久负盛誉的水利技术

四、久负盛誉的水利技术——中国古代水利机具的发明

我国古代发明了许多水利排灌机具和利用水能进行加工的水利机械。这些水利机具、机械的发明和推广使用，对生产力的发展起到了有力的促进作用。各种水利机具的发明，标志着古代水能资源的认识水平，并为现代水力机械的产生奠定了基础。有些古代水利机具形式，如水磨、水碓等，直到今天还在使用。

从抱瓮汲水到桔槔灌田

远古时代，人们对水旱灾害只能仰求于天。传说商汤碰上旱灾，曾亲自去华阴山驱逐“旱魃”。当时对待旱灾，用迷信的办法，集中一群手持棍棒的奴隶，命他们去田间大喊大叫，说是示威赶“旱魃”，随即选定一个不服从他们摆布的奴隶，活活打死，叫做打死“旱魃鬼”。也有去向“旱魃”求饶的。然而，赶、打、求还是不能解决干旱的问题，于是就有人抱瓮从井中汲水上来，这才保住了一部分禾苗。后来碰到天旱不雨，就有更多的人抱瓮去井边汲水了。抱瓮汲水很费力。到了春秋战国时，桔槔就出现了。《庄子外篇·天地篇》中，就曾写过这样一段故事：

孔子的学生子贡到楚国（今湖北省湖南省）去讲学，回晋（今山西省）路过汉阴，看见一个老头正在浇菜园。只见他抱着一个大瓦罐子蹒跚地走到井边去，把罐子放进井内去舀水上来，一罐罐地抱着往地里浇，非常费劲，而且舀的水很少。子贡就问道：“不是已经有桔槔了吗？用它汲水一天可以浇得很多田，既省力，汲的水又多，您老人家怎么不用呢？”老头子转过身来看看子贡，问是怎么回事。子贡就告诉他：用根长木，中间绑在架子上，让长木后面挂个重物，前面轻，吊上大木桶。这样放进井内去灌满水，后面一头重的松开下沉时，轻易地就把水桶吊上来了。这种提水的架子，就叫桔槔。

从这段故事可以看出，春秋战国时，桔槔就在黄河流域使用了。

直到新中国成立后，北方一些偏僻农村，尚能看到井旁用“挑挑子”的汲水架汲水。这种“挑挑子”，就是从桔槔演变而成的。后来，“挑挑子”汲水进一步改进而成为辘轳提水。

从抱瓮这种原始灌溉，到用简单的机械——桔槔，经历了漫长的实践过程。从桔槔再向水车发展，中间还有一段曲折的过程。

马钧改进毕岚的翻车

东汉末年，有个负责管理京师街道清洁的小官叫毕岚。他为了减少扫街时尘土飞扬，试造了一种翻车——渴乌，放在城外桥西边，用以汲水洒南北郊路，节省了百姓洒道之费（当时扫街洒水是由百姓出钱雇人的）。这种翻车由机械和曲筒两部分组成，用很多节水筒连起来引水。毕岚试造的这种翻车——渴乌是个了不起的创造。

三国时（227-229），马钧把毕岚的翻车作了改进。他家也住在京师，有地可作菜园，因没法灌溉，故将原翻车改进，连成一圈，令童子转动，灌水自覆。他们二人的创造和改进，为后来的水车从原理到形状上，都打下了基础。

唐代中期后，政治、经济、文化中心由北逐渐南移，促进了长江流域各地农业的发展，尤其是种植水稻的技术有了很大的改进和提高。扬水灌溉的机械日新月异，由原来的间歇性改为连续性，即水车逐渐变成后来的龙骨水车了。北宋时，苏轼曾于无锡途中赋诗描述水车，诗云：“翻翻联联唧尾鸦，焭焭确确蜕骨驰。分畦翠浪走云阵，刺水绿缄抽稻芽……天公不见老翁泣，唤取阿香推雷车。”这说明当时随着水车的普及，农民已经不再单纯靠天下雨灌溉了。

苏轼赋中所描述的水车和后来江汉平原等地所用之二人梁、三人梁脚踏水车，结构和操作方面都没有什么大的差别。

唐宋以后，唧筒式水车在动力上，由人力到畜力再到水力，不断进步。元明以后龙骨车也有了新的发展，水转筒车和水转翻车相继产生，接着沿海一带还有利用风力的水车。这些改进和发展都与唐宋以来我国机械技术的发展有密切的关系。清代以后就很少变化。

今天，水车扬水，已经逐渐被抽水机代替，许多地区已经基本上实现了排灌机械化、电气化了。比起过去的水车来，其效率之高，何止百倍。但是水车在我国机械史和农业发展史上，却立下了不可磨灭的功绩。

水力机械

水能的开发和利用，是水利发展史上一个极为重要的方面。在古代，水能的开发和利用走过了一段漫长的路程。

我们知道，我国古代几千年来一直是用碓、碾、磨这几种石制机械加工粮食的。碓、碾、磨开始都是以人力和畜力作动力，后来才渐渐地以水冲力作动力。以水冲力作动力的，称水碓、水碾、水磨。它们的产生，体现了劳动人民的集体智慧。

水碓是一种去掉谷、麦皮壳的水力机械。水碓起于何时，无准确记载。《物原》说：“后稷作水碓，利于踏碓百倍。”这个记载不一定可靠。但桓谭《新论》谈到碓的发展时说道：“伏羲之制杵臼，万民以济。及后人加巧，因延力借身重以踏碓，而利十倍杵舂。又复设机关，用驴、骡、牛、马及役水而舂，其利乃百倍。”桓谭为西汉末东汉初人。可见，水碓发明至少已经有两千多年的历史了。

东汉初期，水碓使用地区似乎还只限于中原地带和京师附近。到东汉末年，才传到西北地区。范文澜《中国通史简编》第三章记载，“东汉献帝末年，雍州刺史张既，督促陇西天水南安富人造水碓，用水力激木轮舂米”，说明当时水碓正在此地区推广。

水磨是一种将米、麦等颗粒粮食碾压成粉末的水力机械。在南北朝时期，水磨已开始使用，就连皇帝宫宛内，也修建了这个水力设施。据《南史·祖冲之传》记载，祖冲之“于乐游苑造水碓、磨，武帝亲临监视”。据《魏书·崔亮传》记载，崔亮受杜预造水磨的启示，也建造了不少水磨，获得了很好的效果。《农政全书》转引《农书》的记载，叙述了水磨的结构、工作原理及其种类。

根据记载可知，古代水磨的基本结构为：①主动水轮；②传动大轴；③石磨；④引水槽。主动水轮与石磨均固定在同一根传动大轴上，构成一水磨机组。整个机组又固定在牢实的支承架上。当引水槽引水冲动主动水轮转动时，石磨则随之转动。古代水磨又分为单磨、双磨、多磨（连磨）以及活动磨数种。双磨合多磨与单磨的差别，一是多一套齿轮转动机构，二是主动水轮为卧放（即横轴），这样可以兼有带动水碓等多种功能，三是轮轴的尺寸较大，以传递较大的转矩。活动磨则是以船为支承架，可将船移动到适当的位置。

水碾是古代用来把谷物类轧碎以去皮壳的工具。水磨靠上下磨盘及其齿槽的挤压使粮食变成粉末。水碓靠碓头的冲击力量使粮食被捣碎。而水碾是靠重物（碾石）将粮食去皮或碾碎。三者各有各的用场。

中国的水碾在晋朝已开始普及推广。水碾与水磨的工作原理均相同，只是上部结构各异。水碾无上下磨盘，而只有碾盘和涡（即碾石）。在使用过程中，人们又将碾、砻、磨合为一轴，称为“水碾三事”。即以同一个主动水轮，通过在其传动轴端分别配置磨盘、碾盘或砻盘，即可达到一机三用的目的。“砻”也是一种轧米的水力机具，可以将谷壳破碎，以便去皮。

古代还有一种利用水力来筛面、筛米的机具，称为“水打罗”或“水击面罗”，其结构与水排大致相同。它通过一套传动机构，即主动水轮的旋转运动变为筛网的直线往返运动。“罗因水力，互击椿柱，筛面甚速，倍于人力。”魏晋以后，水碾、水磨均有很大发展。据《事物记原》所记载，起先，“杜预造连机碓，藉水转之”。后经逐渐改进，水力大的地方，有用一个水轮带动2—8个石磨的，也有用一个水轮同时带动水碓、水碾和水磨三种加工机械的。

杜诗创水排

古代水力机械除了应用于农产品加工外，还应用于冶金、纺织等生产领域，形成另一类水力工作机械。这些水力工作机械中比较典型的是杜诗所创制的水排。

我国冶铁鼓风，始于西汉所用的鼓风器，最初用革囊，后改为木扇，最后进一步改进为近代所用的风箱。它所用的原动力由最初只用人力（现在还有用人力鼓风），逐渐发展成用畜力和水力。

据《后汉书·杜诗传》记载，公元31年，杜诗作南阳太守，创作水排，利用水力鼓动排囊（风箱）铸造农器，用力少，见功多，百姓称便。

从《农政全书》记载看，水排基本结构有五部分：主动轮及轮轴、传动轮、受力转换机构、风箱、支架。此外还有适当的导流设施。当水流冲动主动水轮转动时，通过主轴带动上端的传动轮随之转动，然后受力转换机构将传动轮的圆周运动转换为风箱拉杆的往复直线运动。按照这一基本原理，一个主动水轮还可以带动多个鼓风设备工作。

东汉末年，曹操任用南阳人韩暨为监冶官，负责管理冶铸方面的事。韩暨任职前，冶铁全是用人排和马排。用马排造一石熟铁需消耗功率73 500瓦，用人力费功则更多。韩暨学了杜诗的方法，改用水排，比用马排省力三倍。这说明水排效率甚显。

英国著名科学家李约瑟在探索了欧洲、阿拉伯、中国的有关文献后，提出这样一个论断，他说：“蒸汽机的发明创造和完善，是由于詹姆斯·瓦特吸取和模拟了中国古代的机械水排和风箱的原理与结构而获得的。”

在瓦特之前，牛柯门发明了蒸汽机，19世纪，瓦特作了很大改进，造成了1800年以来蒸汽机的样式。李约瑟说：“瓦特之所以能超过牛柯门，主要是他吸取了中国的工程传统，首先是双作的原理。”这个原理的主要特点，就是机件结构务必保证活塞在每一冲程的前后阶段都能做出有效的功率。欧洲最早提出双活塞抽水筒的是拉哈雅。那是在1716年，可是这时双活塞抽水筒在中国已经使用了两百多年了。因此瓦特在1777年制造了一个双作的鼓风筒之后不久，于1783年，制造了外压式气机。

对往复式蒸汽机的构造形态，李约瑟说：“这是模拟中国古时的另一种用途的机械，而装置上是反其道而行之的。中国很早的水车，不仅用以运转碾、磨谷物的磨盘，而且还用于更复杂的牵动冶铁的风箱。如双作原理一样，运用水力转动机械做功于鼓风炉的熔铁炉，对于中国的冶铁技术具有巨大的功能。”因此，李约瑟提出这样一个结论公式：

水排+风箱：蒸汽机

由此可见，我国的水力机械对推动人类社会生产力的变革和发展曾起过极其重要的作用。