为黄万里先生的“河清海宴”的理想而奋斗

说明：这是写给有关部门的一份报告。讲的是关于治理三门峡水库问题的一些建议。黄万里先生一生反对在没有解决泥沙过坝的条件下修建三门峡水库的方案，反对在没有条件的情况下，把河清海宴作为一种形象工程去搞。但是并不是说他就反对河清海晏，一概的反对修建大坝。黄万里先生在世时，给周总理写信提出“必须外加能量，把泥沙排出坝外，才能挽救秦川于陆沉”。如果能够找到把泥沙排出坝外的外力，他当然是支持修建水坝的，我相信他和大家一样有一个河清海晏的梦。我觉得在现代科学技术条件下那种把泥沙排出坝外的能量是存在的，它就是高水位的大坝水的能量，通过在密封条件下的液压传动是可以实现泥沙过坝的。我已是一个没有任何个人需求的古稀老人了。但是还是想能够为生养我一辈子的国家和母亲河出一份力量。现在把这份材料公布到网上希望由大家来评论，理论上、工程实际上是不是可行,特别希望在水利系统有影响的朋友和专家和领导提出宝贵意见。

砂、水分流——虹吸排沙的设想

引言

三峡工程已经顺利完成了蓄洪和发电，但是对于排沙的问题还依然有所争论，人们常常把三峡工程与三门峡工程相比，总觉得这是一个隐忧。

三门峡水库现在已经成为我国水利建设中的一个最大的教训。直到现在也没有一个从根本上能够解决的方案。三门峡水库所面对的问题，实际上是我国所有的水利设施，特别是西部的所有水利设施都必须面对的问题。这就是黄万里所说的“水流必须按趋向挟带一定泥沙”的规律，要想完全通过绿化来防止流水夹带泥沙，不但不是短期所能够达到的，而且我国的特殊的地理环境——我们国家的西部是处于世界屋脊之上，所有的水流都是从极陡的坡度上流下来的，而且很大一个区域是在黄土高原，流水夹带泥沙的问题不一定像其他国家那样可以通过绿化来完全解决的问题。所以排砂的问题将是我国一个长期存在的普遍的问题。即使没有三门峡水库，同样存在排砂的问题。黄河成为悬河已是一个有长期历史的问题，总不能让它越悬越高，这个问题总有一天也为成为必须解决的问题。在黄万里先生就三门峡改建方案致信周恩来总理时，说提出：“必须外加能量，把泥沙排出坝外，才能挽救秦川于陆沉”，这才是我们应该去思考的问题的实质。

在黄万里先生的那个年代，用外加的能量把泥沙排出坝外，也许是一个不现实的想法。在我看了一些黄万里先生的和当时其他人的学术论文中，所讨论的都是流水对沙粒的直接冲击力和反作用力的，从这些力来研究流水与沙石运动(滑动或滚动)的关系。在当时的历史条件下提出用虹吸的力来把泥沙排出坝外是不现实的，想一想当年大炼钢铁的情况就知道了,当时国家在基本材料、机械等是处于多么困难的情况。我们学习黄先生的精神和吸取历史的教训也要有一个历史发展的观点而不要纠缠于过于具体的细节。我觉得黄先生所提出的必须外加能量，把泥沙排出坝外，才是所有意见中最根本的、最有意义的一条意见。我们总不能说中国是永远不可能“河清海宴”，我们的河流永远是浊浪滚滚，泥沙越积越厚、悬河越来越高。

我不是学水利的，从没有真正接触过水利专业，但是长江、黄河两条母亲河是我们每个中国人心中的不灭的情，所以大胆的提出一些想法供国家领导、有关专家和产业界的人士考虑。现在已经到了我们真正考虑“用外加能量把泥沙排出坝外”的时候了，不仅排出坝外，还应该把泥沙按照我们的需要搬运到合适的地方去。这就是我们的祖先在都江堰水利工程中的基本思想：泥水分流，水清地肥，它一直造福于我们三千多年。当然，都江堰用的是自然状态下的流水的力，因而只能用于坡度不大的成都盆地；我们现在要用我们现代的科学知识和技术来发扬那种精神，把李冰父子所做的事，扩大到整个国家。

“外加能量”来把泥沙排出坝外在黄先生的年代是无法想象的。那里来的那么多外加的能量啊！现代物理学的一个急需解决的问题就是对于能量的认识问题，那种把能量和质量看成可以互相转换，而且可以以一个简单的公式进行转换的“假设”把人们都搞糊涂了！大家都在想如何获得“能量”，拼命的寻找能源、消耗能源。实际上那是在物理理念上把“能量”概念搞错了。能量只是用来使实体物质既保持不变的形状，又能够进行适当运动的一种物质的特殊存在形式，它不是越多越好，人类所需要的只是一定的、并不很多的能量；人类的最大危险不是能量不够用了，会毁灭人类文明，而恰好相反，现在是能量太多了，这才可能会把世界毁灭，这一点不在这里细说了。

什么是外来的能量，实际上我们常常分不清什么是外来的能量，什么是自身的能量。对于建水坝来说，实际上就是把水的能量给积蓄起来了，这个水的能量不仅可以用来发电同样可以用来排沙。不仅可以把沙排出大坝，同样可以通过合理的设计，把沙和水分流，各自到我们需要它去的地方。这就是我们想要提出的一个设想。

一、虹吸排沙的概述

在黄先生的年代，高坝被看成一种洪水猛兽，它会使上游泥沙淤积、洪水泛滥、下游更置于可能随时会灭顶之灾的恐怖之中。在人类的认识和技术能力还无法解决那些问题的时候，也许是不应该去做那样的事的。但是一旦有了足够的能力就应该用那种能力，把我们的环境搞得更好。我相信现在我们已经拥有了建造大坝，而不使它对人类造成危害的能力，所以我是支持建造大坝和高坝的。我认为大坝造成的几百米的地表状态的变动，和几十公里的地幔厚度相比，不会造成地壳运动的灾害性的后果；同时，也认为现在的人工材料是完全有能力做得比大自然的山体更加牢固的。正像对于大坝的讨论中，实际上集中的还是如何防止泥沙淤积的问题。所以，我们要讨论如何利用高坝所获得的大量的高水位的能量，来按照人类的需要实现沙水分流的问题。

由于以前的水利工程的排沙的研究中，没有提到高水位的水能用来排沙的问题，水能只是用来发电的。所以我的想法也是从黄先生的话中获得启发的。利用虹吸现象，实际上是为排沙找到了另外两种以前水利学上没有能够用到的外力和能量的装换方式：这就是在密封容器中液体压力的传递，这种压力可以任意的转换方向，它不再是自然状态的流水的冲击力，而是可以转换成各个方向的对于泥沙的推力，这种推力也可以是向上的抽力。而且这个力是很大的：如果水坝的水位差有50米，那么这个力就有每平方米50吨重(在某些区域，还要加上大气压力)；这种力可以把高位的水能转换成泥沙的位能，也就是说，利用虹吸的力，不仅可以把泥沙搬运过坝，也可以把泥沙从低处搬运到高处，只要不高于大坝的水面。

中国的地理地貌与世界其它地方都不一样，它是处于世界屋脊。两条母亲河都有极大的落差，黄土高原上更是土层极厚，要想用值物保护使流水完全不带泥沙也不容易。既然三千多年前的古人就能够通过泥水分流，造成水清地肥，当然它是在一定坡度的盆地上实现这一点的，虹吸力的合理使用就是希望把我们祖先所做过的泥水分流，水清土肥的伟大工作，推广到整个国家。

二、关于三门峡水库的虹吸排沙的粗略估算

让我们估算一下，虹吸排沙的能力。如果用截面积0.5平方米的管子，高坝水面差假定为50米，吸沙比为50%，由于吸沙比很低，所以可以把泥水的情况简化为仅考虑水的情况，从能量守恒可以计算出出口处流速约为30米/秒。这样可以算出泥沙流量约：7立方米/秒，即约5万立方米/天。据有些文章说，从58到66年，三门峡大坝拦截了泥沙共34亿立方米，也就是说如果用100根这样的虹吸管，700天就可以吸完了。当然这样的计算没有什么意义，大坝上如果需要可以放置更多的虹吸管。这样的粗略计算只是为了说明，用虹吸的力抽取泥沙，包括不很大的卵石应该是没有问题的。

先不考虑把三门峡库区淤积的泥沙吸光的问题，如果布置一批合适的虹吸管，首先是提高泥沙的抽吸的比，应该说达到80-90%的泥沙比是有可能的，这就要实验和研究。在坝前五、六百米的宽度，离坝20米的距离内，抽出一个10-20米深的清水坑，应该是很快可以做到的，做到了这一点，水电站应该就可以扩大发电能力了。重要的是人们对于三门峡大坝的忧虑——秦川陆沉的忧虑，进一步对于三峡水库边成泥库的忧虑，应该可以打消了。那个问题不是不可以解决的，我们的后代还有足够的时间和智慧去解决那个问题。

做这些工作，现在材料和技术都应该不会有任何问题：水管的材料和水管的密封，还有更重要的抽排泥沙入口的安排，是需要精心的实验和设计的。但是现代液压传递力和运动，结合信息获娶监测、和自动控制，都有了一套完整的技术和理论，把那些技术应用到这里，应该没有什么解决不了的问题。虹吸抽沙的主要特点就是把大气压力、液体在密封系统中的压力传递，这样一些以前水利工程中没有利用的“外力”，利用起来；把信息监测和智能式的搬运泥沙来取代过去完全取决于水流的自然状态下的排沙。

三、虹吸排沙在我国特殊地理条件下的应用

本人对于水利是一个完全的外行，所得到的资料只是极少从网上看到的几篇东西。但是每当我在美国看到那些大河流，像密西西比河、威斯康星河，以及哈佛大学和MIT之间的那条大河和匹茨堡的大河，都是河水清清、水面高度终年变化不大，总是显得河水满满的，两岸的植皮一直连接着水面。人们都说，这是美国的条件不一样，那里山不高，大河流水的落差没有我国大，绿化又好。但是在我国特有条件下难道就永远不能实现“河清海宴”的梦想吗？再看看在三门峡工程和三峡工程中整个国家、人民对于那些工程的关心，这是作为中国人世世代代的一个刻骨铭心的梦，不论长江、黄河，还是家乡门口的一条小小的甬江，泥沙淤塞和海面的滚滚黄色的浊浪，都是每一个中国人的一个心病，我们的蔚蓝色的大海在那里？实在太少了，即使是海南的亚龙湾、广西的银滩，与澳大利亚的一望无边的蓝中带着嫩绿的梦一样的大海，又如何相比呢？

所以，在退休以后我的心里一直装着两件无法忘怀之事：一个就是物理学基础理论的问题，就是如何有一天能够使我们中国人首先从相对论和量子理论的错误思维框架中解脱出来；一个就是如何使泥沙和水分流，让流水清清的、满满的、缓缓的在绿色的大地上流淌。

我国的地理特点是处于世界的屋脊，所有的大河，上游陡度很大，这就不大可能排除流水中夹带较大量的泥沙，而到了下游地势变得平缓，无法以同样的速度来排除那些上游带来的泥沙，所以历史上河流不断的淤积和改道，成为我国人民所面对的一个永远的问题。在黄万里先生的时代，这个“河清水晏”的梦是不可能实现的，高坝不但不能使河水变清，反而会使上游地区出现同样的问题。只有使沙和流水在一定程度上的分流，才是解决河水变清的根本的路。

筑起了高坝以后，把上游的水的能量积蓄起来了，我们不仅要用这些水的能量来发电，还可以用这些水的能量来搬运泥沙，按照我们需要的方向，而不是完全按照流水的自然状态的流向来搬运泥沙。这是解决水土流失和使河水变清的根本。

一个水坝，例如坝内外的水有一、二十米的高差，利用虹吸，我们不仅能够把泥沙抽过水坝，还可以把坝内的泥沙提高到远远超过坝内外水位差的高度。也就是说一个一、二十米的水坝可以把泥沙抽高很高，例如四五十米的高度。从理论上说，在泥沙和水的密度相同的假定下，可以抽取坝内不论多深的泥沙，因为泥沙能量的增加是从水的能量的减少过程中所获得的，虽然不是直接从任何一个特定部分的水能量中转换而来，但是整体上保持了能量的守恒关系。

虹吸的这一性质对于黄河或任何其它河流的泥沙的搬运是很有用处的。对于黄河来说，虹吸原理不仅可以方便地把悬河里的泥沙搬运到两岸任何所需要的地方。这是立即可以开始做起来的，河南的灌溉，不用虹吸黄河水面上部的较清的水，而是用虹吸的力把夹带80%以上泥沙的水抽到某个低地，沉淀后清水流出灌溉大地，泥沙把低地淤积成肥沃的良田；把河道变深了，河道可以合理地窄一些，大批河流两旁的良田也就造出来了。

当两旁的低地不多时，也可以通过多级的堤坝把泥沙输运到下游，甚至直到大海。在这种情况下，泥沙的搬运被提拔分成了两部分，在堤坝前后用虹吸原理把泥沙从坝内搬运到坝外，并造成四、五十米的泥沙高度差(主要是把坝前深挖几十米)；在两个堤坝之间还是用流水冲沙，但是其陡度就可以增加很多，这样就可以增加流水的泥沙携带量。

多级搬运泥沙的堤坝

图 多级坝虹吸排沙示意图

上图为三级坝的虹吸搬运泥沙的示意图。中间一条陡度小的斜线表示没有堤坝时的河床，由于坡度小，自然流水所能携带的泥沙小于上游水流所携带的泥沙，所以河床总要不断的淤积，或扩大。图中三个黑色的表示三级堤坝，通过虹吸搬运，使坝内的泥沙又一个很深的坑，而坝外沙的高度可以比坝内搞出很多。这样在两个坝之间的区域流水可以形成一个较大的高度差。这样就增加了河床的坡度，加大了流水的泥沙携带量。而要做到这一条的关键就是大坝两边的虹吸排沙，经过合理的设计把泥沙的夹带比例尽量加大，而流动得尽量平顺；更多的水还是从坝面的排水孔流出(也同时可以发电)，把整个调水冲沙的过程变为一个稳定的平顺的泥沙和水的流动过程，这样就能像美国的河流那样，清清的、满满的、缓缓的流动。只是这样一来就没有了现在调水冲沙所造成的激越的壮丽的、曲曲折折的、浊浪滔天的场景，如果有些文人逸士要保留那样的景色，我想也是可以在某一特定地区可以保留一个那样的景点。总不能为了保留那些文人雅士的情趣，而永远保持某一段浊浪滔天，而另一段则极其宽阔杂乱的河床中间窄窄的细流的那样的黄河。

在黄河、长江上游高坝的建造中，虹吸排沙也是很有用的，有些地方泥沙也是很宝贵的财富。一些高坝水库是否有可能完全把流水发电和排沙保持土壤的坝分开来，让一部分沃土和流水流到某些需要也能够接受那些水土的区域。我国有很多国际河流，更应该考虑不让泥沙流到邻国，破坏人家的环境——其实泥沙也是多么宝贵的财富。

四、小结

虹吸排沙与单纯的自然状态的流水排沙相比有下面三个特点：

一、从原理上是引入了密封状态下的液压的力的传递的性质，使我们不仅依靠自然状态下的水的冲力，而能够按照我们的需要来获取各种方向的力，特别是把

。这样就可以极大地利用同样流量的水所能够输运泥沙的能力。

二、水的能量可以与泥沙的能量进行转换，把低处的泥沙搬运到高处。这对解决悬河的问题是有用的。

三、对于泥沙的作用不再是自然状态的流水的直接作用，而可以是智能式的作用，这是信息时代所提供的能力。对水底的信息获取和吸沙口的智能式的设计安排、对于整个河流的系统的规划、设计，应该成为我国环境保护和改造的重要手段。