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中国古代水利科学技术

引河,塞河滩支河等,清代亦极重视(见中国古代河工)。明清报汛,有飞马报汛及皮混沌报汛等(见中国古代报汛)。流量计算清初已有,或系从西方传入。明清的农田水利及引进国外技术农田水利方面如新疆坎儿井之推广,各湖区筑圩垸技术之发展等都有大量记载。明徐光启译注《泰西水法》等介绍西方水利技术(见古代中外水利科技术交流)。近代西方技术大量传入,又另是一种局面(见近代西方水利技术的引进)。

中国古代有关水文、水力等基本理论以及水利工程的勘测、规划、设计、施工、管理等的技术。它起源远古,禹治水的传说中已记载了一些技术。

先秦时一些基本技术 先秦记载中,《管子·度地》把河分为经(干)、枝(分支)、谷、川(支)、渊五种,谈到一些水力学问题(见管子论水流),堤防施工、管理问题;《周礼·匠人》提到施工时,以垂球校正立柱,以水平定柱的高低,再平地基,筑堤开沟,要每1里先修一样板,才能全线同时施工,小堤边坡,直三横一就可以了;《左传》昭公三十二年(公元前510年)记有土工的施工计划和组织。《慎子》“茨防决塞”,后人多解释为埽工;《韩非子·喻老》“千丈之堤以蝼蚁之穴溃……白圭之行堤也,塞其穴”,已有堤防修守经验。春秋末智伯壅水灌晋阳是修了拦河坝(见智伯渠);战国早期引漳十二渠渠首有低滚水坝十二墱;战国后期开始,后来发展成的白起渠是渠堰结合的灌渠(长藤结瓜式)。

秦汉河工及引水渠首 秦汉时期黄河堤防及护岸、排水等工程,堵口方法及泥沙、蓄洪、滞洪等议论都有记载。西汉黄河堤距在今豫北一带很窄,已出现了石堤和挑水石坝,东汉又叫“石激”;下游河道曾裁湾取直,这两类措施,王景也采用过。西汉末张戎论泥沙说黄河一石水六斗泥。瓠子堵口由于梢草缺乏,以竹代替,三国人如淳解释为平堵法;王延世堵东郡决口,用竹络(竹笼)装石,是立堵法。竹笼用于都江堰渠首,唐人有明确记载,可能自秦汉开始;杩槎工也可能很古老;分水鱼嘴和石人水则(水位计)秦汉时已有了。秦代已有地方官需按时上报降水量的规定。东汉知道了水文循环规律。

西汉龙首渠隧道凿竖井分段施工,由此有了“井渠”。塘堰灌溉已有一顷水面灌田四顷的经验。秦修灵渠,渠首有分水铧嘴,演变成后来的大小天平等。渠中斗门唐代由两个发展到18个斗门,北宋有36斗门。西汉狼汤渠的引水闸门是木结构,东汉汴渠口后来改为石门。王景治浚仪渠曾用“墕流法”,似乎就是后代的堰埭。西汉长安城的供水渠,建有“飞渠”(渡槽)。

秦汉时水利仪器及机具 先秦至汉已有“水工”专家。工程有定线测量和水平测量,管理已有法规。水能利用西汉已有水碓,东汉初有水排,三国以后有水磨等。东汉张衡造水运浑天仪,先秦已有铜壶滴漏。《史记·秦始皇本纪》“以水银为百川江河大海,机相灌输”,是比古老的桔槔更复杂的提水机具。东汉后期又有了翻车、渴乌等。

魏晋南北朝时的堰、坝 魏晋南北朝时,江淮流域水利发展,有特色的如浙东水利,利用水高于田,田高于海的地形,拦蓄灌田,筑闸御咸控淡,如东汉开始的鉴湖等,下至唐宋修筑甚多,著名的如它山堰是入海河流上筑拦河堰的类型。自三国孙吴开始大力发展南方水运,筑堰埭,渠化天然河道。船过堰用人力或畜力拖拉,是原始的斜坡升船机构。

萧梁天监十五年(516年)用水攻城,筑拦淮大土坝浮山堰,长9里,下宽140丈(约336米),上宽45丈(约108米),高20丈(约48米),超出水面仅5尺。两岸依山,下为沙基,从两岸向中进筑,二十几万人,修了两年多,曾抛铁器几千万斤护坝脚,合龙处“伐树为井干,填以巨石(抛木框石笼),再加土其上。”两岸开溢洪道,筑堤。大汛时终于溃决。这是淮河干流上曾修筑的唯一拦河坝。

隋唐·北宋的航运工程 隋唐至北宋运河工程最完善。唐天宝初(742年)重修隋广通渠,于咸阳筑兴成堰壅渭水入渠;次年在长安城东引浐水修成广运潭为停泊港,可容船数百只;又分引渭水入城内西市,置潭为运储“材木”的码头。隋唐洛阳,北宋开封也有以水运为主的供水渠道。

隋于古汴口筑梁公堰遏黄河水,唐代重修,以石为斗门,上建木阁,架木桥。隋炀帝大修通济渠、邗沟、江南河。通济渠引黄河浑水,不能筑闸坝;邗沟和江南河自晋代已有堰埭节制。唐代扬州运口有两斗门和梁公堰斗门相似。

北宋汴河冬季停航修浚;每年更换汴口位置,口设“石限”限制泥沙和洪水侵入,一度改引洛水为源,叫清汴。汴京(今开封)以西段设若干减水斗门,泄洪和放淤;汴京近郊有横跨河上的金水河渡槽和官营磨茶的大水磨。汴河穿过汴城墙,唐代早期只留一缺口,夜间用铁锁横拦,后来修了东西水门;北宋水门分为三洞,中为河道,设铁裹窗门,夜间放下。汴水流急,舟船常出事故,北宋中期把汴河桥普遍改成“飞梁无柱”的虹桥,河中没有柱墩,以防碰撞舟船。后期河身淤积,平阔散漫,曾用木岸(一种木桩梢草护岸,通常高8尺,厚8尺)整治,缩窄至60步,深6尺以上,但终于成为地上河。汴京以西段曾用碎甓碎石筑成“虚堤”多处,渗水外出,蓄积引用。汴城内外留有八水口,排水入河。修清汴时,用某一断面的深乘宽之积再估测流速来推算流量。河旁设水柜,就是利用陂塘蓄水济运。引洛入清汴,洛水入黄旧口设“水”(溢流堰)以泄洪涨;另开水道通黄河,两端设闸。

淮扬(淮阴到扬州)、真扬(仪征到扬州)运河及江南河闸坝最多,北宋早期出现了类似现代船闸的“复闸”,早于西方几百年,有的还是二级闸,有的是澳闸。澳闸于岸上设水澳蓄水济闸,有的有两澳,稍高的积水澳可以蓄水,稍低的归水澳回收闸室排水,再提升循环使用。淮扬运河段有分隔河湖的堤防,蓄泄河水的石和斗门。北宋末这一带斗门、水闸不下七、八十座。扬州五塘、江南练塘自唐代已为重要济运水柜。所谓“以塘潴水;以坝止水,以澳归水,以堰节水,以涵泄水,以闸时其纵闭,使水深广可容舟。”江南运河有一种用梓木做成的涵洞,中设“铜轮刀”,水冲轮转可以割断积草。铜轮刀类似现代水轮机的叶片。

北宋河工 北宋对黄河河流水文、水势、所挟泥沙都有定性认识(见信水、水势、辨士脉)。埽工已很成熟,能卷制高数丈、长加倍的埽个;护岸工尚有马头、锯牙、木岸、木龙等。堵决,闭河于两岸筑“约”以方锯牙进占。堤、堰、石工已有较细分类(见中国古代堤防中国古代埽工中国古代坝工)。疏浚曾试用“铁龙爪扬泥车”及“浚川杷”等机械。宋代各州设量雨、量雪器每旬上报雨雪情况,下至明清也有法令。唐宋农田水利工程,太湖流域塘浦工程有于水中就地取泥筑塘法(见篨筑塘)。唐代白渠首有长宽各百步的将军(石)翣,北宋改为每年拆修的木梢堰;唐代横穿渠道的水道用平交法,以斗门节制。浙东灌溉渠,湖上有“碶”是石堰上留缺口,以闸门控制;它山堰是一个空心坝。唐宋放淤技术也有记载(见中国古代的放淤肥田中国古代的淤灌)。

海塘工程 唐至北宋扦海堤塘大量发展,以钱塘江两岸最著名,由土塘进而为竹笼石塘,埽工塘、砌石塘(见中国海塘史)。到清代有鱼鳞大石塘

唐宋水利仪具 水能利用方面,唐中期一次拆毁白渠上水硙、磨80余所,北宋末于京南长葛等处一次增修水磨260余所。唐宋测量技术有类似现代的木制水平仪和经纬仪;测河流有“浮瓢”或“木鹅”法,用铁脚木鹅顺流放下,探沿程深浅,也可用多数木鹅同时放入干支流上测水流相对快慢;量地形除用仪器外,有掘井、量井水面高下法以及沿河引水外出,以多层小堰拦蓄,量堰水面高差法。明代已有测量队,包括“锥手、步弓、水平、画匠人等”。北宋河湖已普遍使用水则,有木、石两种,还通过地形测量以一个标准水则,控制大面积上的水深。南宋以后至清代有历时数百年的水则,上面还刻划特大洪水位及发生的年、月、日。宋元河渠及农田水利的技术文献。元沙克什汇编宋、金河工技术为《河防通议》,内列河议、制度、料例、功程、输运、算法六类(见中国古代河工)。河工堵口以贾鲁治河所用挑水石船堤最艰巨。

元代修京杭运河在会通河及通惠河段设闸数十座,当时筑闸大致以木桩为闸基,中填碎石,上钉龙骨木,木上铺板(或无板以灰土填平,)板上建闸墙,上下游各有雁翅、海漫等。筑堰坝亦大致类似。所用水闸都是单式斗门,较宋代退步。

元王祯作《农书》详列从水利观点分类的井、区、圃、圩、围、柜、架、梯、涂、沙九种田;各种田间水利工程:水栅、水闸、陂塘、水塘、连筒(引水竹管)、架槽、涵管、石笼、浚渠、阴沟、井、水等;提水工具:翻车、筒车、牛转翻车、高转筒车、水转高车和戽斗、刮车、辘轳等;水力机具有水磨、水排、水碾、水轮三事、水转连磨、槽碓、机碓、水转大翻车以及计时之田漏。

元代大型灌渠渠首 元代大型灌渠渠首,泾渠用石囷堰;都江堰鱼嘴用铁1.6万斤铸为大龟,堰改为石砌,并跨南北二江筑石闸门;豫北引沁广济渠首有滚水石堰。元李好文著《长安志图·泾渠图说》详载泾渠管理条例,量水以渠口宽一尺深一尺为一“徼”。

明清运河工程 明清京杭运河工程,南北运河上有减水闸、坝;会通河段有戴村坝,南旺分水枢纽及湖泊水柜;自会通河至江南段都建有节制闸、湖堤和减水设备等等。明后期大筑高家堰,洪泽湖水库形成,泄水孔道在黄、淮、运交叉处之清口。清代于清口修筑顺水堤、临清堤、束水堤、顺黄坝、拦黄坝、御黄坝、束清坝、拦湖坝、箝口坝等多种堤坝并于淮口开引河、运口上修闸多座。至道光时清口淤塞,运道不通,实行“灌塘济运”法,建塘河,形式如现代船闸。

明清的河工 明后期至清治河以束水攻沙为主流,堤的作用由消极防御变为积极治理手段。堤、埽、坝等修防工程更为重要。堤按作用分遥、缕、越、格、戗等多种(见中国古代堤防)。埽工有多种用途及形式,厢筑方法及用料不断发展(见中国古代埽工)。其他护岸工如明代刘天和提出之植柳六法,清代之木龙(与宋代不同)及石工、砖工等亦有创新(见中国古代河工)。坝工的作用,形制、用料也有很多种类(见中国古代坝工)。放淤固堤始于明,大盛于清中叶(见中国古代放淤固堤)。其余如开引河,塞河滩支河等,清代亦极重视(见中国古代河工)。明清报汛,有飞马报汛及皮混沌报汛等(见中国古代报汛)。流量计算清初已有,或系从西方传入。

明清的农田水利及引进国外技术农田水利方面如新疆坎儿井之推广,各湖区筑圩垸技术之发展等都有大量记载。明徐光启译注《泰西水法》等介绍西方水利技术(见古代中外水利科技术交流)。近代西方技术大量传入,又另是一种局面(见近代西方水利技术的引进)。