都江堰水利樞紐摘要：本章簡要介紹了都江堰水利工程的概況，都江堰樞紐的發展歷程，以及都江堰對當地的巨大作用，分析了都江堰樞紐主體工程的功能和原理，研究了樞紐區在現當代的利用及面臨的問題，和如何合理規劃利用都江堰關鍵詞：都江堰，水資源，水問題，規劃都江堰位于四川省都江堰市城西，是中國古代建設并使用至今的大型水利工程，被譽為"世界水利文化的鼻祖”，四川著名的旅游勝地。都江堰水利工程是由秦國蜀郡太守李冰及其子率眾于前256年左右修建的，是全世界迄今為止，年代最久、唯一留存、以無壩引水為特征的宏大水利工程。作為中國古代水利史上的瑰寶，具有重要的歷史文化和特殊的水利工程價值。都江堰工程自建成2270年來，為灌區提供了豐富的水資源，造福川中，沿用至今，堪稱奇跡。都江堰經久不衰的重要原因之一就是其樞紐工程合理的天然布局和順應自然流態的水沙運動規律。以及我國人們悠久的水文化以及先進的水思想都江堰始建之初除寶瓶口以外，魚嘴、飛沙堰以及百丈堤、平水槽（現已封閉）、人字堤等工程無論在形式上、結構上甚至位置上都與現在的都江堰不同。1933年10月9日，岷江上游地震湖崩塌引發的洪水將都江堰渠首工程完全沖毀，洪水沖開離堆公園成河，現在離堆公園中的荷花池就是那場洪水肆虜的遺跡。1964年岷江洪水也基本上將都江堰渠首工程沖毀。在漫長的歷史長河電都江堰水利工程不斷地修了毀、毀了修，是人與自然此進彼退、和諧共存的一個動態過程。我們現在所看到的都江堰（包括魚嘴、飛沙堰、寶瓶口、外江閘、內江閘群、工業引水攔水閘等其實都是采用了現代工程技術和建筑材料,對歷朝歷代治水先賢的治水思想不斷總結、完善、發展的結果。都江堰在漫長的實踐中還形成了榪槎、竹籠、干砌卵石等的治河工藝。濃縮了千百年治水經驗總結出的“三字經”、“六字決”、“八字格言”，形成都江堰獨特的治水思想。都江堰長期形成的管理機構和特有的管理辦法，同樣構成了都江堰水文化的一部分。如漢靈帝時（公元168年）已設置“都水椽”和“都水長”等水利官員，專門負責維修管理都江堰渠首工程;三國時期,“諸葛亮北征，以此堰農本，國之所資，以征丁千二百人主護之,有堰官”。這些機構的設置對于都江堰歷經二千多年而不衰發揮了重要作用。可以說，都江堰所體現的不僅僅是李冰的個人智慧,更是真正意義上的中華民族勤勞與智慧的結晶。都江堰水利樞紐工程都江堰位于長江上游支流岷江上，崛江以崛山導江而而得名，發源于松潘縣弓杠嶺和朗架嶺，流經漢川、都江堰市、樂山市大渡河入匯，到肩｛賓市后注入長江。著名的都江堰水利工程即位于崛江中游的都江堰市。都江堰流域分水源區和灌區，渠首樞紐以上的崛江為水源區，河道長340公里，落差達3009米，河道坡度4.83%。，流域面積133,500平方公里。渠首樞紐以下的為灌區，流域面積21700平方公里，灌溉農田1000多萬畝。崛江流至紫坪鋪出關口后，地勢由高山峽谷突變為平原，河床陡然開闊，水勢趨緩，為都江堰渠首工程的建設提供了得天獨厚的地理條件。此處位于呈扇形伸展的成都平原的頂部，海拔739米，是整個都江堰灌區的制高點。良好的地理位置，使都江堰既可扼制住剛出峽谷的崛江水勢，使其不能直瀉成都平原而引發洪水災害，又可因地勢高而控灌整個都江堰灌區，造福川西大地，是設置渠首樞紐的最佳位置。都江堰早期以航運為主，兼有灌溉的效益，至漢代擴大灌區，漸以灌溉為主，到魏晉時，已具備分水、溢洪、引水二大主要工程設施的雛形。發展至今，都江堰已成為具有農業灌溉、城鎮和工業供水、生態和文物保護、防洪、旅游、發電、水產和養殖等多目標，引、蓄、提相結合的綜合性特大型水利工程。都江堰水沙運動規律都江堰使成都平原的萬頃農田得到灌溉，使蜀郡成為秦國的重要糧食基地之一，為秦始皇統一中國提供了重要的物質條件。歷代治蜀者和灌區人民都非常重視對都江堰的管理與維護，并在長期的治水實踐中總結出了“乘勢利導，因時制宜”的治水原則和“二字經”“六字訣”、“八字格言”等豐富的治水經驗，創造出了碼搓、竹籠、羊圈、干砌卵石等傳統工程技術，形成了具有都江堰特色的水利管理體制與制度。“創科學治水之先例，建華夏文明之瑰寶”。晉代周誰《益州記》中稱“水旱從人，不知饑模，時無荒年，天下謂之天府也”。都江堰樞紐主要由魚嘴、金剛堤、飛沙堰和寶瓶口等組成分流、引水、排沙樞紐，河勢見圖圖：都江堰河勢圖灌區渠系工程都江堰樞紐將崛江分為右岸沙黑河總干渠、左岸內江總干渠和崛江干流。崛江干流從都江堰到新津河段長70余公里，為崛江的排洪河道。內江水流進寶瓶口后，通過總干渠至仰天窩節制閘一分為二，再經蒲柏、走江閘二分為四，順應西北高、東南低的地勢傾斜，一分再分，形成自流灌溉的渠道體系，灌溉成都平原及川中丘陵區一千余萬畝農田。山民江右岸則由沙黑總河進口后灌溉崛江右岸的土地，灌區分布如圖

1949年以后，在老灌區修建了50余座重要分水樞紐，改造了3萬多條舊渠道，到2000年，渠系工程共有干渠37條，分干渠60條，長3550公里;萬畝以上支渠272條，長3627公里;萬畝至千畝斗渠2848條，長11847公里;千畝以下農渠34868條，長23172公里;斗渠以上建筑物4.89萬座。其中干渠工程有水閘998座，隧洞334座，渡槽415座，涵洞964座，倒虹管91座。灌區內農業生產總值368億元，占全省的25.3%，工農業生產總值1645億元，占全省的43.0%，國民生產總值1502億元，占全省的41.6%，在全省的經濟和社會發展中具有極其重要的戰略地位。李冰主持創建的都江堰，正確處理魚嘴分水堤、飛沙堰泄洪道、寶瓶口引水口等主體工程的關系，使其相互依賴，功能互補，巧妙配合，渾然一體，形成布局合理的系統工程，聯合發揮分流分沙、泄洪排沙、引水疏沙的重要作用，使其枯水不缺，洪水不淹。都江堰的三大部分，科學地解決了江水自動分流、自動排沙、控制進水流量等問題，消除了水患。都江堰的創建是一個科學、完整、極富發展潛力的龐大的水利工程體系，是巧奪天工、造福當代、惠澤未來的水利工程，是區域水利網絡化的典范。后來的靈渠、它山堰、漁梁壩、戴村壩一批歷史性工程，都有都江堰的印記。都江堰水利工程的科學奧妙之處在于集中反映在以上三大工程組成了一個完整的大系統，形成無壩限量引水并且在岷江不同水量情況下的分洪除沙、引水灌溉的能力，使成都平原"水旱從人、不知饑饉”，適應了當時社會經濟發展的需要。解放后，又增加了蓄水、暗渠供水功能，使都江堰工程的科技經濟內涵得到了充分的拓展，適應了現代經濟發展的需要。都江堰水利事業工程針對岷江與成都平原的懸江特點與矛盾，充分發揮水體自調、避高就下、彎道環流特性，"乘勢利導、因時制宜”，正確處理懸江岷江與成都平原的矛盾，使其統一在一大工程體系中，變水害為水利。都江堰水利工程的變遷都江堰從創建至今，經歷代的改建、維修和完善，才具有現在的布局，魚嘴、飛沙堰和寶瓶口三大主體工程也是不斷發展變化的。魚嘴初建時位于今魚嘴以上1650m的古白沙郵，元代更上移至距今魚嘴約2000m的鹽井關和水西關之間。見圖，而清乾隆年間又下移至今魚嘴以T700m的虎頭巖對面河心，上下變化近3000米。1936年在現位置修建漿砌條石魚嘴，1974年重新加固，2002年維修時采用鋼筋混凝土徹底整修。魚嘴的結構有卵石竹籠、條石污工、鐵龜鐵牛、漿砌條石，直至新修的鋼筋混凝土工程。圖元代都江堰渠首工程示意圖（引自《都江堰志》175頁）。飛沙堰長期與金剛堤上的平水槽共同承擔內江的泄洪任務。如元代的石門、清代的湃水河，都是內江河段的旁側泄洪水道，直至1962年封閉平水槽，加寬飛沙堰，沿用至今。飛沙堰的口門寬度和堰頂高程也是經長期實踐，反復論證，直至1964年重修時才穩固下來。寶瓶口在天然礫宕上開鑿而成，形狀不規則，為上大下小的梯形。1970年用混凝土加固，平均寬度20.4m。為了保證灌區的供水，減少因竹籠榪杈沖毀而導致內江引水不足或榪圈拆除不及時而導致內江洪水災害的發生，在1973年修建了外江臨時閘。為了提高灌溉用水的保證率和歲修期間成都的供水安全，1992年又在飛沙堰尾修建了工業引水擋水閘。兩座閘的修建完全改變了都江堰千百年來無壩引水的歷史，也改變了都江堰的景觀，但也更充分發揮了其水利工程的效益。都江堰生態環境的變化（1） 金馬河的斷流枯水期的都江堰為引水的需要，每年需攔斷外江河口，使水流全部進入內江。從有記載的20年代開始，統計了外江斷流的天數（都江堰志276-278頁，1993）1921到1949共29年，平均每年斷流63.1天;1950-1973共24年，平均每年斷流43.7天;1974-1992共19年，平均每年斷流173.8天。統計資料表明，在修建外江臨時閘以前，每年斷流大約2個月。當外江臨時閘建成后，為了保證灌區供水，外江斷流時間接近半年。崛江干流金馬河河段（都江堰至新津）長時間的斷流對生態環境和水生生物的繁衍必然會帶來一定的影響。但干流兩岸臺地的沙卵石層具有很強的透水性，部分水流可以滲回河道，加之沿程的支流文井江（多年平均徑流量4.67億m3）、斜江（2.0億m3）和故江（4.76億m3）的補水，長期以來該河段的生態環境基本能維持平衡。（2） 成都供水成都市的水源由環繞成都而過的兩條人工河流府南河■（成都市的護城河）供水。府河（古稱鄲江）、南河（古稱檢江、錦江）從都江堰取水，為秦蜀守李冰所建，“蜀守冰鑿離堆，避沫水之害，穿二江成都之中”（《史記?河渠書》）。《華陽國志?蜀志》記載“冰乃雍江作繃，穿鄲江、檢江，別支流雙過郡下，以行舟船”。歷史上府南河被譽為“翡翠項鏈”的河流，環境優美，水質良好，人們在河里淘米，更以取河心之水泡茶為上品。府南河還是古代成都通往中國沿海的黃金水道，可以一水走天下。20世紀70年代以后，工業化和城市化加快，農業和城市用水急劇增加，都江堰灌區面積超過1000萬畝。致使府南河旱季斷流、泥沙淤積，洪季堤防潰決、災害頻發，經濟損失巨大，府南河變成了“臭水溝”。環境破壞不僅危及區域的地下蓄水層，還對崛江流域和長江上游的水資源造成嚴重污染。因而對府南河進行綜合治理勢在必行。1994年投資27億全面啟動府南河綜合整治工程，對防洪、治污、安居、綠化、文化和道路管網工程進行全面治理。計劃未來二年投資60億兀，在2004年底使生活污水處理率提升至60%以上，2005年底達到80%。府南河在改善人類居住環境方面的杰出貢獻引起了國際社會的廣泛關注，先后榮獲聯合國頒發的“人居獎V“改善居住環境最佳范例獎”、“最佳水岸設計獎”及“地方政府首創獎”。紫坪鋪工程建成后，枯水期向成都提供20m3/s的環保用水，為改善成都市的水環境提供了根本保證。都江堰水流泥沙規律都江堰水利工程歷經兩千多年而不衰，與其同期修建的鄭國渠早已湮沒無存，靈渠也失去了它以航運為主的功能，只有都江堰水利工程還在不斷發展，除了它優越的地理位置、完善的管理維護以外，水流泥沙運動及河床演變的特性也是維持工程長期生命力的重要條件。因而有必要研究都江堰工程各時期分流、引水、防沙的科學原理，泥沙沖淤規律及河床演變特性;特別是要總結建國后在工程改建、科學管理、灌區配套等方面的先進經驗及充分發揮都江堰水利工程的綜合效益，為都江堰水利資源的綜合利用和可持續發展提供科學依據。(1)魚嘴分流規律研究都江堰魚嘴位于二土廟山腳下的江心，將干流分為內、外江，內江河口過水寬度130m，外江河口過水寬度96m。都江堰治水二字經中的“分四六、平潦旱”指的就是在天然條件下魚嘴的分流規律，在枯水季節需要引水灌溉時，內江分流六成，外江分四成;到洪水季節時，外江分六成而內江分四成。其實，魚嘴內外江的分流比不是嚴格的4:6和6:4,所謂洪、枯水亦沒有一個明確的界限。對內江而言，大致是小水時分流比大于50%，大水時分流比小于50%。內外江分流的自動調節功能是由魚嘴以上河段的自然條件形成的，山民江出山口的抓住節點關口可視為都江堰河段的進口，其對都江堰河段水流的流向有重要的作用。小水時水流坐彎，在關口右岸山嘴挑流的作用下，水流出關口后偏向左岸，又因韓家壩河心灘在小水位時不過流，所以水流一直沿左岸彎道向下，到魚嘴時主流仍然偏左，致使內江分流比大于50%。在洪水期，關口右岸山嘴的挑流作用減弱，韓家壩河心灘過流，水流趨直，到魚嘴時主流正對外江，所以外江分流比大于50%。該河段洪、枯水的主流線示意如圖圖：魚嘴上游河段洪、枯水主流線示意圖在都江堰長期的運行過程中，中小流量很多都受到人為因素的控制，如春季灌溉期間，在魚嘴前外江一側設置竹籠榪杈，迫使水流進入內江，所以內江的分流比明顯大于外江。在用水的高峰時期，山民江來水甚至全部引入內江，外江完全斷流。為了行洪度汛，春灌后須拆除榪杈，如遇伏旱需加大引水量時，又得重新設置竹籠榪杈。這樣多次地設置竹籠榪杈，既耗工費時，又耽誤農事，還很不安全，所以在1973年修建了外江閘。1974年外江閘運行后對引水流量的抓住有了極大的改善，灌區引水和泄洪排沙都都能有效地控制，每年需水季節可以多引約7億立方水量。上述研究結果表明，在天然情況下，不是魚嘴在洪、枯季節自動地調節分流比，而是魚嘴以上河段的河勢控制了洪、枯季節主流的流路，達到了理想的分流效果。在春灌期則是主要以竹籠榪杈控制分流比，內江引水比例大大增加。外江閘建成后，中小流量的內外江分流

比主要由人為控制。(2)飛沙堰分流排沙規律研究飛沙堰距魚嘴約1000m,堰長約260m,堰頂高出河槽約2.15m,內側為1:5的緩坡。飛沙堰對岸為風棲窩，用以標定淘灘深度的臥鐵即在該處。圖：飛沙堰河段河勢在內江流量小于350m3/s時，飛沙堰不溢流，水流過寶瓶口進入引水渠。當內江流量大于350m3/s時灌區又需水的春季，在飛沙堰頂堆放卵石竹籠攔水以保證灌渠引水，到汛前拆除竹籠或由洪水自然沖毀，飛沙堰發揮其泄洪功能。由于飛沙堰具有攔水入寶瓶口和宣泄內江洪水的雙重功能，堰頂高程低了不足以攔水，高了又不利泄洪。所以只能按保證泄洪的要求設計，在需要加大引水時在堰上臨時用竹籠加高，洪水時破籠泄洪，如破籠不及時則可能造成洪水災害。當來流洪枯變化頻繁，則引水、防洪都難以保證。此外，每年歲修期間要在飛沙堰尾部架設臨時擋水板，從外江引水穿過離堆公園向成都提供工業和生活用水。1992年在飛沙堰尾建成工業引水擋水閘后，寶瓶口能保證的進水流量從330m3/s提高到530m3/s，歲修內江斷流期間保證向成都供水40m3/s。都江堰的治水格言“深淘灘，低作堰”，就是指在飛沙堰河段的風棲窩的河道要深淘，深度到河底的“臥鐵”，保證在天然情況下寶瓶口的進流量;低作堰則是說飛沙堰的高度不能高，方能充分發揮其泄洪功效。魚嘴以下的內江河段在平面上為彎曲河道，坡陡流急，平均水面比降1.31%。將產生強烈的彎道環流如圖。

表面流速a底部流速表面流速a底部流速表層水流的流速快，慣性大，主流指向凹岸，在凹岸邊主流下潛，推動底部流速較小的水體流向凸岸，形成螺旋流。在彎道環流的作用下進入內江的卵石90%以上從飛沙堰排入外江，實測從飛沙堰排出的卵石直徑達600mm以上，1966年7月28口洪水沖毀二土廟山下部分漿砌卵石堤埂，其中有一塊重逾2噸的碎塊翻過飛沙堰頂。在飛沙堰頂，底流橫切，卵石和高濃度的近底懸沙能有效地排走，表層水流則基本與堰頂平行而流向下游，形成堰頂溢流時底部單位面積的泄流量大，上部單位面積的泄流量小的特殊流態。（3）寶瓶口引水規律研究寶瓶口距魚嘴1220m，上寬下窄，平均寬度20.4m，見圖。在離堆右側還有一低堰，口門寬65m，底高程731.5m，稱為人字堤。在小流量時，飛沙堰不過流，進入內江的水流全部進入寶瓶口。在大洪水時，希一望引水干渠的咽喉寶瓶口盡量少分流，以利灌區防洪。寶瓶口的平均寬度20.4m，比飛沙堰的前沿寬度小于余倍。洪水期的內江主流直沖離堆的凹形崖壁，主流反沖后形成的橫向射流與寶瓶口的進水方向幾乎成直角，極大地擠壓了寶瓶口的有效過水面積，控制了寶瓶口的進流量，使進入內江的水流大部分從飛沙堰外泄，再加上人字堤的分洪作用，使得崛江洪水越大，寶瓶口的分流比越小。如1964年崛江流量為7700m3/s時，進入寶瓶口的流量只有738m3/s，不足崛江總流量的10%。二大主體工程中，只有寶瓶口還保留了其歷史的風貌和引水的功能。都江堰面臨的水問題都江堰無疑是“天人合一”、“巧奪天工”，但它畢竟是經過兩千多年的歷史逐步發展起來的,在興建和發展的漫漫過程中，沒有預先進行完整的規劃和設計。隨著都江堰灌區經濟社會的發展，都江堰除了承擔農業用水外，還要承擔工業用水、城市生活用水、環境用水、發電、養殖等綜合用水。都江堰目前所面臨的水問題概括來說有資源問題和工程問題。（1）水資源問題岷江具有豐沛的水資源，多年平均共290億m3（徑流總量為253?22億m3,地下水36.78億m3）。其中,岷江上游來水148億m3,占總資源的50.8%,為都江堰灌區的主力水源。但根據岷江50余年實測資料，經時段逐年分析,岷江來水有逐年減少的趨勢（見表）。從水資源總量來看，年代岷江來水億偵）月平均最小流量備注三、四十年代162154五十年代155146六、七十勺:代152136八十年代142117九十年代114.81281998年最小流量有低于1（曲『八的歷史最低值全灌區人口1953.3萬人，現有耕地94.83萬公頃，人均水資源量為1480m3,畝均水資源量為2040m3,分別為全省平均值的40%和44%;人均徑流量為1300m3,畝均徑流量為1780m，,分別占全省的43%和47%，均低于國際公認的警戒線。如再加上新增毗河規劃區的耕地面積和人口數量，人均、畝均擁有的水資源量和徑流量還要低得多。因此，都江堰灌區的水資源在總量上是不足的，并將隨著灌區經濟發展，社會綜合需水量的增加,供需矛盾將更加突出。另外，岷江來水在年內分配不均,5~10月約占全年徑流的75.2%~79.1%,6~9月主汛期約占全年徑流的52.9%~58.3%，歷年11月~次年4月為枯水期占全年的24.8%~27.9%。目前，都江堰內外江引入水量93.87億m3，占岷江來水的63.3%,已達到國際公認的水資源承載能力的極限。但是由于岷江來水年內分配不均，引入水量中豐水期較多,枯水期1~5月平原直灌區幾乎年年缺水,多年平均缺水3.24億m3,P=90%的大旱年缺水7.32億m，，缺水時段主要在2~5月。都江堰灌區隨著城市建設的不斷發展對水的需求量與日巨增。目前都江堰給成都市工業和生活供水28m3/s,給青白江工業供水16m3/s,共計34m3/s,年供水量近11億m3。按都江堰總體規劃，遠期成都市工業生活供水將增至50m3/s。枯水期還要增加環境供水20m3/s,年增供水3.15億m3。但近年岷江來水最枯流量僅為68m3/s，加上岷江上游太平驛、映秀灣、漁子溪等徑流式電站調峰運行，造成上游來水漲落頻繁，呈脈沖狀態，更增大了灌區調度的困難。所以月前都江堰的現狀是無法滿足灌區用水需求的，缺水問題已成為制約灌區工農業發展的瓶頸。⑵工程問題工程問題可分為兩個方面:一是都江堰渠首上游岷江無調節水源的工程，給水資源的優化配置帶來困難;二是灌區工程老化、跑水、冒水、漏水、滲水造成水資源損失較大。水資源的開發利用，既要考慮當前的需求，又必須考慮資源本身的承載能力和對環境的影響。從水量利用方面來看，岷江水資源的開發程度達到了39.4%。按照國際通行的標準，河流本身的開發利用率不得超過40%,都江堰水資源開發利用程度已較高。在都江堰290億m3水資源的構成中,岷江上游來水147.3億m3,為灌區的主力水源;成都平原水資源58.96億m3,包括地表徑流24.9億m3,地下水34.04億m3;丘陵灌區水資源46.27億m3,包括地表徑流43.78億m3,地下水2.74億m3;邊緣山區河流37.22億m3。成都平原地表徑流由于三水轉化復雜,平原區縱橫渠網化,河床多是第四系松散堆積層，透水性大,地表徑流一部分直接進入灌溉渠系，一部分滲入地下通過河床回歸,又匯合于都江堰的直灌水中，無法開發單獨利用。地下水的開采量目前已達9.86億m3,占可開采量的29%;個別地區大量開采地下水