水准仪的发明和应用

(一)对《考工记》中水准施测的考证
水准仪的发明和应用
    战国初年成书的《周礼•考工记》①中有一段关于城市建设如何确定方位和平整土地的记载，其中有“水地以县(悬)”的说法。什么是“水地以县”?东汉有名经学家郑玄(127～200)注解说，“于四角立植而县，以水望其高下。高下既定，乃为位而平地”②。即在建筑场地四角立四根木柱，然后用水平法观测它们的高度。四角地面高程确定后，再根据建筑物各个部位对地面高程的要求去平整开挖。

    《考工记》的记载和郑玄的解释并不是惟一的。《汉书•律历志》有“绳直生准”句。三国吴人韦昭注解说：“立准以望绳，以水为平”。与郑玄对《考工记》“水地以县”的解释相一致。魏明帝太和六年(232)在许昌造景福殿，何晏(190～249)作赋，称其规制严整。其中有“制无细而不协于规景，作无微而不违于水臬”句。唐李善于显庆三年(658)作注称：水臬之水即水准，测高下；臬即晷表，测方位③。是当年宫殿建筑应用水准定平的实例。

    《考工记》所说的定平方法是怎样实施的呢?唐代永徽年间(650～655)太学博士贾公彦说：在工地四角立柱，用悬吊的垂球来左右校正柱身的正直。接下来他又说：

    柱正，然后去柱远，以水平之法遥望。柱高下定，即知地之高下。然后平高就下，地乃平也。④
无独有偶，北宋元祜年间将作监的主管官员李诫(?～1110)引证当时建筑施工中的惯常做法，对《考工记》“水地以县”的理解与贾公彦如出一辙。他说：

    “今来，凡有兴建，须先以水平望基四角，所立之柱，定地平面，然后可以安置柱石，正与经传相合。今谨按《周礼•考工记》修立下条。”⑤进一步证实了汉唐间经学家对“水地以县”注解的真切。

    那么，“以水望其高下”究竟用的是什么仪器?郑玄、韦昭和贾公彦都没有说明。从他们对水准施测的具体方法有明确的解释，而对所用仪器却语焉不详，可见这种仪器构造简易和司空见惯。其实简易的水准测量只要用类似脸盆大小的容器，就可以直接从容器水面用目力抄平，也可以在容器两端分别放置一个浮标施测，⑥因此，不必在**注解中多作解释。清代经学家戴震(1723～1777)也认为，《考工记》中定平所使用的水准仪只不过是一个长条形中间装水的盘子，即“以器长数尺，承水”①，概如以上推测。②

    ①参见闻人军，考工记译注，上海古籍出版社，1993年，第152页。
    ②《周礼注疏》，十三经注疏本，上海古籍出版社，1990年，第641页。商务印书馆1955年出版的戴震《考工记图》第97页，对此段文字断句作“于四角立植，而县以水，望其高下，高下既定，乃为位而平地”。在“而县以水”前后断句误，从下引之贾公彦疏中可见。
    ③梁•昭明**：《文选》卷十一，景福殿赋，四部备要本。
    ④《周礼注疏》，十三经注疏本，上海古籍出版社，1990年，第641页。
    ⑤宋•李诫：《营造法式》序目，商务印书馆，1933年，第28页。
    ⑥清代乾隆间李世禄，《修防琐志》卷2，水利珍本丛书本，第62页。其中载有简易水平量测方法：“用大水盆一个，径约二尺余者，或水缸或长木桶更妙，倾水于内……”这种简易水准量测起源当甚早。

    (二)战国秦汉之际大规模水准测量实践

    如上推断的可靠性如何?我们可以用当年水准测量的实践来印证。《逸周书•程典》载：“慎嗅地必为之图，以举其物，物其善恶，度其高下，利其陂沟……”⑧也就是说，周代所绘之地图必须包括地面相对高程，提供水利工程建设等应用。再往后一些，大规模水利工程的水准测量见于《汉书•沟洫志》记载的有多处。例如，西汉征和年间，为解除黄河泛滥对今河南、河北、山东等地的威胁，齐人延年曾上书建议将黄河自中游向东改道入渤海。他说，“可案图书，观地形，令水工准高下，开大河上领，出之胡中，东注之海”④，时在公元前90年。可见，当年不仅水利建设需要水准测量，而且已有专业的水利工程师(水工)负责施测。元光六年(公元前129)大司农郑当时建议在关中开挖总长300多里的漕渠时，也曾“令齐人水工徐伯表”⑤。颜师古解释“表”字说，“巡行穿渠之处而表记之，今竖标也”，汉武帝征和三年(前90)搜粟都尉桑弘羊建议在西域实行**屯田，其前期工作即“图地形，通利沟渠”⑥，其中也必然有水准测量的内容。尤其是元狩至元鼎年间(前120～前110)在引洛水的龙首渠施工中，要开挖一条穿越商颜山的隧洞。隧洞长10多里，两端不通视，采用竖井法施工(详见第三章第四节)，更必须依赖准确的水准和方位测量才能进行。类似的例子还有一些。⑦这些工程实践充分证明，当年不仅有了水准测量，而且已经达到相当高的精度。

    围的攀山越岭的水利建设，确定输水以及输水渠道所要求的适当坡度，必须保证较高精度的水准测量，只靠原始的挖掘水沟来测量高程是不可思议的。可以肯定地说，至迟在战国之际，可携带的水准仪已被普遍应用。
 
    (三)古罗马时期的水准仪

    欧洲水准仪在维特鲁威的《建筑十书》中有明确记载，有两种形制。**种是常见的应用水平原理的条形水槽，即在木板上做出“长五尺，宽一指，深一指半的沟，在那里装水。这时，如果水平均地接触上缘，就了解它是水平的”①。**种类似我国明清时期河工上使用的旱平，即利用与铅垂垂直的原理找平的仪器(见后)。

    ①清•戴震：《考工记图》，商务印书馆，1955年，第97页。
    ②20世纪80年代在甘肃秦安大地湾遗址考古中曾发现过一个长30多厘米，宽4.5厘米的陶制条形盘，其年代距今5000～7000年。有人认为，它是我国*早的水准仪。若是，它将是目前所见到的世界上*古老的水准仪了。参见《文物》1986年**期图版贰和《人民日报》(海外版)1986年8月7日第四版。
    ③  《逸周书•程典》，丛书集成本，第44～45页。该书收录了公元前11世纪周文王至公元前6世纪周灵王期间的古史料，个别地方虽有后人掺入之史实，也不晚于战国。《周礼》记大司徒的职责是“掌建邦之土地之图与其人民之数，以佐王安扰邦国”，所记与《逸周书》类似。见《周礼注疏》，十三经注疏本，第148页。
    ④《汉书．沟洫志》，二十五史河渠志注释，第23页。
    ⑤《汉书•沟洫志》，二十五史河渠志注释，第17页。
    ⑥《汉书•西域传》卷96下，上海古籍出版社二十五史本，第363页。
    ⑦《三国志．魏志．牵招传》载，黄初六年(225)前后，牵招在雁门郡(治今山西代县西南)任太守，城内饮用井水，颇咸苦，居民每天需往返七里担水饮用。牵招主持修建引水工程，“准望地势，因山陵之宜，凿原开渠，注水城内，民赖其益”。
 

图　2-31　古罗马时代的水准仪

 

    在柯比(Richard Shelton Kirby)和华盛顿(Sidney Withington)等所著的有世界影响的《土木工程史》一书的第四章中，专门介绍了古罗马的两种水准仪，其中利用水面自动水平原理的叫作dioptra，作者说：“对dioptra的描述非常模糊，人们一直不知为何物，直到1912年一名测量工程师在古罗马废墟上发掘出了dioptra残存的金属部分，才破译了这种仪器的结构。它的主体是一个金属槽，金属槽由一个可转动的轴盘支撑，这个槽可以水平也可以俯仰转动，可以量测目力所及的距离并有相当高的精度。”②见图2-31。对照《建筑十书》关于木槽水准仪的记载，可见1912年发现的金属水准仪与木槽水准仪的原理和构造完全相同，只是更为精巧罢了。

    ①维特鲁威的《建筑十书》作于公元前32年至前22年之间，原文不久佚失，只流传下来抄本。抄本在中世纪被发现，并被用来指导建筑的设计，文艺复兴时期，仍然作为古建筑的设计规范。关于水准测量的部分在《建筑十书》第八书的末尾。参见高履泰中译本，中国建筑工业出版社，1986年，第189页。
    ②  R.Kirby，S.WithingtOn，Engineering in History，Lmperial CiVilizatiOn，Dover Publications，inc，New York，1990，P82．

    柯比等认为，在公元前500年至公元前300年古希腊文明已达到相当高的水准。罗马人占领后，继承了古希腊人的发明，并加以改进，可见木槽水准仪与金属水准仪之间的继承关系。可以认为，我国战国之际的水准仪与欧洲人的水准仪相比，它们发明时间相近，原理相同，形制相仿，只是尺寸大同小异，工艺上有所差别而已。古罗马的水准仪用金属制造，有螺杆与齿轮传动，用以转动方向和调节俯仰，较为**和方便。

    古罗马人之后，测量仪器停滞了10多个世纪。在中世纪漫长的黑夜之后，科学以梦想不到的力量，一下子重新兴起并迅速发展，直到18世纪出现了现代水准仪，水准仪器制造才出现了质的飞跃。

    据说，埃及人在公元前6世纪建造运河时，也曾使用过长6米的槽形水准仪。