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NO.2516-治水專家郭守敬

【資料圖】

文字：朝乾

校稿：朝乾 / 編輯：蛾

本期內(nèi)容

由地球知識(shí)局與北京郭守敬紀(jì)念館聯(lián)合制作

北京有一個(gè)地名，叫做“積水潭”。地鐵2號(hào)線有積水潭站，還有一座著名的積水潭醫(yī)院。但是今天的北京，已經(jīng)沒有一片叫做積水潭的水域。

事實(shí)上，二環(huán)內(nèi)的什剎海，正是積水潭的殘余。今天的什剎海，被分割為前海、后海、西海三塊封閉的小水域，水面上偶有幾艘游船。然而700多年前的積水潭，卻是一片十分開闊的水域，而且船舶眾多，當(dāng)時(shí)的人甚至用“舳艫蔽水”來形容。

夏日，什剎海一景（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

這一切，都和一位叫做郭守敬的科學(xué)家分不開，郭守敬不僅能治水，而且擅長天文、歷法，他的很多發(fā)明，對(duì)后世影響深遠(yuǎn)。

郭守敬（1231年—1316年），河北邢臺(tái)人，和元世祖忽必烈是同時(shí)代人。忽必烈營建大都時(shí)，北方經(jīng)濟(jì)凋敝，京師十分依賴于南方的物資，但此時(shí)大運(yùn)河已經(jīng)不能通航。郭守敬的一項(xiàng)重要任務(wù)，就是將大運(yùn)河通到大都城內(nèi)。

隋唐時(shí)期的大運(yùn)河是以洛陽為中心的，淮河以北的通濟(jì)渠向西通到洛陽，與黃河以北的永濟(jì)渠共同構(gòu)成一個(gè)大彎角。當(dāng)時(shí)的大運(yùn)河這樣布局，顯然是有利于向洛陽、長安運(yùn)輸物資的，并且方便隋唐王朝控制全國。

隋代運(yùn)河系統(tǒng)（圖：《大運(yùn)河畫傳》）▼

南宋初年時(shí)，宋軍為了阻擋金兵南下，決開黃河，導(dǎo)致黃河奪淮入海。黃河泥沙淤塞了運(yùn)河，再加上宋金長期對(duì)峙，淮河以北的運(yùn)河無法通航。

到了元朝定都大都，政治中心北移，再去疏浚原來的運(yùn)河意義便不大了。于是，郭守敬經(jīng)過縝密勘查后，采取裁彎取直的方式，使運(yùn)河不再經(jīng)過洛陽，而是走山東進(jìn)入海河流域。

元代大運(yùn)河歷史地圖（圖：《大運(yùn)河畫傳》）▼

經(jīng)過郭守敬和無數(shù)勞工的努力，運(yùn)河終于通到了通州。但是從通州到大都這段依舊很不容易。原因在于大都地勢比通州高得多。這就涉及到兩個(gè)問題，一是怎樣讓船爬坡，二是怎樣保證大都方面的水量。

為了解決第一個(gè)問題，郭守敬改進(jìn)了升船閘，在通州通往大都的運(yùn)河上設(shè)立了24道船閘，改用石閘門，分段控制水位，利用連通器原理讓船舶實(shí)現(xiàn)“爬坡”。

通惠河二十四閘（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

為了保障水量，郭守敬主持修建了白浮泉引水工程。這一工程的水源，是位于昌平山區(qū)的白浮泉，為了保證泉水能到達(dá)大都城內(nèi)，水渠沿著山麓走了一個(gè)C字型。如果走直線的話，中間有一段海拔很低的區(qū)域，水就到不了大都城。白浮泉沿著水渠到達(dá)甕山泊（就是今天昆明湖），再從甕山泊引到大都城內(nèi)。

拐出一個(gè)大大的“C字型”

（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

當(dāng)時(shí)的積水潭，就是大都內(nèi)部的一個(gè)湖泊，白浮泉的水最終到達(dá)了這里，京杭大運(yùn)河的終點(diǎn)也在這里。所以，700多年前的積水潭“舳艫蔽水”，來自江浙地區(qū)的船舶在這里停泊卸貨。積水潭作為大運(yùn)河的終點(diǎn)，也帶動(dòng)了鐘鼓樓地區(qū)的商業(yè)繁榮。

從圖中可見，當(dāng)時(shí)的積水潭面積不小

（底圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

后來明成祖朱棣營建北京，將城墻南移，不得不填平了積水潭的西段，但由于地基十分松軟，無法建筑城墻，所以明清北京城的西北角缺了一小塊。而積水潭的東段由于失去了航運(yùn)價(jià)值，日益萎縮，最終形成了今天的什剎三海。

與元大都相比，明清北京城偏南▼

郭守敬的另一項(xiàng)成就，是治理永定河。永定河作為北京的母親河，季節(jié)性變化很大，脾氣喜怒無常。剛剛過去的暴雨和洪災(zāi)，充分證明了永定河的暴虐。但是忽必烈營建大都，許多建材需要通過水運(yùn)，而引永定河水是最可行的辦法。

事實(shí)上，早在金朝時(shí)，人們就曾試過引永定河水，卻以失敗告終。因?yàn)橛蓝ê铀^于洶涌，且含沙量很大，無法行船。金朝人開的這條河叫做“金口河”。

1265年，郭守敬向忽必烈建議重開金口河，得到了贊賞，并被授權(quán)全面負(fù)責(zé)元朝的水利工程。郭守敬吸取金人的教訓(xùn)，在金口的上游麻峪村附近，預(yù)先開引一個(gè)減水口，從減水口向西南再鑿一段又深又廣的水渠，重新連接金口以下的永定河。

減水渠示意圖（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

這樣，洪水來襲時(shí)，就可以從減水口把洪水分出去一部分，使這些水在金口下游回歸主河道，從而避免洪水直接灌入金口河，威脅到都城的安全。由此，導(dǎo)永定河水入護(hù)城河，為營建大都提供了一條重要的運(yùn)輸通道。

但元朝時(shí)的永定河還是過于暴虐，考慮到都城的安全，朝廷最終決定關(guān)閉金口。從1266年到1301年，金口河總共用了35年。

今日，永定河畔永定樓（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

今天北京的水系，除了天然河道外，大多是郭守敬主持修建的。在修建這些水利工程的過程中，郭守敬發(fā)明了很多有用的東西。比如說“海拔”這個(gè)概念，就是郭守敬最先提出的。他以海平面高度作為高程起算的基準(zhǔn)面，在世界測繪史上具有重要意義。

（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

郭守敬的另一項(xiàng)重要成就是觀測天文。古人說：“工欲善其事，必先利其器”，郭守敬首先是改進(jìn)了觀察儀器。

元代以前用于確定星體坐標(biāo)的渾儀，把測量道坐標(biāo)、地平坐標(biāo)和黃道坐標(biāo)等多種不同坐標(biāo)的機(jī)構(gòu)都裝在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)。導(dǎo)致一個(gè)球面空間被安裝了八九個(gè)圓環(huán)，制造、使用都很不方便，還遮擋視線。

而郭守敬改進(jìn)發(fā)明的“簡儀”，將把地平坐標(biāo)與赤道坐標(biāo)分為兩個(gè)獨(dú)立的裝置，解決了這些問題，還利用滾珠軸承，使之轉(zhuǎn)動(dòng)更靈活，觀測更加精確。

簡儀，長這樣（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

另外，郭守敬還改進(jìn)了古人觀測日影的工具圭表。古人通過日影長短，可以劃分節(jié)氣，推算歷法。為了提高測量精度，郭守敬增加了圭表的高度，并且發(fā)明了一個(gè)叫“景符”的輔助儀器。這種改進(jìn)版的圭表叫做“高表”。

此外，郭守敬還發(fā)明了仰儀、窺幾等觀測儀器。利用這些儀器，郭守敬觀測出了前人未命名的星體一千余顆。

仰望漫天星宿，郭守敬會(huì)作何感想呢？

（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

眾所周知，元朝的版圖是歷代王朝中最大的，這么大的版圖，對(duì)于天文觀測是十分有利的。

1279年，郭守敬向忽必烈建議：“唐朝開元年間，僧一行曾在全國13處觀測點(diǎn)進(jìn)行天文觀測，如今元朝的疆域比唐還大，如果不分赴各地進(jìn)行實(shí)測，就不能了解日月食的時(shí)刻和食分?jǐn)?shù)、各地晝夜長短的差距，以及日月星辰在天球上的位置?！?/p>

這項(xiàng)建議得到了忽必烈的贊同，由此便開始了一項(xiàng)叫做“四海測驗(yàn)”的大規(guī)模天文觀測活動(dòng)。郭守敬在元朝廣袤的版圖上設(shè)立了27個(gè)測影所。這些測影所分布在不同緯度。通過觀測當(dāng)?shù)氐娜沼伴L短，就能計(jì)算出地球的半徑。

圖中北海測影所位置根據(jù)譚圖修改

（底圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

其中最北部的測影所叫做北海測影所。它的位置意味著元朝實(shí)際控制疆域的北部極限。根據(jù)測量結(jié)果，北海測影所的緯度是北緯64°左右，非?？拷睒O圈（66°34′），應(yīng)該處在西伯利亞腹地。根據(jù)元朝史料，北海測影所以北有一座日不落之山，山名顯然是指極晝現(xiàn)象，說明這座山位于北極圈內(nèi)。

最南邊的測影所叫做南海測影所，緯度在北緯15°左右，具體位置位于西沙群島，可能是元朝實(shí)際控制疆域的最南邊。

這27座測影所唯一保存至今的，就是河南登封的觀星臺(tái)。

星空下，河南登封觀星臺(tái)（圖：圖蟲創(chuàng)意）▼

“四海測驗(yàn)”的成果，就是1281年開始實(shí)行的《授時(shí)歷》。值得注意的是，《授時(shí)歷》與中國傳統(tǒng)農(nóng)歷不同，是以地球公轉(zhuǎn)周期為一年的太陽歷，和今天的公歷相似。

《授時(shí)歷》以365.2425天為一年，與地球公轉(zhuǎn)周期只差了26秒。這一數(shù)值，與西方通行的公歷相同，卻早了301年。

《授時(shí)歷》還糾正了中國傳統(tǒng)歷法的許多弊端，創(chuàng)造了許多記錄，是中國古代最精確的一部歷法。元朝滅亡后，明朝的《大統(tǒng)歷》只是換了個(gè)名字，實(shí)際上繼續(xù)沿用這部歷法。

此歷法因古語“敬授人時(shí)”而得名

（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

郭守敬的一生，足跡遍及半個(gè)中國，完成大小百余處河渠泊堰的治理，科技成就有二十幾項(xiàng)遙遙領(lǐng)先于世界水平。1316年，86歲高齡的郭守敬病逝在工作崗位上。

郭守敬小時(shí)候就已經(jīng)表現(xiàn)出過人的天賦，在十五六歲時(shí)，就曾根據(jù)書上的一幅圖，用竹篾扎制出一架測天用的渾儀。十七八歲的時(shí)候，郭守敬又照著一副拓印動(dòng)手做出了一種計(jì)時(shí)器——蓮花漏。

超強(qiáng)的動(dòng)手能力（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

但是，這位偉大科學(xué)家的成長路上，離不開兩位貴人的提攜。第一位是郭守敬的祖父郭榮，郭榮本人精通數(shù)學(xué)、水利，郭守敬父母早逝，在祖父的撫養(yǎng)和教育下，在天文、數(shù)學(xué)、水利等方面青出于藍(lán)。

后來，郭榮把孫兒推薦給了劉秉忠。這位劉秉忠是郭守敬的同鄉(xiāng)，以僧人的身份擔(dān)任忽必烈的高級(jí)幕僚，后來成為了營建元大都的總負(fù)責(zé)人。

當(dāng)時(shí)，劉秉忠因父喪回鄉(xiāng)守制，在邢州西邊的紫金山書院講學(xué)。郭守敬通過祖父的推薦，拜在了劉秉忠的門下。比他年長的同學(xué)還有張文謙、王恂、張易等人，這五個(gè)人日后都成為了元朝在天文、歷法、水利方面的能臣，被后世稱為“紫金山五杰”。

（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

其實(shí)，郭守敬能成長為一位偉大的科學(xué)家，還應(yīng)該感謝那個(gè)時(shí)代。元朝的科舉時(shí)開時(shí)廢，這就導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的讀書人并不醉心于鉆研儒家經(jīng)典，而是去研究水利、天文、歷法、數(shù)學(xué)等有利于國計(jì)民生的實(shí)用科學(xué)。況且郭守敬的很多提議都得到了忽必烈的全力支持，這是他有如此大成就的重要因素。

為了紀(jì)念郭守敬的成就，國際天文學(xué)組織把月球背面的一座環(huán)形山和太空中編號(hào)為2012號(hào)的小行星以郭守敬的名字命名。2010年，中國將新研制的大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡命名為“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”。

郭守敬的智慧之光，至今仍在閃耀

（圖：北京郭守敬紀(jì)念館&Flickr@LuFeng）▼

北京有一座郭守敬紀(jì)念館，就位于西海北面的一座小山上，距離積水潭站C口很近。這座建筑始建于元代，郭守敬曾長期在此主持全國的水利建設(shè)。如今，館中的陳設(shè)默默向世人訴說這位科學(xué)家一生的貢獻(xiàn)。

北京郭守敬紀(jì)念館掠影，感受一下

（圖：北京郭守敬紀(jì)念館）▼

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識(shí)局立場

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