试论西汉龙首渠工程技术及其在我国水利史上的

试论西汉龙首渠工程技术及其在我国水利吏上的地位西北大学地理系徐象平西汉龙首渠大约开凿于汉武帝元朔(公元前128年)一元狩(前lJ7年)时期。是当时关中境内比较著名的水利工程之一。它自今陕西澄城县西南端起，傍洛河左岸南行，穿过澄城、蒲城、大荔三县，浇灌着铁镰山以南的“万余顷故卤地”“-。龙首渠在历史上享誉千载的主要原因是因为它成功地发明了“井渠法”技术，在黄土塬区创造性地建成了我国历史上第一条长达近七华里的地下渠道，从而揭开了我国水利史上新的一页。近年来随着水利史研究的深入开展，对龙首渠及其“井渠法”进行探索极有必要，鉴此，本文试作初论。一、龙首渠“井渠法”的历史渊源图一龙首渠穿山渠道示意图龙首渠是由明渠、暗渠和竖井三部分组成的，其中竖井和暗渠构成了龙首渠的核心内容(见图一)。二者的巧妙结合虽在这里得到充分体现，但从其技术基础上考察，它们在我国都有着悠久的历史渊源。竖井是伴随着社会生产力的进步，土地的相对稳定和人们定居生活的出现而产生的。换句话说，就是人们在修建村落和房屋时所积累的挖地取土、木构支护等一系列土建技术来提供技术经验和基础的。这种方法最初体现在开挖地窖式、半地穴式住房和窖穴(灰坑)上。其大体程序是先将选择好的地面清理平整，然后用磨制的石铲、石锄、骨耜、木耒等工具挖地取土．根据使用者的要求和房屋、窖穴等不同用途来决定开挖时的大小、深浅，形制和规模。有的直接用火烧成青灰色、黑褐色硬面。壁面上一般均敷有一层草泥土或烧土块，然后用泥浆或钙结核(俗称料姜石)粉抹涂。对于地窖式或半地穴式住房一般还将出入口作成陡斜坡或台阶状，可沿穴壁盘旋而下，到达穴室底面。如华县柳子镇仰韶文化时期的地窖式居穴就较典型。还有一些在地面建筑的房屋，其木构方法和支护形式也使后来的木构水井得以借鉴。女Ⅱl半坡遗址的20号房屋就完全是用木椽、木板和粘土混合建筑起来的。这种构筑方式比较科学，类似的在郑州大河村遗址中也有发现，即在房屋的周围先埋栽园形立柱，然后在立柱的外侧再用藤条之类的东西扭成绳子缚上横木棍(或芦苇束)，最后在立柱之间的横木内侧，又竖缚芦苇束构成墙壁的骨架，然后在内外涂草拌泥，并在其上涂一层细泥沙造成光滑的墙面，最后同地面一起，用火烧成坚硬的红色墙壁。3。近年在河南汤阴白营发现的一座龙山文化时期的村落遗址中，有一口木构水井，井的上部向外倾斜，下部较直，呈口大底小的锅底状，井内四壁用圆木棍层层垒筑而成，并在木架四周和生土壁的空隙处用黄土填实，整个井深】】米，外形用木架构成“井”字形结构”’，由此不难看出它与木构房屋·221·‰0轳～利一～水一一田一～农一妒国q^修筑技术上的内在联系。窖穴(灰坑)的挖凿方法也是凿井技术的前奏之一，仰韶文化时期，黄河中下游地区流行的窖穴形式多种多样，有上下相同的圆形筒状穴、口小底大的圆形袋状穴、还有外观呈椭圆形、长方形的窖穴等等。从目前的考古资料看，早期水井的形制均没有脱出这些窖穴的范同。如西安半坡遗址和河南陕县庙底沟遗址常见一种锅底状窖穴。一般体积都较大，口径2—3米，深达2米以上。尤其庙底沟遗址的窖穴还有个别口径达5．7米，深3．9米左右。有人把这些窖穴与同时期的河姆渡遗址水井作过比较，认为其在形制、技术方法和土建规模上均有过之而无不及。尽管中原地区这时还尚未出现水井，但从窖穴所达到的技术程度来看，其与水井之间仅是一步之遥，完全可称其为北方的“旱井”，只是“由于华北平原地下水位低，以至深达三、四米还不见水罢了”…。因此黄河流域后来出现的水井，就不能不考虑用增加深度的办法保证水源的供需。如汤阴白营龙山文化遗址的木构水井深达11米。河北涧沟龙山文化遗址的圆形水井深在7米左右，陕西长安张家坡西周遗址的8座水井中，有的也深达9米以上。也有的地区井深达20余米还未见水，即所谓“掘井九轫(八尺为轫、而不及泉”“。}。总之，深井的开凿与黄土地区的地理环境有关，也与开挖窖穴所积累的技术经验和方法分不开。同竖井的开凿一样，隧洞也是来源于人类早期的有关土建工程和土木技术的。其开凿方法与横穴式陶窑、窑洞式住房、土洞式墓穴等都有着深刻的内在联系。换句话说，就是这些不同形式的土建技术为其提供了技术基础。横穴式陶窑是原始陶窑的一种形式，其特点是将烧火的地方(火膛)挖掘成一个长而斜的筒状土洞。一般长度约在2米以上，土洞上端是窑室，下端是火口，窑室略作穹顶形，底部为圆形。周围有很多长方形的小火眼，火从火道经火眼进入窑室。这种横向挖洞的技术是早期土建工程的基本形式之一，在仰韶文化的遗址中屡见不鲜，半坡、下孟村、泉护村、三里桥、盘南村和姜寨等地都有发现。到了春秋战国时代，这种横向挖洞法被进一步应用到住房和墓葬上来。如居住上出现窑洞式住房和墓葬上出现洞室墓穴等。窑洞式房的特点是先自上而下挖出门道，修好台阶，在最末一级台阶的底部将窑洞范围逐渐扩大，然后再根据使用者需要的形制、规模和深度掏挖窑洞，窑洞凿成后，将洞壁和洞底进行火烤和修理，使其保持光滑、坚硬和干燥。洞室墓一般分为横式和竖式两种。战国时代，中原地区的洞室墓还较少，但在关中渭河流域却相当普遍，这大概与该地的黄土分布宽广、疏松易凿有关。秦汉时期，这种形制的墓穴不仅继续流行于关中，而且渐趋整个黄河流域，有些洞室长达5．6米以上，有些则在洞室内作前室、后室或多室等形制，形式和规模都逐渐复杂化。另外，隧洞作为先秦时期墓葬中森严的等级标志在一些史籍中也有反映。如《周礼·春官·家人》载有“以度为隧”。郑玄注释为羡道，唐贾公彦作过更正。他说：“《左传·僖二十五年》‘晋文公请隧，不许，王日：未有代德，而有二王，则天子有隧，诸侯以下有羡道’。隧与羡异者。隧道则上有负土，……羡道上无负土”。在《仪礼·既夕礼》中，贾氏也有同样的说法邙，。如果此说不错，则表明土中穿洞的隧道形式在先秦时期已经出现．并逐渐同竖井结合起来，在生产领域中得到应用。如《庄子·外篇·天地篇》日：“子贡南游于楚，反于晋，过汉阴，见一丈人方将为圃畦，凿隧而入井，抱瓮而出灌……”。可见井、洞的最初结合虽是简单的，但随着生产技术的发展和生产领域的扩大，其联系必然会愈来愈密切，结合程度也会越来越高。从目前的考古资料来看，最具代表性的当首推湖北大冶铜绿山春秋战国古矿井遗址。这个遗址的全部工程由竖井、斜井、平巷和斜巷四部分组成。其中竖井深达50余米，“完全是继承和发展殷商西周的井制，一脉相传的。””3其木护结构采用“密集法搭El式”方法，即把圆木两端砍出台阶状的搭口榫，由四根搭接成一方框，将其层层迭压，构成竖井井架。斜井则采用“间隔法榫口式”结构，即把两根圆木两端削出圆形榫，把两根方木(或半圆木)两端凿．出相应的孔，四根穿接，成一方框，将其沿着矿层倾斜度逐层延伸，就构成斜井井架。这是一套技术复杂、结构科学的深井凿法，反映出当时土建工程的进步和凿井技术的日趋成熟。与此同时，还在井身之间掘出斜巷和平巷。斜巷一般呈阶梯状穿过矿层，在巷道底部敷设“地梁”，地梁两端砍出台阶状榫口，榫上立两根上端带杈的“立柱”，树杈上以鸭嘴结构架设横梁，在紧贴横梁之下的两权之间以亲口结构嵌入“内撑木”，这样就组成了坚固的斜巷支架，支架的每一构件都有不同作用，既可承受底压，也可抵抗侧压。平巷为上、中、下三层，分布在斜巷的两侧，其构筑方法有三种，第一种与斜巷完全相同；第二种也大体相当，不同的是两侧立柱外不加背板，横梁上铺有杂乱的木板构成的顶棚；第三种没有方框支架，·222·两侧全是用直立的木板筑成巷壁的。特别应予以注意的是平巷与竖井相互连通。即每凿一段竖井．就掘一段平巷，平巷内都有辘轳设施，以供逐级提运和接力开采。竖井和巷道连通处，还设有马头门结构，主要用作支撑和加固井、巷通道口的。总之，铜绿山古矿井遗址是我国先秦时期土建工程技术的先进代表。它在深井开凿、井巷结合以及井下木构支护等方面都体现了当时技术进步和科学水平。反映了早期凿井和凿洞技术发展的状况。成为后来龙首渠“井渠法”技术的历史渊源和基础二、龙首渠工程技术蠡测野外调查资料表明，龙首渠主干渠道主要分布在海拔约500—700米的渭北黄土台塬区，这里介于北山山系和渭河谷地之间，地势高仰，面积宽广，由于受洛河侵蚀和现代山洪冲刷的影响，河谷两侧的塬边冲沟、陷穴发育突出。多呈“V”字形和马蹄形状，在今蒲城与大荔的交界处，横亘着东北一西南走向的铁镰山，由于它的阻隔，给龙首渠明渠开凿带来很大障碍，“岸善崩””一现象时有发生，因而在反复的施工实践中，“井渠法”技术便应运而生。“井渠法”是一项较复杂的技术，也是龙首渠的主要工程环节。由于史乏记载，考古资料也未得详尽，因而下面对龙首渠工程技术的蠡测只能在野外调查的基础上，参考有关资料来完成。 l、选线：铁镰山古称商颜山，是龙首渠必经之地。这里地势高仰，塬面东阔西窄，呈不规则的三角形状。最宽处可达几十公里，最窄不足4公里，从今塬北的庙底村到山南麓的义井村，全长3474米。呈西北一东南走向，为铁镰山最狭窄之地，作为穿山渠线非常适宜。因为：1)这里线路率直而近捷，可节省大量人力、物力．提高工效。尤其对黄土地区大规模的隧洞工程来说更是如此；2)这里沿线分布有许多冲沟、陷穴，稍加整修，即可利用；3)整个地势北高南低，有利于自流引水的顺利运行。正因如此，现在洛惠渠的穿山渠道一五号隧洞就分布于此，充分体现出该段线路利多弊少的自然特点。值得注意的是在五号隧洞开凿过程中，曾在八号竖井以北．十八、十六、十三号竖井的工作井中发现一批汉柏及柏木板作成的支护木架，从其结构和分布状况来看，当系龙首渠遗迹无疑。如果将三处遗迹连成一线，就可看出其走向基本与今洛惠渠一致。另外，在开凿洛惠渠五号隧洞时，有人就根据这里地表尚残留的类似枯井遗迹和沿途自然状况分析断定“我们今天正和古人走同一线路，当然这是一条最经济的线”。’，从侧面也说明龙首渠选择的穿山渠线是合理的。2、测量：主要表现在对铁镰山的SNx,l-高程和塬面水平距离上，通过测量山的：}：Nx,1-高程．可以确定地下渠道的进水和出水口位置。同样．测量塬面水平距离可以确定出竖井的位置和间距．以保证施工误差减少到最小程度。我们知道，龙首渠是一条自流引水的灌溉渠道．作为提供水源的洛河又是泥沙含量高、且易涨易落的季节性河流。这样．由于明渠的高程分布和行水规律的影响，就要求在测量铁镰山的Nx寸高程时，既要按一定的坡降比例考虑到山麓两端明渠的顺利衔接．也要符合季节性河流的行水规律。因为暗渠渠口位置的适当与否，对自流引水来说至关重要。如暗渠进水口位置偏低，虽水源充足，不易断水，但却难以控制较多的灌溉面积。并且遇到夏秋洛河涨水期，明渠水位会骤然抬升，容易冲坍暗渠进水口而造成整个暗渠堵塞现象。同理，暗渠出水口的位置测量也要考虑渠道的坡降情况。坡降的或大或小，也会给渠系工程带来直接影响。如坡降偏大．渠水流速必然加快，对地下渠道的冲刷力也相应加剧，容易发生坍塌现象。坡降偏小，水流虽缓，但因泥沙沉淀易致渠道淤积。因此，可以说高程的测量对于确定暗渠渠口的位置是重要的乃至关键性的步骤之一。同样，对于塬面水平距离的测量也是一项必不可缺的环节。由于铁镰山地势不一，塬面多呈北高南低状．局部地区也有中间偏高的现象，这就要求在测量时，必须把握住地形特点，合理定出井位及间距。一般的方法是地势低凹的地方井距偏大，高仰之地则较小，与之相应，浅井井距较大．深井井距偏小。通过测量，可以确定出一个比较适当的基准面，使各井深度最终都保持在一个水平线上．以保证“井下相通行水”“”。在具体施工程序上主要有：1)根据地表形态，挖凿深井；2)辩识地下水位，开凿隧洞；3)建立地下渠道的排水系统和支护体系。·223·1)挖凿深井：竖井的挖凿是井渠工程的第一步，从施工顺序上说，它几乎与隧洞的开凿同步进行。一能扩大施工面，二能加快工效。史载龙首渠竖井“深者四十余丈”“”，约合今90余米，这与洛惠渠开凿五号隧洞时发现的汉柏距地表深度基本相符，在当时的条件下能开凿这样深的竖井，无疑体现出较高的凿井水平。我们推测其开凿过程是：先在确定好的井位上按一定的尺度除草挖土，挖土时使用的铁制工具有锸、铣、凿、锤等。随着井筒的逐渐深入，黄土也渐渐消失，出现了一定厚度的古土壤。再往下便是分布不均的砂及砂砾石层。该层富集地下水，并挟带土石、泥沙，随时都有淤积井筒的可能。为排除这一障碍，在没有抽水机械的情况下，就采取人工排水法，即用盆、罐、辘轳、齿轮等工具将水排出井外，然后再进行井下操作，如此一而再、再而三地反复进行，保证井筒逐层深入。或者当地下水、淤泥、流沙清除到一定程度时，采用当时最常见的砖、石衬砌或陶制井固加固井壁的办法保障施工顺利进行，直达到要求的深度为止。2)开凿隧洞：隧洞的开凿是井渠工程的第二步，它与竖井相辅相成，互为表里。其基本程序是先从山麓南北两端按事先确定的暗渠进、出口相向开掘，近七华里的穿山渠道，由于竖井的开凿，自然而然地被分成许多段落。当各个竖井达到规定的水平线后，便又分别转成挖隧洞的形式横向延伸，这样把原来长距离的相向开挖分割成各个区间性的相向开挖形式，既提高工效，又减少工程误差(如图二)。同时，这种中段与两端同时并举的拓洞方式，也能初步解决地下通风、采光等一系列复杂的技术问题。如在通风方面，就能有效地利用不同井口气压的高低差形成的自然风流，使其到达井下后，又能分别沿着不同的掘进方向达至最深处的工作面，以提高井下操作的安全和成功率。3)地下暗渠的排水系统和工程支护支系：根据铁镰山地质构造和汉柏遗迹所处的位置来看，龙首渠地下渠道所通过的地层，多为沙土交接、流沙潜泉密布的地段，如五号隧洞发现汉柏的十三号井，位于二十号井以北，这里“地下水甚旺，沙层过厚……为铁镰山最高亦为洞工最艰难之一段帕”。地下水的渗出，流沙移动，必然会带来洞顶空虚．致使洞内有坍塌和淤积可能。因此排水问题至关重要。我们图二龙首渠井渠工程(剖面、横断面)示意图推测，当时的排水措施可能利用了木制水槽或陶水管道等构成井下排水系统的。即用这些工具将水引向井下积水坑，或者采取类似前述的人工排水法，用盆、罐等将水汇集于积水坑内，再用辘轳等将积水提运出去，这样，地下渠道虽处于砂砾石孔隙层或黄土孔洞裂隙层等含水地带，排水问题仍可初步解决。但随之而来的还有洞内支护问题，由于洞壁空虚，难于承受洞压，仍潜伏坍塌之危不无可能，因此．施工时必须一边开拓洞身．一边进行支护和加固。从发现的汉柏结构来看．可能继承了早期榫接或搭接支架的方法。作成“人”字形状，能较稳定地承受住来自隧洞内各方面的顶压、侧压和底压。其坚固耐久之程度以至两千年后的今天，有的局部仍保持着原状，由此可见一斑。现在，当地人们进行的一些改水工程也采用同类方法，可以为我们分析、蠡测井渠技术提供一些佐证。这里竖井挖凿的深浅程度仍视地形高低而定。深者可达40余米，浅者也在20米以上，各井间距约300余米。竖井一般为方形，为防止施工中地下水出现，井壁均用木板叠砌，最初各井分段开凿．当到达一定的基准面后便分别在井下采取相向凿洞方式横向开挖。隧洞呈拱形，为避免地下水和流沙出露，采取边凿洞，边用砖块衬砌洞身的办法逐段深入，各个井下操作均按照一定的测量标准和定线要求进行．既提高工效，加快工期．又能保证质量，减少失误。在铁镰山上用这种方法进行改水或引水比较切合实际，并且利多弊少。对我们今天蠡测西汉龙首渠井渠工程的技术方法是个难得的借鉴和参考。三、龙首渠在我国水利史上的地位龙首渠终以井渠法凿通了铁镰山．建成了我国历史上第一条长达近七华里的地下渠道。奠定了在我国水·夕24·。切。囫利史上的重要地位。归纳起来，主要有以下几个方面：首先，龙首渠的井渠法是吸收和继承我国科学技术精粹的典型代表。前已述及。我国竖井和隧洞的开凿技术源远流长，从各地发现的考古遗迹来看．它们的产生和发展是当时土建工程技术的发展状况，特别是二者的巧妙结合，更作为当时工程进步的代表，反映了先进的科学技术和生产力水平。如湖北铜绿山古矿井遗址就是典型。它一方面表现了我国先秦时期凿井术和凿洞术的日趋成熟和进步，另一方面又丰富和扩大了土建工程技术的内容和领域，为后来龙首渠井渠法的诞生提供了可靠的科学方法和技术保证。诸如龙首渠在确定井位、开凿深井、井下支护、相向施工等方面都继承了这些技术精粹，并第一次成功地将其运用到水利工程建设上，这在当时是不多见的。其次，龙首渠的井渠法是当时人们正确认识自然和改造自然的进步表现。铁镰山复杂的地质和地理条件影响着明渠的穿凿，而井渠法技术则能有效地避免诸弊的发生，是综合利用当地自然因素的一种良好形式。同时，井渠并举方式也能减少单一挖掘隧洞时所造成的通风、采光、坡降、支护、提运沙土、清理地下水等一系列复杂的工程技术困难。使地下工程建立在比较切实可行、符合实际的科学基础上，今天当地进行的改水工程施工法和洛惠渠穿山渠道的井渠施工法都是在充分把握当地地形特点，认识当地自然条件的基础上形成的。这也可反证出龙首渠在黄土台塬区实施这一方法的正确性和科学性。复次，龙首渠井渠法的成功也是有效运用科学知识、技术和工具的结果，充分显示了科学技术在水利工程建设中的巨大作用。例如在测量上，当时已出现有各种先进的测量仪器。定方位用的“司南”(指南针的前身)．画方用的矩，画圆用的规(圆规)以及测量垂直线用的悬(绳系重物)等。在《周髀算经》一书中，对测量工具矩的类型和用途也作系统的记述，不仅使测量山高谷深、水平距离的工作有了科学的保证．并且其方法技能也能普遍为人们所掌握。在对铁镰山相对高程和水平距离的测量时，都与矩的作用分不开，避免了施工中的肓目性．减少了工程误差。生产工具方面由于当时鼓风设备(橐篇)的改进，铁制工具已广泛应用到各个生产领域。考古资料表明，西汉时期铁制工具的数量和种类远远超过以前五、六百年的总和。其类型有挖土用的锸、铣、长条形铁镢、六角形铁锄和五齿锄等。凿石开洞用的凿、锤、铲、刀等，提运土石用的桔槔、辘轳、齿轮等，其中铁制齿轮的使用，对大规模凿井挖洞、提运土石、清除地下水，提高施工效率都发挥了积极作用。近年来．在陕西扶风等地的西汉遗址中曾发现大量的铁制齿轮。不难看出．它在龙首渠等西汉时期关中水利工程上所发挥的作用和效益。总之，龙首渠创造的井渠法是我国水利史上科学技术进步的缩影，具有承前启后，继往开来的重要作用。因而，千百年来一直为人们所称道．产生了极其深远的历史影响。1)新疆坎儿井：这是自西汉以来流行于今天山南北和昆仑山以北的地下引水工程。主要结构包括竖井，暗渠和明渠三部分。竖井作为开挖暗渠定位、出土和通风之用，也有供检查维修之便。暗渠为主体工程，其长度视引水处的潜水位埋深、暗渠纵坡和地面坡降等情况综合而定，明渠与暗渠出口衔接，长约几十米至几百米不等，个别长达几公里之遥【=”3。从其构造、施工程序和开凿方法上看，均与龙首渠井渠法一脉相承。尽管坎儿井的技术来源问题目前还有争议，但大多数学者均倾向于是井渠法西传的产物。《史记·大宛列传》、《汉书·西域志》、王国维《观堂集林·西域井渠考》等诸史中均备见记载，如《西域井渠考》目：“井渠……技法传至西域．所掘即今日之坎儿井”云云。2)陕西洛惠渠：是年修建的引洛水利工程。也由明渠、竖井和暗渠三部分组成。本文的有关内容均以此为参考和借鉴。它在渠首的选择、渠线的定向、井渠技术的运用、渠尾“塬边渠道”的布设等方面均与古龙首渠相趋一致。特别是铁镰山的主体工程一五号隧洞，更是再现了当年龙首渠井渠法的技术特点和历史风貌。有人曾形象地把龙首渠称作其前身，不无道理。3)河南红旗渠：】年修成的引漳水利工程。它位于河南林县。由于沿途山丘林立、沟谷纵横，因此主干渠道大部分开凿在断层发育、层峦叠嶂的山岩上。共开凿大小隧洞134个．比较著名的有狼牙山上的青年洞，全长616米，还有连接漳河与东岗盆地的曙光洞，全长为4000余米．其距离之长，为整个渠系工程之冠。为保证洞内通风和检修方便，一般在洞顶上部也开挖若干通风竖井与隧洞连通，使井、洞施工有机地结合起来。·225·

文章来源：《农业工程技术》 网址: http://www.gcjszzs.cn/qikandaodu/2020/1216/1405.html