从机械发明的角度看，人类历史中从提水器具到机械的发明是重要的进步。具有杠杆原理构造的提水机械(桔槔)、有垂直传动装置的辘轳、平行传动装置的龙骨水车和以水为动力的筒车，代表了古代最先进的提水机械，也代表了古代机械发展的重要方面。但从水利史的角度来看，提水机械的发展经历从人力、畜力到水力风力等自然能应用两个发展阶段。18世纪的工业革命，诞生了使用电能的抽水机，它标志着以自然能为动力的提水机械的终结。但是，古老的水力机械，因为没有供电问题而在边远的山区和农村至今仍在使用。

    (一)人力和畜力提水机械

    先秦文献中出现的“报甑而汲”“负缶而入井”文字，描述了灌溉园艺的取水方式，或许这就是最早提取地下水灌溉的方式。西安半坡村遗址距今6000多年前水井中发现取水的陶罐。河北藁城夏商时期的水井中，发现了扁圆形的水桶，口边有对称的两个方孔，应该是用于穿系绳索，用在较深的井中提水①。

    1．戽斗和倒虹吸

    戽斗是古代最常见的提水器具(图4-80)，在木桶、柳条筐系上绳子，两人相对而立，用手牵拉绳子，从低处戽水上岸。
 

图4-80  戽斗及其工作情景
(引自(元)王祯《农书》)

    倒虹吸一类的提水设施在东汉时见于记载，中平三年(186)大修宫城，掖庭令毕岚“又铸天禄虾蟆，吐水于平门外桥东，转水入宫。又作翻车、渴乌，施于桥西，用洒南北郊路，以省百姓洒道之费”②。毕岚所作的天禄虾蟆至少是管道引水的出水口。关于渴乌，唐代李贤注：

    ①河北省博物馆，藁城台西商代遗址，文物出版社，1977年，第66～71页。
    ②《后汉书•宦者列传》卷78，中华书局本，第2537页。

“渴乌，为曲筒，以气引水上也”①，是倒虹吸装置。唐《通典》记：“渴乌，隔山取水。以大 竹筒雌雄相接，勿令漏泄。以麻漆封裹。推过山外，就水置筒，入水五尺。即与筒尾取松桦干草，当筒放火。火气潜通水所，即应而上。”②渴乌进水口和出水口需要有一定的高差，利 用真空和水压力将水输送到目的地。
      
    1． 桔槔

    桔槔始见于《墨子•备城门》，作“颉皋”③。是一种利用杠杆原理的取水机械(图4-81)。如下几条记载反映了春秋战国时使用桔槔的地区主要是经济比较发达的鲁、卫、郑等国(今山东西南、河南北部、河北南部)。
 

图4-81  山东嘉祥东汉画像石上的桔槔取水图

    《说苑•反质》记载郑国大夫邓析过卫国，见5位农夫“俱负缶而入井，灌韭终日一区”。邓析下车为之教：“为机，重其后，轻其前，命曰桥。终日溉韭百区不倦。”④但卫国人说，并不是不知道有这种机械，而是“有机之巧，必有机之败”，所以不用之。这里邓析对桔槔的结陶和工作效率有较全面的描述。

    孔子弟子子贡南游楚国，过汉阴，见一丈人抱瓮入井出灌，也向前介绍桔槔：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多，夫子不欲乎?为圃者仰而视之曰：奈何?曰：凿木为机，后重前轻，挈水若抽，数如沃汤，其名为槔。”⑤

    ①《后汉书•宦者列传》第78，中华书局本，第2537页。
    ②唐•杜佑：《通典•兵十》卷157，商务印书馆，1935年，第831页。
    ③《墨子•备城门》卷14，诸子集成本，第313页。
    ④汉•刘向：《说苑》卷20，丛书集成初编本，第202页。
    ⑤清•王先谦：《庄子集解》卷3，诸子集成本，第74～75页。

    鲁国的太师金借桔槔阐发为人之道。其中对桔槔的概括：“独不见桔槔乎?引之则俯，舍之则仰。”①
桔槔的构造运用了杠杆原理，取水时可一按而下，木桶盛满水后，杠杆的前端由重点变为力点，借助安置于后端的重物，只用较少的力上提，水桶就上来了。桔槔一直是我国北方地区比较常见的提水机械。

    3．辘轳

    辘轳是利用轮轴原理做功的机械。用于提取井水的辘轳始见于汉代，作“椟栌”。李斯《苍颉篇》：“椟栌，三辅举水具也。”长安三辅地区多有使用。今湖北大冶矿冶遗址考古发现汉代辘轳木轴，这是矿井中提升矿石之用的起重设备②。汉代画像石中，用辘轳提水的题材较多，当时辘轳已经较多地用在生活和灌溉用水中。明代徐光启概括辘轳的提水过程：“虚者下，盈者上，更相上下，次第不辍，见功甚速。”辘轳的关键设备是辘轳轴，利用轮轴原理做功，辅助的设备有支撑架、盛水具、绳索等。

    辘轳的出现，解决了深井的取水问题，标志着人类利用地下水进入新的阶段。辘轳逐渐成为北方地区使用最普遍的提水机械，明清时华北地区出现了畜力辘轳，在机械传动部分加了动力轮——平轮，盛水器由一桶改为多桶，牛马环绕立柱作圆周运动，井水不断上提(图4—82)，提水的深度可以达到数十米，今天华北平原一些超100米的深井也还在用辘轳提水。
 

(a)元•王祯《农书》上的辘轳                            (b)现代仍在使用的辘轳
图4-82  辘轳

    ①清•王先谦，《庄子集解》卷4，诸子集成本，第91页。
    ②铜绿山——中国古矿冶遗址，文物出版社，1980年。

    4．机汲

    一种利用滑轮提水的设施，适合远距离高落差的地方提取河水。唐代刘禹锡《机汲记》：“比竹以为畚，置于流中。中植数尺之臬，辇石以壮其趾，如建标焉。索绹以为縆，系于标垂上属数仞之端；亘空以峻其势，如张弦焉。锻铁为器，外廉如鼎耳，内键如乐鼓，牝牡相函，转于两端，走于索上，且受汲具。”①今人根据文献，绘制出大致形制(图4—83)②。此外，唐《通典•兵》“识水泉、隔山取水、越山渡险”条也有类似越山取水设备的记载③。
 

图4—83  唐代机汲示意图
(引自《中国农业科学技术史稿》，农业出版社，1986年)

    (二)水车

    古代水车是轮转提水机械的统称，按动力分有人力、畜力、水力和风力，因为动力装置不同而有不同形制。后汉及三国时都有水车发明的记载，唐代水车开始推广应用。大和二年(828)文宗“内出水车样，令京兆府造水车。散给郑白渠百姓以溉田”④。用人力或畜力的水车称龙骨水车，利用水流冲动来提水的水车称“筒车”。

    1．龙骨水车

    水车东汉时始见于记载，《后汉书》记毕岚：“又作翻车、渴乌。”西晋人傅玄记三国时人扶风马钧“居京都，城内有地，可为囿，患无水以灌之，乃作翻车。令童儿转之，而灌水自覆，更入更出，其巧百倍于常”⑤。这段文字对马钧翻车用途有较为明确的记载，但其结构仍然不详。从字面推测应是手摇的龙骨水车。

    ①唐•刘禹锡：机汲，《刘梦得文集》卷27，四部从刊初编，第162页。
    ②李崇州，中国古代各类灌溉机械的发明和发展，农业考古，1983年，第l期，第142～143页。程鹏举，机汲试析(未刊稿)，对索道的架设方式和滑轮构造有进一步研究。 
    ③唐•杜佑：《通典•兵十》卷157，商务印书馆，1935年，第831页。
    ④引日唐书•本纪》卷17，中华书局本，第528页。
    ⑤引自《三国志•杜夔传》卷29晋傅玄的注，中华书局本，第807页。

    龙骨水车的称呼来自民间，南宋陆游《春晚即景》：“龙骨车鸣水入塘，雨来犹可望丰穰。”①目前见到的史料中，这是最早的出处。

    龙骨水车适合近距离，提水高度在1～2米左右，比较适合平原地区使用，或者作为灌溉工程的辅助设施，从输水渠上直接向农田提水。用于井中取水的龙骨水车是立式的，水车的传动装置有平轮和立轮两种以转换动力方向。

    唐宋以来农田灌溉、排水及运河供水中，龙骨水车是使用最普遍的提水机械，特别是南方大兴围田之后，对低水头提水机械的需求更加普遍。元代王祯《农书》绘制了不同动力的龙骨水车的图谱，其中人力水车有脚踏、手摇等，畜力水车有牛车、驴车等，(图4—84)为明代宋应星《天工开物》改绘的三种龙骨水车。

    2．水力水车

    中唐时，已有了水力提水机械的文字记载，最早称之“水轮”、“机轮”。在元代王祯《农书》记载了两类水力提水机械：筒车和水车。水车有水转翻车、水转高车(明代徐光启记做水转筒车)。
 
    (1)筒车：

    最早的文字记载见于唐陈廷章《水轮赋》，水轮即为提水水车，“鄙桔槔之繁力，使自趋之转毂”，汲具一般是竹筒系在水轮上，水轮既是动力机械又是工作机，以水力为动力，冲动水轮自动运转而提水。“水能利物，轮乃曲成。升降满农夫之用，低回随匠式之程……观夫斫木而为，凭河而引，箭驰可得。而滴沥辐辏，必循乎规准。”②可见筒车的制作已有一定的规程。北宋梅尧臣《水轮咏》：“孤轮运寒水，无乃农者营，随流转自速，居高还复倾。”③南宋人张孝祥过广西兴安，记途中所见：“筒车无停轮，木枧着高格。”④显见所谓孤轮、水轮、筒车均为同一水力提水机械，其汲具系于水轮之上，随水轮的转动将水提到水轮的最高处，自动倾入输水槽中，水轮的直径几乎同于提水高度。元代，王祯《农书》对筒车有很详细的介绍，并有图谱⑤。因为结构简单，造价低廉，且维修方便，在宋代便已广泛流行于民间，及至近代仍是农村常用的水力机械。

    (2)水转翻车：

    元代王祯《农书》始见记载，动力传动部分与人力、畜力水车相同，出水端有传动轮；进水端位于水下，为动力轮。水轮有立式、卧式两种，适用于低水头的水力条件(图4—85)。

    (3)高转筒车：

    水轮愈大，需要的水动能愈大，宋元时大水轮被广泛用在提水机械上。

    元代王桢说“此近创捷法，已经较试”⑥，可见应是当时的产物，王祯称平江府(治今江苏吴县)虎丘寺剑池安装了这种水车供水，它的形制“其高以十丈为准，上下架木，各竖一轮，下轮半在水内，各轮径可四尺”⑦。高转筒车提水高度可达约30米，水轮直径1米以上(图4—86)，说明水轮的制作工艺和水工建筑物的修建技术都有相当高的水平。

    ①转引自《中国科技资料选编》第四章，清华大学出版社，1981年，第161页。
    ②唐•陈廷章：水轮赋，《全唐文》卷948，中华书局本，第9840页。
    ③北宋•梅尧臣：《宛陵先生集》卷4，四部丛刊本，第39页。
    ④南宋•张孝祥：过兴安呈张仲钦，《于湖居士文集》卷5，四部丛刊本，第48页。
    ⑤元•王祯：《农书》卷19，万有文库本，第421页。
    ⑥，⑦  元•王祯：《农书》卷18，万有文库本，    375页。

图4-84 不同动力驱动的龙骨水车
（引自明•宋应星《天工开物》）
 
图4-86 高转筒车
（引自（明）徐光启《农政全书》）

    (4)水转高车：

    这是一种可以垂直或接近垂直提水的机械，王祯说“(水转高车的制作)此诚秘术，今表暴之，以谕来者。”据干祯的记载可以推想它的形制：“但于下轮轴端别作竖轮，傍用卧轮拨之。”①主动轮在下端，水流冲动卧轮，卧轮拨动竖轮(传动轮)。王祯又说其构造与“水转翻车无异”。水转高车在元大都(今北京)有使用的记载，“今都城已有高车，用水飞上楼阁，散若雾雨，颇闻费力”②，是用作屋顶降温的一种设备。

    3．风力水车

    明清出现厂风力水车的记载。风力水车的动力装置是风帆，工作机的构造与龙骨水车相同(图4—87)。明•宋应星《天工开物》：“扬郡以风帆数扇，俟风转车，风息则止，此车为救潦，欲去泽水，以便栽种。”③这类提水机械用于太湖流域排水，有风就转且可经常工作。清代长芦利用风力水车提取海水制盐，一具风帆可带动两部水车。

    ①，②  元•手桢：《农书》卷18，万有文库本，第375页。
    ③  明•宋应星：《天工开物•乃粒》卷上，商务书馆，1954年，第5页。

图　4-87风力水车