古代坎兒井測量方法初步探究

依提卡爾.阿不都沙拉木 熱依汗.依不拉依木

摘 要 坎兒井是一項古老的地下水水利工程設施和人類寶貴的文化遺產。多年來，專家學者從歷史文化，起源與傳播，生態環境，經濟價值，自然地理等方面進行了較多的研究，但是對坎兒井工程技術方面的研究很少， 本文通過文獻資料法、訪談法、實地調查法等對吐魯番坎兒井工程進行了工程測量技術方面的研究，總結了古代吐魯番坎兒井工程高差測量原理和測量方法，這對于豐富和完善坎兒井研究，以及對坎兒井起源與傳播學說研究，都具有十分重要的學術價值。

關鍵詞 高差 坎兒井 古代測量

中圖分類號：S277.2 文獻標識碼：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 新疆坎兒井現在的基本概況

坎兒井作為一種古老的水利工程設施，歷史以來，為發展新疆戈壁綠洲農業發揮了重要作用，具有很多優點。但隨著生產力的發展及科學技術水平的提高，坎兒井自身也顯現出一些缺點，古老的坎兒井正面臨衰退之勢。為了摸清目前新疆坎兒井的基本情況，新疆維吾爾自治區坎兒井研究會從2002年起，用了兩年多的時間對整個新疆范圍內的坎兒井進行了普查，公布了普查結果（2004年底）。統計顯示，坎兒井的數量已由上世紀50年代的1784條減少到現在的614條。至今909條坎兒井已干涸，261條坎兒井己消失，共計減少坎兒井1170條。在這1170條坎兒井中，不可恢復、報廢的坎兒井有963條，尚可恢復的坎兒井有207條。從統計數據來計算，新疆坎兒井平均每年減少23條。

以新疆坎兒井數量最多的吐魯番地區來看，1950年，這里有耕地24萬畝，現在耕地120萬畝。近10年來，由于人口增加和農業灌溉用水量增大，僅靠坎兒井供水己遠遠不能滿足需要，只能打機井抽取地下水。目前，吐魯番盆地的機井數目超過了9000眼，大量的抽取地下水進行農業灌溉使得地下水位持續降低，顯然，深度通常只有2米的坎兒井無法蓄積地下水變成為干枯的井渠。普查表明，吐魯番地區坎兒井最多時曾達到過1237條，現在只剩下404條。10年前，吐魯番地區農田灌溉主要依靠坎兒井，但現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說

關于坎兒井究竟起源于何時何地考古界與學術界眾說紛紜，歸納總結近年來的研討結論，主要有以下三種觀點：

2.1 本土自創說

新疆水利廳坎兒井研究小組經過長期研究認為：新疆的坎兒井是2600 年前，新疆各族勞動人民為了發展生產，在與干旱作斗爭的過程中，在挖陰溝、掏泉等開發利用地下水和生產實踐中不斷總結提高，逐步創造出來的。

2.2 漢代關中井渠傳入說

認為“井渠”即坎兒井，由陜西經敦煌傳到白龍堆，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代“屯墾”、“戍邊”，大量內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了中原鑿井術，他們和當時的各族勞動人民在與大自然作斗爭的過程中，將這種技術加以改良和完善，并根據當地獨特的自然地理環境，繼而開創了吐魯番的井渠，后來又幾經改進，終于挖出了較完善的坎兒井。

2.3 波斯（今伊朗）傳入說

最先提出新疆坎兒井自古代波斯傳入的是美國人文地理學家亨廷頓，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。

3 坎兒井工程結構

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，依次溝通豎井進行引水下流。坎兒井是不需任何動力將山前地下水自流引出地表的一項古老的水利工程設施。坎兒井主要由豎井、暗渠、明渠、澇壩等四部分組成。豎井是開挖或清理暗渠時供施工與維修人員開挖運送土方的通道，也是通風口。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，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到一定高度時利用勢能進行農田灌溉以及調配坎兒井水量，使坎兒井水得到充分利用。一條坎兒井的長度一般為3～5 公里， 最長的超過10 公里以上，最短也有數百米。坎兒井結構詳圖見圖1。

圖1 坎兒井工程結構示意圖

4 坎兒井選線及母井位置的確定

坎兒井是一項系統工程，從坎兒井工程勘探到施工需要進行踏勘選線、出水口位置的確定、母井位置的確定、貫通測量等工作。勘探選線階段，首先由知識淵博的坎兒井匠人根據土壤濕度、地形地貌、植被情況來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A處進行挖掘直到挖出地下水，量取母井位置A點到地下水位的水深，然后用高差測量的方法測出出水口位置B點與母井位置A點之間的高差，最后進行母井水深與AB兩點間的高差之間的比較（參見圖1）。比較的結果如果>，出水口位置和母井位置基本確定，可以進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出水。這是具有豐富知識的匠人向上游或向地下水位較高的方向進行母井位置的調整工作，調整到>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行豎井開挖深度的測量工作。

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數學當中幾何學矩形原理可以得出。

= + ′ （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，根據圖4按幾何學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 古代坎兒井的測量方法

無論是坎兒井工程勘探階段還是豎井開挖深度確定階段，都需要進行高差測量，特別是坎兒井的勘探以及施工當中都要進行測量工作，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行高差測量等工作。所以，探討研究古代坎兒井勘探測量技術，對全面了解和解釋古代坎兒井工程勘探技術具有重要的意義。

6.1 水面法

水面法的基本原理和現代水準測量原理相同，如圖3利用一個三腳架上放一個平板，上面再放一個水盆帶水，這是盆子里的水面給我們提供水平視線，兩邊不遠處放兩個木桿，木桿約長3～4米，通過水面提供的水平視線，在木桿水平線高度所對應的位置上做標記畫黑線或者系紅色帶子，測出兩木桿標記處的高度，取差值，即是兩點的高差。

高差=后視讀數前視讀數

B點的高差： = ；

圖3 水準儀

6.2 等邊三角形法

如圖4是利用重力對物體作用與等邊三角形的特點簡便的實用方法是：找一個三邊一樣長的板子利用細繩來綁它兩個頂點，綁繩子的那邊中間點上在幫一個細繩掛著一個石頭什么的，然后把繩子一拉調兩邊高低，中間掛的細繩恰恰來到等邊三角形的另一個頂點式，測兩邊繩子的高低a與b，計算a和b之間的高差。

圖4 水準儀

以上兩種測量儀器是當時人們所使用的水準儀。用它們進行測量又方便又準確（圖3，圖4）。

7 坎兒井的高差調整

據所集的資料與查問，很多坎兒井師匠說明他們以前解決坎兒井高差調整時簡便地利用坎兒井里面的水來調整坎兒井的高差。主要方法如下：（1）水流：如果水流的速度太高了，說明這里的高差分得太高了，也可以說斜率太明顯了，坎兒井里斜率太高的話，水流速會太高就容易發生倒塌問題。如果水流的速度太慢了就說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定水深（一般框子高度30～40cm）。如果筐子在水里沉下去了說明這里高差高度比較低，如果筐子在水里根本沒有沉下去是說明這里高差高度較高。師匠們就這種方式來調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際挖掘坎兒井時所有出現的高差問題和一些安全問題。

8 結論

在坎兒井工程勘探測量技術研究當中，幾何學和測量學是非常重要的。特別是長距離坎兒井的勘探和施工中，如果高差測量不準，母井、地下水位與出水口的位置就很難確定，同時豎井的深度也會出現誤差，最終暗渠的貫通也會偏離，影響井下通水。所以，坎兒井的勘探工程技術中最重要的環節就是坎兒井工程勘探測量方法的確定。而坎兒井工程勘探測量主要包括測量母井位置和豎井深度。

參考文獻

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