中国古代水能的开发与利用情况概述

在古代中国，封建经济的蓬勃兴旺曾为水力的技术进步注入过活力，中国古代在水力利用方面曾居于世界领先地位。李约瑟博士列举中国古代26项重要发明中的前三项就是翻车、水碾、水排。

春秋战国之前，古人已开始利用水能。古代先民最早对于水能的利用就是从发现并利用“水往低处流”这一现象开始的，“导引排泄”，方便生产生活。对水能的利用开发最早可见于《禹贡》，该书记载了“导水”之法，先民早在商周时期即懂得利用水体本身的势能而形成动能自上而下流动的原理。进入战国时期，伴随社会经济的发展，人口的增长，城市规模的扩大，出现了中国历史上大型水利设施的建设高潮。最有代表性的是都江堰水利工程。其通过简单的技术手段，精确地分水、控水，利用水体自身的动能和势能，达到排沙、灌溉、通航的目的，使成都平原成为“水旱从人，不知饥馑”的“天府之国”。

水能利用发展到一定阶段，至秦汉时期则出现了以流水作为动力，带动水轮转动，从而进行生产加工的水力机械。水碓是最早出现的水力机械。据史料记载，西汉桓谭（约公元前23年—公元56年）《新论》已有“役水而舂”的水碓记载，水碓是一种利用水力将粮食脱壳的加工工具，是目前历史记载出现最早的水力机械，距今有近2000年的历史。此后千余年，水能主要运用于农业生产。可见，在中国，用简单机械开发水能，代替繁重的体力劳动，有逾千年的历史。

最早的水力机械是利用水的重力做功，后来利用水的动能冲击轮子运动，水力得以广泛应用。水轮机械种类繁多，根据其工作目的可以将这些水力机械分为农田灌溉、农产品加工、手工业生产三类。农田灌溉机械如水转翻车、水转筒车、高转筒车等；农产品加工机械如水碓、水碾、水硙、机碓、槽碓以及“水转三事”等；手工业生产机械如水排、水转大纺车等。这些水力机械中使用最广泛的是水碓，水碓有两种类型：一为直接靠水的自重，通过杠杆上下运动而工作，又名槽碓，如图1-1（a）所示；二为由水轮将水能转化为动能，通过动力轴拨动碓杆而工作，如图1-1（b）所示。前者效率较低，多引山溪或泉水；后者动能较大，工作效率高。桓谭记载的水碓应为水轮传动。

图1-1　水碓

（a）以水流的势能做功的槽碓；（b）以水流动能转化为机械能的连机碓
图片来源：徐光启（明代）《农政全书》

自魏晋南北朝始，利用水碓进行谷物加工更多地出现于文献记载中。权势之家往往霸占水源，广置水碓，以此为一种重要盈利产业。至公元5世纪，还出现了水磨、水碾、水罗等。北魏时期，崔亮在担任仆射期间，上奏“于（洛阳）张方桥东堰谷水造水碾磨数十区，其利十倍，国用便之”。至唐代，水力加工达到鼎盛时期。有关水利的法令将私设碾硙及碾硙用水宜禁列入相关规定之中，并严格执行。唐宋时期，水力机械向民间广泛普及，从皇族、豪门世家的私产到官府控制的产业进入寻常百姓家。公元12至14世纪时，蒙古、西藏、新疆等地水磨和水经轮已经是粮食加工的寻常机械。与此同时，还出现了用于灌溉和提水的筒车和用于纺织的水纺车。水力筒车即将汲具系在水轮上，自动运转而提水的装置，在8世纪时已经出现。陆游游历四川时就曾写诗提到“硙轮激水无时息，酒斾迎风尽日摇”。说明筒车在宋代已经流行于民间，在西南地区都遍布着大大小小的水力灌溉机械，筒车在以后及至近代仍是农村常用的提水机械。

随着经济重心的南移，加之南方地形复杂多变，水能的利用形式在宋元时期也更丰富多变。也是从这一时期，各种关于水能机械的介绍和水能利用的方法开始被广泛记载于专业的农学著作中，如王祯《农书》就有《灌溉门》《利用门》两章对于水能机械以及用于灌溉引水、控水装置有着全面系统的介绍。王祯在书中还介绍了以水能作为原动力的可以安装32个锭子的水转纺车。古代的大纺车长二丈多，宽五尺左右，宋元时用来纺苎麻。其水力部分“与水转碾磨之法俱同”，即在临流处安置水轮，并通过机械传动，带动纺车转动。王祯《农书》不仅对水能利用的经验进行了总结，还提出了不同的水力机械，需要水力的大小不同，因此要根据不同的水力设置不同的水力机械这一创新的观点[1]。水车使用如图1-2所示。

图1-1　水碓

（a）以水流的势能做功的槽碓；（b）以水流动能转化为机械能的连机碓
图片来源：徐光启（明代）《农政全书》(www.xing528.com)

自魏晋南北朝始，利用水碓进行谷物加工更多地出现于文献记载中。权势之家往往霸占水源，广置水碓，以此为一种重要盈利产业。至公元5世纪，还出现了水磨、水碾、水罗等。北魏时期，崔亮在担任仆射期间，上奏“于（洛阳）张方桥东堰谷水造水碾磨数十区，其利十倍，国用便之”。至唐代，水力加工达到鼎盛时期。有关水利的法令将私设碾硙及碾硙用水宜禁列入相关规定之中，并严格执行。唐宋时期，水力机械向民间广泛普及，从皇族、豪门世家的私产到官府控制的产业进入寻常百姓家。公元12至14世纪时，蒙古、西藏、新疆等地水磨和水经轮已经是粮食加工的寻常机械。与此同时，还出现了用于灌溉和提水的筒车和用于纺织的水纺车。水力筒车即将汲具系在水轮上，自动运转而提水的装置，在8世纪时已经出现。陆游游历四川时就曾写诗提到“硙轮激水无时息，酒斾迎风尽日摇”。说明筒车在宋代已经流行于民间，在西南地区都遍布着大大小小的水力灌溉机械，筒车在以后及至近代仍是农村常用的提水机械。

随着经济重心的南移，加之南方地形复杂多变，水能的利用形式在宋元时期也更丰富多变。也是从这一时期，各种关于水能机械的介绍和水能利用的方法开始被广泛记载于专业的农学著作中，如王祯《农书》就有《灌溉门》《利用门》两章对于水能机械以及用于灌溉引水、控水装置有着全面系统的介绍。王祯在书中还介绍了以水能作为原动力的可以安装32个锭子的水转纺车。古代的大纺车长二丈多，宽五尺左右，宋元时用来纺苎麻。其水力部分“与水转碾磨之法俱同”，即在临流处安置水轮，并通过机械传动，带动纺车转动。王祯《农书》不仅对水能利用的经验进行了总结，还提出了不同的水力机械，需要水力的大小不同，因此要根据不同的水力设置不同的水力机械这一创新的观点[1]。水车使用如图1-2所示。

图1-2　古代水车使用图

图片来源：宋应星（明代）《天工开物》

明清两代，由于以小农经济为基础的经济体制的束缚，水能利用的规模受到局限，这阻碍了水能利用的进一步发展，传统的水能利用进入停滞状态，水力主要用在粮食加工、灌溉等方面，没能像西方一样走向规模化、标准化的道路。明末清初出现了以徐光启为代表的一批中国近代科学先驱，徐光启的《农政全书》对水利做了重点论述，其中对用水方法概括为“用水五术”，除了具体论述“用水之法”，徐光启还在王祯《农书》的基础上，对各种水能灌溉器具、加工器具进行了逐一介绍。尤为值得一提的是，他还介绍了西方先进的水能利用技术，希望以此改变中国的水能利用停滞的状态。

图1-2　古代水车使用图

图片来源：宋应星（明代）《天工开物》

明清两代，由于以小农经济为基础的经济体制的束缚，水能利用的规模受到局限，这阻碍了水能利用的进一步发展，传统的水能利用进入停滞状态，水力主要用在粮食加工、灌溉等方面，没能像西方一样走向规模化、标准化的道路。明末清初出现了以徐光启为代表的一批中国近代科学先驱，徐光启的《农政全书》对水利做了重点论述，其中对用水方法概括为“用水五术”，除了具体论述“用水之法”，徐光启还在王祯《农书》的基础上，对各种水能灌溉器具、加工器具进行了逐一介绍。尤为值得一提的是，他还介绍了西方先进的水能利用技术，希望以此改变中国的水能利用停滞的状态。