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                              水利工具中的水文化

                              发布日期:2013-10-17 14:10:32   责任编辑:    审核签发:    来源:局办公室    阅读:   保护视力色:       


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                              一、从简单水利机械的发明与创造看水文化的本源  


                                  大家熟知,简单机械一般是指杠杆、滑轮、轮轴、斜面等。而把这种简单机械运用到提水、灌溉上来,我们便称之为简单水利机械。
                                  我国最早的简单水利机械是从井中取水发明出来的。方法是以瓮汲水(即将绳子系在瓮上),要想把瓮从井中提出,就得向上用力拉,这样不但费力而且效率很低。为找到一种省力的提水工具,我们的祖先发明了桔槔。桔槔的结构,相当于一个普通的杠杆。在其横长杆的中间由竖木支撑或悬吊起来,横杆的一端用一根直杆与汲器相连,另一端绑上或悬上一块重石头。当不汲水时,石头位置较低(位能亦小);当要汲水时,人则用力将直杆与汲器往下压,与此同时,另一端石头的位置则上升(位能增加)。当汲器汲满后,就让另一端石头下降,石头原来所储存的位能因而转化,通过杠杆作用,就可能将汲器提升。这样,汲水过程的主要用力方向是向下。由于向下用力可以借助人的体重,因而给人以轻松的感觉,也就大大减少了人们提水的疲劳程度。桔槔这种提水工具虽较省力,但它仅适宜于浅井或水面开阔的沟渠。如关于桔槔的最早记载是《庄子·天地篇》:“凿木为机,后重前轻。挈水若抽,数如泆汤,其名曰槔”。《墨子·备城门篇》”中也有桔槔的记载。王桢的《农书》,宋应星的《天工开物》和徐光启的〈农政全书〉等书,都绘有桔槔图,根据刘仙洲在其《中国古代农业机械发展史》一书中推断,这种灌溉机械可能创始于商代初期的成汤时期(约公元前1765——1760年),距现在已约有3700百多年的历史了。
                                  桔槔这种提水工具,也是我国古代社会的一种主要灌溉机械。(桔槔图)桔槔提水虽较省力,但它仅适宜于浅井或水面开阔的沟渠。如果井很深,用桔槔就不方便了,甚至无法提水。于是,我们的祖先又发明了安装在井口上的绞动汲器——辘轳。辘轳的主要特点是将单向用力方式改变为循环往复的用力方式,因而既方便又省力。辘轳发明于何年,不见文献记载。宋代《物原》一书中有“史佚始作辘轳”一句话。史佚是周朝的史官,如果这句话是事实,那么早在三千年前,辘轳就发明了。湖北大冶铜绿山发掘出春秋战国时期古矿井中的两具木辘轳,似可作佐证。这两具辘轳轴,各长250厘米,直径为26厘米,两端已被砍出圆形的轴颈,其长度分别为28和35厘米。辘轳轴上凿有两圈疏孔和两圈密孔,皆呈长方形,半榫两排。密孔靠近两端,中间距离40—45厘米。中部还有约23—25厘米的两圈疏孔,孔中插入长方木条。出土时有些孔中还残有木条碎片。将辘轳装上支架,扳动木条,就能起动和提升。有关辘轳在农田灌溉上的应用,北魏贾思勰的《齐民要术》中说:“负郭良田三十亩,…….穿井十口,井别作桔槔、辘轳、柳罐、令受一石。”这里所说的柳罐是一种水容器,三十亩田地中,有井十口,并配置柳罐、辘轳和桔槔各类的提水工具,这说明当时的井灌和辘轳的使用已很普遍。由此推断,可知在北魏以前,辘轳早已开始制造和使用了。
                                  另外一种简单水利机械,主要是用与进行水准测量用的,我们一般不称之为机械,而是称之为仪器,那就是简单水准测量仪。我国古代劳动人民在开挖渠道与运河的过程中,发现可以用“水面”作为标准来测量地势的高低。《庄子·天道篇》提到“水静则平中准,大匠取法焉”,说的就是水准测量的道理。相传大禹治水时期就已开始使用“准、绳、矩”等原始的测量工具。《荀子·宥坐》中记述孔子谈法的时候,用“水准”作比喻,来说明执法要公平的道理,指出“主量必平,似法”。如果当时没有类似于水准测量的生产实践活动,就不能出现这类的比喻。西汉时开关中漕渠,齐人水工徐伯负责定线工作,就是用的水准测量仪器,可惜史上没有详细记载。南北朝时期,我国古代著名科学家祖冲之的儿子曾在嵩山上造了八尺长的铜表作为日晷,下面与圭相连接,圭面掘着沟,把水倒在沟里,以定水平。在唐代,由于疆域的扩大,农业生产与水利事业普遍发展,测量和制图学也有新的进步。唐人李筌,在其所著《太白阴经》中对测量地势所用的“水平”(即“水准仪”)有较为详细的记述,这套测量工具,由三部分组成,即“水平”,“照板”、“度竿”。“水平”中包括有水平槽,长度为二尺四寸,两头与中间共凿有三个池子,池子的横向长度为一寸八分,纵向长度为一寸,深一寸三分,池与池间相隔一尺五分,中间有通水渠相连,通水渠宽三分,深度与池深相同,各水池中放有浮木,浮木的宽狭略小于池的宽狭,其厚为三分;浮木上建有“立齿”,齿高八分,宽一寸七分,厚一分。槽下设有可以转动的脚。“照板”是一形如方扇的板,长为四尺,下面二尺为黑色,上面二尺为白色;宽为三尺;手柄长一尺。“度竿”即测竿,长二丈,其刻度精确至“分”,共二千分。观测时,首先将水注入水平槽的池子中,三浮木随之浮起,其上的立齿尖端则会保持在同一水平线上,然后,观测者即可借立齿尖端水平地瞄望远处的度竿。由于度竿的刻度太小,观测者不能象我们使用现代化水准仪那样直接由望远镜读数,于是间接地利用“照板”巧妙地解决了这一问题,即持度竿的人还要握一照板,并将照板在度竿之后方上下移动,当观测者见到板上的黑白交线与其瞄准视线齐平时,则召持板人停止移动,并由持板人记下度竿上所对应的刻度。由于照板目标较大,所以可以测距离能由十步(唐以后,一步等于五尺,)或一里,达十几里目力能及之地。
                              这套仪器的使用方法与现在水准测量大同小异。在整套工具设计技术方面,有几处细节的考虑,耐人寻味,也体现了我国古代劳动人民聪明才智之所在。其一,是照板上有宽达二尺的黑白二色,目标则大,易被观测者发现,但更重要的意义,在于以黑白二色的交线作为观测线,准确可靠,这是现代水准尺上以间隔的黑白或红白二色的交线作刻度的先行,是测量史上一次重要的建树。其二,是浮木的数目为什么不用二个而用三个?这是考虑到在测量过程中,可能因为某些故障,浮木不能保持水平而采用的一种校准措施。这些故障,诸如池中水深不够,使浮木“搁浅”;通水渠不畅,使得三池水位不平;池框内缘卡塞浮木等。而有了三个浮木,当可及时发现这些故障。同时;三个浮木在外形上也不可能做得完全相同。其内部密度也不可能完全均一,故在水中的沉浮程度也不可能完全一致,而如果有了三个浮木,自然也可起到消除这种误差的作用。其三,是关于“立齿”的设计为什么要采用立“齿”,而不用立“板”?这是因为如果采用无齿的板,在观测照板时,或是靠近观测者的立“板”遮住了离开观测者的立“板”,或是离开观测者的立“板”高于靠近观测者的立“板”。两种情况发生都会导致视线不平。如果采用齿形的板,则可以消除如上毛病,因为即使靠近观测者的立齿端部高于离开观测者的立齿端部,由于有齿间空隙,前者也不会遮盖后者,从而可使观测者能调整视线顺利进行观测。自李筌在《太平阴经》上详细记载了这一“水平”之后,不少著述又接连转载,足见引起了后人的重视。宋代曾公亮在 《武经总要》中转载时,还绘出了各组成部分的结构图。李约瑟在《中国科技史》第三卷中曾转载此图。

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                              二、从简单水利机械的改进、完善与组合看水文化的深厚底蕴


                                  如果说辘轳也只能算是一种简单水利机械的话,那么它进一步改进后的“双辘轳”、“花辘轳”,就比较复杂一点了,应该是我们的祖先在对简单水利机械作进一步改进、完善与组合的升级版。“双辘轳”、“花辘轳”其构造是在辘轳上相向缠绕着两条绳子,两绳子下端各系上一个汲器。当其中一个汲器盛满水被向上提的时候,另一个空着的汲器则随之被放下;当空着的汲器在井中盛满水要向上提时,原来盛满水的汲器中的水被倒出而成了空器。这样交替上下提水,除了能节省时间之外,还可以利用空器的自重,再省一部分力,提水的功效自然更高了。
                                  辘轳进一步发展,便出现了水车。我国劳动人民早在汉代就发明了用水车灌溉田地。水车初创时名叫翻车,即后代之龙骨水车。《后汉书张让传》中曾有记载;中平三年(公元186年)毕岚“作翻车(龙骨水车),渴乌(虹吸管),施于桥西,用洒南北郊路,以省百姓洒送之费。”水车用于农田灌溉,首见于《三国志》:“时有扶风马钧,巧思绝世。…….居京都,城内有地可以为园,患无水以灌之,乃作翻车,令童儿转之,而灌水自覆,更入更出,其巧百倍于常。”中唐以后水车的推广,特别是在南方多水地区的推广,大大地提高了农业的排灌能力,促进了农业和水利的发展。《旧唐书·文宗纪》记载:太和二年(公元828年)“闰三月,内出水车样,令京兆府造水车,散给缘郑白渠百姓,以溉水田。”刘禹锡所写的“按比裁篱槿,咿哑转井车”的诗句,正是这种利用水车灌溉的写照。
                                  对水车的改进又出现了高转筒车和水力筒车。唐代,利用水力推动的高转筒车已广泛使用。唐人陈廷章的《水轮赋》和刘禹锡的《机汲记》都形象地描绘了高转筒车的功能。高转筒车的构造,简略地说,就是上下各有一个轮子,下轮一半淹在水中,两轮之间有轮带,轮带上装有多尺把长的竹筒管。流水冲击下面的水轮转动,竹筒就浸满了水,并自下而上地把河水带到高处倒出。
                                  水力筒车的出现,最迟应追溯到宋代。北宋范仲淹和南宋张孝祥对筒车作了比较仔细的描述。范仲淹在《水车赋》中说:“器以象制,水以轮济,假一毂汲引之利,为万倾生成之惠。…….固无伤于濡轨。轧轧临川;初有认于埋轮,翘翘在渚。是车也,匪疾匪徐;彼水也,突如来如……..补畎亩不足,损谿壑之有余,渤 * 腾波,忽若刺山之泉通,潺缓去浪,渐如澄,江之练舒。”圩田在中唐至五代的长江三角洲地带发展迅速,龙骨车已在那里的圩田区广泛使用,所以张孝祥在一首关于湖湘地区灌溉的诗中描述过这种水力筒车:“象龙唤不应,竹龙起行雨。连绵十车幅,伊轧百舟橹。转此大法轮,救汝旱岁苦。横江锁巨石,溅瀑叠成鼓。种机日夜运,甘泽高下普。老农用不知,瞬息三千亩。抱孙带黄犊,但看翠浪舞。”王桢《农书》中对高转筒车和筒车的性能与构造都作了说明,并附有图。
                                  利用水力作动力的水力机械应首推水排。根据历史献记载,水排大概始创于东汉时期(公元25—200年)。《后汉书·杜诗传》中记述了,杜诗创造了利用水利鼓风铸铁的机械——水排。书中说杜诗:“善于计略,省爱民役。造作水排,铸为农器,用力少,见功多,百姓便之。”铸铁需要鼓风设备向炉里压送空气,提高温度,最早是用牛皮袋压送空气,后来才创造出活塞送空气的风箱。最初的鼓风设备叫人排,用人力鼓动。继而用畜力鼓动,因多用马,所以也叫马排。直到杜诗时改用水力鼓动,称水排。水排是机械工程史上的一大发明,约早于欧洲一千多年。在《后汉书·杜诗传》注文说:“冶铸者为排以吹炭,令激水以鼓之也。”就是利用水力鼓动鼓风设备向铸铁炉里压送空气。用水排代替人排、马排、大大提高了劳动生产率。《三国志·魏书·韩暨传》说:“(韩暨)徒监冶谒者。旧时冶,作马排。每一熟石用马百匹;更作人排,又费功力。暨乃用长流为水排,计其利益,三倍于前。”古代每一熟石合一百二十斤。马排用马一百匹冶铁一百二十斤;改用水排,在同样的时间内,可以冶铁三百六十斤,提高功效三倍,用水排冶铸,两晋南北朝时已日益普遍。《水经注》说:“白超垒侧旧有坞,故冶官所在,魏、晋之日,引谷水为冶以经国用,遗迹尚存。”
                                  我国劳动人民不仅创造了用水力推动鼓风机铸铁,而且进一步利用水力、杠杆和凸轮的原理去加工粮食,这种用水力把粮食皮壳去掉的机械叫水碓,最早提到的是西汉桓谭的著作。《太平御览》引桓谭《新论·离车第十一》说:“伏义之制杵臼之利,万民以济。及后世加巧,延力借身重以践碓,而利十倍;又复设机用驴骡、牛马及投水而舂,其利百倍。”这里讲的“投水而舂”,就是水碓。魏未晋初(公元260至270年)杜预总结了我国劳动人民利用水排原理加工粮食的经验,发明了连机碓。水碓的构造大概是水轮的横轴穿着四根短横木(和轴成直角),旁边的架上装着四根舂谷物的碓捎,横轴上的短横木转动时,碰到碓捎的末端。把它压下,另一头就翘起来,短横木转了过去,翘起的一头就落下来,四根短横木连续不断地打着相应的碓梢,一起一落地舂米。继后不久,又根据此原理发明了水磨。
                                  我国利用水力为磨的原动力相当早。《南史·祖冲之传》中说:“于乐游苑造水碓、磨,武帝亲自监视。”《魏书·崔亮传》亦说:“亮在雍州读杜预传,见其为八磨,嘉其有济时用,……及为仆射,奏于张方桥东堰谷水碾磨数十区,其利十倍,国用便之。”水磨的装置方法有两种:一种是由水冲动一个卧轮,在卧轮的主轴上装上磨;另一种是由水冲动一个主轮,在主轮的横轴上装上一个齿轮,和磨的主轴下部平装的一个齿轮相衔接,使磨单间接转动。到了唐代,水碓、水磨更广为应用,甚至推广到了我国西藏地区。据《旧唐书·叶蕃传》记载,文成公主入藏时,命工匠教藏人在小河上安装水磨,….松赞干布并向唐朝政府请派碾硙工人到西藏以推广碾。

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                              三、从现代水利工具的制造与使用看水文化的进步与发展


                                  唐宋以后到清朝末年,我国在农业和自然科学领域,都失去了发展的动力。科学技术的研究和创新几乎处于停滞状态,使得我国农业长期处在落后的自然经济状态,工业的发展几乎没有,还是依靠传统手工业的操作。机械文明在当时还是一个陌生和天方夜谈的概念。因此,水利工具机械化的时代与近代中国几乎是隔绝的。到晚清之后,国门才逐步打开,先进的科学技术才得以逐渐走进中国农业和工业领域。从世界的角度来分析,可以说把水利工具从使用传统简单机械的历史转变到机械化操作上来的最伟大变革,应该可以追溯到蒸汽机的发明和使用。16、17世纪时,煤作为燃料被广泛应用,刺激了煤矿开采,为解决矿井的排水问题,需要利用蒸汽动力。达·芬奇等人都先后设计、研制了蒸汽动力装置。1698年,英国矿山技师塞维里(Th.Savery,1650--1715)制造了一具蒸汽水泵,这是一个人工操作、利用蒸汽压力排出管中水的简单装置。1690年,法国普平(D.Papin,1647--1712)在德国制成第一个有活塞和汽缸的实验性蒸汽机。英国铁匠纽可门(Th.Newcomen,1663--1729)根据塞维里和普平的设计,发明了蒸汽机,并于1712年有效地应用于矿井排水和农田灌溉。这是一个用一只活塞的封闭圆筒式汽缸,活塞借一根杆系于一根横杆的一头,横杆的另一头连着排水泵。它和塞维里机都存在耗煤量大、效率低,只能作往复直线运动的缺点,限制了蒸汽动力的应用。真正能产生巨大工业效果的蒸汽机是18世纪70--80年代由詹姆斯·瓦特(J.Watt,1736--1819)发明的。瓦特发明蒸汽机使得人类的生活与世界的文明改观了。过去由人们用劳力所做的事情,或由牛马、水车、风车等的力量来转动的机器,全部由蒸汽机来替代了。有了蒸汽机才有了现代的机械文明,也可以说蒸汽机发明的源动力主要是为了解决矿井的排水问题,从而揭开了水利工具机械文明的新时代。
                                  清朝末年及民国年间我国相继引进水利工程机械和水泥、钢材等建筑材料,并开始自己制造。由于工业发展十分缓慢,水利工程中施工与管理的机械化程度很低,而水泥和钢材的缺乏又制约了水利工程的兴建。当时使用的主要水利机械仅限于河道整治机械及防汛通讯设备。河工机械中挖泥船是最早引进的设备。光绪初年,在福建乌龙江首先使用挖泥船。光绪十四年(1889年)九月开始在黄河铁门关以下河口段采用挖泥船疏浚,光绪十七年(1892年)改用轮船拖带传统疏浚机械混江龙,这是一种新旧合壁的疏浚机械。天津、上海辟为港埠后,海河上长江河口段的疏浚工程量大大增加,海河工程局拥有吹泥式挖泥船多艘,上海浚浦局用有挖泥船,从事长江吴淞口段、黄浦江的疏浚。为了满足江河整治的需要,光绪十二年(1887年)上海江南制造局开始参考外国挖泥船的图纸试制,至本世纪20年代我国已生产出了抽泥式、斗式等不同类型的挖泥船了。清同治、光绪时有线通讯已开始用于邮传。光绪十九年(1893年)将有线通讯用于江河防汛。稍后,永定河设置了报汛专用电话线。光绪二十九年(1903年)黄河自济南至利津下游800多里河道两岸设置了专用电报,河道两岸设官电局,设分局18处。防汛与铁路通讯一直是独立管理的专用通讯网。及至民国年问,黄河两岸上自河南陕州,下至河口均已架设专用电线,并设电讯所统一管理。清末,长江、珠江及松辽河防汛专用电报或电话相继设置。但一般限于中下游或重要城市,商埠港口。1934年无线电通讯在黄河上用于防汛。1946年黄河水利委员会在开封设了无线电总台,下有8个分台,通过总台可向中上游各大水文站、险工段联络,这在当时大江大河防汛通迅设备中已属先进。
                                  另外,是其他水利施工机械及水泥的引入。光绪十四年(1888年)黄河河南长垣、山东东明堤防段施工中始用小铁路运输土料,同年郑州堵口亦用;次年九月,又调用封堵山东章邱大寨决口。鉴于工效倍增,山东巡抚张曜向天津订购铁轨1080丈及铁车若干,作为黄河下游抢险和岁修专用。自此,黄河堤工岁修和堵口抢险普遍使用小铁路。光绪十四年(1898年)前后抢险堵口,夜晚已用电灯照明。黄河河工的施工条件开始有所改善。光绪三十四年(1908年)东三省总督徐世昌聘请英籍工程师休斯勘测设计,选择锦州湾葫芦岛筑港。宣统三年(1911年)正月开工,其中施工机械有起重机、混凝土搅拌机、打桩机、挖泥机,抽水机各种机器及铁轨车辆等。凡中国各省所有者,尽向华厂购办,其不能自制的,则用投标之法,向各洋商开价购买。然而这个当时国内施工设备最先进的工程几经战乱,最终于1931年日本侵略军占领东三省后完全停工。光绪十四年(1888年)黄河堤工中首次使用水泥。水利工程中首先采用水泥的当是港口工程。光绪十九年(1893年)为防御长江洪水,北洋大臣李鸿章调运唐山生产的水泥300吨,重修湖南常德国城墙及防洪石堤。宣统三年(1911年)葫芦岛港地基工程已用钢筋混凝土桩。20世纪20年代采用钢筋混凝土结构的水工建筑已日见普遍。民国以来,随着水泥在水利工程中广泛推广,水泥灌浆技术开始运用。20年代浙江石质海墉听维修用水泥灌浆加固或工程堵漏。绍兴三江闸是采用水泥灌浆修复的一个古代水利工程。三江闸原用条石砌筑,用铁锭上下联锁,无胶结材料。由于水流长期淘刷、渗漏,闸底板逐渐淘空,严重漏水;闸墩及翼墙也因风化开裂,裂缝最宽达5厘米,也漏水严重。1932年开工修复,主要采用灌浆技术,用水泥浆充填。灌浆机全套设备系德国进口,水泥系国产象牌优质水泥。

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