观天治水功垂千秋——纪念元代杰出科学家郭守敬逝世700周年

卞毓麟

上海科技教育出版社，上海 200235

观天治水功垂千秋
——纪念元代杰出科学家郭守敬逝世700周年

卞毓麟†

上海科技教育出版社，上海 200235

中国历史上元帝国全盛时期的疆域超越了汉唐，杰出的天文学家、水利专家和仪器制造家郭守敬就生活在那个时代。本文简介、评述了郭守敬取得的巨大科技成就及其深远影响。

郭守敬；天文仪器；天文观测；水利工程；大地测量；历法

1 从汤若望之赞说起

明末，著名耶稣会士汤若望于1622年来华。当他获悉郭守敬的伟大天文成就时，便情不自禁地夸奖郭公真是“中国的第谷啊”！对欧洲人而言，这确实一种至美的赞誉。丹麦人第谷·布拉赫(1546—1601)13岁入哥本哈根大学，16岁入莱比锡大学，17岁开始天文研究，他创制的许多大型天文仪器，在望远镜发明之前堪称登峰造极。他从事天文观测20余年，精度冠绝当世。

郭守敬，字若思，1231年出生在邢州邢台县(今河北省邢台市) (图1)。生活的时代要比第谷早300年。他的祖父郭荣学识广博，郭守敬从小深受其影响，读书用心，很早就显示出对科学的兴趣和才能。昔日北宋学者燕肃(961—1040)曾发明一种计时仪器“莲花漏”(图2)，在中国古代漏刻史上占有重要地位。它首次采用漫流式系统，从而基本解决了水位变化对漏壶流量的影响。莲花漏的结构和制作工艺复杂且已失传，约1246年，16岁的郭守敬得到一幅燕肃莲花漏的拓片，竟然就能依图阐明它的工作原理。

1247年，郭守敬跟随祖父的朋友刘秉忠、张文谦等饱学之士在邢西紫金山(今河北省武安县东)读书，为日后致力于科学事业奠定了良好的基础。当时一同就学的还有一位数学才华突出的少年王恂。

1260年，成吉思汗之孙孛儿只斤忽必烈登上蒙古大汗宝座，1271年定国号为“元”。忽必烈就是声名显赫的元始祖。刘秉忠、张文谦等人在元朝为官，颇受皇帝信任。忽必烈采纳张文谦的建议，委派良吏张耕、刘肃前往治理邢州，以期做出榜样供各地借鉴。张、刘到邢台后，即着手规划整治水道。邢台城北有三条河：野狐泉、达活泉和潦水，原先的堤堰已被冲溃，达活泉上的石桥也因淤泥淹没而不复可见。张刘二人邀请年仅20岁的郭守敬为疏浚河道和修建新石桥出谋划策。郭守敬详细测量地形，查清水势，分划沟渠，核算工时，将三条水分别沿各自的河道引向下游，并指点人们架桥，填补好堤堰决口。此项工程仅用400余人干了40天即顺利完成，当时的大文学家元好问写了一篇《邢州新石桥记》，述及“里人郭生立准计工”，“郭生”便是郭守敬。

图1 邢台市郭守敬纪念馆的铜像

图2 北宋燕肃莲花漏示意图

设若汤若望先知道了郭守敬的毕生伟绩，后来才知晓晚于郭公300年的第谷，他是否会将后者誉为“丹麦的郭守敬”呢？笔者自信，这是很合乎逻辑的推论。

2 整修西夏古河渠

忽必烈执政之初定都中都(今北京)，见附近河渠水道遭到战争严重破坏，便决定召集专家兴修水利，张文谦遂向皇帝力荐郭守敬。1262年(中统三年)，忽必烈在上都开平(今内蒙古自治区多伦附近)召见郭守敬。31岁的郭守敬初觐皇上，便面陈六条水利工程建议。

第一条建议是修复从中都到通州(今北京市通州区)的漕运河。后来忽必烈于1267年(至元四年)开始兴建新的帝都，历时20余载始成，称为“大都”，任官职者和富有者优先迁入，大量平民仍留居中都旧城。第二条和第三条建议主要是为家乡考虑如何修渠最利于农田灌溉等事宜。第四条关系到磁州(今河北省磁县)、邯郸一带的水利建设。若在磁州东北滏水和漳水合流处引一支水通往澧河，则沿途可以灌溉3 000多顷田地。第五和第六条事关合理利用中原地带的沁河河水，以及黄河北岸的水道建设。郭守敬认为，怀州(今河南省沁阳市)、孟州(今河南省孟州市)一带的沁河有漏堰的余水，若使它与丹河的余水相合，向东引流注入御河(今卫河，在山东省临清与大运河合流)，则沿途又可溉田2 000多顷。另外，在孟州西面修一条水渠，引黄河水从新旧孟州城之间流过，直至温县南重新流入黄河，也可溉田2 000多顷。忽必烈对此十分赞赏，随即任命郭守敬为“提举诸路河渠”，掌管各地河渠整修和管理，1263年(中统四年)又擢升郭守敬为“银符河渠副使”。

1264年(至元元年)，忽必烈计划修复原西夏黄河河套平原的河渠。其中最大的两条旧渠名叫“汉延”“唐来”(亦作“唐徕”)，位于今宁夏银川市一带。汉延渠长约250里，唐来渠长约400里。此外黄河两岸许许多多较小的河渠，大多也由于战争废淤了。张文谦和郭守敬承担了整修西夏古河渠的任务。郭守敬提出了因旧谋新的方案，以原河渠故道为基础疏通、修理、更新。历时3年，除唐来、汉延外，还有10条长度不下200里的正渠，和68条大小支渠变得畅通无阻，总共可溉田“九万余顷”。此后几百年间，汉延、唐来两条大渠多次重修，基本上还是采取郭守敬的策略。

1271年，郭守敬被任命为都水监。1274年忽必烈大举伐宋，为便于前后方联络，决定除原有的陆路驿站外，再另设水路驿站。郭守敬受命前往今河北、山东、江苏一带考察，绘制了水陆交通网图呈报忽必烈。事成，在华北平原和黄淮平原上，就开始有了用船只运送官员和文书的“水驿”。

“工部”是元政府管理全国营造、工程修建等的官府。1276年都水监并入工部，郭守敬被任命为“工部郎中”。他在都水监和工部任内进行了黄河中游的地形测量，以及从京师到汴梁(今河南开封)沿途的水平高度测量等。长期的实践使郭守敬深感应确定一个衡量各处地势差异的统一标准。最后，他以大都东边的海平面为基准，将大都到汴梁沿线各地的水平高度与海平面逐一比较，得知汴梁的水离海较“远”，因而流速峻急；京师的水离海较“近”，所以流速徐缓。离海“远”“近”的概念，与今人所说的“海拔”相当。因此在大地测量方面，郭守敬首创“海拔”概念在世上拔了头筹。

3 修订历法的序幕

自古以来，人们就利用昼夜交替、月亮圆缺、四季更迭等自然现象，作为计量时间的依据。地球自转一周为一“日”，它是昼夜交替的周期。地球绕太阳公转一周称为一“回归年”，也常简称为年，是四季更迭的周期，时间长度为365.242 2日。月亮圆缺变化的周期称为“朔望月”，长度等于29.530 6日。年和月的实际长度均非日的整数倍，这就给计时造成了麻烦。历法就是借助年、月、日三种不同的单位，既准确又方便地安排计量时间的方法。历法中的年和月称为“历年”和“历月”，它们总是日的整数倍，如1年12个月，1个月30天等。

根据地球公转运动制订的历法叫做“阳历”，公历就是一种阳历，1年有12个月，每月各有特定的天数。以月亮绕地球的运动为基础制订的历法叫“阴历”。阴历通常也是1年12个月，月的长度与朔望月的长度很接近，1年便只有354或355天，同回归年的长度相去甚远，因而不能反映季节变化。中国自古以来长期使用的历法，可一直上溯到夏朝，现代常称之为“农历”。它使用阴历的历月，大月30天、小月29天。为使历年的平均长度尽可能接近回归年的长度，平均每过两年多的时间，就在一年之中添加一个“闰月”。凡有闰月的年份称为“闰年”，有13个月。无闰月的年份称为“平年”，只有12个月。农历兼顾阴历和阳历的特点，因此是一种“阴阳历”。

中国古代历法的内容丰富，包括推算日月的位置和运动，编制每年的日历，预推水、金、火、木、土五星的位置，预报日月食等。但是，一种历法用久了误差就会累积起来，这时就必须制订新的历法了。历法的不断发展，正是中国古代天文学发展的一条主线。

1276年忽必烈见天下大势已定，便决定制定新历法，下令设立了掌管天文历法的中央官署“太史局”，由张文谦和张易领导，具体工作由王恂负责，并将45岁的郭守敬从工部调到太史局，负责制造天文仪器和进行天文观测。郭守敬随即向忽必烈建议，制订新历之前应该进行一次很大规模的天文观测；但大都城里的天文仪器太陈旧，要搞好观测就必须设计制造一批高水平的新仪器。他拿着新仪表的图样，向忽必烈详述它们的功用，其计划当即获得批准。1279年，忽必烈改太史局为太史院，任命王恂为太史令，郭守敬为同知太史院事。

4 创新成批天文仪器

郭守敬创制的天文仪器多达二十余种：简仪、高表、候极仪、浑天象、玲珑仪、仰仪、立运仪、证理仪、景符、窥几、日月食仪、星晷定时仪等，为便于赴各地观测携带，又创制了正方案、丸表、悬正仪和座正仪等。此外，还制作了可与仪表相互参考使用的仰规覆矩图、异方浑盖图、日出入永短图等。

古代天文学家从前用来测量天体位置的首要仪器是“浑仪”(亦称浑天仪)(图3)，其基本形状是个浑圆的大球，圆球里是一层套一层的圆环，有些环可以转动。在层层圆环中间有一根细长的窥管。将窥管瞄准所观测的目标星，即可借助诸圆环上的刻度定出此星在天球上的位置。

图3 邢台市郭守敬纪念馆陈列的浑仪模型

浑仪的不足之处主要有二。首先，球内有七八个大小不一的环，环环相套，严重遮挡了窥管所能观测的天空范围。其次，好些环上各有自己的刻度，观测人员观看和读出刻度相当不便。郭守敬认识到浑仪不便使用的根本原因在于结构过于复杂，因此必须予以简化。鉴于有些情况下天体的位置可以根据其他观测数据用数学计算来推求，而不必直接进行测量，因此有些圆环可以省去。最后，他仅保留了浑仪中必不可少的两组圆环，并将其中的一组分离出来，另成一个独立的仪器。他还将浑仪中原本罩在外围作为固定支架的环全部取消，改用一对弯拱形的柱子和另外4条柱子，以托住保留在仪器上的主要圆环。如此成型的新仪器，就是著名的“简仪”(图4)。直到18世纪，欧洲才开始流行基本结构同简仪相仿的天文望远镜，即现代天文学中所说的赤道仪。

郭守敬改进的另一种重要仪器是圭表(图5)。表是一根垂直立于地面的杆子，圭是始于表的底端沿水平方向朝正北伸展的一根长尺。当太阳到达子午线时，量取投在圭面上的表影长即可得知太阳的高度，进而又可推算节气。例如夏至时太阳到达最北、位置最高，表影最短。冬至时太阳到达最南、位置最低，表影最长。古代表高八尺，表影较短，测量误差比较大。郭守敬决定将表高增大5倍，加高到四十尺，称为“高表”。这样，表影也长了5倍，推算出来的节气时刻就比以前准确得多。为了解决表影边缘模糊的问题，郭守敬在高表顶部设置了一根横梁，从梁心到圭面就是整个表高四十尺。横梁的影子就是表影的尽头，这样测量就比不加横梁更加准确。

图4 明代正统年间(1437年)仿制的铜铸简仪，现陈列于南京中国科学院紫金山天文台

图5 圭表是最古老的天文仪器。图中这件圭表铸于明代正统年间(1439年)，清代重修

同时，郭守敬还发明了一件辅助仪器“景符”(图6左)。它是中央有一个小圆孔的薄铜片，下面用一个方框斜撑着，保持北高南低的姿态。将景符放在圭面上，顺着圭面沿南北方向来回移动，使铜片上的小孔、表柱上的横梁中心，以及太阳圆面中心处于同一直线上。日光穿过小孔，在圭面上投下一个很小的亮斑。亮斑中央有一条很细的黑影——日光照射横梁投下的阴影。这样，测量表影长度就更精确了。郭守敬的圭面刻度比从前更加精细，并改进了量取长度的技术，从原先只能直接量到“分”估到“厘”，提高到可以直接量到“厘”估到“毫”。例如，某日正午的表影长七丈一尺九寸五分七厘五毫。

图6 景符(左)与窥几(右)

在月光下、特别是在星光下，表影太微弱，使圭表无法在夜间进行天文观测。为此，郭守敬发明了一种在月光或星光下使用圭表的新仪器——窥几(图6右)。“几”的形状像一张长方形桌子，中央开一条长缝，缝的两旁有刻度。几面上有垂直于长缝的“窥限”，亦即游标。窥几可置于圭面上，观测者位于几下，移动窥限，使自己的眼睛、表上的横梁，以及月亮或恒星处于同一直线上。这时，根据窥限所指的几面刻度，便可推算出月亮或恒星在天空中的高度。窥几构思巧妙，达到了无影而知影长的目的。

仰仪是一种俯视天象的铜制仪器(图7)，形如一口仰天放着的大锅。仰仪釜内的半球面上，刻着适用于当地纬度的经纬线网。太阳光穿过一个小孔射入釜内，在经纬线网上投下明亮的像。观测者由此即知这时太阳在天空中的准确位置。每天观测，就可知一年中太阳在天上的位置变化情况。另外，利用仰仪在不同地方进行观测，还可确定各地经纬度的差异。

观测日食对于判断历法是否精确非常重要。根据历法推算的日食发生时刻、日面食始的方向、日面亏缺的多寡等，若与观测实况相差太远，所用历法就必须修订了。用仰仪观测日食时，釜面上那个小小的太阳像也会发生相应的亏缺，如此即可一目了然地掌握日食的情况和过程。在郭守敬的时代，像仰仪那样巧妙的仪器在世上是独一无二的，因此后人常把仰仪和简仪并称为郭守敬最有代表性的创举。

郭守敬的浑天象是一个木制或铜制的大圆球，球面上标记着满天星斗。它可以像今天的天球仪那样，绕着通过南北极的轴转动。大球置于一个方柜中，半个球露在柜外。方柜象征着大地，外露的半个球就代表观测者仰望的天穹。浑天象可用以演示天体的东升西落和其他天象，它与简仪配合对实际的天文观测大有助益。

5 大都的新司天台

今称从事天文观测和研究的机构为天文台，但历史上其名称曾多次变迁。在元朝之前，金代曾有一个“司天台”，忽必烈称帝后暂按原样保留。1271年，忽必烈又在上都设立“回回司天台”，亦称北司天台，由阿拉伯天文学家札马鲁丁负责。

1279年，王恂和郭守敬共同向忽必烈建议在大都建立司天台，并提请在上都、洛阳等5个地方分别设置仪表，选派官员观测和管理。不久，新司天台便在大都城东南部落成，其位置离现存的北京建国门明清古观象台不远。郭守敬创制的许多天文仪器就安放在新司天台上，太史院的办公署也设在司天台中。

图7 登封观星台的仰仪四分之一原大复制品

新司天台长约250 m，宽约180 m，主体建筑称为灵台，高约17 m，最高处平台的顶部是天文观测场所，主要仪器是简仪和仰仪。灵台中下部环绕着一组双层建筑。底层是太史院行政办公署，二层是司天台科研工作室。主体建筑的左方有一座比中央灵台稍小的观测台，台上有精致的玲珑仪。主体建筑右侧，是雄伟的四十尺高表和长长的石圭。

忽必烈很注重搜罗人才，因此元代这个太史院和司天台的联合机构，在当时及其后二三百年中，就规模、设备、观测、编历等而言均属世界一流。那时世上只有阿拉伯人的天文学能与中国媲美。例如1259年伊斯兰天文学家、数学家、哲学家图西开始在中亚兴建著名的马拉盖天文台，也集中了许多优秀的天文学家和良好的天文仪器，但总体上仍略逊元大都司天台一筹。

6 四海测验和年长

成批的天文仪器竣工后，郭守敬又向忽必烈进言，唐代的一行和南宫说领导的那次天文大地测量，在全国各地设立了13个观测站。今帝国的疆域比唐朝更加辽阔，故应设置更多的天文观测站，这对于制订新历法至关重要。

获得忽必烈的赞同后，郭守敬和王恂选拔了14名熟悉天文观测技术的人员，携带正方案等4种新仪器分赴各地进行测量。除大都而外，郭守敬在全国共选定26个观测点。他本人亲率一支人马，由上都、大都，历河南府，抵南海测验日影。这次大规模的测量，就是著名的“四海测验”。

郭守敬等人的四海测验，先后取得两批观测材料。第一批是从南到北的6个观测点(南海、衡岳、岳台、和林、铁勒、北海)的纬度、夏至影长以及昼夜长短。第二批是其他20个地方的纬度。总的说来，这些测量结果相当准确。如第二批测量结果中20个观测点的纬度同现代测量值相比，有9处误差不超过0.2°，其中有两处完全吻合。20处的平均误差也只有0.35°，即仅20′左右。这次四海测验南北跨度达10 000余里，东西方向差不多也有5 000里。无论是在中国历史上，还是世界天文史上，都是空前的盛举。它扩充了当时的天文学知识，并为制订新历法提供了重要的数据和参考资料。

今河南省登封市城东南的告成镇古称“阳城”，相传是夏朝最早建都的地方。据传公元前12世纪时，周公曾在此地用土圭测量日影。那里现在还保留着公元723年(唐开元十一年)天文官南宫说刻立的纪念石表一座，表的南面刻有“周公测景台”五个字。郭守敬在其北面用砖石建了一座观星台(图8)。它是中国现存最完好的古天文台建筑，也是世界上的重要天文古迹。观星台高9.46 m，顶面约8 m见方，整个台体越往下越宽，底面边长约17 m。台的南壁上下垂直，东西两壁自下而上向内倾斜收缩，北壁正中有一个上下直通的凹槽。从槽的底部开始，有一条全长31.19 m的石圭沿地面朝正北延伸，称为量天尺。北壁凹槽相当于一个高表，横梁正好就架在一东一西两间小屋上。横梁的影子投向圭面，再配上景符即可准确地测量影长。

图8 元代至元十六年(1279年)建成的登封观星台，1961年被国务院确定为全国重点文物保护单位

制订优良的历法必须精确测定回归年的时间长度：接连两个冬至(或两个夏至)的时间间隔就是一个回归年。但这事做起来很难，必须反复测量多年，并充分利用前人的观测数据，才能求出更精确的回归年长。郭守敬利用从公元462年到公元1278年，总共816年的历史资料，求出回归年的平均长度为365.242 5天，并将它用到新历法中。这和回归年的精确长度365.242 2天只相差0.000 3天！在欧洲，直到公元1582年罗马教皇格里高利十三世颁行“格里历”(即现行公历)，才采用与郭守敬的数值相同的回归年长，其时间则比郭守敬等人的“授时历”晚了302年。

7 测定群星的位置

星座的历史很悠久。古代两河流域的苏美尔人，可能早在公元前3000年左右就已开始划分星座。在古代希腊，最迟在公元前2世纪就已经形成包括40多个星座的星空体系。

中国古代也有自己独特的星空体系。早在周朝以前，我们的祖先就把群星划分成许多“星官”，后来又进一步形成了“三垣二十八宿”的体系。三垣是指北天极附近的三个区域，即紫微垣、太微垣和天市垣。二十八宿是大致沿黄道带分布的28个天区。中国古代天文学家测量诸宿间的距离时，常在每宿中各指定一颗星作为标志，称为“距星”。距星的位置当然必须定得很准。一颗星在天球上的位置，可以用“赤经”和“赤纬”表示。某宿的距星与下一宿距星的赤经差称为“距度”，可用以表征这两颗距星间的相对位置。早期测定距度只能准确到古代使用的“度”，宋徽宗崇宁年间(1102－1106年)在“度”以下附加了“少”“半”和“太”等字样，分别表示测量结果中度的分数部分比较接近于四分之一、二分之一和四分之三。郭守敬将表示测量数据的最小单位定为二十分之一度，且将测量距度的平均误差降低到了4.5′，精度较宋时提高了一倍，是中国古代天体测量史上的一次飞跃。

三国时代吴末晋初的太史令陈卓汇总古代巫咸、甘德、石申三家星表，共得283个星官， 1 464颗恒星。从此这就成为长期沿用的典范，但详测的恒星不过几百颗而已。郭守敬不但仔细观测了陈卓星表中的那1 464颗星，而且还观测了两千年来人们未曾注意的许多无名之星。他把观测结果编成两部详细的星表：《新测二十八舍杂座诸星入宿去极》和《新测无名诸星》，直到清初这两部极有价值的星表还流传在民间。

8《授时历》的诞生

正当郭守敬创制新仪器和进行四海测验的时候，编制新历法的工作也在有条不紊地交替进行着。王恂、郭守敬等研究了汉朝以来先后颁行的数十种历法，并利用可靠的实测资料，在1280年编成了新历法。他们用旧仪、木表观测，再用新创制的简仪和高表复测校验，并创立了新的计算方法。忽必烈很满意，遂按古语“敬授民时”将新历命名为《授时历》，由太史院的印历局印刷，从1281年(至元十八年)正月初一起在全国施行。元政府对于天文历法管制极严，皇家垄断一切，决不许民间染指。《授时历》颁行时，就规定民间仿印者以违法论处，告发者赏银百两。

历稿完成后，仍有大量观测计算工作需继续进行。可惜这时王恂因老父逝世悲哀过度，年仅47岁便一病不起与世长辞了。两位上级官员中，张易于1282年因受一起案子牵连伏诛，张文谦则于1283年病故。制定新历法中的另外两位重要学者，许衡获准退休后于翌年(1281年)去世，杨恭懿一生不愿做官，历成后立刻就回陕西老家去了。太史院的全部工作重担，实际上落到了郭守敬一人身上。他用几年时间整理好全部观测数据和制定新历用的大量算表，并写出定稿编撰成书。1286年郭守敬55岁时继承王恂遗职，出任太史令。他进呈忽必烈的著作共达百余卷之多，全部归国家收藏。这些宝贵的科学遗产日后在频繁的战乱中几乎丧失殆尽。明初修纂的《元史·历志》保存了其中的《授时历议》，并收录了郭守敬等叙述新历推算方法的《授时历经》。

《授时历》是我国古代最优秀、使用时间最长的的历法，当时在世界上也遥遥领先。明太祖朱元璋于1368年改用《大统历》，但天文数据和计算方法基本上仍照搬《授时历》。换言之，一直使用到1643年的《大统历》本质上还是《授时历》，因此《授时历》的实际使用时间超过了360年。

《授时历》有许多创新之处。首先，它废除了过去许多不尽合理的计算方法，例如过去常用复杂的分数来表示天文数据的尾数部分，授时历则改用十进制小数。其次，它创用了一些新算法，例如“弧矢割圆术”大体上相当于用某种特殊方式表示的球面三角学，“三差内插法”则到约400年后始有欧洲人使用类似的方法。第三，它采用了较先进的数据，如将回归年的长度定为365.242 5天。

《授时历》传到了朝鲜和日本。元朝时候，朝鲜的高丽王朝使用的历法就是《授时历》。明朝时，朝鲜编修成著名的《高丽史》，其《历志》中还载有《授时历经》全文。日本直到德川幕府时代还刊行了《改正授时历经》(1672年)，此时离制定《授时历》差不多已有4个世纪了。后来，日本天文学家以《授时历》为基础制定了《大和历》，于1685年开始行用。再往后日本人改用自己的历法，但追本溯源仍是从《授时历》衍生而来。

9 通惠河水神山来

上述诸事告一段落后，花甲之年的郭守敬于1291年受命重领水利工程，致力于治理大都城水道和改善漕运状况。

大都城消耗的巨额粮食大多来自南方。先前金朝曾利用南北大运河和华北平原的天然水道，建立了漕运系统。但受自然条件限制，漕运并不能直达北京，其终点是京城以东数十里的通州。当时从通州到京城路况很差，常有车辆陷入泥中、马匹倒毙道旁。况且北京春天又多风沙，往京城运粮很可能误了时限。金朝政府为此曾尝试开凿一条从通州直达京城的运河，以解漕运之急，但需在大都附近找到充足的水源。离大都城较近的天然河流有二，即发源于西北郊外的高粱河和从西南而来的凉水河，但它们的水量不能满足开挖运河的需要。大都城北几十里的清河和沙河虽然水量充沛，却往东南流入了温榆河上游，根本到不了大都城。

大都城西北的玉泉山下有一股清泉，向东流分出两支。南支流入瓮山泊，再往东绕过瓮山与北支汇合继续东流，成为清河的上游。瓮山即今颐和园万寿山，瓮山泊则是万寿山下昆明湖的前身。郭守敬早在壮年时代就建议在瓮山泊南面开渠，将流进瓮山泊的水往南引入高粱河。高粱河的下游在金朝时已被拦截到运河中，这样就增辟了运河的水源。郭守敬估计运河通航后，每年可节省约6万缗(一千个钱称一缗)的车资。他还建议在通州南面开一段拉直的运河，从蔺榆河口蒙村跳梁务(今河北省香河县河西务东)到杨村(今属天津市武清区)，以避免浅滩、风浪、绕道等造成的不便。但实施此计划时，制定新历法的工作也紧锣密鼓地开张了。郭守敬从工部调往太史院，修运河遂告暂停。

1291年郭守敬回归水利工作，又提出11条水利工程建议。第一条就是大都运粮河的新方案。大都北面昌平县(今北京市昌平区)东南的神山脚下，有一处较大的泉水——白浮泉。郭守敬设想把这股泉水向西引到西山东麓，然后折而往南汇入瓮山泊。流出瓮山泊后，河水经原有的高粱河上游从和义门(今西直门)北的城墙下流进大都城，汇入积水潭(今北京城内的积水潭和什刹海是当年大都城积水潭的遗址，但因淤积面积已缩小很多)。然后，将水从积水潭向南引，从皇城东城墙南部流出，注入已废的金代运粮河，再向东直奔通州。此方案对于今天熟悉北京地理的人来说，仍会感到非常亲切。它有一个明显的优点，即一路汇集的泉水都是清水，故可在运河下游设立一道道水闸，控制各段水位，而毋须顾忌泥沙的淤积。新修的河道与原有的水路交通网相连，沿大运河北上的粮船就可以直达大都了。

忽必烈决定此事尽快上马。他下令恢复都水监这个机构，由高源任都水监长官(官职也叫都水监)。不久又命郭守敬以太史令原职“兼领都水监事”。在治理运河工程中，高源要受郭守敬领导。1292年春，工程在郭守敬的安排下，热火朝天地干了起来。

郭守敬为何不直接把白浮泉水朝东南方向引入大都城，而要选择那样一条迂回的路线？这正是整个运河工程中最精彩的部分。白浮泉发源处的海拔高度约60 m，比大都城西北角最高处约高出10 m。从神山到大都城直线距离是60多里，这条直线沿途要经过沙河和清河两个河谷，地势都比大都城低。要是直接把白浮泉水往南引，那么它就会顺着河谷向东流去，而不可能流过大都城注入运粮河。郭守敬先把白浮泉水从神山下往西引到西山山麓，然后转向南流。这样不但可以使河床高度始终保持徐徐下降，而且可以沿途拦截西山山泉，使水量逐渐增大。他沿河道东岸修筑了一条长约30里的河堤——白浮堰，使泉水南流时不致向东泻泄。能在几十里长的路程上，看出各处地势高低的微小起伏，足见郭守敬的引水策略和地形测量技术是何等高明。

1293年秋整个工程大功告成，忽必烈将新修峻的运粮河命名为“通惠河”(图9)。它的通航不仅使漕运入京如愿以偿，而且促进了南货北运，繁荣了大都城的经济。如今通惠河的名称依旧未变，只是从通州上溯的终点不再是积水潭，而是退到了北京市东便门立交桥一带。

图9 今日北京市的通惠河

10 德高望重的晚年

通惠河开浚后，郭守敬又兼任“提调通惠河漕运事”。1294年，63岁的郭守敬升任“昭文馆大学士”。这是元代授予汉官带荣誉性的虚衔，级别很高。他的实职则由太史令改任“知太史院事”，为太史院的最高长官。同年忽必烈去世，其孙铁穆耳继承皇位，是为元成宗。

关于水利方面的大事，朝廷仍经常咨询郭守敬。1298年，有人建议在上都西北郊的铁幡竿岭下开渠通往滦河，宣泄山洪。元成宗召见郭守敬一同商议。郭守敬查勘地形、调查降雨情况、研究山洪暴发的历史资料后，发现这一带平时虽然水势平缓，连降大雨时山洪却异常凶猛。因此他认为河道必须开得相当宽阔，否则山洪骤发势必成灾。他明确提出，河道宽度必须达50步(5尺为1步，元尺略小于今市尺。50步约相当于75 m)至70步(约105 m)。但主管官员却认为郭守敬对形势的判断过于严重，竟把郭守敬定的河渠宽度缩减了三分之一。偏巧，铁幡竿渠修好后翌年大雨山洪如注，狭窄的河身两岸顿时泛滥成灾，就连元成宗的行宫也差点遭水冲淹。这时皇帝想起郭守敬去年的忠告，不由得感叹道：“郭太史真是神人啊，可惜没有听他的话！”

早在制订《授时历》期间，郭守敬曾制造过一架“七宝灯漏”。它悬挂在梁上看似一只灯球，其实却是一台用水力推动的机械报时钟，结构相当复杂。每到一定时刻，灯漏里就有木人抱着“时牌”出来报时，另一木人则用手指点当时是第几刻。每逢正时、正刻，就有木人或呜钟，或打鼓，或敲锣，或击钹。更有趣的是，灯漏中按东、南、西、北四个方位分别布置了苍龙、朱雀、白虎、灵龟四个动物模型，到一定时刻动物就会起舞、呜叫。忽必烈非常喜欢，将其安放在皇宫的正殿大明殿上，故称“大明殿灯漏”。

1298年，67岁的郭守敬制造了最后一件重要的天文仪器——水浑运浑天漏。它实际上是一座天文钟，由两部分组成，上部是一座浑象，即天球仪，球体外斜围着的日环和月环，分别代表黄道和白道。下部是动力部分，用水力推动一套由木制轮轴和齿轮构成的机械，其中大大小小的“机轮”共有25个。齿轮带动浑象和日月二环每昼夜随天左旋一周。同时，日环上代表太阳的小球又每天右转1度，表现太阳在天球上的位置变化。代表月亮的小球则在月环上每天右转13度许，以示每夜月出的时间要比前一夜推迟约半个时辰。

所有这些成就使老年的郭守敬声望愈隆。1303年元成宗下令，凡年届70岁的官员皆可申请告老回乡。72岁的郭守敬提出了申请，但元成宗唯独不准他退休，朝廷有许多工作还要倚重他。

忽必烈死后，元政权日衰。元成宗登基后，对王公勋臣、公主附马大加赏赐以笼络人心，仅两年时间就几乎将国库耗尽。即使如此，他还算是个守成之君。1307年元成宗去世，忽必烈的另一个孙子海山继位，世称元武宗。武宗在位4年多即于1311年病逝，其弟爱育黎拔力八达继位，是为元仁宗。武宗和仁宗时朝政腐败，生产停滞，民生日艰。国家到了这等地步，发展科学技术就很难了。晚年的郭守敬仍任职知太史院事，但太史院再也不可能如30年前那样生机勃勃了。1316年(元仁宗延祐三年)，郭守敬在知太史院事任上与世长辞，终年86岁，遗体归葬于邢台西北约30里处。

11 中华民族的骄傲

纵览世界科学技术史，谁也不能否认，郭守敬是那个时代世上鲜见的顶级科学家。他造诣既深且广，是天文学家、水利专家、数学家、地理学家、测绘学家、机械工程专家，他的科学水平、创新能力、务实精神和工作态度都永远值得人们崇敬。

郭守敬创制的大批天文仪器远远超越了前朝，创造了新的世界水平。他创制的简仪是世界上第一台采用赤道式装置的天文仪器，他研制的水力机械时钟传动装置先进，走在了14世纪诞生的欧洲机械时钟的前头。

郭守敬建造的登封观星台是重要的世界天文古迹。他主持的四海测验是中世纪世上规模空前的一次大范围地理纬度测量。他编制的两部星表所含实测星数不仅突破了历史记录，而且在以后300年间也无人超越——包括第谷在内。郭守敬测定的黄赤交角数值非常精确，直到500年后法国大科学家拉普拉斯还引用郭公的测量数据来佐证黄赤交角随时间而变化。郭守敬和王恂等人制定的《授时历》在世界上领先了300年，编历时创立的新算法和数学公式都是中国数学史上的重要成果。

郭守敬主持的水利工程，对发展农业生产起了重要作用，为南北水路交通和大都城的繁荣作出了历史性贡献。今天从密云水库直通北京市区的京密引水渠，自昌平经昆明湖到紫竹院这一段，大体上还是沿着郭守敬当初规划的路线。他在大地测量方面首创了相当于“海拔”的概念，还根据实测结果编制了黄河流域一定范围内的地形图。

700年来，世人对郭守敬的褒评可谓众口一辞。在现代，人们又用许多新的方式表达了对他的敬意。1962年12月1日，我国邮电部发行编号“纪92”的一组8枚(中国古代科学家，第二组)纪念邮票，其中两枚面值20分的，一枚是郭守敬半身画像，另一枚画面是简仪，文字是“天文”两字。国际天文学联合会于1970年将月球背面的一座环形山命名为郭守敬，1978年又将中国科学院紫金山天文台发现的一颗小行星命名为“郭守敬”(编号第2012)。1984年邢台市为郭守敬塑造铜像和建造纪念馆，1986年这座占地50多亩的纪念馆正式对外开放。大门上方的匾额“郭守敬纪念馆”，是1985年12月中共中央总书记胡耀邦题写的；两侧的楹联“治水业绩江河长在，观天成就日月同辉”，系1994年9月全国人大常委会副委员长卢嘉锡所书。纪念馆门前有一座长11.2 m、高4.5 m的大型陶瓷影壁，影壁上镌刻的“观象先驱世代景仰”八个大字，系1986年10月全国政协副主席周培源教授所题。当年漕运之终点、今北京市积水潭畔的汇通祠也已辟为郭守敬纪念馆(图10)。2010年，我国自行设计研制、颇获国际同行赞誉的“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”(简称 LAMOST)被冠名为“郭守敬望远镜”。

是啊，郭守敬永远值得世人景仰，他是中华民族的骄傲！

图10 位于北京市积水潭汇通祠的郭守敬纪念馆

(2016年5月9日收稿)■

(编辑：温文)

Memory of the great scientist Guo Shoujing of the Yuan Dynasty in China — On the 700thanniversary of his death

BIAN Yulin

Shanghai Scientifc and Technological Education Publishing House, Shanghai 200235, China

The life and brilliant achievements of Guo Shoujing (1231—1316), an outstanding scientist of the world at his time, the Yuan Dynasty in China, are briefy reviewed in this paper.

GUO Shoujing, astronomical instrument, astronomical observation, water conservancy project, geodesy, calendar

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.04.010

†通信作者，E-mail: bianyulin1943@163.com