元上都鐵幡竿渠水利考古

摘 要：元上都是元早期都城，由劉秉忠主持建造。城北是龍崗山，夏秋季節(jié)降水集中，易形成山洪，導致北關(guān)廂和西關(guān)廂受災嚴重，后經(jīng)由郭守敬設(shè)計并建造鐵幡竿渠，解決了由龍崗帶來的水患問題。本文將對鐵幡竿渠的作用原理進行分析，以此來研究元代水利工程的建造，并為研究元代之后的水利工程提供參考。阿

關(guān)鍵詞：元上都；鐵幡竿渠；水利考古

中圖分類號：K878" 文獻標識碼：A" 文章編號：1673-2596（2024）08-0021-05

元上都是元朝第一座都城，由劉秉忠設(shè)計并督辦建造，此后沿用數(shù)百年，1358年紅巾軍攻占上都城，便不再作為都城使用。元上都由于其特殊的地理環(huán)境，城內(nèi)外設(shè)施保存狀況良好。鐵幡竿渠遺址位于上都城西北部，起點在哈登臺敖包與北面山體之間，綿延數(shù)千米，直至灤河上游的閃電河。其由攔河大壩、渠道組成。鐵幡竿渠對當時元上都的防汛工作起了重要作用，使得自龍崗傾瀉下的水流由大壩攔截，再由渠道導向流入上都河，完美解決了上都洪水泛濫問題。本文參考《正藍旗元上都遺址文物勘探報告》對其功能進行分析，以探尋元代水利工程的具體情況和發(fā)展。

一、元上都鐵幡竿渠簡介

元上都是劉秉忠于1256年建造，初期命名為開平。到1263年，忽必烈稱大汗三年后，將開平更名為大都。在忽必烈統(tǒng)一中原后，上都與大都共同作為首都，稱為“夏都”。每年四到九月，皇帝都要來此避暑、狩獵，并會同文武百官在此處理朝政。上都在此時熱鬧非凡，吸引了世界各地的使節(jié)和旅游者。據(jù)《馬可波羅行記》，馬可波羅覲見忽必烈就是在上都。

元上都位于上都河濕地北側(cè)的金蓮川草原上，由于城北的龍崗山地勢較高，城址處于地勢較低的位置，導致城北經(jīng)常受洪澇災害影響。在城市建設(shè)初期，在外墻北側(cè)曾立一鐵幡竿用于鎮(zhèn)水。據(jù)《元史·列傳第五十一·郭守敬傳》記載：“大德二年，招守敬至上都，議開鐵幡竿渠，守敬奏‘山水頻年暴下，非大為渠堰，廣五七十步不可。’執(zhí)政吝其公費，以其言為過，縮其功三分之一。明年大雨，山水注下，渠不能容，漂沒人畜廬帳，幾犯行殿。”可見北面由于龍崗傾瀉而下的雨水導致北關(guān)廂甚至外城北苑經(jīng)常發(fā)生水災，鐵幡竿渠由此修建。同時，鐵幡竿渠在第一次修建時并未達到郭守敬設(shè)想效果，第二年就發(fā)生嚴重洪澇災害，來自龍崗的水傾斜而下，淹沒北關(guān)廂、西關(guān)廂居民，甚至一度淹到行宮，后成宗命人按郭守敬的進言進行重新修筑，才將水患治理好，自此上都再未有過洪澇災害的記錄[1]。

二、鐵幡竿渠工作原理模型搭建及水力計算和分析

（一）鐵幡竿渠勘測簡介

根據(jù)《元史》記載，第二次修筑時，將第一道攔河大壩作為備用，在其基礎(chǔ)上加高加寬，立于其之北，并拓寬河道，使得從龍崗傾瀉而下之水，順利從渠道中流過，使其不淹沒兩側(cè)居民。根據(jù)對鐵幡竿渠的地面調(diào)查，遺址起點位于上都城的北部山腳處，蜿蜒約數(shù)十里直到注入閃電河內(nèi)。

鐵幡竿渠的起點是在位于上都城外兩公里處的哈登臺敖包山和北面山體之間，中間有一條一公里的山口，攔河大壩就矗立在此處，此處存有兩道攔河大壩以及水流多年沖刷所留下的痕跡，繼續(xù)向南走，可以觀察到渠道走向及水常年沖刷產(chǎn)生的痕跡[2]。

經(jīng)勘測，哈登臺敖包山腳下至東北方山體之間的攔河大壩，長為1064m，底寬5.2—5.8m，存高2—3.5m。大壩兩側(cè)包鑄石塊，墻體向上斜收，厚度約為0.6m，外側(cè)石墻涂抹白灰漿，內(nèi)側(cè)石墻涂抹紅膠泥漿。石墻內(nèi)夯筑黃褐色土，夯層約8—10cm厚。攔河大壩東北55m處有一寬約68m的溢洪口，其兩端均包砌石塊（圖一）[2]。

在溢洪口東北側(cè)28m，有一處東北—西北向的泄洪渠與攔河大壩連接，泄洪渠略成內(nèi)弧形折向，東北方渠道在上都外城距離西門450m處又折向，在西關(guān)大街北側(cè)處折向正南流入閃電河。泄洪渠用土夯筑，西側(cè)大部分緊貼山腳。渠道寬約50m，土壩底寬約23m，頂寬4m，存高約5—6m左右，全長近6km。在進入閃電河之前約100m處，有一處疑似河水改道的痕跡，渠道向西南岔出，長約200m（圖二）[2]。

在石砌的攔洪大壩的東北端與山體接口處，有一處斜60°大壩，推測應為攔截北面山體流下的雨水而修筑的，上述兩大壩連接處形成120°的夾角。同時，在攔洪大壩內(nèi)側(cè)亦堆筑有一條寬約30m的外弧型渠道，兩側(cè)比中間略高，存高約1.5—2m。這條寬大的土攏西南部分呈弧形與泄洪渠相連，東北部分與兩個攔洪壩的夾角處相連。其與攔洪壩之間的地段地勢比較低，深3—4m。兩者中間最近處57m，臨近泄洪口為112m[2]。

河道淤土地層堆積情況：第①層，淺灰黃色土，深厚0.5—1.3m。土質(zhì)松散，含沙量稍大，稍干燥。內(nèi)含有較多植物根莖。第②層，灰黑色淤土，深0.5—2.5m，厚1.5—2m。土質(zhì)濕軟，細膩，較粘，有時含沙量稍大，有時不含沙。內(nèi)含有少量植物根莖類腐朽物、白釉瓷片、白釉鐵銹紋瓷片、醬釉瓷片、銅錢殘件等。2.5mm深見水后停探。在第②層下，個別探孔內(nèi)見第③層淺黃色沙質(zhì)土堆積，土質(zhì)稍硬，密實。內(nèi)含有較多鐵銹斑水銹紋。

河道外地層堆積情況：第①層，淺灰黃色土，深厚1.2m左右。土質(zhì)松散，含沙量稍大，稍干燥。內(nèi)含有較多植物根莖。第②層，深灰褐色土（俗稱草鐵土），深1.2—1.6m，厚0.3—0.4m。土質(zhì)較硬，有顆粒狀層次感。內(nèi)含有鐵銹斑水銹紋和微量黑炭渣點。第③層，灰黑色土，深1.2—2.5m，厚1.3m左右。土質(zhì)松軟，較凈。第④層，淺黃色青沙層，深2.5m左右見。土質(zhì)稍硬，密實。內(nèi)含有較多鐵銹斑水銹紋。

外城北苑F2、F3：

F2位于外城北苑中北部，北距外城北苑北城墻48m。平面呈長方形，東西長14米，南北寬12米。房基夯土結(jié)構(gòu)，開口于①層下，距地表深0.25—0.4m見，夯土厚0.4m。房址內(nèi)：第①層，淺黃色地表土，深厚0.25m。土質(zhì)松散，較干燥。內(nèi)含植物根系等。該層下見房基夯土。第②層，淺灰黃色夯土層，深0.25—0.65m，厚0.4m。土質(zhì)干燥，堅硬。內(nèi)含淺灰、淺黃色沙土層。該層下見灰白色沙質(zhì)生土層。房址外：第①層，淺黃色地表土，深厚0.4m。土質(zhì)松散。內(nèi)含植物根系等。該層下見灰白色沙質(zhì)生土層。

F3位于外城北苑中北部，北距外城北苑北城墻40m，西距F3房址14m。平面呈長方形，東西長15m，南北寬12m。房基夯土構(gòu)筑，開口于①層下，距地表深0.25m見，至0.65m盡，夯土厚0.4m。房址內(nèi)：第①層，淺黃色地表層，深厚0.25m。土質(zhì)干燥，松散。內(nèi)含植物根系。該層下房基夯土。第②層，淺灰黃色夯土層，深0.25—0.65m，厚0.4m。土質(zhì)較硬。內(nèi)含淺灰、淺黃色沙土層。該層下見灰白色沙質(zhì)生土層。

（二）攔河大壩工作原理模型搭建及分析

因龍崗山的地形問題，從龍崗山上流下的水匯集到一起，到達山底時水流產(chǎn)生巨大的動能和速度撞擊攔河大壩。在水流撞擊攔河大壩的同時，形成水花，水會卷到上方再沉下。在這時，就算是攔河大壩足夠高，也會使得一些水越過攔河大壩進入內(nèi)側(cè)，這也許就是增加大壩內(nèi)側(cè)外弧形渠道的原因。這時，水流產(chǎn)生的動能自此全部傳遞到攔河大壩上，此時水流的速度變?yōu)?（圖三）。攔河大壩外側(cè)是由石塊砌筑的，石塊內(nèi)有著很多孔隙，也可以更好地分散掉水流傳遞給大壩的能量，延長大壩使用時間，同時攔河大壩并非筆直，這可以減緩大壩上自東向西的水流速度。

攔河大壩內(nèi)側(cè)有一外弧型渠道，應該起攔截和引流作用，如果有水流越過攔河大壩，流入內(nèi)側(cè)，此處可作為備用渠道。它有兩個作用，其一攔截洪水流入北關(guān)廂內(nèi)，其二是將流入內(nèi)側(cè)的水引回主渠道內(nèi)。北關(guān)廂在外城北墻外，從航拍圖中可知，其北為龍崗山，臨近北關(guān)廂則為兩條攔河大壩和備用渠道。其中，東半部由于早年被開墾為農(nóng)田，無法確定建筑遺址原貌；西部則地勢開闊，與西關(guān)廂北部相連，有較多的建筑遺跡在調(diào)查中被發(fā)現(xiàn)，在北關(guān)廂中部處存有兩個特大型院落，院內(nèi)均有百余間房址遺跡，且成排分布，應是當時駐軍的兵營[3]。并且從史書記載可知，北關(guān)廂為駐兵之地，其對整個上都城的防御起著至關(guān)重要的作用。同時根據(jù)元史記載，上都城有過暴雨記載，且根據(jù)外城北苑F2、F3房址的勘探可知，在房址第②層建筑基址內(nèi)有著混入其中的松散沙土，由此可知，因暴雨連綿，第一年修筑的攔河大壩因高度問題應該有決堤現(xiàn)象，并且多余的水并泥沙已經(jīng)越過北關(guān)廂流入外城北苑，這也符合書中記載的洪水幾犯行殿。從兩座攔河大壩和備用渠道的分布情況可以得出：第一次修筑時，并無引流渠道。重新整修后，加入此渠道，雖史書中并無關(guān)于此渠道的記載，這條渠道的存在應為保證上都安全設(shè)置的另一重保險，主要是為了保障北關(guān)廂以及外城北苑的安全問題。

而后，流到攔河大壩的水流因地勢的原因，向著泄洪渠方向開始匯集，同時根據(jù)攔河大壩的修筑情況來看，水流不光來自龍崗山上，從北面山體沖刷而下的雨水也會向著泄洪渠方向開始匯集，其中也有一部分會沿著東北方向的與大壩成120°夾角的小攔河壩向東北方向流走。從遺址排布可知，第一道攔河大壩與備用渠道很近，可見其在第二年后便不再被使用，所以可以僅對北側(cè)修筑的攔河大壩上水流進行分析（圖四）。

（三）渠道工作原理模型搭建及分析

史書中記載，郭守敬估算渠道寬約為五七十步，一開始修筑時，執(zhí)政不以為意，縮其功三分之一，按照宋尺0.8m一步進行計算，一開始修筑時，應寬為27—37m，重修后寬為40—56m。在進行勘測時，測量部分的寬度約為40—50m，觀察航拍圖可得最寬的部分也不會超過50m。泄洪渠入口處寬度為68m，進入渠道后寬度變?yōu)?0m，此處為一引流作用。沿攔河大壩的水流因為地勢原因，匯集到底端，再經(jīng)過拐角才會流入渠道內(nèi)，此處拐角大大地降低了從大壩上流入渠內(nèi)的水流速度，同時也會有水流直接從山上流進入渠口內(nèi)，當暴雨時渠道內(nèi)充滿水時亦是如此，渠內(nèi)水流由兩股匯聚而成，并且兩者之間會相互擾動（圖五）。

渠道內(nèi)外均有風積土堆積，這說明鐵幡竿渠已經(jīng)很長時間不再使用，其位置在山坡之下且處于風口中間，所以風積土堆積要比上都城其他地方要高。根據(jù)渠道附近的土層覆蓋進行分析，渠內(nèi)風積土厚度約為0.3—1.2m，渠外厚度約為1.3m，渠道寬度足夠大，因此可以將渠道內(nèi)外土層視為均勻堆積，渠道的截面圖如圖六所示，其為一梯形流動面（圖六）。

經(jīng)測南苑和北苑的高差約為5m，據(jù)上都航拍圖可知，鐵幡竿渠長度長于上都城可知其南北高差大于5m，因城北到城南鐵幡竿渠整個長度約為6km，雖然南北跨度很大，仍可以將鐵幡竿渠流動面近似于平面，因此可以近似將渠內(nèi)水流動看作是明渠內(nèi)水平層流，在理想狀態(tài)下，渠道內(nèi)的流動是恒定均勻流（圖七）。

勘測渠道寬度是50m左右，與史書中記載數(shù)值近似，所以第一次挖的渠道大概在33m左右。史書記載，渠不能容所以決堤，按照33m進行計算，水流未流到蓄水池時就已經(jīng)決堤，所以所容水量一定超過了前半段渠道每米可容水量的最大值，渠道為梯形，所以每米容水量為：

V＝（上底+下底）×高÷2×1

＝（71+33）*5.5÷2*1

＝286m3/m

再擴修到50m時，并未發(fā)現(xiàn)記載有再次決堤現(xiàn)象，所以在此時擴建的渠道一定可以容納暴雨帶來的巨大洪水水量最大值：

V＝（上底+下底）×高÷2×1

＝（88+50）*5.5÷2*1

＝379.5m3/m

所以，當時的渠內(nèi)前半段水量在渠內(nèi)每米極值一定要比286m3大，而比379.5m3小。可推測得出郭守敬在修筑渠道時，一定是根據(jù)未修渠道時水流淹沒北關(guān)廂以及外城北苑的面積進行計算，以保證渠內(nèi)可容納水量大于雨水豐沛時龍崗山帶來的最大洪水量。史書中并無記載具體水量為多少，所以只能簡單確定前半段渠道內(nèi)的最大水量不大于379.5m3/m。

當水流動到外城城外西北側(cè)時，有一個天然的蓄水池，此處應不是人工挖出的，推測是修筑者組織工人挖通渠道時，借用天然地形和地勢，將其作為一個天然緩沖水池，水流經(jīng)此處后得以緩沖，然后再從其內(nèi)流向另一側(cè)渠道內(nèi)。此地一可起緩沖作用，二也可以解決西關(guān)廂部分用水的問題。蓄水池面積約為0.49km2，因為其面積足夠大，就算是暴雨來襲，積水亦不能充滿整個蓄水池，但在水流達到一定程度時，可以將水從渠道內(nèi)流入蓄水池視作一個突擴（圖八），此時水如同開閘泄水，如沒有這個天然蓄水池，水流就會以極快的速度繼續(xù)向下流，直到匯入閃電河，這樣可能會帶來巨大的能量波動，導致閃電河內(nèi)水流發(fā)生波動進而影響兩側(cè)居民正常生產(chǎn)生活，此蓄水池為上都城的安全做出了極大的貢獻。

在西關(guān)廂附近，經(jīng)勘測發(fā)現(xiàn)西關(guān)廂有很多遺址內(nèi)都有水痕，而在元上都西關(guān)附近，并未發(fā)現(xiàn)其他可以取水的地點，因此可知此處水源并不來自其他地點。按照古人物盡其用的想法，大概率上在夏秋兩季雨水充沛的季節(jié)，居住在西關(guān)廂的人口會在此取水來做生活之用，同時，現(xiàn)在因龍崗附近有人居住，所以在山上修建了排水工程，使得現(xiàn)在并無積水排往山下。鐵幡竿渠內(nèi)現(xiàn)已經(jīng)處于常年干涸狀態(tài)，導致目前上都城內(nèi)水源僅為閃電河一處，其余地點均未發(fā)現(xiàn)有水流動的痕跡，因此，元朝時西關(guān)廂用水大概率來自此蓄水池內(nèi)，在此處取水免去了在閃電河取水的費時費力。

在一般情況下，水流流動時需要遵循能量流動最低原理，流入蓄水池內(nèi)的水在水量有限時很有可能會直接流入下一個入渠口，并不會向著蓄水池內(nèi)其他地方流動。在此之時，水流因為蓄水池的作用也會十分緩慢地流入下一個入渠口，并且水流不會再充滿整個渠道，后半段僅作為引流作用，將積在蓄水池內(nèi)過量的水排出，避免淤積。

根據(jù)勘測報告以及航拍圖，在西關(guān)廂南部，進入閃電河之前約100m處，有一處疑似河水改道的痕跡，渠道向西南方向岔出，其長約200m，根據(jù)水流的流向可以推測出，如果沒有這個轉(zhuǎn)彎，水會流到西側(cè)外城墻附近，其會對城墻造成一定的侵蝕，時間長也會導致地基下沉，進而導致城墻倒塌。同時，當水流很大時也可能直接對外城墻造成一定破壞，所以此處應是人為將渠道進行改道。在此處轉(zhuǎn)彎，也會進一步使得水流速度下降，使其匯入閃電河后，不至于引起很大的能量變化，導致閃電河內(nèi)發(fā)生異動。

三、總結(jié)

鐵幡竿渠作為元上都重要的水利工程，其在保衛(wèi)上都城的安全方面作出了重要貢獻。從攔河大壩到渠道再到注入閃電河，修筑者依靠地形關(guān)系，依山而建，雖在建設(shè)之初出現(xiàn)不少問題，但在其成功修建后，鐵幡竿渠已經(jīng)成為上都城的一部分，其建設(shè)和使用完全遵從古人的“天人合一”“人與自然共生”的理念，雖然有著簡單的原理以及簡單的構(gòu)造，但其在解決水患的問題上有著突出的貢獻。同時它的構(gòu)造簡單也為其后期的保養(yǎng)和修復帶來了極大的便利，其中每一段都可以單獨進行維修，避免了因一段的問題重新全部整修。針對鐵幡竿渠的水利考古研究，對元代水利工程的研究有著重要的現(xiàn)實依據(jù)，同時，這也對明清兩代的水利工程研究有著啟發(fā)意義。

現(xiàn)代的許多工程多半會推倒當?shù)氐脑械匦蔚孛策M行建設(shè)，這樣大大破壞了當?shù)卦酗L貌，嚴重時可能導致當?shù)刈匀画h(huán)境的改變，元代水利工程的研究啟示后人，保持天人合一的思想，借助自然的力量來解決人與自然之間的矛盾是一種很好的方法，這也與習近平總書記的“努力建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”的思想不謀而合。

參考文獻：

〔1〕[明]宋濂撰，中華書局編輯部編.元史[M].北京：中華書局，1976：3852.

〔2〕內(nèi)蒙古自治區(qū)文物局.元上都遺址申報世界文化遺產(chǎn)提名文件[M].北京：文物出版社，2019：91-94.

〔3〕聞德蓀主編.工程流體力學 水力學（下）[M].北京：高等教育出版社，2010.

（責任編輯 賽漢其其格）

Water Conservancy Archaeology of Tiefangan Canal in Xanadu

of Yuan Dynasty

WANG Xinyue1， SUN Guojun2

（School of History and Culture， Chifeng University， Chifeng 024000， China）

Abstract： Xanadu was an early capital city of the Yuan Dynasty， built under the leadership of Liu Bingzhong. In the early stages， frequent floods caused severe damage to Beiguanxiang and Xiguanxiang. Later， through Guo Shoujing's design and construction of the iron sail pole canal， the problem of floods caused by passing through Longgang was solved. This article will analyze the working principle of Tiefangan Canal to study the construction of water conservancy projects in the Yuan Dynasty， and provide a reference for studying water conservancy projects after the Yuan Dynasty.

Keywords： Xanandu； Tiefanggan Canal； Water Conservancy Archeology