世界水日:盘点中国古代发明的“水之神器”

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1993年1月18日,在第四十七届联合国大会上,确定了每年的3月22日为世界水日,以此呼唤公众加强水资源保护。在科学技术远不如今天发达的我国古代,为了更好地用水、防水,先民们充分发挥中华民族的智慧,发明了一大批令后世惊叹的器具。今天,我们就来盘点一下这些“水之神器”!

01 疏浚神器——驱泥引河龙

我国北方河流自古以来多泥沙,先秦诗歌总集《诗经·小雅》有云:载清载浊,反映了我国先民很早就注意到了清水与浊水的区别。水流携带过多泥沙会招来大麻烦——造成下游河道淤塞,继而河流决口,造成可怕的洪灾。因此,清理泥沙、疏浚河道便成为我国历朝历代水利工程的重要任务。

驱泥引河龙是清人发明的一种水力疏浚器具。该器具长约5.3米,前口宽约1.3米,高约0.6米。在清人所绘驱泥引河龙结构图上,详细对该器的各个部件及其作用进行了说明,其最大的一个亮点是大口进水、小口出水。

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图一:驱泥引河龙结构图(清

驱泥引河龙进口大、出口小的设计,决定了其出口流速远远高于进口流速,这极大地提高了水流挟沙能力【1】。使用驱泥引河龙的时候,一般以10个为一排,每一排引河龙的下游冲刷距离约16米远,每天冲刷深度亦达“数尺”。以船挟带驱泥引河龙,向河流下游航行,可取得不错的疏浚效果。

02多功能神器——小口尖底瓶

这种造型奇特的陶器在考古学上被称为“小口尖底瓶”,是新石器时代仰韶、庙底沟文化时期的黄河中游地区最具代表性的器物之一,前后断断续续“流行”了约1500年。小口、尖底、双耳……如此“清奇”的造型,它到底干啥用的?学界从不同科学原理出发,给出了多种说法。

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图二:中国考古博物馆收藏的半坡遗址出土文物小口尖底瓶(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

一些学者认为,根据浮体重心力学原理,小口尖底瓶的瓶体容易沉水,而满水时自动立起,推测其应为汲水器(即打水用的)。另一些学者认为,小口尖底瓶特殊的“尖底”造型可以嵌入地面或特制的定器底座,因而可能是储存热水的,类似于现代保温瓶。还有学者认为,小口有利于密封,尖底有助于沉淀,这都是酿酒的优良条件,故推测其为酿酒器【2】。当然,也有学者推测小口尖底瓶是当时祭祀所用的礼器。不管小口尖底瓶是干啥用的,蕴含了这么多科学原理,对于几千年前的中国先民来说,他们已经赢了。

03 流量测量神器——李冰石人

河流流量的测量工作对古代先民生产十分重要。在水利工程领域,流量(discharge)是指单位时间内通过管道、明渠或其他通道的某一过水断面的液体体积,以立方米/秒为单位。作为一种实测数据,流量是反映水情的重要信息,亦是反映水资源,以及河流、湖泊、水库等水体水量变化的基本数据。【3】

过水断面上的平均流速(流速由坡降糙率等决定)与过水断面面积相乘,便可得到流量值,而我国古代先民对此关系似乎早有认识。比如都江堰的李冰石人——一种石像造型的测流水尺,其肩部、脚部均为水尺刻度,《水经注·卷三十三》记载,李冰造了3个石人,立于水中:枯水时石人的脚不露出水面,涨水时石人的肩不没于水中。都江堰有两个条件相对稳定,一是进水口断面,一是河底坡降,这样一来,通过水尺的读数就可以推测出灌区水量的丰欠情况,这继而反映了“李冰石人”并非单纯反映水位高低,也反映了水位之下过流量的多寡。因此,说李冰石人是测流量神器,乃实至名归。

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图三:中国成都四川博物院藏东汉李冰石像复制品(图库版权图片,转载使用可能引发版权纠纷)

04 机械提水神器——龙骨水车

古代人最早怎么进行农业灌溉?在先秦时期的文献中,有“抱甑而汲”的记载,甑是中国古代蒸食物所用的炊具,形似盆、罐,口大,常通过镂空的箅与“鬲”配套使用,形成“甗”,鬲中的水蒸气可将甑中的食物加热至熟,但甑一般很少单独使用。抱着一个类似大盆的东西取水灌溉,想象一下这个场景,就能感到人力提水不是件轻松的工作。

虽然后期逐渐发明了水力、风力等提水机械,但人力提水机械本身也在不断发展。比如,始见于东汉的人力(或畜力)转轮提水机械——龙骨水车,这是民间对它的称呼,因其拥有一条用木梢衔接的、像龙骨架一般的超长刮水行道带而得名。龙骨水车以人力或畜力转动轮轴实现提水,在以人力转动轮轴的龙骨水车中,小型龙骨水车为手摇式,亦称“拨车”;大型龙骨水车为脚踏式,又名“踏车”【4】。

在我国平原地区,特别是近距离且提水高度控制在1m-2m的条件下,龙骨水车很适合用于农业灌溉,在唐宋以降发挥着重要作用,直至上世纪50年代,我国农村依然可见龙骨水车的身影。

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图四:手摇式龙骨水车模型 中国农业博物馆藏(翟国庆拍摄,转载使用可能引发版权纠纷)

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图五:脚踏式龙骨水车模型 中国农业博物馆藏(翟国庆拍摄,转载使用可能引发版权纠纷)

小结

其实,以上仅仅是冰山一角,在灿烂的中国历史上,古代先民凭借智慧发明的“水之神器”不胜枚举,如用于抢险堵口或护岸工程的“卷埽”、与驱泥引河龙同样用于河流疏浚的“混江龙”、用于水利工程测量的“水准仪”等等,正是由于这些伟大的发明,千百年来,我们才能合理发挥水资源对文明的助力,一步步迎来现代的曙光。

参考文献:

【1】卢嘉锡:《中国科学技术史. 水利卷》,科学出版社,2002年。

【2】贠泽荣:《小口尖底瓶基本功能再探讨》,《文物鉴定与鉴赏》,2013年第13期。

【3】《中国大百科全书》第三版网络版

【4】金锋:《中国传统大型灌溉农具水车》,《农业考古》,2013年第3期。

作者:

盒子猫 中国科普作家协会会员、2017年度“十佳新锐科普创客”大赛文章类三等奖获得者

翟国庆 中国科普作家协会会员、2016年度“新锐科普创客”

审核:宋元明 北京科技大学科技史与文化遗产研究院副教授

出品:科普中国

监制:中国科学技术出版社有限公司、中科数创(北京)数字传媒有限公司

评论
科普科普知识的摇篮!
太师级
关注世界水日,科普水知识,中国上下五千年,在灿烂的中国历史上,古代先民凭借智慧发明的“水之神器”不胜枚举,为我们合理发挥水资源对文明的助力,一步步迎来现代的曙光。
2024-03-22
顾颜冰
进士级
通过阅读这篇文章,了解了古代先民凭借智慧发明的众多的“水之神器”:“卷埽”、“混江龙”、“水准仪”等,启发我们充分利用水资源,合理发挥水资源对社会经济发展的重要作用。在经济飞速发展的今天,我们更应该懂得节水,惜水,保护水资源,防止水污染。
2024-03-22
演绎无限精彩!
大学士级
中国古代发明的“水之神器”,展示着古代劳动人民的杰出智慧,为人们的生活和农业提供了重要的支持。如今我们更应积极践行节水、护水理念,可持续地用好水资源。
2024-03-22