这一时期防洪、航运和农田水利等工程技术普遍有所创新,并达到传统水利技术高峰。传统治河工程中以埽工技术最重要,宋代已经成熟。当时的险工由埽捆构筑。埽捆是用树枝、薪草等软性材料分层平铺并夹以土石,再卷裹捆扎而成。为抵抗水流冲力,一般体积较大,需要几十人乃至上百人在统一指挥下施工,推放到指定地点,并加以固定。一个险工往往需要几十个埽捆重叠排列而成,长达数百米,甚至上千米。埽工按其形状和功用不同而有鱼鳞埽、磨盘埽、凤尾埽以及约、马头、锯牙等名称。埽工技术是我国特有的,尤其适用于多沙河流上的传统河工技术。在运河工程中,已普遍使用堰埭升船机和船闸。唐宋两代出现多种类型船闸,主要有引潮闸、节水澳闸和多级船闸。其中二级船闸的布置和运用已与现代二级船闸一般无二。我国船闸技术已有1000多年历史,它比12世纪在荷兰出现的船闸早400多年。农田水利方面,不仅引水、蓄水、提水工程技术有重要发展,而且利用多沙河流的水资源和泥沙资源进行放淤灌溉和改良土壤也卓有成效。北宋熙宁年间政府大力推行放淤,短短几年间放淤面积达到5万顷以上,并有总结性专著出现。此后放淤和淤灌在北方各省民间流传下来。
这一时期水利的管理也有长足进步。现存最早的全国水利法规,当数唐代制定的《水部式》。内容主要包括农田水利管理,碾磨设置及其用水管理,航运船闸和桥梁的管理维修,渔业及城市水道管理等,这是由中央政府颁布的全国性法规。此外某些行业还有自己的单行规定,例如江南圩田有定型的管理体制,“田有官,官有徒,野有夫,夫有伍,上下相维如郡县”①。而各个灌区自己又有适合本灌区气候、种植、水源、习惯的单行灌溉制度,甚至远至新疆,都不例外。北宋在王安石变法时期对于兴修水利特别重视,熙宁二年曾颁布《农田水利约束》,这是中央政府为促进兴修农田水利工程而颁布的政策性法令,对各地兴修农田水利的组织审批方式,经费筹集,责任和权利分担,建议入与执行官吏的奖赏等,都有具体规定。对于推动农田水利高潮的兴起,发挥了重要作用。在防洪方面,现存最早的河防法令是金泰和二年颁布的《河防令》,它是在宋代治河法规基础上制定的。此外在秦九韶所著《九章算术》的例题中,有测量降雨降雪量的测量器具和计算方法,可惜到明清时代,这种工程数学未能继续得到重视和发展,致使水利建设和管理在许多方面仍停留在定性或经验性定量阶段。
①李瀚:《苏州嘉兴屯田纪绩颂》,唐文粹卷21,四部丛刊本。
三水利建设的普及和传统水利技术总结期
本期社会相对安定,少有长时间战乱,成为水利稳定发展的客观条件。水利工程以沟通南北的京杭大运河的兴建而显赫史册。确保漕运使这一时期的黄河防洪工程建设和管理面临更为严峻的困难。滨海沿岸地区防御潮灾的工程——海塘在明清时期有大的发展,最著名的是浙东钱塘江的重力结构的鱼鳞大石塘,建成迄今300多年一直捍卫着浙江东部濒海平原。灌溉与排水工程向边疆和山区继续发展。两湖、闽、广等地灌溉更得到前所未有的开发,促成新的基本经济区的形成。但封建社会后期政治衰败,管理混乱,阻碍了水利的进步。总地看来,元明清三代传统水利及其科学技术发展缓慢,一些方面甚至出现了停滞或倒退,但总结性水利科学著作相当丰富。明清之际和清代末年曾一度引进西方水利技术,但尚未得到普遍应用。
京杭大运河的创建与衰落
元明清三代建都北京。政治中心在北方,而经济重心在南方,其间的交通联系是维护政治安定和经济发展的关键问题。重复唐宋汴河的老路则嫌过于迂回曲折,元初曾一度奉行海运,但安全是个困难问题,于是,开凿北京直达杭州的运河航线成为当务之急。元初即由大科学家郭守敬主持,论证海河水系的卫河、黄河下游和淮河泗水沟通的可能性。为此曾进行大范围的以海平面为基准的地形测量,证实跨越山东地垒的京杭运河的方案可行。于是从至元十三年开始开凿京杭大运河的关键河段一一今山东济宁至东平的一段,以后又向北延伸并与海河水系的卫河贯通。至元二十八年到三十年又由郭守敬主持开通今北京至通县的一段,明清相继开洳河、中河使运河进一步脱离黄河。至此,大运河南接江淮运河,航船可以跨越海河、黄河、淮河、长江和钱塘江五大水系由杭州直抵北京,并在此后500年的时间里成为我国南北交通的大动脉。这条长达1800千米的运河成为世界上最长的一条人工运河,是世界水利史上的一项杰作。不过,两大难题始终困扰着运河的畅通。一是水源问题,特别是山东段运河水源尤其缺乏。当年主要依靠引汶水和泗水济运,并为此修建了一批闸坝工程,以节制水量。此外,又在南旺分水岭南北的运河上修建了30多座船闸,以调节航深,集中体现了运河建设的工程技术水平;二是运河穿越黄河的技术困难。由于黄河河床的不断淤高,自18世纪末叶以来黄河涨水时期对运河的倒灌和淤积成为京杭运河的痼疾。历代为此作了不少改进,修建了一批闸坝进行控制,收到了一些效果,但是随着黄河河床的进一步抬高,局面又继续恶化,最后成为运河中断的主要原因之一。