水利科学史之泥沙运动力学的起源与张戎的贡献

(一)对泥沙运动的观察

    水流有清浊之分，古人早有观察和记录。《诗?小雅?谷风之什》曰：“相彼泉源，载清载浊。”战国时人解释河水变浊的原因是：“夫水之性清，土者汨之，故不得清。”②《尔雅?释水》并且具体解释黄河之所以含沙量高的原因是“河出昆仑墟，色白，所渠并千七百一川，色黄。”晋代学者郭璞(273～324)对黄河之所以黄注解说：“潜流地中，汨漱沙壤，所受渠多，众水溷淆，宜其浊黄。”即黄河之浊是众支流挟沙汇入所致。水流含沙是水流的搬运作用。北宋科学家沈括(1031～1095)曾指出，以黄河为首的华北诸河多浊流，河水挟带的泥沙都是上中游被冲蚀的土壤。所以他的结论是：“所谓大陆者，皆浊泥所堙耳。”③并且举例说，舜杀治水失败的鲧于羽山，这个羽山当时是在东海里，现在则在大陆，以为证明，正确地解释了华北平原的成因。他还认为，浙江温州的雁荡山诸峰挺立，“原其理，当是为谷中大水冲激，沙土尽去，惟巨石岿然挺立耳”。④

    那么，泥沙是否能被流水携带，还要看水流的速度与泥沙的粒径和比重。东汉初年王充(27～97)指出：“湍濑之流，沙石转而大石不移，何者?大石重而沙石轻也。”⑤而相反的情况则是大哲学家老子所概括的：“浑兮其若浊，孰能浊以止?静之徐清。”⑥当挟沙水流静止下来的时候，便失去拖曳力和上举力，原来被流水挟带的泥沙随之沉降下来。在春秋战国时期的水利建设中，已实际应用了水流冲淤的概念。《考工记．匠人》中说：“凡沟，必因水势；防，必因地势。善沟者，水漱之；善防者，水淫之。”“漱”是冲去淤积。而“淫”，郑玄(127～200)注解说：“水淤泥土流著，助之为厚。”即善于修水沟的人，要适当掌握水沟的坡度和断面，使流水冲去淤积，达到冲淤平衡。而善于筑堤的人，却要利用水中的淤泥，来使堤防加厚而愈臻巩固。《管子?度地》说：“夫水之性，以高走下则疾，至于漂石。”连石块都能冲走，何况泥沙?但水渠却不能允许有这样大的流速，而必须选择适宜的、使渠道不冲不淤的流速。为此首先要选择合理的坡降。当年已有渠道比降的计算方法①。至于利用高含沙水流淤积巩固堤防，后代也有实践。例如明代万恭曾在河一岸筑挑水坝，逼水冲刷对岸河道积淤，同时使挑水坝一侧堤防“渐淤渐厚，是以堤拥堤也”②。这里的“拥”和“淫之”是同一个意思。此后的放淤固堤技术，也是“淫之”以巩固堤防的一种方法。
    ①清?靳辅：《治河方略》卷2，高家堰，水利珍本丛书本，第?1页。
    ②《吕氏春秋．孟春纪?本生》，四部丛刊本。
    ③，④  宋?沈括：《梦溪笔谈?杂志一》卷24。
    ⑤汉?王充：《论衡?状留篇》。
    ⑥《老子本义》，第14章。《老子?道德经》中也有类似的记述。

  (二)张戎对水流挟沙力的理论概括

    西汉末年，河流泥沙运动理论上升到一个新阶段。这是和当时黄河频繁决溢以及积极探索治黄方略的时代背景有关。黄河两岸连贯性大堤大约始建于战国初年，由于黄河高含沙、善淤积的特点，建堤之后，河道不再四处游荡，而河床却因此逐年淤高，经过300多年的堆积，下游堤防高度一般已有一丈以上，个别低洼地段，堤高竟达四、五丈。这种形势被当时人形容为“犹筑垣而居水也”。可见那时黄河已形成为地上河，增加了修防的困难，因而西汉后期黄河连年决溢。新的形势对黄河修防提出了新的要求。在战国以来社会经济和科学技术发展的基础上，治河理论和河工技术都有明显的进步。在公元前的几十年里，先后提出有分疏说、滞洪说、改道说、避让说、水力刷沙说等治河方略，其中王莽时代的大司马史张戎从河流泥沙运动理论出发所提出的水力刷沙说，在河工史上占有突出的地位。他在阐述治黄方略时说：
    水性就下，行疾，则自刮除，成空而稍深。河水重浊，号为一石水而六斗泥。今 西方诸郡，以至京师东行，民皆引河、渭山川水溉田，春夏干燥少水时也，故使河 流迟，贮淤而稍浅。雨多水暴至则溢决。而国家数堤塞之，稍益高于平地，犹筑垣 而居水也。可各顺其性，毋复灌溉，则百川流行，水道自利，无溢决之害矣。③

    张戎敏锐地抓住黄河最突出的特点是多泥沙，定量估算了黄河的含沙量，指出黄河易决口的关键在于含沙量太高。中游泥沙被河水携带至下游，淤高河床。黄河河床高出两岸地面，左右两道大堤像两堵墙一样把河水圈在堤内。暴雨洪水时，自然难免决堤而出。如果不能针对这一症结施治，惟有一再加高堤防来防御，那只是治标而未治本。那么，黄河河床为什么会淤积呢?他认为，流速快就会冲淤并刷深河床；反之，则将淤积。现在黄河中游地区普遍发展灌溉，进入黄河干流的水量减少，于是“使河流迟，贮淤而稍浅”。据此，他提出，如果中游不再灌溉，而集中水量下泄，下游河床自然通利，决溢自然可以避免。张戎抓住黄河致患的症结，明确指出水流与挟沙力之间存在的正比关系，以及在同一河床中，河中水量与流速也直接相关。他在这里提出的是最早的河流挟沙力概念的精辟的定性表述。

    明代万恭、潘季驯等人提出的“束水攻沙”理论，是张戎水力刷沙说的重要发展。桓谭在《新论》中介绍说，张戎“习灌溉事”，可见张戎对水流与河床冲淤关系的认识是他从事灌溉工程实践的经验总结。当然，今天看来，他的贡献主要在于河流泥沙运动理论方面，而对于治黄实践来说，还只是纸上谈兵。首先，当年黄河中游灌溉引水数量不多，不足以对下游防洪产生决定性影响；第二，黄河淤积主要产生在洪峰后部，其他时间淤积较少，禁止灌溉实际上达不到减少河床淤积的目的。
   ①参见《中国水利史稿》(上)，中国水利水电出版社，1979年，第104页。
    ②  明?万恭：《治水筌蹄》，中国水利电力出版社，1985年，第51页。
    ③《汉书，沟洫志》卷29。