水利科学史之潘季驯“束水攻沙”和“蓄清刷黄”的理论贡献

      从南宋建炎二年(1128)开始，黄河一改东北入渤海的基本格局，转向东南入黄海，开始了长达700年之久的夺淮入海的新局面。在这一过程的前300年里，金、元等北方少数民族统治者对黄河基本上是放任自流，少有大规模整治。明代前期治黄方略中，下游多河道分流的主张占上风，其基本认识从徐有贞的泄水试验中可以看出。明代黄河有时从山东张秋一带穿过京杭大运河入海，切断了南北运输大动脉。景泰年间朝廷派徐有贞(1407～1472)主持治理黄河和运河，徐有贞主张在黄河下游开分水河道，多道分流入海，朝廷久议不决，于是派人当面询问徐有贞主张分水的原因。“使者至，徐出示二壶，一窍、五窍者各一。注而泻之，则五窍者先涸。使归而议决。”①徐有贞的泄水试验证明了多支泄水可以显著提高河流的泄洪能力，代表了当时主张分流的基本思想。但是，分流主张针对的主要是黄河的洪水，只解决了下游河道行洪能力不足的矛盾，却忽略了黄河多沙是问题的症结。而分流的结果是各支流量减少，水流挟沙能力降低，进一步加剧了淤积的趋势。由于明代前期实行分流治黄，结果从弘治初年下游同时分流3支，到80年后的嘉靖末年，下游已离析为13支，基本无所谓正式河道。分流治黄已走入穷途末路，不得不反过来重新正视泥沙问题，并在河流泥沙运动理论和实践方面有所建树。
    ①宋?沈括：《梦溪笔谈?杂志二》卷25。
    ②《续资治通鉴长编》卷248。王安石说：“诸陂泽沟渠清水皆入汴，即沙行而不积。自建都以来，漕运不可一日不通，专恃(黄)河水灌汴。诸水不得复入汴，此所以积沙渐高也。”
    ③《宋史?河渠志》卷93。
    ④《宋史?河渠志》卷93，《续资治通鉴长编》卷184记载，这项工程开始于嘉祜元年(1056年)。
    ⑤  宋?王应麟：《玉海》卷22载，“汴河自泗州至南京(今河南商丘)道直流驶，不须复治，自南京以上至汴口，水散漫，故多浅。请自南京都门三百里修狭河木岸，扼束水势。从之。凡用木楗，竹索三百八十四万二百，役工百八十六万四千，为岸三万一千四百步，治平三年成。人便之”。司马光《涑水纪闻》卷9也记有此事。
    ⑥宋?李焘：《续资治通鉴长编》卷302载：元丰三年(1080)二月丙午，“都大提举导洛通汴宋用臣言：洛水入汴至淮，河道甚有阔处，水行散漫，故多浅涩。乞计功料修狭，从之。后，用臣上狭河六百里，为二十一万六千步。诏给坊场钱二十余万缗，仍伐并河林木以足梢桩之费。五年十月毕工。”

    明代嘉靖中期的著名河官刘天和(1479～1545)在他所写的《问水集》一书中，对容易引起多沙河流淤积的几种河道和水流情况有清晰的说明：“河水至浊。下流束隘停阻则淤；中道水散流缓则淤；河流委曲则淤；伏秋暴涨骤退则淤。”并认为这是黄河河道往返摆动的主要原因之一。其中“伏秋暴涨骤退则淤”说的是严重的河道淤积，发生在洪峰消退的过程中。近代水文测验证实了刘天和的这一观察。康熙年间河道总督靳辅(1632～1692)也指出：“河决于上，必淤于下，”决口下游的淤积，与洪峰后部加重淤积的原理也相一致。刘天和还在仪器和军械方面有多项发明。明代人评价说：“刘天和……治水防边功能尤著。在河道曾手制乘沙量水等器，在陕西尝造单轮车及防火器、三眼枪等。后人皆遵用之。”②乘沙量水等器已经失传，从字义理解，或许是测量水流和含沙量的仪器。

(一)万恭“以河治河”思想的提出

    中国古代对于泥沙运动规律的认识在明代后期达到了高峰。其理论贡献主要在于“束水攻沙”和“蓄清刷黄”方针的提出。隆庆六年至万历二年(1572～1574)任总理河道的万恭(1515～1592)负责黄河和运河的治理。当年曾有人针对黄河善淤善决的特性，又提出人力疏浚治黄的方案。即在黄河上排列数百艘大船。船工使用五齿耙、杏叶杓疏浚河底，其结果自然是“上疏则下积，此深则彼淤，奈何以人力胜黄河哉?”③人力疏浚治黄无效，那么，还有什么其他办法呢?

    当时山东虞城县(今河南商丘市东北)的一位秀才向万恭建议说：“以人治河，不若以河治河也。”这确是振聋发聩的设想。这位秀才解释说：“夫河性急，借其性而役其力，则可浅可深，治在吾掌耳。法曰：如欲深北，则南其堤，而北自深；如欲深南，则北其堤，而南自深；如欲深中，则南北堤两束之，冲中坚焉，而中自深。此借其性而役其力也，功当万之于人。”他并且设想，用堤防束水攻沙可以使河床刷深。河床变深，水行地中，则自然可以任堤防废毁而弃置不用了。万恭十分赞赏这位秀才的高见，并归纳出结论性的认识：
夫水专则急，分则缓；河急则通，缓则淤。……今治河者，第幸其合，势急如奔马。从而顺其势堤防之，约束之，范我驰驱，以入于海，淤安可得停?淤不得停，则河深。河深则永不溢，亦不舍其下而趋其高，河乃不决。④
   ①  明?李东阳：明经世文编者按，卷54，宿州符离桥月河记。
    ②《行水金鉴》卷25引《明世宗实录》。
    ③  明?万恭：《治水筌蹄》，中国水利电力出版社，1985年，第50页。
    ④  明?万恭：《治水筌蹄》，中国水利电力出版社，1985年，第53页。

    提高水流速度可以加大挟沙力，这是早已解决了的问题。进一步的要求是找到如何提高流速的方法，张戎的意见是禁止中游引水灌溉，使黄河水量集中下泄。在这里，万恭和虞城秀才的办法是利用堤防作为手段。某段河床某个部位淤浅了，则可以在对应部位筑堤，挑动主溜冲向淤积地段，则淤积可除。其实质是利用堤防为手段，通过改变河流的局部流态来达到冲刷淤积的目的。这个“以河治河”的办法使治河理论水平上升到了一个全新的高度，在治河工程实践上自然也比人力疏浚效果好。不过，万恭主持治黄、治运工作前后只有两年多的时间，他所说的以堤防约束河水，达到冲刷河床淤积的目的，还只局限于某个河段和局部河床。直到潘季驯的时代，才进一步提出了系统的理论和实施方案。

(二)潘季驯的治黄方略及其理论贡献

    潘季驯(1521～1595)是中国古代最杰出的治河专家之一。曾四次担任总理河道一职，主持治理黄河、淮河和运河，前后历时27年。在河流泥沙运动理论方面，他继承了万恭创造性的发展，进一步提出了“束水攻沙”和“蓄清刷黄”的治河理论体系，并设计了一整套堤防系统，努力把他的理论在黄河上付诸实现，期望由此一举根治黄河。

    首先，潘季驯继承万恭的治河思想，并概括为“借水攻沙，以水治水”。
    针对明代前期治河以分水为主的思想，他阐述了河水不仅不应分流，而且应尽量将支流汇入，以提高冲刷河床淤积的能量。他说：
    盖筑塞似为阻水，而不知力不专则沙不刷，阻之者乃所以疏之也；合流似为益水，而不知力不宏则沙不涤，益之者乃所以杀之也。旁溢，则水散而浅；返正，则水束而深。水行沙面，则见其高；水行河底，则见其卑。此既治之后与未治之先，光景大相悬绝也。每岁修防不失，即此便为永图。借水攻沙，以水治水。①
阻与疏、益与杀、深与浅、高与卑本来是对立的概念，但在“河不两行”、“筑堤束水，以水攻沙”②的条件下实现了统一。由相反转而相成。潘季驯治河精辟地体现了对立统一的辩证思想。他对自己的治河方略充满了信心，将“束水攻沙”生动地比喻为“以水刷沙，如汤沃雪”，好像把一锅开水浇在雪地上一样，黄河泥沙问题将迎刃而解。

    第二，潘季驯在“束水攻沙”的基础上进一步提出了“蓄清刷黄”。
    当年黄河南下在清口(在今淮阴市西)汇合淮河入东海，清口以上是洪泽湖。淮河洪水在此汇入黄河，必将增大黄河洪水量，因而增加防洪的困难。这是不利的一面。但与此同时，潘季驯还注意到黄淮相会还有其有利的方面，即淮河水清，挟沙力强，汇入浊河后将提高冲刷河床的能力。因此，潘季驯在洪泽湖东南筑高家堰，意图是蓄积淮河清水，再东入黄河，实现“蓄清刷黄”的战略构思。乾隆十三年(1748)河道总督高斌对潘季驯的理论贡献有精到的概括：
    如先生之筑堤障水，逼淮注黄，以清刷浊，沙随水去。此理之不易者也。③
    《明史?潘季驯传》对潘氏的主要贡献也作了“当藉淮之清，以刷河之浊，筑高堰束淮入清口，以敌河之强”的归纳。清代著名学者方苞(1668～1749)更高度评价潘季驯的这一治河措施：“《考工记》云：‘善沟者，水漱之。’明嘉靖中，潘公季驯以治河显名，论者以比禹功。其实不过引山东骆马诸湖之水入黄河东北岸，以荡其沙；引洪泽湖之水自清口入黄河西南岸，以荡其沙，用是黄运安流百有余年。”①
   ①  明?潘季驯：《河防一览》卷8，河工告成疏。
    ②  明?潘季驯：《河防一览》卷2，河议辩惑。
    ③清?高斌：《重刻河防一览序》。
    潘季驯本人则认为：“盖借水攻水，以河治河，黄淮并注，水涤沙行，无复壅滞。非特不相为扼，而且交相为用。”②对他治黄主张的核心内容作了清晰的说明。

    第三，实现“束水攻沙”和“蓄清刷黄”的关键措施是筑堤。
    在潘季驯四任总理河道期间，对堤防在治黄中的地位和作用的认识是逐渐由单一缕堤束水，到遥、缕双重堤防，最终达到设计了一整套由遥堤、缕堤、格堤、月堤以及遥堤上的减水坝共同组成的堤防体系。缕堤和遥堤是最主要的，其中缕堤是靠近河道主槽的第一道防线。依据河床断面、流速和水流挟沙力之间的关系，意在束窄河槽，加大流速，冲刷淤积。缕堤之外相距二三里的地方另有一道与缕堤平行的遥堤。遥堤主要起到洪水越过缕堤之后，不使其泛滥的目的。如果洪水再大，则允许从遥堤上的减水坝上溢流。可见缕堤主要解决流速与冲沙之间的矛盾，而遥堤主要解决河床容蓄能力与洪水量之间的矛盾。只要堤防稳固了，河水归槽刷沙，黄河河床逐步加深，防洪问题便迎刃而解③。

    第四，从缕堤“束水攻沙”至遥堤“束水归槽”的进步。
    遥、缕双重堤防体系在实际应用中却遇到始料不及的困难。由于“缕堤逼近河滨，束水太急。每遇伏秋，辄被冲决”④。这是困难之一。第二，缕堤临近河槽，与遥堤之间是宽阔的滩地。而黄河滩地“外河(滩唇)高于内地(遥堤堤根)，积雨盈溢，两水夹攻，(缕堤)势自难守”⑤，缕堤受主溜和滩地积水两面夹攻，安全无法保证。于是，万历六年(1578)六月，在三任总理河道之初，潘季驯即明确指出，在某些堤段如“自古城至清河，亦应创筑遥堤一道。不必再议缕堤，徒糜财力”⑥。“今双沟一带，已议弃缕守遥矣”⑦。及至潘季驯临近退休的前一年(万历十九年，1592)，他将黄河修防今后应继续完成的重点工作归纳为五项，其中第一项就是在肯定遥堤的同时，明确指出：既然缕堤难于修守，倒不如“却将一带缕堤相度地势开款(空)，放水内灌，……水进则沙随而入，沙淤则地随而高，二三年间(滩)地高于河，即有涨漫之水，岂能乘高攻实乎?缕堤有无不足较矣”①。

    ①清?方苞：《与鄂少保论治河疏》，方苞集，上海古籍出版社，1983年，第674页。
    ②  明?潘季驯：《河防一览》卷8，河工告成疏，水利珍本丛书本。
    ③  明?潘季驯：《河防一览》卷10，《申明修守事宜》中说：“故，堤固，则水不泛滥，而自然归槽，归槽，则水不上溢，而自然下刷。沙之所以涤，渠之所以深，河之所以导而入海，皆相因而至矣。
    ④  同②
    ⑤  明?潘季驯：《总理河漕奏疏?条议河防未尽事宜疏》卷6。
    ⑥明?潘季驯：《河防一览?两河经略疏》，卷7，第174页。
    ⑦  明?潘季驯：《河防一览．河防险要》，卷3，第87页。

    纵然放弃缕堤，潘季驯认为依靠遥堤仍旧可以实现“束水攻沙”。万历十六年(1588)在他第四次任总理河道之初，就强调指出：
    治河之法，别无奇谋秘计，全在束水归槽。……束水之法，别无奇谋秘计，惟在坚筑堤防。……故堤固则水不泛滥，而自然归槽；归槽则水不上溢，而自然下刷。沙之所以涤，渠之所以深，河之所以导而入海，皆相因而至矣。②

    这里所说的实现“束水归槽”作用的堤防，并不是潘氏二任总理河道时所提出的“以束河流”的缕堤。他在后一篇文章中作了进一步注解：
    堤能束水归槽，水从下刷，则河深可容。故河上有岸，岸上始有堤。平时水不及岸，堤若赘旒(装饰、点缀)。伏秋暴涨，始有逾岸而及堤址者，水落复归于槽。非谓堤外即水。③

   显然，潘季驯这里所说的束水堤防是遥堤而不是缕堤，只不过遥堤的作用不是“束水攻沙”，而是“束水归槽”后对河床的冲刷。可见潘氏对遥堤功能的理解，除了防止洪水泛滥外，还有约束河水归槽以冲刷河床。这后一点功用的强调，与其弃缕守遥的观念直接相关。况且，河水出槽后将淤积滩地，“假令尽削缕堤，伏秋黄水出岸，淤留岸高，积之数年，水虽涨不能出岸矣”④，河防自然益加巩固。事实上，在潘季驯治河后期，他已经认为，纵然放弃缕堤，并不妨碍其实现“束水攻沙”的治河思想。因此，在万历七年(1579)冬，当潘季驯完成了上自徐州、下至淮阴600里长的黄河两岸遥堤之后，兴奋异常地说：遥堤“蜿蜒绵亘，始如长山夹峙，而河流于其中，即使异常泛涨，缕堤不支而溢至遥堤，势力浅缓，容蓄宽舒，必复归槽，不能溃出。……固不能保缕堤之无虞，而能保其至遥即止”⑤。《河防一览?全河图说》的多处注释，对“束水归槽”的实质也有清楚的说明。参见图2-21。

    第五，淤滩固堤是这一时期针对高含沙河流特点以河治河的又一贡献。
    最早提出这一建议的还是上文提到的那位虞城秀才。其办法是：坚筑堤防，当洪水盛涨，允许它漫过堤防。而当洪水退去时，漫堤之水所挟泥沙必然在堤背沉淀，从而达到巩固堤防的目的。当年万恭曾在徐州至邳州(今江苏邳县南)的黄河上试行，取得了预期的效果⑥。
    淤滩固堤也被潘季驯引入他的双重堤防体系，并加以发展。潘季驯原在遥堤和缕堤之间设置横向的格堤，本意是防止洪水漫过缕堤后，沿遥堤和缕堤间的滩地漫流冲刷。实际应用中则发现格堤非但有如上的好处，而且被格堤拦截的洪水，其中的泥沙淤高了滩面，对堤防有保护作用。在他治河的后期，又进一步提出了淤滩固堤。即在缕堤适当地点开口，引洪水
    ①  明?潘季驯：《总理河漕奏疏．条议河防未尽事宜疏》卷6。
    ②  明?潘季驯：《河防一览?申明修守事宜疏》，卷10，第276页。
    ③  明?潘季驯：《河防一览?恭诵纶音疏》，卷10，第298页。
    ④  明?潘季驯；《河防一览．河议辩惑》，卷2，第62页。
    ⑤  明?潘季驯：《河防一览?河工告成疏》，卷8，第210页。
    ⑥  明?万恭：《治水筌蹄》，中国水利电力出版社，1985年，第50页。

    入遥、缕之间的滩区，沙随水入，几年后，滩区淤高，一般大水不再能够上滩，实际上，高滩代替了缕堤束水的作用，这时缕堤自然可以放弃。潘季驯总结说：“与其以人培堤，孰若用河自培之为易哉。”①也就是说，泥沙淤积主槽，抬高河床，是有害的；而将泥沙引入遥、缕二堤之间的滩地淤积，则将巩固堤防，变害为利。这是潘氏辩证治河的又一范例②(如图2—22)。

    清代的放淤固堤则主要在大堤(相当潘氏的遥堤)和依傍大堤的月堤之间进行。为了保证放淤的安全，放淤时先在下游开顺清沟，引含沙量较小的水将大堤与月堤间充满，再在上游开引黄沟，引入含沙量高的浑水。由于其中先行充水，迎溜开引黄沟既不会出险，又提高淤滩的效果。当年除黄河以外，在永定河和南运河上也普遍推行淤滩固堤，收到显著的效果③。

(三)近代黄河模型试验与验证

    “束水攻沙”、“蓄清刷黄”和“淤滩固堤”在理论上的贡献为近代治河专家所称道，所阐明的水流挟沙力概念，与河流动力学原理相一致。

    铜瓦厢决口后，先后有几位西方水利专家来华考察黄河并提出治理意见。其中光绪十七年(1891)荷兰人单百克(P．G．Vanschhermbeck)认为，针对黄河多沙，应采用双重堤防，即在河流两侧各修筑相距1.5～4千米的两道大堤，并在滨河的第一道堤(缕堤)上建减水坝。洪水期间高含沙水流漫坝进入两堤之间，“年复一年，淤地日高，而达于洪水位。……由是我人将获得一新堤，其顶宽为1.5～4千米”。④和300年前潘季驯的认识如出一辙。德国著名河工专家、河工模型试验创始人恩格斯教授(Hubert Engels，1854～1945)主张，黄河治理应固定中水河槽，他先后于1932和1934年两次进行黄河下游动床模型试验。在试验之后说：“潘氏认为分清遥堤之用为防溃，而缕堤之用为束水，为治导河流之一种方法，此点实非常合理”，验证了350年前潘季驯的治黄理论的正确性。可见，以潘季驯治黄为代表的我国16世纪的河流泥沙运动力学的理论成就，位居当时世界前列。不过，潘氏的理论还只限于定性的认识，缺乏定量的分析。在复杂的黄河防洪斗争中，他所设计的治黄堤防体系发挥了有益的作用，并为后人所遵循。但由于理论上的缺陷和工程技术水平的限制，其治黄实践并未如他所设想的那样有效。
    ①  明?潘季驯：《总理河漕奏疏．条议未尽河防事宜疏》卷6。
    ②郭涛，潘季驯，中国水利电力出版社，1985年，第39页。
    ③姚汉源，河工史上的固堤放淤，水利学报，1984年，第12期。
    ④沈怡，黄河问题讨论集，第24页。