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NO.2516- 治水專家郭守敬
文字：朝乾
校稿：朝乾 / 編輯：蛾
本期内容
由地球知識局與北京郭守敬紀念館聯合制作
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北京有一個地名，叫做 "積水潭"。地鐵 2 号線有積水潭站，還有一座著名的積水潭醫院。但是今天的北京，已經沒有一片叫做積水潭的水域。
事實上，二環内的什刹海，正是積水潭的殘餘。今天的什刹海，被分割爲前海、後海、西海三塊封閉的小水域，水面上偶有幾艘遊船。然而 700 多年前的積水潭，卻是一片十分開闊的水域，而且船舶衆多，當時的人甚至用 " 舳舻蔽水 " 來形容。
夏日，什刹海一景（圖：圖蟲創意）▼
這一切，都和一位叫做郭守敬的科學家分不開，郭守敬不僅能治水，而且擅長天文、曆法，他的很多發明，對後世影響深遠。
被郭守敬改變的北京城
郭守敬（1231 年— 1316 年），河北邢台人，和元世祖忽必烈是同時代人。忽必烈營建大都時，北方經濟凋敝，京師十分依賴于南方的物資，但此時大運河已經不能通航。郭守敬的一項重要任務，就是将大運河通到大都城内。
隋唐時期的大運河是以洛陽爲中心的，淮河以北的通濟渠向西通到洛陽，與黃河以北的永濟渠共同構成一個大彎角。當時的大運河這樣布局，顯然是有利于向洛陽、長安運輸物資的，并且方便隋唐王朝控制全國。
隋代運河系統（圖：《大運河畫傳》）▼
南宋初年時，宋軍爲了阻擋金兵南下，決開黃河，導緻黃河奪淮入海。黃河泥沙淤塞了運河，再加上宋金長期對峙，淮河以北的運河無法同航。
到了元朝定都大都，政治中心北移，再去疏浚原來的運河意義便不大了。于是，郭守敬經過缜密勘查後，采取裁彎取直的方式，使運河不再經過洛陽，而是走山東進入海河流域。
元代大運河曆史地圖（圖：《大運河畫傳》）▼
經過郭守敬和無數勞工的努力，運河終于通到了通州。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。這就涉及到兩個問題，一是怎樣讓船爬坡，二是怎樣保證大都方面的水量。
爲了解決第一個問題，郭守敬改進了升船閘，在通州通往大都的運河上設立了 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現 " 爬坡 "。
通惠河二十四閘（圖：北京郭守敬紀念館）▼
爲了保障水量，郭守敬主持修建了白浮泉引水工程。這一工程的水源，是位于昌平山區的白浮泉，爲了保證泉水能到達大都城内，水渠沿着山麓走了一個 C 字型。如果走直線的話，中間有一段海拔很低的區域，水就到不了大都城。白浮泉沿着水渠到達甕山泊（就是今天昆明湖），再從甕山泊引到大都城内。
拐出一個大大的 "C 字型 "
（圖：北京郭守敬紀念館）▼
當時的積水潭，就是大都内部的一個湖泊，白浮泉的水最終到達了這裏，京杭大運河的終點也在這裏。所以，700 多年前的積水潭 " 舳舻蔽水 "，來自江浙地區的船舶在這裏停泊卸貨。積水潭作爲大運河的終點，也帶動了鍾鼓樓地區的商業繁榮。
從圖中可見，當時的積水潭面積不小
（底圖：北京郭守敬紀念館）▼
後來明成祖朱棣營建北京，将城牆南移，不得不填平了積水潭的西段，但由于地基十分松軟，無法建築城牆，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價值，日益萎縮，最終形成了今天的什刹三海。
與元大都相比，明清北京城偏南▼
郭守敬的另一項成就，是治理永定河。永定河作爲北京的母親河，季節性變化很大，脾氣喜怒無常。剛剛過去的暴雨和洪災，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，而引永定河水是最可行的辦法。
事實上，早在金朝時，人們就曾試過引永定河水，卻以失敗告終。因爲永定河水過于洶湧，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，并被授權全面負責元朝的水利工程。郭守敬吸取金人的教訓，在金口的上遊麻峪村附近，預先開引一個減水口，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：北京郭守敬紀念館）▼
這樣，洪水來襲時，就可以從減水口把洪水分出去一部分，使這些水在金口下遊回歸主河道，從而避免洪水直接灌入金口河，威脅到都城的安全。由此，導永定河水入護城河，爲營建大都提供了一條重要的運輸通道。
但元朝時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，郭守敬發明了很多有用的東西。比如說 " 海拔 " 這個概念，就是郭守敬最先提出的。他以海平面高度作爲高程起算的基準面，在世界測繪史上具有重要意義。
（圖：北京郭守敬紀念館）▼
" 四海測驗 " 與《授時曆》
郭守敬的另一項重要成就是觀測天文。古人說：" 工欲善其事，必先利其器 "，郭守敬首先是改進了觀察儀器。
元代以前用于确定星體坐标的渾儀，把測量道坐标、地平坐标和黃道坐标等多種不同坐标的機構都裝在一個系統内。導緻一個球面空間被安裝了八九個圓環，制造、使用都很不方便，還遮擋視線。
而郭守敬改進發明的 "簡儀"，将把地平坐标與赤道坐标分爲兩個獨立的裝置，解決了這些問題，還利用滾珠軸承，使之轉動更靈活，觀測更加精确。
簡儀，長這樣（圖：圖蟲創意）▼
另外，郭守敬海改進了古人觀測日影的工具圭表。古人通過日影長短，可以劃分節氣，推算曆法。爲了提高測量精度，郭守敬增加了圭表的高度，并且發明了一個叫 " 景符 " 的輔助儀器。這種改進版的圭表叫做 " 高表 "。
此外，郭守敬還發明了仰儀、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餘顆。
仰望漫天星宿，郭守敬會作何感想呢？
（圖：圖蟲創意）▼
衆所周知，元朝的版圖是曆代王朝中最大的，這麽大的版圖，對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 處觀測點進行天文觀測，如今元朝的疆域比唐還大，如果不分赴各地進行實測，就不能了解日月食的時刻和食分數、各地晝夜長短的差距，以及日月星辰在天球上的位置。"
這項建議得到了忽必烈的贊同，由此便開始了一項叫做 " 四海測驗 " 的大規模天文觀測活動。郭守敬在元朝廣袤的版圖上設立了27 個測影所。這些測影所分布在不同緯度。通過觀測當地的日影長短，就能計算出地球的半徑。
圖中北海測影所位置根據譚圖修改
（底圖：北京郭守敬紀念館）▼
其中最北部的測影所叫做北海測影所。它的位置意味着元朝實際控制疆域的北部極限。根據測量結果，北海測影所的緯度是北緯 64 ° 左右，非常靠近北極圈（66 ° 34 ′），應該處在西伯利亞腹地。根據元朝史料，北海測影所以北有一座日不落之山，山名顯然是指極晝現象，說明這座山位于北極圈内。
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台。
星空下，河南登封觀星台（圖：圖蟲創意）▼
" 四海測驗 " 的成果，就是 1281 年開始實行的《授時曆》。值得注意的是，《授時曆》與中國傳統農曆不同，是以地球公轉周期爲一年的太陽曆，和今天的公曆相似。
《授時曆》以 365.2425 天爲一年，與地球公轉周期隻差了 26 秒。這一數值，與西方通行的公曆相同，卻早了 301 年。
《授時曆》還糾正了中國傳統曆法的許多弊端，創造了許多記錄，是中國古代最精确的一部曆法。元朝滅亡後，明朝的《大統曆》隻是換了個名字，實際上繼續沿用這部曆法。
此曆法因古語 " 敬授人時 " 而得名
（圖：北京郭守敬紀念館）▼
偉大科學家的一生
郭守敬的一生，足迹遍及半個中國，完成大小百餘處河渠泊堰的治理，科技成就有二十幾項遙遙領先于世界水平。1316 年，86 歲高齡的郭守敬病逝在工作崗位上。
郭守敬小時候就已經表現出過人的天賦，在十五六歲時，就曾根據書上的一幅圖，用竹篾紮制出一架測天用的渾儀。十七八歲的時候，郭守敬又照着一副拓印動手做出了一種計時器——蓮花漏。
超強的動手能力（圖：北京郭守敬紀念館）▼
但是，這位偉大科學家的成長路上，離不開兩位貴人的提攜。第一位是郭守敬的祖父郭榮，郭榮本人精通數學、水利，郭守敬父母早逝，在祖父的撫養和教育下，在天文、數學、水利等方面青出于藍。
後來，郭榮把孫兒推薦給了劉秉忠。這位劉秉忠是郭守敬的同鄉，以僧人的身份擔任忽必烈的高級幕僚，後來成爲了營建元大都的總負責人。
當時，劉秉忠因父喪回鄉守制，在邢州西邊的紫金山書院講學。郭守敬通過祖父的推薦，拜在了劉秉忠的門下。比他年長的同學還有張文謙、王恂、張易等人，這五個人日後都成爲了元朝在天文、曆法、水利方面的能臣，被後世稱爲 "紫金山五傑"。
（圖：北京郭守敬紀念館）▼
其實，郭守敬能成長爲一位偉大的科學家，還應該感謝那個時代。元朝的科舉時開時廢，這就導緻當時的讀書人并不醉心于鑽研儒家經典，而是去研究水利、天文、曆法、數學等有利于國計民生的實用科學。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。
爲了紀念郭守敬的成就，國際天文學組織把月球背面的一座環形山和太空中編号爲 2012 号的小行星以郭守敬的名字命名。2010 年，中國将新研制的大天區面積多目标光纖光譜天文望遠鏡命名爲 "郭守敬望遠鏡"。
郭守敬的智慧之光，至今仍在閃耀
（圖：北京郭守敬紀念館 &Flickr@LuFeng）▼
北京有一座郭守敬紀念館，就位于西海北面的一座小山上，距離積水潭站 C 口很近。這座建築始建于元代，郭守敬曾長期在此主持全國的水利建設。如今，館中的陳設默默向世人訴說這位科學家一生的貢獻。
北京郭守敬紀念館掠影，感受一下
（圖：北京郭守敬紀念館）▼
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