水利基础科学

第二章水利基础科学第一节水文、水文测验与洪水预报我国长期以来就属于农业社会，而对农业的最大威胁是水旱灾害。因此，我们的祖先很早就开始积累对水的认识，往往以“浮天载地者，水也”，“高下无不至，万物无不润”来描述水的存在，并逐步形成了水文水资源的科学体系。由认识水进而利用水，以达到兴利除害的目的。(一)地表水系与水资源最早描述地表水的著作是《山海经》和《禹贡》。《山海经》一般认为成书于春秋时代，以周朝都城洛阳为中心，分东、西、南、北、中五个方位，以山川为纲目进行地理描述，提供了包括水资源在内的自然资源的分布状况。全书共记有300多条河流和湖泊，说明了各级河流的发源地、流向和汇注，粗略地勾画出北自黄河和海河，南至长江中下游的水系分布。成书于战国时期的《禹贡》分别记述了弱水、黑水(位于今甘肃张掖一带)、黄河、漾水(汉水上源)、长江、沇水(古济水，自河南武陟注入黄河)、淮水、渭水、洛水等河流的经行。对于黄河的描述较为具体，记述黄河发源于青海积石(今循化撒拉族自治县)，东流至龙门(今山西河津县西北之禹门口)，南至华阴(华山之北)，折而东向至底柱(三门峡)，再东至河南盂津，继至洛河口和大伍山，然后北折过洚水，(古漳水)，经大陆泽(河北之宁晋泊等湖)，更北则分作九支，并最终汇为逆河(受潮河段)入于海。勾画了一幅古代水系图。春秋战国时期对全国的水资源也有系统的描述，并集中体现在《周礼•职方氏》中。职方氏是掌管全国的地图和九大行政区(九州)的资源和经济情况的官员。记述内容包括九州的主要山岭、泽薮(湖泊和沼泽)、川(通航河流)、浸(灌溉水源)、人口、农作物、家畜、特产等。其中对泽薮、川、浸等的系统记述，可以看作原始的水资源区划。见表2—1。注：表中古今地名、水名对照据姚汉源《中国水利史纲要》。河流水文著作自三国初期(220～232)的《水经》和北魏郦道元《水经注》问世，达到了一个新的阶段。《水经》是我国第一部河流水系的专著。全书约7000字，记述全国水道137条。郦道元(约466～527)进而依据《水经》所记各河为主干，牵连注记的河流达5000条以上①。全书共40卷，30多万字。郦道元为注记本书，除详察有关文献记载之外，并亲自实地考察，纠正了《水经》原有的一些错误。除详细叙述了河流水系的源流脉络之外，还补充了大量的城市、农田水利、航运、交通、名胜古迹、历史事件、地理情况等内容，是一部古代历史、地理、文学的名著，也是我国古代水文地理的代表性著作。下至清代，齐召南(1703～1768)所撰《水道提纲》(成书于1761)在河流水系记述方面又有所进步。《水道提纲》28卷，将河流水系和以湖泊为中心的水系分门别类系统阐述，对边疆水系记述较详。在清初测绘制图技术大发展的基础上，本书对河湖水系记述的准确程度也达到新的高度。(二)地下水资源及其利用泉水是地下水的天然出露，是最早为人们利用的地下水源，最早见于3500年前的甲骨文。其后在《诗经》中也多有记载，并进行了初步的分类②。地下水未出露地表的，需要凿井取水，我国目前已发现的最早的水井距今已有四五千年。随着井的大量开凿，人们对地下水的认识逐渐积累。到了战国时期，《管子•地员》已分别对平原、丘陵、山区的地下水的埋藏深度等情况有了系统的介绍。其中对江淮河济四渎之间平原地区(渎田)的地下水埋藏深度、地下水水质、相应的地表土壤性质和其上所适宜种植的农作物品种作了系统地归纳，现将其主要内容归纳入表2—2。《管子•地员》是我国最早关于地下水的理论概括。①中国水利百科全书，中国水利电力出版社，1991年，第1631页。②沈树荣，我国上古时代对地下水的认识和利用，水文地质史话．札记，地质出版社，1985年。利用泉水灌溉也有久远的历史，《水经注》曾多处提到，例如在著名的太原晋祠，当时已经引用难老泉和善利泉“溉田百余顷”①，直至现代，泉水灌溉相沿不绝。古代对于水量较大溢出地表的泉水称作瀵。利用瀵水灌溉有较大的规模。山西汾阴县(今万荣县西)瀵水灌溉久负盛名，《水经•河水注》已有记载。其实它的历史还要早一些。晋代学者郭璞(273～324)是河东闻喜县人，对于家乡一带的泉水有较多的了解。他在注解《尔雅》时，对瀵注解说：“汾阴县有水，口如车轮许，喷沸涌出，其深无限，名之为瀵。……人壅其流以为陂，种稻。”可见其历史最晚可追溯至晋代。而且黄河东岸的瀵和河西岸陕西合阳的瀵，“瀵源皆潜相通”。合阳的瀵水除民间灌溉引用外，还要供应唐代在同州的行宫长春宫通灵陂的用水。因此唐代国家水利法规《水部式》中，还专门对这处引瀵灌溉制定有专门的管理条款②，当年灌田数千顷。明清以来因为环境变迁的缘故，瀵水泉源逐渐干涸③。温度较高的泉水称为温泉。其中能煮熟米饭或鸡的又特别称为汤泉。温泉的利用更为广泛，除灌溉农作物取得高产外，更多的是用于治疗疾病。今陕西临潼县的骊山温泉是最著名的一处。公元95年著名科学家张衡(78～139)就曾专门写过一篇《温泉赋》④赞颂骊山温泉的神奇疗效。对于温泉的成因，晋代张华(232～300)在《博物志》中解释说，“凡水源有石流黄其泉则温，或云神人所媛，主疗人疾”⑤。不过温泉多有硫磺，但有硫磺却未必是温泉。埋藏于地表以下的地下水，需要凿井取水。但浅层地下水并非随处都有，古人在实践中逐渐积累了识别浅层地下水的方法。最古老的方法多依靠动物的鉴别力。《韩非子•说林上》记载齐桓公伐孤竹时，“行山中，无水。隰朋曰：蚁冬居山之阳，夏居山之阴。蚁壤寸而有水。乃掘地，遂得水⑥”。蚁壤是指蚁洞外面的小土堆。蚁壤高一寸，其下有浅层地下水。还有借助骆驼判断的方法，“骆驼知水脉，过其处辄停，不肯行，以足蹋地。人于其蹋处掘之辄得水”⑦。明末徐光启(1562～1633)在《农政全书》中介绍了由西方传入的寻找地下水源的办法，共有四种：①气试法：在地上挖一地窖，天初明时沿地面平视，如见烟气升腾时，其下有水脉；②盘试法：挖一深三尺的坑。坑底垫木条一二寸，木条上放一擦过油的铜锡盘。盘上先用草，再用土覆盖。隔一天取出铜盘，盘底有水欲滴者，其下有水脉；③缶试法：方法同盘试，用具为陶缶；④火试法：挖土坑同前，在坑底烧篝火，烟气飘忽蜿蜒上升者，其下有水脉。烟气直上者无⑧。徐光启介绍的这些寻找地下水源的科学方法，最早见于古希腊著名建筑科学家维特鲁威所著《建筑十书》中。《建筑十书》成书于公元前32～前22年。(三)对水循环的认识大自然的水汽变换难免引起人们的思考。思想家庄周(前369～前286)注意到日月运行，寒暑易转等自然现象周而复始的运动，其中提到：“意者其运转而不能自止邪?云者为雨乎?雨者为云乎?孰隆(通降)施是。”①认为天上的云和地下的雨是相互转换的，“不能自止”的，论述了水循环的一个环节。稍后一些，《吕氏春秋•审分览•君守》篇中说到了水循环的另一个环节，“东海之极，水至而反，夏热之下，化而为寒”，即水流至东海，走到了极点，于是要返转回来。这和气温热到了极点就要转寒一样。怎样转还呢?同书《圜道》有极精辟的见解：“云气西行，云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休。上不竭，下不满，小为大，重为轻，圜道也。”意思是说，雨云自东向西冬夏不停地运动。西行变雨降至地面，再日夜不休地流入大海。所以说雨云永不枯竭，海洋也不会满溢。这种小(水源)变大(海洋)，重(水)变轻(云)的运动，循环往复，称作圜道。比较准确地反映了我国所在地理位置的水循环特点。那么，什么是水循环的动因呢?南朝时期的何承天(370～447)认为：“百川发源，皆自山出，由高趣下，归于注海。日为阳精，光耀炎炽，一夜入海，所经燋竭。百川归注，足以补复，故旱不为减，浸不为溢。”②他的解释是相当精辟的。形象地图解水循环的过程，首见于明末清初的《日火下降，旸气上升图》，见图2-1。图中表现地表水经太阳能“旸蒸”，“阳气蒸湿，上升为云”，而天上的云又“云被阴压降而为雨”。古代方士和医家依据金、木、水、火、土五行的运行和风、热、湿、火、燥、寒六气的流转来解释天气和疾病。北宋熙宁年间沈括就曾根据这个理论成功地进行过一次天气预报。沈括在解释他做预报的依据时说，此前连阴，水汽已较充沛。但由于“厥阴”盛，多风，所以未构成降雨条件。而骤晴之后，“燥金入候，厥阴当折，则太阴得伸”③，太阳主湿，故而得雨。古希腊人对水循环的科学解释也系统地记载于维特鲁威《建筑十书》的第八书中④。①《水经•晋水注》卷6，赵一清引用顾祖禹《读史方舆纪要》的释文，王氏合校本。②条文规定“正月一日以后，七月三十日以前听百姓用水。仍令分水入通灵陂”。③光绪《山西通志•水利略二》。④严可均辑，《全后汉文》卷52，商务印书馆，1958年。⑤张华：《博物志》逸文，丛书集成本，第68页。⑥《韩非子•说林上》卷7，诸子集成本。⑦张华：《博物志》卷2，丛书集成本。⑧徐光启：《农政全书》卷20，《泰西水法下》，上海古籍出版社，1979年。二水文测验在我国，文字记载中最早的降水观测记录在甲骨文中。由于降水直接关系到农业收成，在殷墟甲骨文中，关于降水的卜辞约占全部甲骨文的五分之一。对于降水的描述有：大雨、小雨、幺雨(毛毛雨)、雨少、不雨、大雪、祉雪(连绵不断的雪)等，缺少量的具体量度。至春秋时才规定，“凡雨，自三日以往为霖，平地尺为大雪”⑤。(一)降水量的观测和奏报制度至秦代，地方政府职责中有观测降雨并及时上报的法律规定。报告内容包括，降雨后农田受益面积和农作物因旱灾、暴风雨、水涝、野兽和虫害而受灾的面积。距离近的州县要派脚力健的专人递送，远的也要由邮驿传送，八月底前要报至朝廷⑥。地方上报雨泽的制度历代相沿，要求也逐渐明确。例如：①《庄子集释•天运》，诸子集成本。②《宋书•天文志一》卷23。③胡道静，《新校正梦溪笔谈•象数一》，中华书局，1963年，第85～86页。④维特鲁威著，高履泰译，《建筑十书》，中国建筑工业出版社，1986年。⑤《春秋左传•隐公九年》。⑥原文见《睡虎地秦墓竹简》，文物出版社，1978年，第24、25页。自立春，至立夏，尽立秋，郡国上雨泽。若少府、郡县各扫除社稷。其旱也，公卿官长以次行雩礼求雨①。这里所说的雩礼是古代求雨的仪式。《周礼•春官•司巫》说：“若国大旱，则帅巫而雩”，同书记载女巫的职责之一是“旱暵，则舞雩”。就是率领女巫一面跳舞，一面吁吁地呼喊，以乞求上天恩赐雨水。反映出古代人们对于自然变异的无奈和对鬼神的崇拜。对于这种迷信，荀况和王充都曾给予抨击和嘲讽。所以到了宋代，法律就只规定上报雨泽的制度，不再要求祭祀行礼了。但民间求雨活动则一直延续至近代。宋代对上报雨泽的规定较前具体：①《续汉书•礼仪志中》卷15。《晋书•礼志》也有大致相同的记载。诸州县条具雨旸及黍禾稻分数(自四月一日至九月终)县五日一申州。州十日一申安抚转运司，逐司类聚。四川、二广每月。余路每半月开具闻奏。诸水旱监司帅守奏闻不实或隐蔽者，并以违制论①。宋代补充了对地方官欺瞒行为的处罚，是一大进步。明代洪武年间重申了这一制度。但主管内外奏章的通政司觉得每年处理大量的这类地方报告是一件繁琐的事情。永乐二十二年(1424)请求“以四方雨泽奏章类送给事中收贮”②。皇帝大怒道，“祖宗所以令天下奏雨泽者，欲前知水旱，以施恤民之政”③。即由雨泽报告来预测各地的奉歉和制定赈恤的办法。如果将报告收藏，还有什么价值?如果你们不愿处理这类琐事，那么就直接送我批阅好了。说明了上报雨泽的具体用途和政府的重视程度。现存的系统测雨记录资料是雍正二年(1724)至光绪二十九年(1903)北京地区的降水记录，称作《晴雨录》。《晴雨录》按传统的十二时辰，逐时记载雨雪情况。我国古代实测降水量的记载最早见于南宋著名数学家秦九韶(1202～1261)所著《数书九章》(发表于1247)。该书共收录有关降水量计算的四则例题，题目分别是“天池测雨”、“圆罂测雨”、“峻积验雪”和“竹器验雪”等。降雪量的测量是实测降雪的厚度，未进一步折算为水量。而降雨量的实测，由于“今州郡都有天池盆以测雨水，但知以盆中之水为得雨之数，不知器形不同，则受雨多少亦异，未可以所测便为平地得雨之数”④，即由于器皿的不同，所接得的雨水深度要经过计算，才能得到有统一标准的降水量。