水利科学史之北宋年间河流泥沙运动理论的进展

    黄河在唐代比较安静，较少决溢记载。但这一相对稳定的河槽经数百年淤积，至北宋中期河道滩地已比相邻地面高出一丈有余，被形容为“架水行空，最为危事”①。因此从五代开始至北宋的220年间，黄河有89次决口记载，平均每2．5年就有一次决口。由于受政治派别斗争的干扰，当年的一些治黄措施违反科学规律甚至是荒诞不经的。不过，也有某些治黄方略包含有泥沙动力学的科学认识。

(一)对黄河河床演变规律的认识

    至和二年(1055)，以散文驰名的欧阳修(1007～1072)曾应用水流挟沙理论来解释黄河的河床演变规律。他说：“河本泥沙，无不淤之理。淤常先下流。下流淤高，水行渐壅，乃决上流之低处，此势之常也。然避高就下，水之本性，故河流已弃之道，自古难复。”②欧阳修指出，像黄河这样的高含沙河流，下游淤积是普遍规律；河床淤积抬高是黄河频繁决口的根本原因；由于淤积常自下游开始并逐渐上移，因而决口地点也有类似的变动。他还举出横陇决口后的河床淤积情况来说明，景祜元年(1034)黄河在澶州(今河南濮阳)横陇埽决口，形成新河道，此后十年间黄河无大决溢，但庆历四年(1044)横胧河道先自海口淤积140多里，其后淤积渐次上移至黄河下游的游、金、赤三条支流。下游河道梗阻，于是庆历八年(1048)黄河在上游澶州的商胡埽决口，就是明证。

    实际也是这样。新河道形成之初，水流与河道比降基本适应，但由于泥沙输送入海，必将在海口淤积，河道随之延伸，侵蚀基点因而抬高，于是河道比降变缓，淤积势必向上游发展。

    北宋文坛上著名的“三苏”之一的苏辙(1039～1112)对于多沙河流淤积、决口和河道迁徙规律有更明确的表述。元祜六年(1091)在反驳将黄河从北流改回东流故道的主张时，他说：
    臣闻大河流行，自来东西移徙，皆有常理。盖河水重浊，所至辄淤。淤填既高，必就下而决。以往事验之，皆东行至泰山之麓则决而西；西行至西山之麓则决而东。向者天禧之中河至泰山决而西行，于今仅八十年矣。  自是以来，避高就下。至今屡决，始决天台(天禧三年，1019)，次决龙门，次决王楚(天圣六年，1028)，次决横陇(景祐元年，1034)，次决商胡(庆历八年，1048)，及元丰之中决于大吴(元丰三年，1088)。每其始决，朝廷多议闭塞，令复行故道。故道既高，复行不久，辄又冲决。要之，水性就下、导之下流河乃得安。是以大吴之决，虽先帝天锡智勇，喜立事功，而导之使行，不敢复塞。兹实至当之举也。……自来河决必先因下流淤高，上流不快，然后乃决。然则大吴之决已缘故道淤高，今乃欲回河使行于此，理必不可。①
   ①  参见《续资治通鉴长编》卷454。又据《续资治通鉴长编》卷420记载，元枯三年(1080)范百禄等曾对决口后的北流河道和东流故道进行比较。先后实际测量过两次，新道都明显低于故道。第一次测量结果是低二丈一尺上下，第二次低一丈四尺多。
    ②《宋史?河渠志》卷91。

    苏辙举出宋代决口地点变化的事实，进一步阐述了河道淤积先下游，后上游，再下游的循环规律。同时他还指出，由于决口后泛区淤积，地形渐高，导致再决口时下游河道和泛区位置的迁移。这种迁移在大范围上还具有往返摆动的规律。这些科学的认识，为近代泥沙研究所证实②。

    元祐四年(1089)多次视察黄河的官员范百禄对黄河滩槽淤积则有比较细致的观察，在一份报告中他有这样的描述：“河遇平壤滩漫，行流稍迟，则泥沙留淤；若趋深走下，湍激奔腾，惟有刮除，无由淤积。”③即大水时，洪水由主槽向滩地漫延，由于滩区阻力较大，水浅流缓，于是加重了淤积。而对于河床的深槽来说，由于主流所趋，水流湍急，往往对主槽形成冲刷。黄河的确存在“大水淤滩，小水淤槽”的规律。范百禄的认识是这一规律的最早表述。

    北宋年间还曾针对黄河河床的淤积问题，试图以人力和简单工具，借助水的流动疏浚黄河。熙宁六年(1073)李公义曾试制铁龙爪扬泥车。其形制是：用铁数斤打制成爪形，将铁爪系于船尾，沉入河底。船行拖动铁爪，扬起泥沙，达到疏浚的目的。为了提高效率，其形制日后又有改进，即用长八尺的木料，其上钉以二尺长的铁齿。将铁齿向下，上面压上大石头。用两船拖带铁耙，或用绞车拖曳。此法是否有效曾引起朝廷上下激烈的争论。王安石曾相信此法有效，负责试验的范子渊投其所好，谎报试验对稳定河道和降低洪水位有显著效果，后来谎言被揭穿，有关官员分别受到处分④。疏浚无疑是治理黄河的有益探索。但是，泥沙淤积沉淀是由于水中泥沙含量高，超过了水流挟沙能力的限度。而以人力疏浚，所能输入的能量极其有限。在上游被搅起的泥沙，走不多远，势必在下游再次沉积。这种方法对改善局部淤积状况，例如在运河局部淤积地段，为增加航深，可以是有效的。对于某些河口挡潮闸段的细颗粒泥沙沉积，顺流拖淤也可在一个短时段内加大过流能力。而设想由此增大黄河的过水断面和泄洪能力，则无疑是不现实的⑤。

(二)汴河木岸与水力疏浚

    唐宋时期汴河是全国主要的内河航道。由于它从黄河中引水，所以也存在严重的淤积问题。著名科学家沈括(1031～1095)曾对汴河比降进行实测。其结果是，从京城(今河南开封)上善门到泗州(今江苏泗洪东南盱眙对岸)入淮口处，汴河的平均比降约为1/7760⑥。这个比降是比较陡的，因此，比起黄河来说，它的淤积是比较轻的。不过，唐宋时期汴河的淤积问题仍旧十分严重，尤其是北宋以来更加突出。当时人分析汴河淤积加速的主要原因有三个，第一，北宋建都开封，对汴河的通航要求更高，运用时间长，淤积也重；第二，北宋初年订有每年发动沿河30余县疏浚汴河的制度。大中祥符年间(1008～1016)谢德权管理汴渠等河，他经常将疏浚工人派去做其他杂务，自此变为3年一疏浚。此后甚至有20年不浚一次的情况；第三，由于汴河淤积渐高，原本南岸汇入汴河的清水小河，都不再能够入汴，而只依靠从黄河引水。由于失去挟沙力较强的清水的汇入，至熙宁年间(1068～1077)“(汴)河底已高出堤外平地一丈二尺余。自汴堤下瞰民居，如在深谷”①。在这里，王安石针对引清水入汴渠的做法，提出的“诸陂泽沟渠清水皆入汴，即沙行而不积”②的认识，阐明了清水挟沙力较浑水为大，因而泥沙不会停积的概念。对汴河的这个认识，可以看作是明代潘季驯“蓄清刷黄”理论之滥觞。
    ①宋?李焘：《续资治通鉴长编》卷454。
    ②钱宁、周文浩，黄河下游河床演变，科学出版社，1965年，第3页。
    ③《宋史．河渠志》卷92。
    ④此事在《宋史?河渠志》、《续资治通鉴长编》等文献中都有介绍。对这一事件引发的朝廷内部两个政治派别斗争的内幕，司马光《涑水纪闻》卷15中有详细说明。可见当年政治斗争对科技进步的干扰和科学屈从政治的情况。
    ⑤钱宁、张仁、周至德，河床演变学，科学出版社，1987年，第500页。
    ⑥《梦溪笔谈?杂志二》卷25。当时实测开封上善门至泗州淮口平面距离八百四十里一百三十步，而两地高差十九丈四尺八寸六分。按每里360步，每步5尺计算，比降约为1/7760。

    汴河是国家运输大动脉，淤浅散漫亟待解决。大中祥符八年(1015)曾经整治开封到泗州入淮河的一段③。嘉祜六年(1061)都水监建议，将应天府(今河南商丘)西至汴河入黄河口的一段河道，“宜限以六十步。阔于此则为木岸狭河，扼束水势，令深驶”④。即将汴河超过30丈的地方，用木料做成木岸，使河床束窄，水深加大，以改善航运状况。对这项建议也有反对的意见，但由于汴河航运地位特别重要，也不能不立即实行。治平三年(1066)狭河木岸工程完工⑤。结果“旧曲滩漫流，多稽留覆溺处，悉为驶直平夷。操舟往来便之”。狭河木岸是人工运河渠化的一个成功的例子。元丰三年(1080)又再次修整狭河木岸，并将木岸一直延伸到泗州的汴河入淮河口处⑥。在河道通过相同流量的条件下，断面宽度缩窄后，水深必然加大，对改善航道是有益的，对减轻淤积也有好处。“扼束水势，令深驶”，表明当时人已有此认识。宋代人的这个概念可以看作是明代黄河上“束水攻沙”理论的雏形。