元代科学家郭守敬

郭守敬（1231～1316），字若思，河北省邢台市人，我国元代卓越的天文学家、数学家、水利专家和仪器制造家，是中世纪世界杰出的科学家之一。

综观郭守敬的一生，他对科学技术的贡献是很大的。在 31 岁以前，是他勤奋学习，增长才干并在天文和水利方面初露锋芒的时期。31 岁到 45 岁和60 岁到 62 岁这两个阶段，他在水利工程方面大显身手，前后向朝廷提出了兴修二十多项水利工程的建议，治理了大大小小数百处河渠泊堰工程，其中不少是高质量的水利工程，在中国古代水利史上写下了光辉的一页。在他 46

岁至 59 岁和 63 岁到 67 岁这两个阶段，还在天文、仪器制造、天文观测和历法编算诸方面作出了巨大的成就。

郭守敬的家庭是一个读书世家，祖父郭荣精于天文、数学，擅长水利技术。郭守敬自幼在祖父的抚养教育和影响下，养成了喜欢读书，刻苦学习、善于思考问题和掌握事物本质规律的良好习惯。十五六岁时，他得到一幅石刻莲花漏图。莲花漏是北宋科学家燕肃在古代漏壶的基础上改进创制的一种计时器。这个仪器的关键是如何保持处于长方的一个贮水柜水面高度的稳定，以保证计时器水流均匀。燕肃的设计是在水柜边上开一分水口，通出一条出水管，以使贮水柜水面始终保持在分水口处。少年时代的郭守敬根据图样弄清了原理，并制作出莲花漏样品，可见他是多么刻苦钻研和善于思索啊！

郭守敬的科学技术才华在水利工程方面也表现得非常突出。在他设计、实施的众多水利工程中，有农田水利工程，航运工程和兼有这双重功能的工程，无论是哪一类型的工程，郭守敬都是从实地勘探地形和水文入手，然后提出合理的整体设计方案，并大力组织实施，使之达到预期的目的。

郭守敬对于兴修水利工程的特殊兴趣，是在他刚满 20 岁的那一年。就在这时，他已经在水利工程上取得了初步成就。当时他的家乡邢台县城北有一座古老的石桥，由于年久失修，加上战争期间遭受破坏，桥身坍塌，并逐渐被泥沙淤塞，不仅影响交通，洪水季节还容易造成水灾。郭守敬多次勘察了河道上下游的地形，而后作出了判断。在他确定的地点、人们果然挖出了久被埋没的桥基，疏通了淤塞的河道，还修起了一座比原来更坚固的石桥，了却了当地人民多年来的一个心愿。

郭守敬在家乡修桥治水，崭露头角之后，并不满足已取得的成绩。他知道自己还年轻，而学问亦无止境，所以潜心读书，勤学好问，积累知识，为以后的科研工作打好扎实的基础。

1262 年，郭守敬在觐见忽必烈时提出了 6 条水利工程的建议，其中 5 项是关于华北地区农田灌溉工程的，这是他在前数年对这一地区的水文、地势认真地考察之后提出的。这些工程的基本设计思想之一，是利用黄河各支流或黄河的不同河段之间水位的高度差，在诸支流或不同河段间开渠引水，从而构成自流灌溉的水利网络，使万余顷农田得到了灌溉。其中，有的工程还可以起分流的作用，有的还可以行船，便利交通。另有一项是关于完善北京漕运的工程，郭守敬建议引京城西北玉泉山下的泉水进城，以解决京城到通州（今北京通县）旧漕运河水源不足，通行不畅的问题。他又建议开凿自通州直达杨村（今天津西北的武清）的新运河段，以克服原运河段曲折、远绕的弊病，使大运河更加通畅。

在郭守敬初见忽必烈时提出的 6 条水利建议中，就主张玉泉山的泉水进

城入高梁河，再由高梁河补充运河水源。但后来因水量不足，只能增添些城内湖池的水量，而不能解决运河需要，结果没有成功。后来郭守敬又提出了第二个方案结果又没成功。

郭守敬两次负责兴修这段运河都没有成功，但他并不气馁。他认真分析失败的原因，认识到必须把水量、洪峰、泥沙及河道梯度等因素综合起来考虑。他仔细勘测了大都城周围的地形和水文状况，于 1291 年又一次提出兴修运粮河的新方案。第二年，郭守敬以太史令兼领都水监事，主持了这项工程。

新方案是在发现昌平凤凰山下白浮泉的基础上提出的。郭守敬发现白浮泉水清量大，可以利用，同时在西山脚下还有许多小泉水。他决定将白浮泉水经西山脚引入瓮山泊（即今昆明湖），这样可将原来注入沙河的一些泉水拦截下来，增加引水量，而且都是清泉水，在运河下游可以建立闸门，提高水位，使粮船平稳上驶。白浮引水选择的路线是非常科学的，因为昌平附近的海拔虽然有 60 多米，比大都城的西北角最高处高约 10 米左右，但在这两

地中间的沙河，清河河谷地势较低，海拔只有 40 多米，如果将白浮泉水照直引向大都城，那么白浮泉水将会流入沙河与清河而到不了大都城。所以郭守敬的路线是从昌平凤凰山先向西，到了西山脚下再折向南，沿西山东麓引入瓮山泊，再经高梁河把水引入大都城，蓄积在积水潭，然后向东南流出文明门（今崇文门北），向东直门抵通州，与大运河相接。这条引水路线保证了渠道坡度缓慢下降流入运河，在从凤凰山到高梁河的 60 多里渠道上，两端高

差只有几米，其坡度使肉眼难以觉察。在距今 700 年前，这项科学技术成就已具有世界先进水平。还应该特别指出的是，白浮引水走的路线，同我们今天的京密引水渠在这一段的路线几乎是完全一致的。仅此一点，也足以说明郭守敬的测量技术确实很高明。郭守敬的这个方案很得忽必烈的赏识，他下令于 1292 年春动工。在郭守敬的领导下，只甩一年半时间，全长 160 多里的运河及河上的闸坝全部完工，运河被命名为通惠河。在大都城以上的白浮引水渠东岸，筑有长堤名为白浮堰，使引水不致外流。

运河通航后，南来的运粮船舶可以一直驶进大都城，云集在积水潭码头之上。这样，不仅解决了粮食运输问题，而且促进了南北方的物资交流，繁荣了经济，还解决了大都城的水源问题，对以后北京城的建设和发展都产生了深远的影响。

郭守敬在水利建设方面能够取得这样大的成就，最根本的原因就在于他对待水利工作那一丝不苟的科学态度。1298 年，元成宗决定在上都开渠，郭守敬在勘察以后发现，渠道距山很近，所经地区雨量虽不多，但却集中在夏秋，阴雨季节山洪凶猛，所以考虑到可能出现的洪峰。他经过计算提出把渠道加宽到 50～70 步（1 步=5 尺）。可是，主事人不相信，认为不会有那么多水，就擅自作主将渠道宽度削减了三分之一。到第二年雨季，山洪暴发，果然因渠道太窄而决口泛滥，卷走无数人畜行帐，连元成宗的行殿也几乎被冲毁。元成宗慨叹地说：“郭太史真是神人啊！可惜没有听他的话。”

在水利工程方面，郭守敬曾于 1264 年视察西夏（今宁夏回族自治区一带）古渠，发现古渠的总体设计基本合理，便组织人力疏浚渠道，重整水坝、水闸等设施，用了不到一年时间，便使可以灌溉农田 9 万余顷的古渠重新发

挥效益。他还于 1265 年提出了修复横亘京西平原的金口河的建议，即在金口河西岸修筑一条较宽大的溢洪道，引洪水往西南流回永定河中。这项工程兴修以后的 30 年中，对西山木材物产的东运和京西农田灌溉起了良好的作用。

1275 年他又提出建立一个庞大的交通网络的实施方案，并为此设计修筑了 5 条河渠干线，建立了以东平（今山东东平）为枢纽，西连卫州（今河南辉县），东达山东中部、南部，南起徐州，吕梁的黄河下游一带，北接大运河直达杨村的水上交通网。它既可使通航便捷，又使这一广大地区彼此接济，并使徐州到京师之间的漕运畅通。这项工程，不但具有科学意义，而且为忽必烈统一中国的事业创造了有利条件。

郭守敬的一生，为中国的天文和水利事业孜孜不倦地辛勤奋斗了 60 多年，真是春蚕吐丝，至死方尽。他的伟大奉献让千秋万代的后人都受益不浅。