科普 | 春秋戰國時期的水利科學起源
原標題：科普 | 春秋戰國時期的水利科學起源
春秋戰國是中國歷史上思想最為活躍的時期，中國古代的許多水利科學認識與發現幾乎都可以在這個時期的著作中追尋到其源頭。
對土壤、水質與地下水的認識
中國第一部地理專著《尚書·禹貢》（成書於公元前1世紀）將全國劃分為九州，並首次對各州的土壤進行了分類，對其肥力進行了鑒定。最好的土地分布在雍州（今陝西、山西）、冀州（今河北省大部）、徐州（今山東）等臨近江河之處，當時這些地區人口密集，有較好的灌溉條件。然而2000多年後的今天，自然環境已發生了較大的變化。
《尚書?禹貢》
公元2世紀成書的《淮南子》（約179～122年）對黃河及其主要支流的水質進行了分析，並針對不同水質提出了適宜種植的作物品種。如黃河水為中等渾濁，宜種菽（小米）；汾水中濁，宜種麻等。同時期一部論述禮制的著作《周禮》對各州適宜栽種的作物進行了歸類，指出作物種植與各地的水土和氣候之間有密切的關係。除雍州、冀州和并州外，其餘各州皆宜種稻。可見當時水稻的種植範圍已非常廣泛。《周禮·職方氏》還試圖對各州地表水資源的分布和利用情況作出分析。該書將地表水分為澤藪、川和浸三種。其中，澤藪是用於積水的湖泊和沼澤；川是有通航之便的水道；而浸則是能夠灌溉的水體。
最早的水浮力實驗與管子對渠道水動力學現象的描述
戰國時期的燕國昭王時（前311～前279年），有人向燕王奉獻一頭據說已120歲的大豬，燕昭王令人稱其重量，不想，一連折斷10根秤桿。於是，燕王命水官將豬放置在船上，以船浸入水中的高度劃記號；然後牽走大豬；在船上堆積重物，直至船沉至先前所作的記號處，然後稱出堆放船上重物的重量，這個重量就是豬的重量。這一故事發生的年代與古希臘阿基米德通過浮力驗證王冠重量的實驗幾乎同時。依據類似的實驗，現代物理將水浮力定理表述為：物體浸在水中所排開的水的重量等於物體所受浮力的大小。
春秋時齊國（領地在今山東東部）政治家管仲（？～前645）還是一位水利家，在其所著的《管子》中，就深刻地探討了水流中的水科學問題。有關自流引水渠道縱坡的設計問題，管仲指出了修一條長約1500米的渠道，渠底高度應降低1.6米，坡降約為1‰。另外，《管子》還闡述了有壓管流的水性。指出當渠道穿越難以避開的道路、河流或溝谷時，必須修建各種形式的交叉建築物——倒虹吸。管仲所闡述的倒虹吸現象是：當渠水從一端流入向下彎曲的倒虹吸時，必須將之灌滿，然後才能使水「後推前」式地從另一端流出。由於水流通過建築物時必然產生能量上的損失，因而，倒虹吸的進出口高程之間必須具有一個差值，即出口高程低於進口高程。只有這樣，水流才能順利通過。
《管子》書中還描述了水流行進過程中所產生的兩種破壞性水力現象：如果渠道轉彎處不平順，或彎道過急，就會被水流沖壞；如果渠道縱斷面上的局部突然發生升降，就可能出現水躍現象，即產生主流漩渦和兩旁迴流的現象。水躍發生時，水流就會沖刷土質渠道，帶走泥沙。帶走的泥沙在一定條件下沉積下來，淤塞渠道，水流難以通過，就會毀壞工程，從而導致洪水泛濫。
水循環理論闡述
戰國時期，莊周（前369～前286）注意到了日月運行、寒暑易轉等自然現象周而復始的運動，並在一篇文章中提出了這樣的問題：是雲帶來了雨？還是降雨後產生了雲？（「雲者為雨乎？雨者為云乎？」）最後認為天上的雲和地上的雨可以相互轉換，且連綿不斷，是永行不止的水循環的一個環節。同時期的著作《呂氏春秋》則講述了水循環的另一環節：江河流至東海的盡頭，便要返轉回來；同樣，氣溫熱到極點，就要轉寒。那麼，它們之間如何轉換呢？雨雲自東向西冬夏不停地運動。西行變雨，降至地面，然後日夜不休地流入海洋。因而，雨雲永不枯竭，海洋也不會滿溢。東漢時，一位名叫高誘的人又補充了降雨過程，水循環理論如此而完善。
古代水循環圖示
（這是明代人依據公元前3世紀人的著作繪製的大氣層水循環圖）
現代水循環圖示
降水觀測與雨情水情的奏報
5000年前，生活在黃河流域的商朝人已經非常注重對降雨的觀察並依據雨量、強度大小進行分類。在出土的殷墟甲骨文中，有關雨的卜辭很多，約佔全部甲骨文的1/5。這些卜辭對降雨進行了細緻的分類，按雨量大小有大雨、小雨、幺雨（毛毛雨）、耳雨（不斷下的小雨）等；按降雨狀況則有多雨、雨少、雨疾、從雨等；另外，還記載了降雨的具體時間、方向。
公元前3世紀左右成書的《禮記·月令》按降雨時間對農業活動的影響將雨情分為三類：「時雨」（慶時之雨）、「苦雨」（造成災害之雨）和「秋雨」。《左傳》（成書於公元前375～公元前351年）則提出了降雨和降雪深度的概念，稱連降3日或3日以上的雨為「霖」，高於地面1尺的降雪為「大雪」。
南宋時期（1129～1279年）地方政府已開始對降雨和降雪進行測量。這一時期著名的數學家秦九韶在他的《數書九章》中列舉了當時通行的幾種不同形狀的雨量和雪量計，以測量深度換算平均降水深度的計算公式。
秦代時，雨情水情的呈報被納入法律範疇中，從而形成了制度。根據秦朝法律，若農作物播種後，有及時雨降落，各縣必須奏報朝廷受雨作物的面積；農作物開始生長時，不僅要呈報受雨作物的面積，且須上報降雨量。另外，對於暴風雨、水澇等災害所造成的損失，也要進行統計彙報。明代時，由中央政府統一向各地政府頒發測雨器。清朝政府對各地的降水情形更為關注，中國第一歷史檔案館至今還保留著1724～1903年北京地區降水情況的系統記錄。
來源：摘自《中國灌溉與防洪史》
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