翻車鏈轉(zhuǎn) 筒車輪濟——淺析中國古代水車的起源與發(fā)展

帥 威，陳 堅

（武漢大學水利水電學院，430072，武昌）

中國古代早期提水機械，主要是應(yīng)用杠桿原理制造而成的桔槔和以輪軸原理為主的轆轤。隨著科學技術(shù)的進步和生產(chǎn)的需要，逐漸出現(xiàn)以水車為代表的高級提水工具。作為排灌機械的中國古代水車，曾廣泛應(yīng)用于我國南方低洼地區(qū)的排澇和丘陵高地的升水灌溉。唐宋以來，江南地區(qū)農(nóng)業(yè)的漸次開發(fā)，出現(xiàn)了以“塘浦圩田”為代表的耕作形式。然而地勢低洼的農(nóng)田，雖有自流灌溉，卻無法自行排澇。水車作為大面積排澇的重要工具，為“蘇湖熟，天下足”的豐收局面提供了重要的技術(shù)保障[1]。隨著丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)的次第開發(fā)，水車又用來解決因“田高水低”造成的高地患旱問題。排灌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要地位和產(chǎn)生的巨大效益，又進一步促進了水車的改進與發(fā)展。水車按工作原理可分為以鏈傳動為主的翻車和以輪轉(zhuǎn)動為主的筒車兩大類：翻車又稱“龍骨水車”“水車”“水蜈蚣”“水龍”；筒車又稱“水車”“罐輪”“水輪”“筒輪”等。 人力、畜力、水力和風力等多種動力形式的使用，使得翻車和筒車各自表現(xiàn)出相異的形制。

一、翻 車

翻車最早見于歷史記載是在南北朝時期范曄（398—445）所著《后漢書·宦者列傳》：“……使掖庭令畢嵐鑄銅人四列于倉龍、玄武闕。又鑄四鐘，皆受二千斛，縣于玉堂及云臺殿前?！肿鞣嚒⒖蕿?，施于橋西，用灑南北郊路，以省百姓灑道之費?！睆倪@段記錄中可以看出，翻車在當時是一種經(jīng)濟的提水工具，且有澆灑路面之用。裴松之（372—451）注（晉）陳壽撰《三國志》魏書二十九《方技傳》“杜夔”條：“時有扶風馬鈞，巧思絕世?！泳┒迹莾?nèi)有地，可以為園，患無水以灌之，乃作翻車，令童兒轉(zhuǎn)之，而灌水自覆，更入更出，其巧百倍于常?！瘪R鈞是三國時期魏國人，此時翻車已用于提水灌溉面積較小的田園。受制于文字描述的簡單，我們很難從以上文獻中推測出此時翻車的具體形制。后世學者認為翻車為畢嵐發(fā)明，而馬鈞在其基礎(chǔ)上作了進一步改進，并將翻車用于農(nóng)業(yè)[2]。其依據(jù)緣于元代王禎在《農(nóng)書》[3]中的詳細記載：

“翻車，今人謂‘龍骨車’也?！段郝浴吩唬厚R鈞居京都城內(nèi)，有地可為園，無水以灌之，乃作翻車，令兒童轉(zhuǎn)之，而灌水自覆。漢靈帝使畢嵐作翻車，設(shè)機引水，灑南北郊路。則翻車之制，又起于畢嵐矣。

“今農(nóng)家用之溉田。其車之制，除壓欄木及列檻樁外，車身用板作槽，長可二丈，闊則不等，或四寸至七寸，高約一尺。槽中架行道板一條，隨槽闊狹，比槽板兩頭俱短一尺，用置大小輪軸。同行道板，上下通周以龍骨板葉。其在上大軸兩端，各帶拐木四莖，置于岸上木架之間。人憑架上，踏動拐木，則龍骨板隨轉(zhuǎn)循環(huán)，行道板刮水上岸。此車關(guān)楗頗少，必用木匠，可易成造。

“其起水之法，若岸高三丈有余，可用三車，中間小池，倒水上之，足救三丈已上高旱之田。凡臨水地段，皆可置用，但田高則多費人力。如數(shù)家相助，計日趨工，俱可濟旱。水具中機械巧捷，惟此為最?！?/p>

翻車的工作原理是利用鏈輪循環(huán)傳動，帶動水槽內(nèi)的刮板翻轉(zhuǎn)，從而使低處的水順水槽引向高處。翻車主要構(gòu)件工作方式如下：在水槽內(nèi)部順序排列有與水槽相稱的刮板，刮板由鏈輪帶動旋轉(zhuǎn)，水槽兩端各有一帶齒輪的輪桿，輪桿上的齒輪為頭大尾小，各齒輪與鏈輪咬合。使用時，將水槽尾部放入水中，搖動輪桿，鏈輪隨之轉(zhuǎn)動，并帶動刮板在水槽內(nèi)部翻轉(zhuǎn)，刮板帶動浸入水槽內(nèi)部的水由低到高運動，水行到水槽口部將自動傾瀉，達到提水的目的。按照動力使用方式的不同，翻車大致可分為人力、畜力、水力、風力四種基本類型。在唐代武周永昌元年（689年）以前，人力、畜力踏車已廣泛使用[4]。

1.人力翻車

人力翻車分為手搖式和腳踏式兩類，以手搖驅(qū)動翻車運轉(zhuǎn)稱作“手車”或“拔車”，與之相應(yīng)，腳踏式翻車又稱“踏車”。

（1）拔 車

拔車（見圖1）又稱“手車”，具體的工作原理是由手搖車拐帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，再由轉(zhuǎn)輪帶動鏈條，鏈條帶動刮板，進而將水由低處車到高處。宋應(yīng)星在《天工開物》中記載如下：“其淺池、小澮不載長車者，則數(shù)尺之車，一人兩手疾轉(zhuǎn)，竟日之功可灌二畝而已。……此車為救潦，欲去澤水以便栽種。蓋去水非取水也，不適濟旱?！睆纳峡芍?，拔車的構(gòu)造輕便靈活，適用于水源淺、提水距離及高程較小的地區(qū)，有排澇以便栽種之用，但效率較低。

（2）踏 車

踏車（見圖2）又稱“人車”，與拔車的區(qū)別是：踏車用橫木帶動輪桿，輪桿上的齒輪與鏈條相咬合，鏈條循環(huán)轉(zhuǎn)動，進而帶動刮板車水。橫木上設(shè)有踏板，每組踏板上有四個拐木。使用時，由人腳下蹬踏板，使橫木轉(zhuǎn)動，進而帶動輪桿及鏈條轉(zhuǎn)動。踏車一般分2～8人每組，在人腰部以上還設(shè)有扶手桿，頂上設(shè)有遮陽擋雨棚。下蹬踏板時，人可借助自身重力，進而節(jié)省體力。腳踏所產(chǎn)生的力較手拔為大，且更為方便，故其灌溉效率也較拔車為高，“大抵一人竟日之力，灌田五畝……”[5]。

2.畜力翻車

畜力翻車是指由畜力（耕?；蝮H）帶動翻車鏈輪轉(zhuǎn)動的翻車，在（元）王禎《農(nóng)書》中又稱牛轉(zhuǎn)翻車（見圖3）。畜力翻車在踏車的基礎(chǔ)上改進了帶動鏈輪的傳動裝置，傳動裝置是用畜力拉動水平臥輪旋轉(zhuǎn)，再由水平臥輪咬合豎向立輪，進而帶動鏈條循環(huán)車水。王楨在《農(nóng)書》中有：“牛轉(zhuǎn)翻車，如無流水處用之。但去下輪，置于車傍；岸上用牛拽轉(zhuǎn)輪軸，則翻車隨轉(zhuǎn)，比人踏功將倍之?！h近效之，俱省工力。”畜力翻車需在場地較寬闊地帶操作，其使用效率較人力翻車翻倍，可用于灌溉需求量大的區(qū)域。

3.水轉(zhuǎn)翻車

水轉(zhuǎn)翻車（見圖4）利用水流的沖擊力量，帶動輪軸旋轉(zhuǎn)，進而將力傳導(dǎo)至翻車鏈輪上，帶動刮板車水上行。（元）王禎《農(nóng)書》中記載如下：“水轉(zhuǎn)翻車，其制與人踏翻車俱同。但于流水岸邊掘一狹塹，置車于內(nèi)；車之踏軸外端作一豎輪，豎輪之傍架木立軸，置二臥輪。其上輪適與車頭豎輪輻支相間。乃擗水傍激，下輪既轉(zhuǎn)，則上輪隨撥車頭豎輪，而翻車隨轉(zhuǎn)，倒水上岸。此是臥輪之制。若作立輪，當別置水激立輪。其輪輻之末，復(fù)作小輪，輻頭稍闊，以撥車頭豎輪。此立輪之法也。然亦當視其水勢，隨宜用之。其日夜不止，絕勝踏車[3]。 ”水輪分為臥軸式和立輪式兩類，水源水位較低者用臥式水輪，水位高者用立式水輪。

利用水力作為動力的水力機械——水排，早在東漢時期已見諸使用[6]。而水輪在南北朝時已有臥式水輪和立式水輪之分，并用作水磨的驅(qū)動構(gòu)件[7]。將水輪技術(shù)應(yīng)用于翻車以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，使水轉(zhuǎn)翻車的出現(xiàn)成為一種必然。水轉(zhuǎn)翻車利用自然界日夜不息的水能，可大大節(jié)省人力、畜力，但使用起來對水力大小要求嚴格：水勢太弱，無法使水輪轉(zhuǎn)動；水勢太強，易使龍骨板破裂。

4.風轉(zhuǎn)翻車

風轉(zhuǎn)翻車是利用風車帶動翻車的提水灌溉機械。風轉(zhuǎn)翻車由風車、傳動裝置和翻車三部分組成（見圖5）。風車大致分為立軸式、臥軸式兩類：立軸式風車由風帆推動桅桿，使立軸和平齒輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動翻車；臥軸式風車的軸是斜臥的木桿。早在南宋以前，已將風車應(yīng)用于帶動翻車，到明代，風轉(zhuǎn)水車在河南、河北、江蘇等地普遍使用[8]。明末宋應(yīng)星在 《天工開物》中記載：“揚郡以風帆數(shù)扇，俟風轉(zhuǎn)車，風息則止?！蓖瑫r又指出其適用范圍“為救潦，欲去澤水以便栽種。蓋去水非取水也，不適濟旱”。

二、筒車

筒車是利用水的機械能沖擊水輪轉(zhuǎn)動的提水機械。在水輪的轉(zhuǎn)動過程中，水輪上分布的汲水器隨之運動，并依次將水提到高處。筒車在唐代已用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，（唐）陳廷章《水輪賦》中的“水輪”，據(jù)后世學者考證即為汲水上岸的筒車[9]。筒車主要以水為動力，對水流流量及落差均有一定要求，故其使用范圍亦相應(yīng)受到局限。與翻車相比，筒車可將水垂直提升到高處，適用于岸高坡陡等地形的水事提排。筒車按形制可分為水車筒車、畜力筒車、高轉(zhuǎn)筒車和水轉(zhuǎn)高車等。（元）王禎在《農(nóng)書》中對筒車的工作原理及構(gòu)造詳細描述如下：“筒車，流水筒輪。凡制此車，先視岸之高下，可用輪之大小；須要輪高于岸，筒貯于槽，乃為得法。其車之所在，自上流排作石倉，斜擗水勢，急湊筒車，其輪就軸作轂，軸之兩傍，閣于樁柱山口之內(nèi)。輪輻之間除受水板外，又作木圈，縛繞輪上，就系竹筒或木筒于輪之一周；水激輪轉(zhuǎn)，眾筒兜水，次第下傾于岸上。所橫木槽，謂之‘天池’，以灌田稻。日夜不息，絕勝人力，智之事也。若水力稍緩，亦有木石制為陂柵，橫約溪流，旁出激輪，又省工費?；蛴隽魉M處，但壘石斂水湊之，亦為便易。此筒車大小之體用也。有流水處俱可置此。但恐他境之民未始經(jīng)見，不知制度，今列為圖譜，使效仿通用，則人無灌溉之勞，田有常熟之利，輪之功也?！?/p>

1.水轉(zhuǎn)筒車

水轉(zhuǎn)筒車（見圖6）裝置在河岸邊水流急湍處，其輪軸、立輪、汲水器的大小需視提水高度和水力條件而定。立輪的底部必須保證浸入水中一定深度，這樣流水產(chǎn)生的沖擊足以使其轉(zhuǎn)動；立輪的頂部必須高出所需提水高度，這樣才能將水順利傾瀉至目的地。汲水器一般為竹筒或木筒，其捆扎亦有規(guī)定：汲水器浸入水中時，筒口稍稍傾斜向上，以便充分裝水；汲水器運轉(zhuǎn)至高處一定位置時，筒口剛好傾斜向下，以便將水全部倒出。傾瀉出的水，或流向橫在空中的架槽，架槽連接幾條竹筧，水順著竹筧流向岸邊的水渠以灌田。或由一條橫置的竹筧或木筧承接，然后導(dǎo)入一條與之垂直的竹筧或木筧，凌空送上岸，引進稻田。

2.畜力筒車

畜力筒車（見圖7）的動力裝置與畜力翻車相同。其工作原理如下：利用畜力拉動臥輪，臥輪帶動與之咬合的立輪，立輪帶動筒車的轉(zhuǎn)軸，以達到轉(zhuǎn)動筒車的目的。王禎在《農(nóng)書》“衛(wèi)（驢）轉(zhuǎn)筒車”中有：“衛(wèi)轉(zhuǎn)筒車，即前水轉(zhuǎn)筒車，但于轉(zhuǎn)軸外端，別造豎輪，豎輪之側(cè)，岸上復(fù)置臥輪，與前牛轉(zhuǎn)翻車之制無異。凡臨坎井或積水淵潭，可用澆灌園圃，勝于人力汲引?！盵3]

3.高轉(zhuǎn)筒車與水轉(zhuǎn)高車

高轉(zhuǎn)筒車（見圖8）與水轉(zhuǎn)高車主要工作構(gòu)件相同，均有上、下轉(zhuǎn)輪，下轉(zhuǎn)輪底部須浸在水中，兩輪之間以竹索連接，竹索上每距5寸安裝一尺長的竹筒。高轉(zhuǎn)筒車的動力，可以是人力或畜力，使用時，盛滿水的竹筒循次而上。依王禎《農(nóng)書》記載，高轉(zhuǎn)筒車的提水高度可達200尺。由于汲水量不大且效率較低的缺陷，高轉(zhuǎn)筒車的應(yīng)用范圍并不廣泛。

高轉(zhuǎn)筒車在具備較高流速與較大水量的地區(qū)可以采用與水轉(zhuǎn)翻車相同的動力，也就是“水轉(zhuǎn)高車”。

三、結(jié) 語

作為提水機械的翻車和筒車，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的提灌和排灌發(fā)揮了重要作用，在人類發(fā)展史上占有非常重要的地位。水車豐富多樣的形制，適應(yīng)了不同地形的提排需要。直到18世紀的工業(yè)革命以后，隨著蒸汽機、柴油機、電動機的發(fā)明與發(fā)展，作為人類歷史上主要提水機械的水車才完成其歷史使命，逐漸被現(xiàn)代水泵所取代。

[1]黎沛虹，李可可.長江治水[M].武漢:湖北教育出版社,2003.

[2]汪家倫，張芳.中國農(nóng)田水利史[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1990.

[3]（元）王禎.農(nóng)書集成初編[M].北京:中華書局,1991.

[4]唐耕耦.唐代水車的使用與推廣[J].文史哲,1978(4).

[5]（明）宋應(yīng)星.天工開物[M].潘吉星譯.上海：上海古籍出版社,2008.

[6]高煊，陸震.中國古代水力機械起源的文獻考證[C],第六屆中日機械史及機械設(shè)計國際學術(shù)會議論文集，2006.

[7]武漢水利電力學院《中國水利史稿》編寫組.中國水利史稿（中冊）[M].北京：水利電力出版社，1987.

[8]張柏春.中國風力翻車構(gòu)造原理新探[J].自然科學史研究,1995,14(3).

[9]吳衛(wèi).器以象制 象以圜生——明末中國傳統(tǒng)升水器械設(shè)計思想研究[D].清華大學美術(shù)學院.