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水轮使水的势能或动能转化为机械能而做功，它的诞生是水力进入应用领域的关键环节。但是最早的水力机械应是利用水的重力做功的，直到出现利用水的动能冲击轮子运动，水力才得以应用。 (一)水轮诞生与汉晋时水力机械推广应用 1．水碓两种与立式水轮 西汉人桓谭(前33～39)最早以文字记载了水力的应用：“杵舂又复设机关，用驴赢，牛、马及役水而舂。”②这里列举了两种令杵舂运动的动力：畜力和水力。要使水力转换成机械能，必须通过机械装置来转换，这个装置最简单的应是圆形轮子，这就是“水轮”。《后汉书?桓谭传》：“初，谭言当世行事二十九篇，号曰'新论’，上书献之，世祖善焉。”世祖，即东汉光武帝刘秀，他登基时间是公元25年，桓谭在《新论》中向光武帝介绍了当时最新颖的粮食加工机械，“役水而舂”的水力机械是其中之一。由此可以推论，这种水力机械的出现至迟在公元之交。 古代水碓有两种类型(图4-76)：一为由水轮将水能转化为动能，通过动力轴拨动碓杆而工作；一为直接靠水的自重，通过杠杆上下运动而工作，又名槽碓。前者动能较大，工作机效率高；后者效率较低，多引山溪或泉水。桓谭记载的水碓应为水轮传动。 东汉人刘熙(196～226)《释名?释水》：“人所为之曰潏。潏，术也；堰使水，郁术也；鱼梁水碓之谓也。”③鱼梁。类似堤坝的挡水建筑物，以鱼梁壅水，抬高水位，逼水入渠以驱动水轮(图4-77)。水碓已经具备了水力工程的全部要素：水工建筑物(鱼梁，为水轮创造良好的水力条件)，动力机械(水轮)，工作机(水碓)。水碓是由水轮的圆周运动通过动力轴上的拨板转化为碓杆的间歇运动。就其工作原理来看，若水轮采用卧式安装必须有齿轮一类的装置才可能将动能传达到碓杆，而立式水轮的机械传动最简便。由此可以认为中国最早出现的是立式水轮。 2．水排与卧式水轮 东汉建武七年(31)杜诗创造了水排，即以水轮为动力机的冶炼鼓风设备。水排乃至见于北魏记载的水罗就机械原理而言属于另一类机械。通过类似曲柄的装置将动力轴的圆周运动转化为工作机的往复运动。元代王祯《农书》载水排、水罗为卧式水轮。从机械结构来看，水排、水罗采用卧式水轮，传动部分可以更简单。由此推测卧式水轮的诞生时代应在水排发明之时，即东汉建武七年(31)。 ①谭徐明，水力应用的起源、发展及中西方比较，中国自然科学史研究，1995年，第1期。 ②西汉?桓谭：《桓子新论》，《四部备要》影印本，中华书局，第17页。 ③东汉?刘熙，《释名?释水》，卷1，丛书集成本，第15页。
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 3．水碓的推广 魏晋南北朝时期频繁的战乱和政权更替，使人口剧减，经济衰退。同时，门阀士族政治造就了文化思想的相对活跃。这一时期水碓作为当时最先进的机械首先在权要豪强的庄园中使用。这时期水碾和水磨诞生，水力工程技术有长足的发展。 早在东汉时，亦已有水碓用于军垦供粮的记载。东汉顺帝永建四年(129)尚书偻射虞翊上疏曰：“《禹贡》雍州之域，厥田惟上……北阻山河，乘呃据限。因渠以溉，水舂河漕，用功省少，而军粮饶足。故孝武皇帝及光武筑朔方，开西河，置上郡，皆为此也。”③曹魏太祖时(即曹操，155～220)移民军屯于河北、陇西、天水、南安等地，民心浮动，后来“(张)既假三郡人为将吏者修课，使治屋宅，作水碓，民心遂安”④。 西晋建都洛阳，黄河支流谷水有千金堰，是太和五年(231)都水使者陈协主持重修的重要水利工程。堰在洛阳西北的十三里桥，引谷水入渠，可能原是灌溉工程，因为渠道上水碓越设越多，后来成为洛阳粮食加工基地。元康元年至光熙元年(291～306)晋八王之乱，河间王颐及都督张方领兵二十八万围洛阳，“(张)方决千金遏，水碓皆涸，乃发王公奴婢手舂给兵廪，一品以下不从征者，男子十三以上皆从役。又发奴助兵，号为四部司马，公私穷蹙，米石万钱”⑤。可见千金堰水利工程是当时洛阳都城内居民和驻军的粮食加工基地。 北齐时高隆之在邺城(今河北临漳西南)兴建防洪工程，亦引漳水供水碓⑥。战乱频繁，人口剧减，劳动力严重不足，促使人们寻求其他提高生产效率的途径。也反映了人们对水能应用已有相当的认识。 在魏晋南北朝各国短暂的和平时期内，经济重建、文化复苏和商业的繁荣为粮食加工业拓开了市场。其时宗法门阀制度下的庄园经济更加为之推波助澜。洛阳、邺城一带皇亲国戚豪门士族广占良地，亟须提高粮食加工的效率，水碓也随之成为当时财富的象征。 西晋初作水碓一度是达官贵人的特权。尚书王浑(223-297)上表：“洛阳百里内，旧不得作水碓，臣表上先帝，听臣立碓，并搀得官地。”⑦但是，皇族有特权修建和大量拥有水碓。 ①陈文华，中国古代农业考古资料索引，农业考古，1983年，第1期，第282页。 ②元?王祯，《农书》卷19，万有文库，第405页。 ③《后汉书?西羌传》卷87，中华书局本，第2893页。 ④《三国志?张既传》卷15，中华书局本，第472页。 ⑤《晋书?惠帝纪》，中华书局本，第101页。 ⑥《北[齐书?高隆之传》卷18，中华书局本，第236页，记曰：“以漳水近于帝城，起长堤以防泛溢之患。又凿渠引漳水周流城郭，造制碾皑，并有利于时。”高隆之官至北齐尚书右仆射，领营构大将。 ⑦晋?王浑：表立水碓，《全上古三代秦汉三国六朝文?全晋文》卷28，中华书局本，第1619页。
a. 中国水排一卧式水轮 刘颂为河内太守时，境内公主的水碓有30多处。司徒王戎“既贵且富，区宅、僮牧、膏田、水碓之属，洛下无比”①。《晋书?王戎传》称其有水碓40所。此外，“(石)崇有司簿阅水碓三十余区，苍头八百余人，它珍宝货贿田宅称是”②。而这些庄园都是在洛阳邺城附近。
隋及唐前期皇室及豪门世家、寺庙，仍是水磨、水碾的主要拥有者。如隋代开国元勋杨素权倾一时，“东西二京(洛阳、长安)居宅侈丽，朝毁夕复，营缮无已。爰及诸方都会处。邸店、水皑并利田宅以千百数，时议以此鄙之。”①(皑即磨之别名，唐及宋北方多称碾)唐玄宗时大宦官高力士“于京城西北，截沣水作碾，并转五轮，日破麦三百斛”②。与他同时代的宰相李林甫，“京城邸第，田园水碾，利尽上腴”③。当时都城长安附近的郑国渠、白渠更是节节筑坝，皇亲国戚大设私碾，与农业生产争水，灌溉用水已经得不到保障。广德二年(764)，户部侍郎李栖筠等奏请拆除白渠上的水磨、水碾70处。大历十三年(778)，从拆除代宗之女升平公主的2处水碾入手，毁白渠水碾44处④。
⑩元?王祯：《农书》卷19，农业出版社，1956年，第420页。
图4—79 元代水磨图 ① 元?揭傒斯；《揭文安公全集》卷12，四部丛刊个，第113页。 |
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