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古人修都江堰、大运河,没有现代仪器,靠什么知道哪高哪低?

时间:2023-06-06 10:47:44 | 浏览:200

“在古代没有先进的测量工具,古人是靠什么兴修水利的呢?”总有网友向@工程师天张咨询这个问题,那我就尝试着给大家解惑。我们常说“做人讲规矩,做事有准绳”,这里说的规矩准绳是标准规则的意思,但是放在古代其实却是四种测量工具,“规”用来画圆,“

“在古代没有先进的测量工具,古人是靠什么兴修水利的呢?”

总有网友向@工程师天张咨询这个问题,那我就尝试着给大家解惑。

我们常说“做人讲规矩,做事有准绳”,这里说的规矩准绳是标准规则的意思,但是放在古代其实却是四种测量工具,“规”用来画圆,“矩”“绳”结合可以测量高、深、远,而“准”则是用来测水平,就是今天要聊的主题。

01

大禹治水

大家都熟知大禹治水这个传说,当时还没有文字记载,然而人们口口相传,后来在《史记》里有所叙述“行山表木,定高山大川......左准绳,右规矩”,这可能就是我国古代水平测量的发端了,遗憾的是没有对“准”有更详细的描述了。

商周用水

殷墟王陵遗址航拍

到了商、周朝,我们的先人发现了一个宝贝,用它就能测量水平高差,大家可以猜猜是什么?其实答案已经说出来了,就是“”。

在河南安阳殷墟遗址考古中,发掘商代晚期的宫殿时发现有一些水沟,有一条既宽又深,还有许多条比较窄浅,但奇怪的是这些水沟并不像是排水用的,不仅坡度很小不利于排水,而且沟里面也没残存脏东西,反而填满了夯土,压得很结实。考古学家结合甲骨文的字意,确定这就是商周时代人们用水测量水平的简单方法:先在地上挖两条垂直交叉的大沟,然后在大沟的顶端再挖与它直交的小水沟,最后往沟内灌水,待水面平静后,整个建造区域内的水平就找出来了。据考证,这种方法近代在河南西部地区建设农居时还在用。

先秦用木桩

对于小范围的房屋建设,挖沟是个好方法,但是如果大面积建设,比如造一座小城池,这个挖沟的方法工作量就太大了,要是能把水沟装在一个小装置里,便于移动还能保证准确就好了。于是,水准仪的雏形和应用出现了。

比如打算平整哪块土地,就在大概的中间位置树一个八尺长杆,再在土地的四角各立一根高杆。用铅垂线保证各杆竖直,然后在中间的杆顶部放置一个细长水槽盛满水,等水槽水面平静后,可以用目视(土话叫眼穿)或者用一根长绳从水平引出,并在四角杆上标记等高的位置,从这个位置再往下返,就能把地面整平了。这样看来在先秦时期古人们就知道水平面和铅垂线垂直的关系了。也有记载说先秦就发明了“矩”,就是两条边垂直的拐尺,再配合铅锤线,一边与铅垂线重合,另一边就定出水平来了。

秦汉水工

说了半天,有网友发现了问题:这都是说盖房子的事,没说修河挖渠这种长距离的线性工程呀,别着急,这就来。

到了我国秦汉时期,那时已经开始修建了都江堰、灵渠等大的水利工程,《汉书》曾记载“观地形,令水工准高下,开大河领上”的记录,这说明秦汉时期已经有“水利工程师”这个行当了,他们专门负责水利上的水平测量,而且当时具备了远距离和跨河流测量的能力,但是没有详细记载水平高差是怎么测定的。

02

古代水准仪——水平真尺

不过后来的唐宋时代,对水准测量的记载就丰富了起来,有关键的几本书《营造法式》、《太白阴经》、《武经总要》对水准仪都有明确的制造方式和图示了。这里说的水准仪就是先人们所说的水平真尺,上面还配置了中间的浮木和竖向的铅垂线。推测秦汉时期应该也是类似的设备,只是功能和精度不见得那么完备。

当然单独使用这种水准尺是没法测量地形高差的,那该怎么使用呢?根据分析,应该是至少2个人配合,一个人站在水平真尺这,另一人拿着度竿和照板去需要测量的地方,只需要在水平真尺这里沿着水平望过去,直到看到照板在水平方向出现就能确定水平高度了。这样看跟我们现在使用的水准仪完全是一个基本原理,只是精度、操作性上有差别罢了。如果测两地高差,可以把水平真尺原地转动,重复操作,就能测得两地高差了。

长距离高差测量怎么办?

对于水利工程,兴修河道,一般都是很长的距离,而水平真尺这种仪器精准度主要依靠人的视力,这势必限制了应用,但是古人并没有被难倒,而是采用分段测量再叠加的方法,就把这个困难克服了。

原理也很简单,就是在上述近距离两点测水平高差的基础上,依次重合换位测量,比如线测量AB两点的水平高差,再把水平真尺移到BC之间的某一位置,继续测量BC的高差;依此方法逐渐转移倒DE区段,这样地形往下走就减高差,往上走就加高差,最后高差值正负累加,就能得到要测量的远距离的AE两点的高差了。修筑河道、河堤时,应用这种方法就准确了很多。

更精确的测量方法——分层筑堰

对于修筑河道而言,上述的分段测量方法已经不错了,但是先人们还是发明了另外一种方法,也很有意思。北宋的沈括在修汴渠时应用了分层筑堰的方法来确保河道高程更精确,概括讲就是把商周的水沟灌水找平和水平真尺两者结合起来使用了。

其实就是在一大段打算修的河道里,如果高差目测较大,可以沿河流方向分段筑坝拦水,这样在很长一段河道内就会存蓄下水,等到各段的水面都平稳了,相邻两个坝之间的水面就是一个水平了,推测在各个坝顶上装设水平真尺,依此测得每个坝两侧的水平高差,如此依次往下减去高差,就能得到长距离的高程数据,再根据需要来调整河堤与河道的高度就行了。

03

结语

你是不是被古人的聪明智慧折服了?其实这都是我们古代的劳动人民在生活实际中总结出的宝贵经验,发明的先进工具,值得我们国人骄傲和自豪。

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