水利科学史之江河水位测验

    古代水文科学的重要内容是对江河水位使用固定水尺进行测量。这是因为，江河湖泊水位的高低决定着堤防的高度和标示出渠道能否实现自流引水，同时，与水位直接相关的水深，又是决定流量大小的主要因子。因此，水位的科学测量是水利基础科学的主要内容之一。最早的水位测量开始于古埃及。据说古埃及人对尼罗河水位的观测开始于公元前3500年，至今仍保留着公元前2000年前后在岩壁上刻画的水尺⑧。在我国，公元前22世纪大禹采用疏浚的办法治河，所采用的“行山表木，定高山大川”①，包含有水位测量在内。东汉著名学者许慎在建光元年(121)完成的《说文解字》一书中，对测字的含义和来源注解说：“测，深所至也，从水，则声。”可见测字的创始直接来源于测量水深，因此，后代也称水尺为水则。古代的固定水尺测量有洪枯水位刻画、石入水尺和等距刻画的水则等形式。

    我国洪水题刻最早见于郦道元《水经注》。《水经?伊水注》记载：“(伊)阙左壁有石铭云：黄初四年六月二十四日辛巳大出水，举高四丈五尺，齐此已下。盖记水之涨减也。”根据洪水刻痕换算，这次洪水的洪峰流量约为20 000立方米每秒。类似的洪枯水位题刻各地普遍都有，长江干流居多。例如同治九年(1870)长江干流重庆至宜昌段发生了一次特大洪水，为800年以来的第一大水。由于洪水异常，有人便将最高洪水位刻在岩石上，类似“庚午大水至此”的题刻竟有90处之多。见图2-2。依据这些题刻和文字记载，近人通过水力学方法和水文方法计算得到本次洪水过程线和洪峰流量等数据，经比较确定，这一年洪峰流量为105 000立方米每秒。这一数值已实际应用于长江水利规划和三峡水利枢纽设计中。
 
    ①《庆元条法事类》卷4，《职掌》，燕京大学图书馆藏版，1948年。
    ②，③顾炎武：《日知录集释》卷12，《雨泽》。 
    ④秦九韶：《数书九章》卷4，国学基本丛书本，商务印书馆，1937年。
    ⑤其中圆罂测雨和竹器验雪例题的计算方法有误，见沈康身，宜稼堂本《数书九章》正误，秦九韶与数书九章，北京师范大学出版社，1987年。
    ⑥竺可桢，中国过去在气象学上的成就，科学通报，1951年，第2期。
    ⑦  王鹏飞，中国和朝鲜测雨器的考据，自然科学史研究第4卷，第3期，第237～246页。
    ⑧B.И.Aвдцeв[苏]著，王以铸译，古代东方史，三联书店，1956年，第236页。中国大百科全书?水文科学卷，中国大百科全书出版社，1987年，第712页将岩石水位刻划年代定为公元前2200年前后。

①《史记?夏本纪》卷2，上海古籍出版社二十五史本，第11页。

    枯水题记也广泛分布于大江大河，其中以位于四川涪陵市的长江白鹤梁枯水题记最著名。白鹤梁为一砂岩石梁，平时淹没于水下，只有枯水年才露出水面。题刻多作鱼形，故有涪陵石鱼之称。

   见图2-3。其上已发现的题记有163条，记载了自唐代广德二年(746)至今的1200余年中72个枯水年份的水位值，实际上是一座长江枯水水文站。它是研究长江水资源的宝贵资料。

    水位测验也有借助于石人水尺的。最早的石人水尺应用于都江堰。据公元354年成书的《华阳国志?蜀志》记载，李冰修都江堰时，“于玉女房下白沙邮作三石人，立三水中，与江神要(约定)：水竭不至足，盛不没肩”。人形水尺的肩和脚相当于水尺刻度。1974年和1975年在都江堰渠首附近的外江中先后发掘出两尊石人，其中一尊已残破。另一尊为李冰石像，身高2.9米，重4.5吨，系东汉建宁元年(168)所造。见图2-4。石像长袍衣襟和两袖上刻有隶书题记三行：

     故蜀郡李府君讳冰
    建宁元年闰月戊申朔廿五日都水椽
   尹龙长陈壹造三神石人珍水万世焉

    部分印证了《华阳国志》的记载。可见都江堰的石人水尺至迟建于公元168年。在河南洛阳附近也有类似的石人水尺。《水经?谷水注》载：(千金)竭东首立一石人，其上有洪水题记。

    至迟在宋代，水位测验已使用有等距刻画的水则。北宋时都江堰水则刻在宝瓶口离堆崖岸上，共十划，“水及六则，流始足用。过，则从侍郎堰(今飞沙堰)减水河泄而归于江”①。

    清乾隆三十年(1765)在宝瓶口左岸重建水则，共24划。水位相当于13划时可满足春耕用水，汛期警戒水位是16划。这个水则一直使用至今。陕西引泾水的郑国渠(今泾惠渠)北宋称作丰利渠，其进水口左侧崖壁上也刻有等距水尺。水尺刻画仍清晰，但其上文字多已斑驳，仅可辨别水尺右边的“己上”二字。见图2-5。

    宋代江浙一带已普遍应用水则。南宋后期仅在浙江鄞县就有三个水则。一个在它山堰旁边的回沙闸，一个在城东大石桥碶，都是用作控制闸门启闭的依据，这两个水则都建于淳祐二年(1242)。另一个水则设在城中的平桥南端，是宝祜年间丞相吴潜(1196～1262)所建。鄞县背山面海，海潮上溯时，城中溪水皆咸，无法灌溉和饮用。于是早年就在下游建闸。平时闭闸隔绝咸水上溯和蓄积淡水用，涨水时开闸泄洪。因此闸门启闭直接关系到这个小流域中群众的生产和生活。往日启闭以水深三尺为度，既难度量，也不精确。吴潜遂于开庆元年(1259)乘船沿河测量了各地水位与农田高低关系，统一换算为月湖平桥处的水位，并树立平字水则碑，以为闸门启闭之依据。每当涨水淹没平字，则开闸泄洪，平时则关闭闸门②。管理既灵便准确，又可公之于众，以免引起地势高低不同的村庄间的水事纠纷。这就是著名的“平字碑”。吴潜与同时代的著名数学家秦九韶(1202～1261)过从甚密，对他的科学实践也会有所帮助。

    使用水则控制更大流域范围水位升降的做法在海河洼淀曾经采用。北宋年间在今海河流域大清河南北曾有一系列塘泊洼淀。洼淀主要服务于防止辽兵入侵中原的军事目的，因此需要维持一定水深，以满足“深不可舟行，浅不可徒涉”的要求。为此，景祜二年(1035)在雄县一带“立木为水则，以限盈缩”①，即根据水位尺度，控制洼淀蓄泄。

    ①《宋史?河渠志五》卷95。
    ②《至正四明续志》卷4，吴潜平水则记，《宋元方志丛刊》，中华书局，1990年。
    在黄河干流的险工段，北宋当年不仅设有水尺测量水位涨落，而且有河水涨落的水文日志。例如，熙宁年间有人建议利用舟船拖带的浚川耙疏浚黄河，然而对浚川耙的实际功效有激烈争议，双方各举出试验结果以为证明。其中提到“熙宁八年……臣契勘二股河次下埽分，各有河水涨落尺寸月日”②，即按时间记录的水位过程。当时人把这个水文记录称作“水历”，即水位涨落的日历③。黄河水尺和水历的应用标志着水文测验的进步和修防水平的提高。

    宋代的水则一般为等距划分，现存水则式样以吴县水则碑最为典型。江苏吴县垂虹桥是太湖出水口与大运河交汇处，水位控制至关重要，当年共安置水则碑两块，一块称作横道水则碑，置于垂虹亭北之左，又称左水则碑。碑长7尺，其上横刻7道，具体掌握水位高程与邻近地区农田淹没情况之间的关系。其上有两次大洪水题记，一次位于水则碑第六则，刻有“大宋绍熙五年水到此”，即1194年的最高洪水位；另一次位于第七则，刻有“大元至元二十三年水到此”，即1268年最高洪水位，见图2-6。另一块称作直道水则碑，置于垂虹亭北之右，又称右水则碑。上刻12大格，分别注明12个月，每大格下又分三小格，系一个月的上中下三旬，显然是每月各旬水位高程记录，即相当黄河“水历”的作用，据以判断附近农田受涝灾的程度。这两块水则碑在明代正德五年(1510)《吴江水考》的作者沈38问还曾见到，但已判断不出其建置年代。此后或损坏，或佚失。清乾隆十二年(1747)又重刻右碑④。

    水位测量在宋代已普遍应用，技术水平也达到高峰。元代的进步主要表现在郭守敬“又尝以海面较京师至汴梁地形高下之差”⑤，提出了海拔高程和绝对高程的概念，这将在本章第五节介绍。明清两代只是普及应用而已，直至西方水文科学引进。