古代的水利科学

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1、古代的水利科学周魁一：中国水利学会水利史研究会会长，水利部江河水利志工作指导委员会副主任，科技部自然灾害综合研究组成员，水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心特聘专家。地形高程测量［水准概念的提出］最早提出水平定义的是墨子。他说：“平，同高也。”(《墨子•诂•经上》)言简意赅。庄子指出：“水静则明烛须眉。平中准，大匠取法焉。”(《庄子•天道》)这是关于工匠利用水平原理进行水准测量的早期文献。可见至迟在公元前4世纪已在工程实践中实际应用。以上分析还有文字起源方面的依据。东汉著名经学家和文字学家许慎在《说文解宇》

2、中解释“癸”字的字义时，就曾提到：“癸，冬时水土平可揆度也，像水从四方流入地中之形。”原来癸字的甲骨文字形是“x”或“X”，正是相交的两条水沟。许慎说明，这相交的两条水沟是冬天用来进行土木工程施工定平的，癸字的本义是测度、量度，可见，其起源当是水准测量。［水准仪形制及使用］肃宗乾元二年(759)李筌完成的军事著作《太白阴经》。杜佑(735-813)所著《通典》的兵典部分引用了《太白阴经》对水准的记载、北宋曾公亮(999-1078)在其所撰《武经总要》中还附有水准形制和测量方式图。“山岗沟涧水之高下浅深，皆

3、可以分寸度之。”后者除文字记述外还附有水准仪形制及使用方法（见图1）。之所以在兵书中强调，是因为水攻作战的需要，而其基本条件是“须先设水平测度高下始可用之”。欧洲水准仪在维特鲁威的《建筑十书》中有明确记载、即在木板上做出“长五尺，宽一指，深一指半的沟，在那里装水。这时，如果水平均地接触上缘，就了解它是水平的。”（见图2。）古罗马人之后，测量仪器停滞了10多个世纪，在中世纪漫长的黑夜之后，科学以梦想不到的力量一下子重新兴起和迅速发展，直到18世纪创造了现代水准仪。［战国秦汉之际大规模水准测量实践］西汉征和年

4、间，齐人延年曾上书建议将黄河自今河曲县向东改道人渤海。他说：“可案图书，观地形，令水工准高下，开大河上领，出之胡中，东注之海。”（《汉书•沟洫志》）时在公元前90年。元光六年（公元前129）大司农郑当时建议在关中开挖总长300多里的漕渠时，也曾“令齐人水工徐伯表”。大范围的攀山越岭的水利建设，只靠原始的挖掘水沟来测量高程是不可思议的，尤其是在不通视条件下的龙首渠隧洞竖井测量（见图3），测量仪器是不可缺少的。［宋代水准测量的普遍应用］在欧洲中世纪科学停滞不前的时代，我国水利科学技术却得到了前所未有的迅速发展

5、。在运河、排水、城市供水、灌溉工程上都有应用。例如：运河规划：在进行广济河通入清河的规划工作中，景德三年（1006）胡守节说：“臣与水平匠缘清河检校，其自徐州至楚州（治今淮安市）滩峻处，防洪排水：元祜六年（1091）苏轼在颍州（今阜阳市）任太守，有人欲排颖河水入淮河，苏轼“遣吏以水平准之”。结果发现，淮河汛期高水位时，淮河干流水位高于打算开挖排水的丈八沟，遂据以否定了这项工程计划。可见，当年已有专业水准测量的技术人员，即“水平匠”，可以做到较高的精度。［郭守敬主持的京杭运河测量规划并提出以海平面为测量基准

6、概念］元代至元十二年（1275）在进行京杭大运河贯通的可行性论证中，郭守敬（1231—1316）曾做过跨流域的规划测量。京杭运河贯通的关键地段是如何跨越山东地垒。在地垒北边有御河（今卫河），南边有泗水，中间有发源于沂蒙山的坟河，“乃得济州（今山东济宁）、大名、东平、汶、泗与御河相通形势，为图奏之。”并提出“以海面较京师（今北京）至汴梁（今开封）地形高下之差”。1828年，德国数学家高斯提出以海平面作为测量基准，比郭守敬约晚500年（见图4）。论文联盟泥沙运动力学理论与应用［对河流挟沙力的定量描述和在治黄方

7、略的应用］张戎的贡献：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。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

8、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