中国古代的水利工程和水文知识

自然科学史研究所 宋正海

水利是农业的命脉。几千年来，勤劳、勇敢、智慧的中国人民同江河湖海进行了艰苦卓绝的斗争，修建了无数大大小小的水利工程，有力地促进了农业生产。同时，水文知识也得到了相应的发展。

几项重要的水利工程

我国古代有不少闻名世界的水利工程。这些工程不仅规模巨大，而且设计水平也很高，说明当时掌握的水文知识已经相当丰富了。

都江堰 位于成都平原西部灌县(今都江堰市)附近的岷江上。这是秦昭襄王五十一年(公元前 256 年)李冰(约前 280－约前 220)任蜀郡守后，领导群众修筑的。都江堰由分水“鱼嘴”、“飞沙堰”和“宝瓶口”三项主要工程组成。分水“鱼嘴”是中流作堰，把岷江一分为二：东边是内江； 西边是外江，是岷江正流。“宝瓶口”是劈开玉垒山建成的渠首工程。“飞沙堰”是调节入渠水量的溢洪道。内江从宝瓶口以下进入成都平原上密布的农田灌渠。有了都江堰，成都平原“旱则引水浸润，雨则杜塞水门”， 成为富有的粮仓，享有“天府”的称号。都江堰的规划、设计和施工都具有比较好的科学性和创造性。工程规划相当完善，分水鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口联合运用，能按照灌溉、防洪的需要，分配洪、枯水流量。据晋常璩撰《华阳国志》记载：为了控制内江流量，在进水口“作三石人，立三水中，”使“水竭不至足，盛不没肩。”这些石人显然起着水尺的作用，这是原始的水尺。从石人“足”和“肩”两个高程的确定，可见当时不仅有长期的水位观察，并且已经掌握岷江洪、枯水位变化幅度的一般规律。通过内江进水口水位观察，掌握进水流量，再用鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口的分水工程来调节水位，这样就能控制渠道进水流量。这说明早在二千二百多年前，我国劳动人民在管理灌溉工程中，已经掌握并且利用了在一定水头下通过一定流量的“堰流原理”。在都江堰，“李冰作石犀五枚，⋯⋯二在渊中”，“二在渊中”是指留在内江中。石犀和石人的作用不同，它埋的深度是作为都江堰岁修“深淘滩”的控制高程。通过“深淘滩”，使河床保持一定的深度，有一定大小的过水断面，这样就可以保证河床安全地通过比较大的洪水流量。可见当时人们对流量和过水断面的关系已经有一定的认识和应用。这种数量关系，正是现代流量公式的一个重要方面。

郑国渠 是秦始皇元年(公元前 246 年)由一个名叫郑国的水工设计和领导修筑的。郑国渠从现今陕西泾阳境里起，引泾水向东注入洛水，全长三百多里，灌溉关中平原。渠成以后，人们用富有肥效的细泥(悬浮体)的泾水进行“粪灌”(就是淤灌)，把关中平原二百多万亩盐碱地改良成平均亩产二百多斤的良田。从此“关中为沃野，无凶年。”(《史记·河渠书》) 当时关中流传着这样一首歌谣：“郑国在前，白渠起后①。举臿为云，决渠为雨。泾水一石，其泥数斗，且溉且粪，长我禾黍，衣食京师，亿万之口。”

① 李约瑟：《中国科学技术史》，科学出版社、上海古籍出版社 1990 年版第一卷，第 7 页。

(《汉书·沟洫志》)生动描绘了在郑国渠等灌溉渠的淤灌下，关中平原农业发达、经济繁荣的情景。郑国渠的建设也体现了比较高的河流水文学知识。郑国渠渠首工程布置在泾水凹岸稍偏下游的位置，这是十分科学的。在河流的弯道处，除通常的纵向水流外，还存在横向环流，上层水流由凸岸流向凹岸，河流中最大流速接近凹岸稍偏下游的位置，正对渠口，所以渠道进水量就大得多。同时水里的大量细泥也进入渠里，进行淤灌。横向环流的下层水流却和上层相反，由凹岸流向凸岸，同时把比较重因而在河流底层移动的粗砂冲向凸岸，这样就避免了粗砂入渠堵塞渠道的问题。

龙首渠 是汉武帝时发卒万人开掘的一条引洛河水灌溉重泉(今陕西蒲城东南四十里)的一条大型渠道，这条渠道必须经过商颜山(今铁镰山)。如果沿山脚挖明渠绕过去，由于山脚的黄土层受水浸蚀，大量崩塌，渠道容易毁坏。于是劳动人民另想别法，终于发明了“井下相通行水”的“井渠法”，使龙首渠从地下穿过了七里宽的商颜山。

芍陂(安丰塘) 春秋时期楚国楚庄王在位年间(公元前 613 年到公元前 591 年)，楚国劳动人民在今安徽寿县南面兴建了芍陂。这是个大似湖泊的水塘，塘堤四周设有三十六道门，七十二道涵。它接引了六安山区流来的水，形成一座周围一百二十多里的蓄水库，可以灌溉万顷农田。现在它成为淠史杭水利综合利用工程的一个组成部分。

黄河大堤 黄河流经黄土高原，因而含有大量泥沙。河南孟津以下， 黄河流入平原，河床坡度骤然变小，大量泥沙淤积河床，因而洪汛来的时候，经常泛滥、决口或改道，在历史上，黄河洪水灾情特别严重。我国历代劳动人民同黄河洪水斗争有过光辉的成就，创造了不少治河方法。目前， 黄河两岸的千里大堤正是这种斗争的产物，它是在漫长的岁月中发展完善起来的。春秋时期，黄河下游已经部分出现了堤防，但是规模不大。战国时期，堤防更加普遍，某些地段还出现了所谓“巨防”和“千丈堤”。秦始皇统一中国以后，“决通川防，夷去险阻，”第一次统一治理了黄河大堤。以后黄河大堤又有所发展。特别是到了明清二代，由于“束水攻沙” 理论的提出和应用，使堤防由消极的防洪挡水的工程变成了积极的冲刷淤沙的工程，因此黄河大堤迅速得到发展并且完善起来，出现了多种堤防的配合。此外还有许多辅助工程出现，如排水坝、顺水坝、透水坝、减水坝。在河流险工段更有多种护堤工程——“埽”。黄河大堤对于控制洪水灾害， 保护人民生命财产，促进华北平原农业生产发展，本来应该起到积极的作用。但是历代反动统治阶级根本不顾人民死活，往往借治理黄河之名收刮民脂民膏，不重视大堤的维修工作，因而起不到积极的作用，黄河洪水灾害仍旧历年不断。

“束水攻沙”理论是我国古代河流水文学的光辉成就，也是治黄和黄河大堤完善化的理论基础。“束水攻沙”是明代潘季驯(1521－1595)吸取前人对河流泥沙运动规律的认识成果，结合自己的治河经验总结出来的。他在《河议辩惑》中说：“水分则势缓，势缓则沙停，沙停则河饱”；“水合则势猛，势猛则沙刷，沙刷则河深”；“筑堤束水，以水攻沙，水不奔溢于两旁，则必直刷乎河底，一定之理，必然之势，此合之所以愈于分也。” “束水攻沙”符合河流泥沙的运动规律，因而的确有成效，在世界水文学史上占有重要地位。清代陈潢(1637－1688)发展了“束水攻沙”的治河方针，为了使黄河能保持均匀的水势，必须根据河床宽窄及时在某些河段泄

水，“务使所泄之数，适称所溢之数，”为此他吸取劳动人民测土方的方法，用而测水。陈潢认为：河流流动好比人走路，流得快的，好像“急行人”，每天可流二百里；流得慢的，好像“缓行人”，每天可流七八十里。以水纵横一丈、高一丈算一方，这样可以计算河流一天能流动的水方数， 终于第一次发明了河流流量测算方法。

海塘 出现于西汉，之后筑塘技术不断发展，不少海塘由土塘发展到石塘，规模也不断扩大。江苏、浙江两省是全国漕粮的来源地。但是两省地滨东海，常遭台风、海啸袭击，潮灾严重，尤其是杭州、嘉兴一带最严重，因此江浙海塘建筑成为水利建设的重要方面。继宋元二代多次筑塘后， 清代康熙、雍正年间，曾经先后六次大修海塘。江浙海塘是世界闻名的， 北起金山卫，南到杭州，全长三百多里。海塘像一座座海边长城，阻挡海潮侵袭，捍卫着沃野千里的三角洲和滨海平原。

两条著名的通航运河

除了上述直接为农业生产服务的水利工程外，我国还有用来沟通水系、便利交通的运河。

灵渠 位于广西兴安，它是秦始皇统一六国以后，为了进一步完成统一事业，克服五岭障碍，解决运输军粮问题，派史禄领导开凿的。它长约三十多里，宽约五米，连接湘水(长江水系)和漓水(珠江水系)。开凿灵渠， 先在湘水中用石堤筑成分水“铧嘴”和大小“天平”，把湘水隔断。在铧嘴前开南北两条水渠，北渠仍通湘水，南渠就是灵渠，和漓水相通。湘水上游，海阳河流来的水被铧嘴一分为二，分别流入南渠和北渠，这样就连接了湘水和漓水，沟通了长江和珠江两大水系。当海阳河流来的水大时， 灵渠可以通过大小天平等溢洪道，把洪水排泄到湘水故道去，保证了运河的安全。灵渠选择在湘水和漓水相距很近的地段，这里水位相差不大，并且使运河路线迂回，来降低河床比降，平缓水势，便于行船。灵渠设计和布局都很科学，在世界航运史上占着光辉的地位。

大运河 是世界上开凿最早、规模最大、里程最长的航行运河。它北起北京，南到杭州，全长一千七百九十四公里，沟通海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大水系。它的建成克服了过去没有南北水路的缺陷，发挥了很大作用，直到京广铁路修筑前，是南北的交通干线。大运河最早的一段是二千四百年前开凿的邗(hán)沟，以后不断发展。隋炀帝大业年间(公元 605 年到 613 年)，为了漕运，就大开运河，经过六年，开通了二千四百公里的南北大运河。但是隋代的大运河在淮河和海河中间的一段和现在的不同，是以隋代的东都洛阳为中心向东北和东南伸展的。元代建都北京以后，要从江浙运粮到北京，为了避免绕道洛阳，就裁弯取直，形成现在的京杭大运河。开凿大运河要通过不同的地理环境，因此工程十分复杂，而开导水源、保持水量是工程中的关键。劳动人民排除万难，解决了许多复杂的技术问题，才使运河能够通航。元代开凿的山东西部丘陵地区的一段运河，因为穿过黄河，地势高低悬殊很大，水流湍急，不便航行，更是一项极其艰巨的工程，是运河南北通航的关键地段。这个问题，到明代永乐年间(公元 1403 年到 1424 年)，由于平民白英的合理建议，才得到真正解决。白英选择了这段运河上的最高点，然后设法把汶河的水全部汇集到这

里，使它南北分流；沿运河还利用地形修筑“水柜”蓄水，解决了水源问题，又修建了三十多座水闸，节节控制，分段平缓水势，以利航行。这段运河穿过黄河，于是采用水流由运河注入黄河的办法，这样就避免了黄河泥沙进入运河、堵塞河道这个大问题。隋代和元代大运河建成以后，成为南北交通的大动脉。唐代的时候，由大运河运到北方的粮食，每年在二百万石以上。到了宋代，每年增加到七百万石。大运河促进了南北经济的发展。沿河也发展了不少著名城市，如德州、济南、淮安、扬州、镇江等。

河流水文观测

水文学随着水利事业的发展而发展，并且充分发挥了理论对实践、科学对生产的能动作用。古代河流水文学的成就，除上述水利工程中体现出来之外，值得专门提出的，还有涪陵石鱼和吴江水则碑。

涪陵石鱼 河流枯水直接影响着航运、灌溉和生活用水，所以也为古人所重视。近年来，为了探索长江枯水规律，进行了长江上游历史枯水调查，结果发现宜昌－重庆段有枯水题刻群十一处，尤以江津莲花石、重庆丰年碑、涪陵白鹤梁、云阳龙脊石、奉节记水碑等最重要。其中涪陵白鹤梁石鱼题刻是目前在这一段中保存最好也最有价值的。它一共镌刻了一百六十三则古代石刻题记。从中获得了自唐代广德二年(公元 764 年)以来断断续续的七十二个年份的枯水记录，它说明我国劳动人民距今一千二百年前就创造了富有民族风格的以石鱼作为水标的我国古代最早“水位站”。据考证：宜昌－重庆段枯水题刻可以追溯到大约二千年前的汉光武时期。吴江水则碑 宋代吴江上立有两座水则碑，一座可以记载一年内(各

月、各旬)的水位变化，另一座可以记载各年的水位变化。碑有“横七道， 道为一则。以下一则为平水之衡，在一则，则高低田俱无恙。过二则，则极低田渰。⋯⋯过七则，极高田俱渰。”(沈启：《吴江考》卷二，“渰” 通“淹”。)二碑石刻中刻有“大宋绍熙五年水到此”、“大元至元二十三年水到此”。可见宋代为了统计汛期农田被淹面积，已经建立了水位观测制度，这是我国历史记载的直接为农业生产服务的“水位站”。

潮汐表

潮汐是一种近海岸处发生的海洋水文现象。我国古代有大量的潮汐记载，并有不少潮汐论著，还出现不少潮汐学家。由于航运、渔业、制盐、海战和潮灾预防等活动迫切需要知道潮汐时间和强度，古代编制了不少潮汐表，其中又以唐宋时期的表最出名。

窦叔蒙涛时图 唐代窦叔蒙根据东汉王充“涛之起也，随月盛衰”(《论衡·书虚篇》)原理，运用当时天文历法推算月亮周日视运动(实际是太阳日)的方法，来推算潮汐周期，使正规半日潮区的理论潮时达到相当高的精度(和历法精度一致)。他首先引入了历法中作为起算点的所谓“七曜同度” 的“太初上元”，并把它作为潮汐的起算点。然后他推算自太初上元冬至到唐代宝应二年(公元 763 年)冬至这一漫长时期的日数和潮汐次数。计算结果得时间是二千八百九十九万二千六百六十四日，得潮汐是五千六百另二万一千九百四十四次。由此可知潮汐周期是十二时二十五分十二秒，潮

汐逐日推迟五十分二十四秒。这个数字和现在计算结果相差很小。为了实用方便，窦叔蒙便把高潮时刻作成直观的图表。这图表现在已经佚失，但从他的《海涛志》中有关记载可以初步复原的。这图表的横坐标是一朔望月内各月相(按朔、■、上弦、盈、望、虚、下弦、魄、晦排列)。纵坐标是每次高潮时刻。他把代表不同月相的高潮时刻的点都标在坐标相应地方，然后把这些点联结起来，便形成一条条斜线。用这图表可以根据当天月相查出高潮时刻。

四时潮候图 北宋时吕昌明编制了仁宗至和三年(公元 1056 年)杭州的钱塘江《四时潮候图》。这是实测潮汐表，因此不仅更符■

合实际潮时，并且还记有潮高(潮的大小)。所以比理论潮汐表实用价值更大。明代初年宣昭在杭州做官时，曾把《四时潮候图》刻在江畔浙江亭的石碑上。这样行人都能看到，过江人可免遭不测。类似的潮汐表在欧洲要到公元十三世纪才出现。宋哲宗元■元年(公元 1086 年)，沈括指出一个地方的实际潮时比理论潮时往往要迟一些，随着离海远的程度，涨潮时间也要相应延迟。这实际上给

浙江四时潮候图。

“港口常规时差”下了明确的定义，并且显示了各港口、渡口编制实测潮汐表的必要性。这就推动了实测潮汐表工作的发展。因此英国学者李约瑟曾指出：“说到潮汐表的系统编制，中国人显然早于西方”①。

① 徐霞客生于明万历十四年十一月二十七日，公元 1587 年一月五日，以往按万历十四年作 1586 年。