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      1. 新聞詳情

        水準儀的發明和應用

        日期:2022-09-12 14:34
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        摘要:

        (一)對《考工記》中水準施測的考證
        水準儀的發明和應用
            戰國初年成書的《周禮•考工記》①中有一段關于城市建設如何確定方位和平整土地的記載,其中有“水地以縣(懸)”的說法。什么是“水地以縣”?東漢有名經學家鄭玄(127~200)注解說,“于四角立植而縣,以水望其高下。高下既定,乃為位而平地”②。即在建筑場地四角立四根木柱,然后用水平法觀測它們的高度。四角地面高程確定后,再根據建筑物各個部位對地面高程的要求去平整開挖。

            《考工記》的記載和鄭玄的解釋并不是惟一的?!稘h書•律歷志》有“繩直生準”句。三國吳人韋昭注解說:“立準以望繩,以水為平”。與鄭玄對《考工記》“水地以縣”的解釋相一致。魏明帝太和六年(232)在許昌造景福殿,何晏(190~249)作賦,稱其規制嚴整。其中有“制無細而不協于規景,作無微而不違于水臬”句。唐李善于顯慶三年(658)作注稱:水臬之水即水準,測高下;臬即晷表,測方位③。是當年宮殿建筑應用水準定平的實例。

            《考工記》所說的定平方法是怎樣實施的呢?唐代永徽年間(650~655)太學博士賈公彥說:在工地四角立柱,用懸吊的垂球來左右校正柱身的正直。接下來他又說:

            柱正,然后去柱遠,以水平之法遙望。柱高下定,即知地之高下。然后平高就下,地乃平也。④
        無獨有偶,北宋元祜年間將作監的主管官員李誡(?~1110)引證當時建筑施工中的慣常做法,對《考工記》“水地以縣”的理解與賈公彥如出一轍。他說:

            “今來,凡有興建,須先以水平望基四角,所立之柱,定地平面,然后可以安置柱石,正與經傳相合。今謹按《周禮•考工記》修立下條。”⑤進一步證實了漢唐間經學家對“水地以縣”注解的真切。

            那么,“以水望其高下”究竟用的是什么儀器?鄭玄、韋昭和賈公彥都沒有說明。從他們對水準施測的具體方法有明確的解釋,而對所用儀器卻語焉不詳,可見這種儀器構造簡易和司空見慣。其實簡易的水準測量只要用類似臉盆大小的容器,就可以直接從容器水面用目力抄平,也可以在容器兩端分別放置一個浮標施測,⑥因此,不必在**注解中多作解釋。清代經學家戴震(1723~1777)也認為,《考工記》中定平所使用的水準儀只不過是一個長條形中間裝水的盤子,即“以器長數尺,承水”①,概如以上推測。②

            ①參見聞人軍,考工記譯注,上海古籍出版社,1993年,第152頁。
            ②《周禮注疏》,十三經注疏本,上海古籍出版社,1990年,第641頁。商務印書館1955年出版的戴震《考工記圖》第97頁,對此段文字斷句作“于四角立植,而縣以水,望其高下,高下既定,乃為位而平地”。在“而縣以水”前后斷句誤,從下引之賈公彥疏中可見。
            ③梁•昭明**:《文選》卷十一,景福殿賦,四部備要本。
            ④《周禮注疏》,十三經注疏本,上海古籍出版社,1990年,第641頁。
            ⑤宋•李誡:《營造法式》序目,商務印書館,1933年,第28頁。
            ⑥清代乾隆間李世祿,《修防瑣志》卷2,水利珍本叢書本,第62頁。其中載有簡易水平量測方法:“用大水盆一個,徑約二尺余者,或水缸或長木桶更妙,傾水于內……”這種簡易水準量測起源當甚早。

            (二)戰國秦漢之際大規模水準測量實踐

            如上推斷的可靠性如何?我們可以用當年水準測量的實踐來印證?!兑葜軙?bull;程典》載:“慎嗅地必為之圖,以舉其物,物其善惡,度其高下,利其陂溝……”⑧也就是說,周代所繪之地圖必須包括地面相對高程,提供水利工程建設等應用。再往后一些,大規模水利工程的水準測量見于《漢書•溝洫志》記載的有多處。例如,西漢征和年間,為解除黃河泛濫對今河南、河北、山東等地的威脅,齊人延年曾上書建議將黃河自中游向東改道入渤海。他說,“可案圖書,觀地形,令水工準高下,開大河上領,出之胡中,東注之海”④,時在公元前90年??梢?,當年不僅水利建設需要水準測量,而且已有專業的水利工程師(水工)負責施測。元光六年(公元前129)大司農鄭當時建議在關中開挖總長300多里的漕渠時,也曾“令齊人水工徐伯表”⑤。顏師古解釋“表”字說,“巡行穿渠之處而表記之,今豎標也”,漢武帝征和三年(前90)搜粟都尉桑弘羊建議在西域實行**屯田,其前期工作即“圖地形,通利溝渠”⑥,其中也必然有水準測量的內容。尤其是元狩至元鼎年間(前120~前110)在引洛水的龍首渠施工中,要開挖一條穿越商顏山的隧洞。隧洞長10多里,兩端不通視,采用豎井法施工(詳見第三章第四節),更必須依賴準確的水準和方位測量才能進行。類似的例子還有一些。⑦這些工程實踐充分證明,當年不僅有了水準測量,而且已經達到相當高的精度。

            圍的攀山越嶺的水利建設,確定輸水以及輸水渠道所要求的適當坡度,必須保證較高精度的水準測量,只靠原始的挖掘水溝來測量高程是不可思議的??梢钥隙ǖ卣f,至遲在戰國之際,可攜帶的水準儀已被普遍應用。
         
            (三)古羅馬時期的水準儀

            歐洲水準儀在維特魯威的《建筑十書》中有明確記載,有兩種形制。**種是常見的應用水平原理的條形水槽,即在木板上做出“長五尺,寬一指,深一指半的溝,在那里裝水。這時,如果水平均地接觸上緣,就了解它是水平的”①。**種類似我國明清時期河工上使用的旱平,即利用與鉛垂垂直的原理找平的儀器(見后)。

            ①清•戴震:《考工記圖》,商務印書館,1955年,第97頁。
            ②20世紀80年代在甘肅秦安大地灣遺址考古中曾發現過一個長30多厘米,寬4.5厘米的陶制條形盤,其年代距今5000~7000年。有人認為,它是我國*早的水準儀。若是,它將是目前所見到的世界上*古老的水準儀了。參見《文物》1986年**期圖版貳和《人民日報》(海外版)1986年8月7日第四版。
            ③  《逸周書•程典》,叢書集成本,第44~45頁。該書收錄了公元前11世紀周文王至公元前6世紀周靈王期間的古史料,個別地方雖有后人摻入之史實,也不晚于戰國?!吨芏Y》記大司徒的職責是“掌建邦之土地之圖與其人民之數,以佐王安擾邦國”,所記與《逸周書》類似。見《周禮注疏》,十三經注疏本,第148頁。
            ④《漢書.溝洫志》,二十五史河渠志注釋,第23頁。
            ⑤《漢書•溝洫志》,二十五史河渠志注釋,第17頁。
            ⑥《漢書•西域傳》卷96下,上海古籍出版社二十五史本,第363頁。
            ⑦《三國志.魏志.牽招傳》載,黃初六年(225)前后,牽招在雁門郡(治今山西代縣西南)任太守,城內飲用井水,頗咸苦,居民每天需往返七里擔水飲用。牽招主持修建引水工程,“準望地勢,因山陵之宜,鑿原開渠,注水城內,民賴其益”。
         


        圖 2-31 古羅馬時代的水準儀

         

            在柯比(Richard Shelton Kirby)和華盛頓(Sidney Withington)等所著的有世界影響的《土木工程史》一書的第四章中,專門介紹了古羅馬的兩種水準儀,其中利用水面自動水平原理的叫作dioptra,作者說:“對dioptra的描述非常模糊,人們一直不知為何物,直到1912年一名測量工程師在古羅馬廢墟上發掘出了dioptra殘存的金屬部分,才破譯了這種儀器的結構。它的主體是一個金屬槽,金屬槽由一個可轉動的軸盤支撐,這個槽可以水平也可以俯仰轉動,可以量測目力所及的距離并有相當高的精度。”②見圖2-31。對照《建筑十書》關于木槽水準儀的記載,可見1912年發現的金屬水準儀與木槽水準儀的原理和構造完全相同,只是更為精巧罷了。

            ①維特魯威的《建筑十書》作于公元前32年至前22年之間,原文不久佚失,只流傳下來抄本。抄本在中世紀被發現,并被用來指導建筑的設計,文藝復興時期,仍然作為古建筑的設計規范。關于水準測量的部分在《建筑十書》第八書的末尾。參見高履泰中譯本,中國建筑工業出版社,1986年,第189頁。
            ②  R.Kirby,S.WithingtOn,Engineering in History,Lmperial CiVilizatiOn,Dover Publications,inc,New York,1990,P82.

            柯比等認為,在公元前500年至公元前300年古希臘文明已達到相當高的水準。羅馬人占領后,繼承了古希臘人的發明,并加以改進,可見木槽水準儀與金屬水準儀之間的繼承關系??梢哉J為,我國戰國之際的水準儀與歐洲人的水準儀相比,它們發明時間相近,原理相同,形制相仿,只是尺寸大同小異,工藝上有所差別而已。古羅馬的水準儀用金屬制造,有螺桿與齒輪傳動,用以轉動方向和調節俯仰,較為**和方便。

            古羅馬人之后,測量儀器停滯了10多個世紀。在中世紀漫長的黑夜之后,科學以夢想不到的力量,一下子重新興起并迅速發展,直到18世紀出現了現代水準儀,水準儀器制造才出現了質的飛躍。

            據說,埃及人在公元前6世紀建造運河時,也曾使用過長6米的槽形水準儀。

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