在壩后修筑上戧保護，至決口另一端合龍，俗稱 “獨龍過江”。

如果口門太大，水勢湍急，口門上下游水頭相差較大時，則同時修筑雙壩進占。即在正壩的上游或下游相距60—70米處另修一道邊壩。二壩之間用泥土跟進鋪筑。至合龍時，上下游水頭往往高達3—4米。由于二壩同時進占，在正壩和邊壩的上下游各形成一個水頭落差，也就是將決口上下游水頭由兩壩各自分擔1—2米，從而使堵口合龍的壓力大為減輕。如果決口水勢更大，也有采用在正壩之外上下游各修一道邊壩，同時進占的，稱作三壩進堵。

(2)埽工技術

埽工是中國特有的一種用于護岸、堵口、截流的水工建筑物，主要用在黃河等北方多沙河流上。埽是用樹枝、薪草、竹等軟料分層夾以土石，卷制捆扎而成的構件。每個構件叫埽個或埽捆，簡稱埽。小型的也稱埽由。將若干個埽捆疊加連接起來，沉入水中并加以固定，則稱為埽工。埽工是中國獨創的一種水工建筑物，起源很早，大約已有二千五百年的歷史了。戰國時期的史料記載：“治水者茨防決塞。”茨防就是早期的埽工，漢代對于埽工已有熟練的運用。埽工的名稱在宋代始見于文獻。

金之《河防通議》及《宋史·河渠志》等文獻對埽工制作方法和用料都有詳細記載。大體是：事先選擇寬敞的堤面作為埽場。埽場上密鋪草繩，草繩上鋪梢枝和蘆葦等軟料，其上再壓上石料，逐層相疊，最上層安放一根大竹索作為心索，然后卷裹和捆扎，并用較粗的葦繩拴住兩頭。埽捆便做成了。埽捆的體積往往很大，“高自十尺至四十尺者”，需要在統一指揮下幾十上百人喊著號子，一齊用力推到需要的地方，沉入水底，然后將心索牢牢拴在堤岸的木樁上。一個埽工往往需要幾十個埽捆重疊排列而成，長達數百米甚至上千米。最后在埽體上自上而下打入貫穿木樁。木樁直插河底，將埽體固定。埽捆之間的空隙則需隨時用梢草堵塞，務使密不過水。埽工制作在清代乾隆年間有重大改進，出現了廂埽，即沉廂式修筑。廂埽施工時先在堤外安置一個捆廂船，在堤與船之間密鋪纜繩，再逐層鋪上事先捆扎好的埽捆，然后層層下壓并松纜下沉，直至河底。各層之間用木樁貫穿和連接。秫秸和土的比例一般為1∶0.3—1∶0.5。這種埽工施工方法直到今天在寧夏黃河上仍有應用。

埽工可以按其不同功用作成不同形狀，有魚鱗埽、磨盤埽、蘿卜埽等形象生動的名稱。

(3) 河道整治工程與實踐

河流的自然沖淤變化往往不利于洪水的輸送和河防的修守。需要進行河道整治。古代的河道整治工程包括裁彎取直、疏浚以及修建治導和護岸建筑物等。系統的河道整治最早見于公元69年的王景治理黃河和汴渠。據《后漢書》記載，當年曾進行裁彎疏浚和修筑堤防、水門等建筑物的工作。

黃河上的裁彎工程首見于公元前一世紀初年。當年黃河在今臨清南形成三道大灣，主流直沖當時的貝丘縣。為此曾開新河槽，進行裁彎取直。在黃河上裁彎非一般工程可比，工程量大而技術復雜。由于那時對黃河治理的實踐經驗和理論認識都不足，裁彎之后三年黃河又重新坐彎。后代逐漸認識到黃河下游的彎曲形態是游蕩性河道的特性，“一彎變則彎彎變”，裁彎往往達不到預期的效果，于是以后沒有人再在黃河上進行裁彎。

而古代在清水河道上裁彎取直成功的事例則很多。北宋年間在吳淞江的三條支流上進行過幾次裁彎。其中白龍江在直線距離只有十里的一段，河道迂回長達四十里之多。經裁彎后，水道通利，防洪條件大為改善。

河道疏浚也是經常性的整治工程，以調整河流縱斷面的泄水能力。太湖下游地形平緩，河道易于淤積。十世紀初年，為保證太湖排水，曾設立一支由一萬多人組成的專業疏浚隊伍，稱作撈淺軍。撈淺軍分作四路，工作以疏浚為主，并結合罱泥肥田和修筑道路等，對改善太湖下游防洪條件有重要作用。

人力疏浚對含沙量不高的小河作用明顯，對于淤積嚴重的黃河下游人力疏浚則一籌莫展。北宋年間曾發明“浚川耙”和“鐵龍爪揚泥車”等簡單機械進行疏浚的嘗試。浚川耙是一個長八尺的大釘耙，釘耙兩端有繩索系于船上，利用大船拖動，攪動泥沙。由于動力不足，且水流的挾沙能力并沒有提高，被攪動的泥沙很快重新淤積。

這一時期水利科學技術有長足進步，而學術著作傳世較少。灌溉工程方面的《四明它山水利備覽》和《水部式》、防洪方面的《河防通議》和《宋史·河渠志》是這一時期學術著作的代表。