古代坎兒井測(cè)量方法初步探究

依提卡爾.阿不都沙拉木 熱依汗.依不拉依木

摘 要 坎兒井是一項(xiàng)古老的地下水水利工程設(shè)施和人類寶貴的文化遺產(chǎn)。多年來(lái)，專家學(xué)者從歷史文化，起源與傳播，生態(tài)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)價(jià)值，自然地理等方面進(jìn)行了較多的研究，但是對(duì)坎兒井工程技術(shù)方面的研究很少， 本文通過(guò)文獻(xiàn)資料法、訪談法、實(shí)地調(diào)查法等對(duì)吐魯番坎兒井工程進(jìn)行了工程測(cè)量技術(shù)方面的研究，總結(jié)了古代吐魯番坎兒井工程高差測(cè)量原理和測(cè)量方法，這對(duì)于豐富和完善坎兒井研究，以及對(duì)坎兒井起源與傳播學(xué)說(shuō)研究，都具有十分重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

關(guān)鍵詞 高差 坎兒井 古代測(cè)量

中圖分類號(hào)：S277.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Explore the Measurement Methods of the Ancient Karez

Yitikal Abdullamu， Reyihan Yibulayimu

（College of Hydraulic and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， Xinjiang 830052）

Abstract Karez is an ancient underground water conservancy facilities and valuable cultural heritage of mankind. For years， experts and scholars from history， culture， origin and propagation， environmental， economic value， physical geography and other aspects of the larger study， but the technical aspects of Karez little research project， the paper documentation， interviews， fieldwork method of Turpan Karez project studied engineering measurement technology， summarizes the ancient Turpan Karez engineering elevation measuring principle and measurement methods， which enrich and improve Karez for research as well as the origin and spread of the doctrine of Karez have a very important study academic value.

Key words height differences； Karez； ancient measurement

1 新疆坎兒井現(xiàn)在的基本概況

坎兒井作為一種古老的水利工程設(shè)施，歷史以來(lái)，為發(fā)展新疆戈壁綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)揮了重要作用，具有很多優(yōu)點(diǎn)。但隨著生產(chǎn)力的發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的提高，坎兒井自身也顯現(xiàn)出一些缺點(diǎn)，古老的坎兒井正面臨衰退之勢(shì)。為了摸清目前新疆坎兒井的基本情況，新疆維吾爾自治區(qū)坎兒井研究會(huì)從2002年起，用了兩年多的時(shí)間對(duì)整個(gè)新疆范圍內(nèi)的坎兒井進(jìn)行了普查，公布了普查結(jié)果（2004年底）。統(tǒng)計(jì)顯示，坎兒井的數(shù)量已由上世紀(jì)50年代的1784條減少到現(xiàn)在的614條。至今909條坎兒井已干涸，261條坎兒井己消失，共計(jì)減少坎兒井1170條。在這1170條坎兒井中，不可恢復(fù)、報(bào)廢的坎兒井有963條，尚可恢復(fù)的坎兒井有207條。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，新疆坎兒井平均每年減少23條。

以新疆坎兒井?dāng)?shù)量最多的吐魯番地區(qū)來(lái)看，1950年，這里有耕地24萬(wàn)畝，現(xiàn)在耕地120萬(wàn)畝。近10年來(lái)，由于人口增加和農(nóng)業(yè)灌溉用水量增大，僅靠坎兒井供水己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，只能打機(jī)井抽取地下水。目前，吐魯番盆地的機(jī)井?dāng)?shù)目超過(guò)了9000眼，大量的抽取地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉使得地下水位持續(xù)降低，顯然，深度通常只有2米的坎兒井無(wú)法蓄積地下水變成為干枯的井渠。普查表明，吐魯番地區(qū)坎兒井最多時(shí)曾達(dá)到過(guò)1237條，現(xiàn)在只剩下404條。10年前，吐魯番地區(qū)農(nóng)田灌溉主要依靠坎兒井，但現(xiàn)在坎兒井水占灌溉用水的比例已不足20%。

2 新疆坎兒井的起源學(xué)說(shuō)

關(guān)于坎兒井究竟起源于何時(shí)何地考古界與學(xué)術(shù)界眾說(shuō)紛紜，歸納總結(jié)近年來(lái)的研討結(jié)論，主要有以下三種觀點(diǎn)：

2.1 本土自創(chuàng)說(shuō)

新疆水利廳坎兒井研究小組經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究認(rèn)為：新疆的坎兒井是2600 年前，新疆各族勞動(dòng)人民為了發(fā)展生產(chǎn)，在與干旱作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，在挖陰溝、掏泉等開發(fā)利用地下水和生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)提高，逐步創(chuàng)造出來(lái)的。

2.2 漢代關(guān)中井渠傳入說(shuō)

認(rèn)為“井渠”即坎兒井，由陜西經(jīng)敦煌傳到白龍堆，再由白龍堆傳到吐魯番。加之絲綢之路的開通及從漢代直至近現(xiàn)代“屯墾”、“戍邊”，大量?jī)?nèi)地人員不斷遷入西域，給世世代代生活在這里的各族人民帶來(lái)了中原鑿井術(shù)，他們和當(dāng)時(shí)的各族勞動(dòng)人民在與大自然作斗爭(zhēng)的過(guò)程中，將這種技術(shù)加以改良和完善，并根據(jù)當(dāng)?shù)鬲?dú)特的自然地理環(huán)境，繼而開創(chuàng)了吐魯番的井渠，后來(lái)又幾經(jīng)改進(jìn)，終于挖出了較完善的坎兒井。

2.3 波斯（今伊朗）傳入說(shuō)

最先提出新疆坎兒井自古代波斯傳入的是美國(guó)人文地理學(xué)家亨廷頓，他于1906 年2 月到吐魯番考察，并在《亞洲的脈搏》一書中談到新疆坎兒井。伯希和于1906～1907 年到吐魯番考古，他認(rèn)為吐魯番坎兒井的地下水道與伊朗的坎兒井類似，因此推斷坎兒井之法，自波斯傳來(lái)。

3 坎兒井工程結(jié)構(gòu)

坎兒井是充分利用北高南低的（山地-盆地）地形條件，在高山融雪水潛流處尋其地下水源，每隔一定距離打一豎井，然后在井下修通暗渠，依次溝通豎井進(jìn)行引水下流?？矁壕遣恍枞魏蝿?dòng)力將山前地下水自流引出地表的一項(xiàng)古老的水利工程設(shè)施?？矁壕饕韶Q井、暗渠、明渠、澇壩等四部分組成。豎井是開挖或清理暗渠時(shí)供施工與維修人員開挖運(yùn)送土方的通道，也是通風(fēng)口。一條坎兒井的豎井分布疏密不等，上游部分比下游部分豎井之間的間距長(zhǎng)，一般上游段豎井間距約60～100米，中游段豎井間距約30～60米，下游段間距約為10～30米。豎井的深度，一般越靠近母井豎井越深，從母井至出水口由深變淺，母井深度約40～70米，集水段深度約20～40米，輸水段深度約3～15米。其橫斷面，一般高1.2～1.5米，寬0.7～1米。暗渠是坎兒井的主要組成部分，根據(jù)功能的不同分為集水段和輸水段。集水段的功能是截取和匯集地下水，是坎兒井的源頭部分。輸水段是暗渠輸水通道，把集水段匯集的地下水引出地面。明渠是暗渠出水口至澇壩之間的水渠，是把從暗渠里流出的地下水引入到澇壩進(jìn)行蓄水。澇壩是坎兒井末端的蓄水池，其主要功能是蓄水池水位達(dá)到一定高度時(shí)利用勢(shì)能進(jìn)行農(nóng)田灌溉以及調(diào)配坎兒井水量，使坎兒井水得到充分利用。一條坎兒井的長(zhǎng)度一般為3～5 公里， 最長(zhǎng)的超過(guò)10 公里以上，最短也有數(shù)百米?？矁壕Y(jié)構(gòu)詳圖見(jiàn)圖1。

圖1 坎兒井工程結(jié)構(gòu)示意圖

4 坎兒井選線及母井位置的確定

坎兒井是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，從坎兒井工程勘探到施工需要進(jìn)行踏勘選線、出水口位置的確定、母井位置的確定、貫通測(cè)量等工作。勘探選線階段，首先由知識(shí)淵博的坎兒井匠人根據(jù)土壤濕度、地形地貌、植被情況來(lái)確定坎兒井的路線并確定出水口與母井的位置，坎兒井的路線以及出水口與母井位置確定后，在母井位置點(diǎn)A處進(jìn)行挖掘直到挖出地下水，量取母井位置A點(diǎn)到地下水位的水深，然后用高差測(cè)量的方法測(cè)出出水口位置B點(diǎn)與母井位置A點(diǎn)之間的高差，最后進(jìn)行母井水深與AB兩點(diǎn)間的高差之間的比較（參見(jiàn)圖1）。比較的結(jié)果如果>，出水口位置和母井位置基本確定，可以進(jìn)行坎兒井的施工等工作。如果，<，因母井的水深大于母井與出水口之間的高差，坎兒井的出水口位置不會(huì)出水。這是具有豐富知識(shí)的匠人向上游或向地下水位較高的方向進(jìn)行母井位置的調(diào)整工作，調(diào)整到>為止。

5 豎井開挖深度的確定

坎兒井豎井開挖深度確定方法（圖2），根據(jù)坎兒井匠人確定的坎兒井路線以及母井位置和深度，從母井位置開始向下游出水口方向進(jìn)行豎井開挖深度的測(cè)量工作。

圖2 豎井開挖深度示意圖

母井的位置以及開挖深度確定后，第一口井的開挖深度根據(jù)數(shù)學(xué)當(dāng)中幾何學(xué)矩形原理可以得出。

= + ′ （1） b = ′ （2）

在式中，為母井開挖深度，′為母井與第一口井之間的地面高差，為第一口井的開挖深度。

第一口井的開挖深度確定以后，根據(jù)圖4按幾何學(xué)原理可以確定第二口井的開挖深度3式與4式。

= + ′ （3） c = ′ （4）

第二口井的開挖深度確定以后，根據(jù)圖4示意圖可以依次類推第三口井至最后一口井的開挖深度。

6 古代坎兒井的測(cè)量方法

無(wú)論是坎兒井工程勘探階段還是豎井開挖深度確定階段，都需要進(jìn)行高差測(cè)量，特別是坎兒井的勘探以及施工當(dāng)中都要進(jìn)行測(cè)量工作，如母井位置的確定、出水口位置的確定、豎井深度的確定以及暗渠的貫通都要進(jìn)行高差測(cè)量等工作。所以，探討研究古代坎兒井勘探測(cè)量技術(shù)，對(duì)全面了解和解釋古代坎兒井工程勘探技術(shù)具有重要的意義。

6.1 水面法

水面法的基本原理和現(xiàn)代水準(zhǔn)測(cè)量原理相同，如圖3利用一個(gè)三腳架上放一個(gè)平板，上面再放一個(gè)水盆帶水，這是盆子里的水面給我們提供水平視線，兩邊不遠(yuǎn)處放兩個(gè)木桿，木桿約長(zhǎng)3～4米，通過(guò)水面提供的水平視線，在木桿水平線高度所對(duì)應(yīng)的位置上做標(biāo)記畫黑線或者系紅色帶子，測(cè)出兩木桿標(biāo)記處的高度，取差值，即是兩點(diǎn)的高差。

高差=后視讀數(shù)前視讀數(shù)

B點(diǎn)的高差： = ；

圖3 水準(zhǔn)儀

6.2 等邊三角形法

如圖4是利用重力對(duì)物體作用與等邊三角形的特點(diǎn)簡(jiǎn)便的實(shí)用方法是：找一個(gè)三邊一樣長(zhǎng)的板子利用細(xì)繩來(lái)綁它兩個(gè)頂點(diǎn)，綁繩子的那邊中間點(diǎn)上在幫一個(gè)細(xì)繩掛著一個(gè)石頭什么的，然后把繩子一拉調(diào)兩邊高低，中間掛的細(xì)繩恰恰來(lái)到等邊三角形的另一個(gè)頂點(diǎn)式，測(cè)兩邊繩子的高低a與b，計(jì)算a和b之間的高差。

圖4 水準(zhǔn)儀

以上兩種測(cè)量?jī)x器是當(dāng)時(shí)人們所使用的水準(zhǔn)儀。用它們進(jìn)行測(cè)量又方便又準(zhǔn)確（圖3，圖4）。

7 坎兒井的高差調(diào)整

據(jù)所集的資料與查問(wèn)，很多坎兒井師匠說(shuō)明他們以前解決坎兒井高差調(diào)整時(shí)簡(jiǎn)便地利用坎兒井里面的水來(lái)調(diào)整坎兒井的高差。主要方法如下：（1）水流：如果水流的速度太高了，說(shuō)明這里的高差分得太高了，也可以說(shuō)斜率太明顯了，坎兒井里斜率太高的話，水流速會(huì)太高就容易發(fā)生倒塌問(wèn)題。如果水流的速度太慢了就說(shuō)明該地高差分得不太明顯。（2）水深：師匠們一般利用坎兒井里用筐子來(lái)定水深（一般框子高度30～40cm）。如果筐子在水里沉下去了說(shuō)明這里高差高度比較低，如果筐子在水里根本沒(méi)有沉下去是說(shuō)明這里高差高度較高。師匠們就這種方式來(lái)調(diào)整坎兒井里的水深從頭到尾是一種深度。

做這兩件事可以解決實(shí)際挖掘坎兒井時(shí)所有出現(xiàn)的高差問(wèn)題和一些安全問(wèn)題。

8 結(jié)論

在坎兒井工程勘探測(cè)量技術(shù)研究當(dāng)中，幾何學(xué)和測(cè)量學(xué)是非常重要的。特別是長(zhǎng)距離坎兒井的勘探和施工中，如果高差測(cè)量不準(zhǔn)，母井、地下水位與出水口的位置就很難確定，同時(shí)豎井的深度也會(huì)出現(xiàn)誤差，最終暗渠的貫通也會(huì)偏離，影響井下通水。所以，坎兒井的勘探工程技術(shù)中最重要的環(huán)節(jié)就是坎兒井工程勘探測(cè)量方法的確定。而坎兒井工程勘探測(cè)量主要包括測(cè)量母井位置和豎井深度。

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