古人修建都江堰大運河等水利工程，怎樣測量高程？

“在古代沒有先進的測量工具，古人是靠什麼興修水利的呢？”

總有網友向@工程師天張諮詢這個問題，那我就嘗試著給大家解惑。

我們常說“做人講規矩，做事有準繩”，這裡說的規矩準繩是標準規則的意思，但是放在古代其實卻是四種測量工具，“規”用來畫圓，“矩”和“繩”結合可以測量高、深、遠，而“準”則是用來測水平，就是今天要聊的主題。

大禹治水

大家都熟知大禹治水這個傳說，當時還沒有文字記載，然而人們口口相傳，後來在《史記》裡有所敘述“行山表木，定高山大川......左準繩，右規矩”，這可能就是我國古代水平測量的發端了，遺憾的是沒有對“準”有剛詳細的描述了。

商周用水

殷墟王陵遺址航拍

到了商、周朝，我們的先人發現了一個寶貝，用它就能測量水平高差，大家可以猜猜是什麼？其實答案已經說出來了，就是“水”。在河南安陽殷墟遺址考古中，發掘商代晚期的宮殿時發現有一些水溝，有一條既寬又深，還有許多條比較窄淺，但是奇怪的是這些水溝並不像是排水用的，不僅坡度很小不利於排水，而且溝裡面也沒殘存髒東西，反而填滿了夯土，壓得很結實。考古學家結合甲骨文的字意，確定這就是上週時代人們用水測量水平的簡單方法：先在地上挖兩條垂直交叉的大溝，然後在大溝的頂端再挖與它直交的小水溝，最後往溝內灌水，待水面平靜後，整個建造區域內的水平就找出來了。據考證，這種方法在近代河南西部地區建設農居時還是有采用的。

先秦用木樁

對於小範圍的房屋建設，挖溝是個好方法，但是如果是大面積的建設，比如造一座小的城池，這個挖溝的方法工作量就太大了，要是能把水溝裝在一個小裝置裡，便於移動還能保證準確就好了。於是，水準儀的雛形和應用出現了。

比如打算要平整哪塊土地，就在大概的中間位置樹一個八尺長杆，再在土地的四角各立一根高杆。用鉛垂線保證各杆豎直，然後在中間的杆頂部放置一個細長水槽盛滿水，等水槽水面平靜後，可以用目視（土話叫眼穿）或者用一根長繩從水平引出，並在四角杆上標記等高的位置，從這個位置再往下返，就能把地面整平了。這樣看來在先秦時期古人們就知道水平面和鉛垂線垂直的關係了。也有記載說先秦就發明了“矩”，就是兩條邊垂直的拐尺，再配合鉛錘線，一邊與鉛垂線重合，另一邊就定出水平來了。

秦漢水工

說了半天，有的網友發現了問題：這都是說蓋房子的事，沒說修河挖渠這種長距離的線性工程呀，彆著急，這就來。

到了我國秦漢時期，那時已經開始修建了都江堰、靈渠等大的水工工程，《漢書》曾記載“觀地形，令水工準高下，開大河領上”的記錄，這說明秦漢時期已經有“水利工程師”這個行當了，他們專門負責水利上的水平測量，而且當時具備了遠距離和跨河流測量的能力，但是沒有詳細記載水平高差是怎麼測定的。

古代水準儀——水平真尺

不過後來的唐宋時代，對水準測量的記載就豐富了起來，有關鍵的幾本書《營造法式》、《太白陰經》、《武經總要》對水準儀都有明確的製造方式和圖示了。這裡說的水準儀就是先人們所說的水平真尺，上面還配置了中間的浮木和豎向的鉛垂線。推測秦漢時期應該也是類似的裝置，只是功能和精度不見得那麼完備。

當然單獨使用這種水準尺是沒法測量地形高差的，那該怎麼使用呢？根據分析，應該是至少2個人配合，一個人站在水平真尺這，另一人拿著度竿和照板去需要測量的地方，只需要在水平真尺這裡沿著水平望過去，直到看到照板在水平方向出現就能確定水平高度了。這樣看跟我們現在使用的水準儀完全是一個基本原理，只是精度、操作性上有差別罷了。如果測兩地高差，可以把水平真尺原地轉動，重複操作，就能測得兩地高差了。

長距離高差測量怎麼辦？

對於水利工程，興修河道，一般都是很長的距離，而水平真尺這種儀器精準度主要依靠人的視力，這勢必限制了應用，但是古人並沒有被難倒，而是採用分段測量再疊加的方法，就把這個困難克服了。

原理也很簡單，就是在上述近距離兩點測水平高差的基礎上，依次重合換位測量，比如線測量AB兩點的水平高差，再把水平真尺移到BC之間的某一位置，繼續測量BC的高差；依此方法逐漸轉移倒DE區段，這樣地形往下走就減高差，往上走就加高差，最後高差值正負累加，就能得到要測量的遠距離的AE兩點的高差了。修築河道、河堤時，應用這種方法就準確了很多。

更精確的測量方法——分層築堰

對於修築河道而言，上述的分段測量方法已經不錯了，但是先人們還是發明了另外一種方法，也很有意思。北宋的沈括在修汴渠時應用了分層築堰的方法來確保河道高程更精確，概括講就是把商周的水溝灌水找平和水平真尺兩者結合起來使用了。

其實就是在一大段打算修的河道里，如果高差目測較大，可以沿河流方向分段築壩攔水，這樣在很長一段河道內就會存蓄下水，等到各段的水面都平穩了，相鄰兩個壩之間的水面就是一個水平了，推測在各個壩頂上裝設水平真尺，依此測得每個壩兩側的水平高差，如此依此往下減去高差，就能得到長距離的高程資料，再根據需要來調整河堤與河道的高度就行了。