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(dǎo)致北關(guān)廂和西關(guān)廂受災(zāi)嚴(yán)重，后經(jīng)由郭守敬設(shè)計(jì)并建造鐵幡竿渠，解決了由龍崗帶來(lái)的水患問(wèn)題。本文將對(duì)鐵幡竿渠的作用原理進(jìn)行分析，以此來(lái)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(hào)：K878" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：1673-2596（2024）08-0021-05

元上都是元朝第一座都城，由劉秉忠設(shè)計(jì)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(diǎn)在哈登臺(tái)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(duì)當(dāng)時(shí)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(dǎo)向流入上都河，完美解決了上都洪水泛濫問(wèn)題。本文參考《正藍(lán)旗元上都遺址文物勘探報(bào)告》對(duì)其功能進(jìn)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(jiǎn)介

元上都是劉秉忠于1256年建造，初期命名為開(kāi)平。到1263年，忽必烈稱大汗三年后，將開(kāi)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(lái)此避暑、狩獵，并會(huì)同文武百官在此處理朝政。上都在此時(shí)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(jiàn)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(shì)較高，城址處于地勢(shì)較低的位置，導(dǎo)致城北經(jīng)常受洪澇災(zāi)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(kāi)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(fèi)，以其言為過(guò)，縮其功三分之一。明年大雨，山水注下，渠不能容，漂沒(méi)人畜廬帳，幾犯行殿?！笨梢?jiàn)北面由于龍崗傾瀉而下的雨水導(dǎo)致北關(guān)廂甚至外城北苑經(jīng)常發(fā)生水災(zāi)，鐵幡竿渠由此修建。同時(shí)，鐵幡竿渠在第一次修建時(shí)并未達(dá)到郭守敬設(shè)想效果，第二年就發(fā)生嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，來(lái)自龍崗的水傾斜而下，淹沒(méi)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(jìn)言進(jìn)行重新修筑，才將水患治理好，自此上都再未有過(guò)洪澇災(zāi)害的記錄[1]。

二、鐵幡竿渠工作原理模型搭建及水力計(jì)算和分析

（一）鐵幡竿渠勘測(cè)簡(jiǎn)介

根據(jù)《元史》記載，第二次修筑時(shí)，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(guò)，使其不淹沒(méi)兩側(cè)居民。根據(jù)對(duì)鐵幡竿渠的地面調(diào)查，遺址起點(diǎn)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(diǎn)是在位于上都城外兩公里處的哈登臺(tái)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(cè)，哈登臺(tái)敖包山腳下至東北方山體之間的攔河大壩，長(zhǎng)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(zhǎng)近6km。在進(jìn)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(zhǎng)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(cè)應(yīng)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(shí)，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(gè)攔洪壩的夾角處相連。其與攔洪壩之間的地段地勢(shì)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(xì)膩，較粘，有時(shí)含沙量稍大，有時(shí)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(jiàn)水后停探。在第②層下，個(gè)別探孔內(nèi)見(jiàn)第③層淺黃色沙質(zhì)土堆積，土質(zhì)稍硬，密實(shí)。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(diǎn)。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(jiàn)。土質(zhì)稍硬，密實(shí)。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(zhǎng)方形，東西長(zhǎng)14米，南北寬12米。房基夯土結(jié)構(gòu)，開(kāi)口于①層下，距地表深0.25—0.4m見(jiàn)，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(jiàn)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(jiān)硬。內(nèi)含淺灰、淺黃色沙土層。該層下見(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)方形，東西長(zhǎng)15m，南北寬12m。房基夯土構(gòu)筑，開(kāi)口于①層下，距地表深0.25m見(jiàn)，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(jiàn)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(wèn)題，從龍崗山上流下的水匯集到一起，到達(dá)山底時(shí)水流產(chǎn)生巨大的動(dòng)能和速度撞擊攔河大壩。在水流撞擊攔河大壩的同時(shí)，形成水花，水會(huì)卷到上方再沉下。在這時(shí)，就算是攔河大壩足夠高，也會(huì)使得一些水越過(guò)攔河大壩進(jìn)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(shí)，水流產(chǎn)生的動(dòng)能自此全部傳遞到攔河大壩上，此時(shí)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(zhǎng)大壩使用時(shí)間，同時(shí)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(yīng)該起攔截和引流作用，如果有水流越過(guò)攔河大壩，流入內(nèi)側(cè)，此處可作為備用渠道。它有兩個(gè)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(kāi)墾為農(nóng)田，無(wú)法確定建筑遺址原貌；西部則地勢(shì)開(kāi)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(gè)特大型院落，院內(nèi)均有百余間房址遺跡，且成排分布，應(yīng)是當(dāng)時(shí)駐軍的兵營(yíng)[3]。并且從史書(shū)記載可知，北關(guān)廂為駐兵之地，其對(duì)整個(gè)上都城的防御起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)根據(jù)元史記載，上都城有過(guò)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(wèn)題應(yīng)該有決堤現(xiàn)象，并且多余的水并泥沙已經(jīng)越過(guò)北關(guān)廂流入外城北苑，這也符合書(shū)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(shí)，并無(wú)引流渠道。重新整修后，加入此渠道，雖史書(shū)中并無(wú)關(guān)于此渠道的記載，這條渠道的存在應(yīng)為保證上都安全設(shè)置的另一重保險(xiǎn)，主要是為了保障北關(guān)廂以及外城北苑的安全問(wèn)題。

而后，流到攔河大壩的水流因地勢(shì)的原因，向著泄洪渠方向開(kāi)始匯集，同時(shí)根據(jù)攔河大壩的修筑情況來(lái)看，水流不光來(lái)自龍崗山上，從北面山體沖刷而下的雨水也會(huì)向著泄洪渠方向開(kāi)始匯集，其中也有一部分會(huì)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(jiàn)其在第二年后便不再被使用，所以可以僅對(duì)北側(cè)修筑的攔河大壩上水流進(jìn)行分析（圖四）。

（三）渠道工作原理模型搭建及分析

史書(shū)中記載，郭守敬估算渠道寬約為五七十步，一開(kāi)始修筑時(shí)，執(zhí)政不以為意，縮其功三分之一，按照宋尺0.8m一步進(jìn)行計(jì)算，一開(kāi)始修筑時(shí)，應(yīng)寬為27—37m，重修后寬為40—56m。在進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，測(cè)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(huì)超過(guò)50m。泄洪渠入口處寬度為68m，進(jìn)入渠道后寬度變?yōu)?0m，此處為一引流作用。沿?cái)r河大壩的水流因?yàn)榈貏?shì)原因，匯集到底端，再經(jīng)過(guò)拐角才會(huì)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(shí)也會(huì)有水流直接從山上流進(jìn)入渠口內(nèi)，當(dāng)暴雨時(shí)渠道內(nèi)充滿水時(shí)亦是如此，渠內(nèi)水流由兩股匯聚而成，并且兩者之間會(huì)相互擾動(dòng)（圖五）。

渠道內(nèi)外均有風(fēng)積土堆積，這說(shuō)明鐵幡竿渠已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間不再使用，其位置在山坡之下且處于風(fēng)口中間，所以風(fēng)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(jìn)行分析，渠內(nèi)風(fēng)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(dòng)面（圖六）。

經(jīng)測(cè)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(zhǎng)度長(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)度約為6km，雖然南北跨度很大，仍可以將鐵幡竿渠流動(dòng)面近似于平面，因此可以近似將渠內(nèi)水流動(dòng)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(dòng)是恒定均勻流（圖七）。

勘測(cè)渠道寬度是50m左右，與史書(shū)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(shū)記載，渠不能容所以決堤，按照33m進(jìn)行計(jì)算，水流未流到蓄水池時(shí)就已經(jīng)決堤，所以所容水量一定超過(guò)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(kuò)修到50m時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)記載有再次決堤現(xiàn)象，所以在此時(shí)擴(kuò)建的渠道一定可以容納暴雨帶來(lái)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(dāng)時(shí)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?？赏茰y(cè)得出郭守敬在修筑渠道時(shí)，一定是根據(jù)未修渠道時(shí)水流淹沒(méi)北關(guān)廂以及外城北苑的面積進(jìn)行計(jì)算，以保證渠內(nèi)可容納水量大于雨水豐沛時(shí)龍崗山帶來(lái)的最大洪水量。史書(shū)中并無(wú)記載具體水量為多少，所以只能簡(jiǎn)單確定前半段渠道內(nèi)的最大水量不大于379.5m3/m。

當(dāng)水流動(dòng)到外城城外西北側(cè)時(shí)，有一個(gè)天然的蓄水池，此處應(yīng)不是人工挖出的，推測(cè)是修筑者組織工人挖通渠道時(shí)，借用天然地形和地勢(shì)，將其作為一個(gè)天然緩沖水池，水流經(jīng)此處后得以緩沖，然后再?gòu)钠鋬?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(wèn)題。蓄水池面積約為0.49km2，因?yàn)槠涿娣e足夠大，就算是暴雨來(lái)襲，積水亦不能充滿整個(gè)蓄水池，但在水流達(dá)到一定程度時(shí)，可以將水從渠道內(nèi)流入蓄水池視作一個(gè)突擴(kuò)（圖八），此時(shí)水如同開(kāi)閘泄水，如沒(méi)有這個(gè)天然蓄水池，水流就會(huì)以極快的速度繼續(xù)向下流，直到匯入閃電河，這樣可能會(huì)帶來(lái)巨大的能量波動(dòng)，導(dǎo)致閃電河內(nèi)水流發(fā)生波動(dòng)進(jìn)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(xiàn)。

在西關(guān)廂附近，經(jīng)勘測(cè)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(diǎn)，因此可知此處水源并不來(lái)自其他地點(diǎn)。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(huì)在此取水來(lái)做生活之用，同時(shí)，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(wú)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(dǎo)致目前上都城內(nèi)水源僅為閃電河一處，其余地點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)有水流動(dòng)的痕跡，因此，元朝時(shí)西關(guān)廂用水大概率來(lái)自此蓄水池內(nèi)，在此處取水免去了在閃電河取水的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

在一般情況下，水流流動(dòng)時(shí)需要遵循能量流動(dòng)最低原理，流入蓄水池內(nèi)的水在水量有限時(shí)很有可能會(huì)直接流入下一個(gè)入渠口，并不會(huì)向著蓄水池內(nèi)其他地方流動(dòng)。在此之時(shí)，水流因?yàn)樾钏氐淖饔靡矔?huì)十分緩慢地流入下一個(gè)入渠口，并且水流不會(huì)再充滿整個(gè)渠道，后半段僅作為引流作用，將積在蓄水池內(nèi)過(guò)量的水排出，避免淤積。

根據(jù)勘測(cè)報(bào)告以及航拍圖，在西關(guān)廂南部，進(jìn)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(zhǎng)約200m，根據(jù)水流的流向可以推測(cè)出，如果沒(méi)有這個(gè)轉(zhuǎn)彎，水會(huì)流到西側(cè)外城墻附近，其會(huì)對(duì)城墻造成一定的侵蝕，時(shí)間長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致地基下沉，進(jìn)而導(dǎo)致城墻倒塌。同時(shí)，當(dāng)水流很大時(shí)也可能直接對(duì)外城墻造成一定破壞，所以此處應(yīng)是人為將渠道進(jìn)行改道。在此處轉(zhuǎn)彎，也會(huì)進(jìn)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(dǎo)致閃電河內(nèi)發(fā)生異動(dòng)。

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(xiàn)。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(wèn)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(jiǎn)單的原理以及簡(jiǎn)單的構(gòu)造，但其在解決水患的問(wèn)題上有著突出的貢獻(xiàn)。同時(shí)它的構(gòu)造簡(jiǎn)單也為其后期的保養(yǎng)和修復(fù)帶來(lái)了極大的便利，其中每一段都可以單獨(dú)進(jìn)行維修，避免了因一段的問(wèn)題重新全部整修。針對(duì)鐵幡竿渠的水利考古研究，對(duì)元代水利工程的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)依據(jù)，同時(shí)，這也對(duì)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(huì)推倒當(dāng)?shù)氐脑械匦蔚孛策M(jìn)行建設(shè)，這樣大大破壞了當(dāng)?shù)卦酗L(fēng)貌，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致當(dāng)?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(lái)解決人與自然之間的矛盾是一種很好的方法，這也與習(xí)近平總書(shū)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(xiàn)：

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

〔2〕內(nèi)蒙古自治區(qū)文物局.元上都遺址申報(bào)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(xué) 水力學(xué)（下）[M].北京：高等教育出版社，2010.

（責(zé)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