作者：管成学,赵骥民
出版社：吉林科学技术出版社
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学究天人：郭守敬的故事试读：
序言
十一届全国人大副委员长、中国科学院前院长、两院院士放眼21世纪，科学技术将以无法想象的速度迅猛发展，知识经济将全面崛起，国际竞争与合作将出现前所未有的激烈和广泛局面。在严峻的挑战面前，中华民族靠什么屹立于世界民族之林？靠人才，靠德、智、体、能、美全面发展的一代新人。今天的中小学生届时将要肩负起民族强盛的历史使命。为此，我们的知识界、出版界都应责无旁贷地多为他们提供丰富的精神养料。现在，一套大型的向广大青少年传播世界科学技术史知识的科普读物《世界五千年科技故事丛书》出版面世了。
由中国科学院自然科学研究所、清华大学科技史暨古文献研究所、中国中医研究院医史文献研究所和温州师范学院、吉林省科普作家协会的同志们共同撰写的这套丛书，以世界五千年科学技术史为经，以各时代杰出的科技精英的科技创新活动作纬，勾画了世界科技发展的生动图景。作者着力于科学性与可读性相结合，思想性与趣味性相结合，历史性与时代性相结合，通过故事来讲述科学发现的真实历史条件和科学工作的艰苦性。本书中介绍了科学家们独立思考、敢于怀疑、勇于创新、百折不挠、求真务实的科学精神和他们在工作生活中宝贵的协作、友爱、宽容的人文精神。使青少年读者从科学家的故事中感受科学大师们的智慧、科学的思维方法和实验方法，受到有益的思想启迪。从有关人类重大科技活动的故事中，引起对人类社会发展重大问题的密切关注，全面地理解科学，树立正确的科学观，在知识经济时代理智地对待科学、对待社会、对待人生。阅读这套丛书是对课本的很好补充，是进行素质教育的理想读物。
读史使人明智。在历史的长河中，中华民族曾经创造了灿烂的科技文明，明代以前我国的科技一直处于世界领先地位，涌现出张衡、张仲景、祖冲之、僧一行、沈括、郭守敬、李时珍、徐光启、宋应星这样一批具有世界影响的科学家，而在近现代，中国具有世界级影响的科学家并不多，与我们这个有着13亿人口的泱泱大国并不相称，与世界先进科技水平相比较，在总体上我国的科技水平还存在着较大差距。当今世界各国都把科学技术视为推动社会发展的巨大动力，把培养科技创新人才当做提高创新能力的战略方针。我国也不失时机地确立了科技兴国战略，确立了全面实施素质教育，提高全民素质，培养适应21世纪需要的创新人才的战略决策。党的十六大又提出要形成全民学习、终身学习的学习型社会，形成比较完善的科技和文化创新体系。要全面建设小康社会，加快推进社会主义现代化建设，我们需要一代具有创新精神的人才，需要更多更伟大的科学家和工程技术人才。我真诚地希望这套丛书能激发青少年爱祖国、爱科学的热情，树立起献身科技事业的信念，努力拼搏，勇攀高峰，争当新世纪的优秀科技创新人才。
一、雏燕展翅 志学笃行
郭守敬，号若思，南宋理宗赵昀绍定四年（1231）出生在邢州的邢台县，也就是现在的河北邢台县。河北邢台，历史悠久，相传殷王祖乙曾迁都于此。周代的时候，在这里建立了邢国。经汉、唐的发展，到宋代设邢台县，属顺德府。邢台依山傍水，有开矿铸铁、灌溉农田之利，而且位居南北交通要道，社会经济富裕，文化也比较发达。
13世纪初叶，我国北部主要为金朝所统治，南方则处在南宋王朝统治之下。金朝统治地区的北部，过着游牧生活，处于氏族部落后期的蒙古族部日益强大，势力不断向外扩展。1206年，成吉思汗统一蒙古各部，建立蒙古汗国，随后兴兵南下攻打金朝，1214年，成吉思汗率兵进逼金京中都（今北京市西南部）北郊，金宣宗完颜珣自中都迁都到开封。第二年，多谋略善领兵的成吉思汗便率兵占领了中都，改称燕京。五年后的1220年，蒙军攻占邢台，1229年，成吉思汗死后，他的第三子窝阔台继位。6年后，蒙古与南宋合兵，攻下蔡州（今河南汝南），灭了金朝，流一了整个北方。
此后，蒙古政权与南宋政权相峙数十年，成吉思汗第四子拖雷的长子蒙哥于1251年当上大汗后，将大漠以南领土上的军国大事交付给了自己的弟弟忽必烈，于是我国北部当时便处于忽必烈的统治之下，忽必烈在1260年蒙哥死后抢位自立为大汗，依中原的制度称皇帝，并开始采用年号纪年，称为中流。中流五年（1264），又改年号为至元元年，并在至元八年（1271）正式建立国号，称为“大元”。不久，元兵继续南进，灭南宋，于至元十六年（1279）完全平定了南方。从此南北统一，应了那句“天下大势，合久必分，分久必合”的古话。统观这段金末元初的历史，我们可以看到，郭守敬就是在元朝统治下出生和成长的。值得一提的是，当时元朝的统治者忽必烈，既是一位善于领兵打仗的军事家，也是一位头脑开明，有远见卓识的政治家，在完成南北统一大业的进程中，他总是鼓励农桑，发展经济，并为此广招天下贤士，形成了一种尊重知识，尊重人才的意识，这种重视知识和人才的氛围，对郭守敬日后事业的发展，起到了很大的支持和促进作用，这是后话，暂且不表。
1231年，郭守敬在蒙军统治下的邢台出生，他的父亲大概在早年就去世了，历书上也未曾记载，而他的老祖父郭荣，自号“鸳水翁”，却是一位学识丰富的知识分子。郭荣不仅通晓五经，还精于数学、天文、水利等多种学术，经常和当地一些志趣相投的士大夫们在一起讲谈学问，在这种知识氛围中长大的郭守敬，在祖父的言传身教下，从小就很喜欢学习各种自然科学知识。当别的同龄孩童还只知道嬉戏玩耍时，小郭守敬却热衷于观察周围自然界发生的各种现象。对书本中讲到的一些事物和现象，他总想搞清楚其中的奥妙，不但要“知其然”，还要“知其所以然”。
自制竹浑仪
700多年前的一个傍晚，晴朗的夜空中闪烁着点点繁星，人们都已进入了沉沉梦乡。却有一个十五六岁的少年还在自家院子里的一个土台上借着一盏灯光正在忙碌着什么。他正在摆弄着一个用层叠交叉的竹圈扎成的球形架子。只见他一会儿抬头凝视星空，一会儿又猫下身子转动竹球中一根小竹筒对准天上的星座观测着，一会儿又俯身在土台上就着灯光在纸上写着画着什么……那挂满汗珠的脸上，神情是多么专注啊！这个十五六岁的少年，就是日后成长为我国杰出科学家的郭守敬。这么晚了，他在干什么呢？
原来，前两天郭守敬读到一部解释《尚书》的古书，书中有一张“璇玑图”。璇玑是中国古代的一种天文观测仪器，又叫浑仪，历代都用青铜铸造。郭守敬看着这张图，仔细地研究了浑仪的构造和工作原理，便萌发了要把它做成实物的念头。首先遇到的问题是用什么材料，用青铜铸显然是不可能的，何不用竹子呢？平时郭守敬就喜欢用竹子做一些小玩意、小模型，这些动手的技巧现在正好用上！郭守敬兴致勃勃地找来一些竹子，将其剥成竹片、竹丝，按照图样扎制起来，可是要将构造复杂的浑仪用竹子做成实物谈何容易！郭守敬试了一次又一次，总是不满意。做好了拆，拆完了再做，郭守敬毫不气馁，一心一意要将这个竹浑仪做出来。为了解决一些技术上的难题，他冥思苦想，有时候正吃着饭，突然想起了什么，饭也顾不上吃便跑出去继续做，真可谓是废寝忘食。功夫不负有心人，一个漂亮的竹浑仪做成了！这个竹浑仪不仅外观精巧，而且还很实用，可以用来观测星空，也就有了我们前面所描述的那一幕。
郭守敬恐怕不会知道，这大概是世界上第一个也是唯一的一个竹制浑仪！更为重要的是这具竹浑仪的制作开了他日后发明大量天文仪器的先河。
巧解莲花漏
也是在十五六岁的时候，郭守敬得到了一幅拓印的“莲花漏图”。莲花漏是北宋科学家燕肃在古代漏壶的基础上加以改进而创制的一种计时仪器，构造颇为复杂。这种利用滴水来计量时间的仪器由一套水箱（上下匮）、水壶、吸水管（渴乌）、带刻度的箭等一系列部件组成。莲花漏的工作原理是采取一套箱壶，使大壶里的水保持常满，让水均匀地泼到箭壶里，流速保持稳定，可使插在壶中的下端有浮子的刻箭逐渐上升。读看箭杆上的刻度读数，就可知道是什么时刻了。由于水壶的若干部分以及刻箭都仿照了莲花、莲蓬和莲叶的形状，因此叫做莲花漏。
我们知道，四季水温不同，水的黏滞性有所变化，这会影响到水的流速和流量。另外，地球绕太阳公转，地轴是倾斜的，地球在轨道上的运行在一年中有快慢。因此每天日子的长度是不一样的！最多可以差到50秒钟，现在每天用24小时来计时，是取个平均数，叫做平太阳日。为了改善这些差异，莲花漏壶中使用的木箭，全套共48支，白天和黑夜各用一支，并随24个节气变换而更换使用。
燕肃为了推广他对这种漏壶的改进，曾在许多地方将莲花漏的图样刻在石碑上。因此在宋金时代，莲花漏流传得相当广泛。但在郭守敬成长的动乱时代，到处遭破坏，莲花漏的实物已经变得极少见了。单凭一张拓印图，成年人也不容易搞清楚它的构造和工作原理。少年郭守敬得到这张图后，认真琢磨，仔细研究，很快便将莲花漏的构造原理弄得一清二楚，讲解起来也是头头是道。于是，大家都对小小的郭守敬刮目相看，远乡近邻都知道，郭家有个聪明的孩子。事实上，聪明来自勤奋，我们都知道“笨鸟先飞”、“勤能补拙”的古语。并不是郭守敬的天赋超乎寻常，而是他具有善于思考、勤于钻研的精神。自制竹浑仪、巧解莲花漏，不过是流传下来的两个被人广为称道的例子。从中我们可以看出，郭守敬从小就专心致志于学习，肯动脑筋钻研事物的道理和内在规律，并善于动手从事科学实验和实践，这些素质，几乎是古今中外所有杰出科学家所必备的。
从学紫金山
老祖父郭荣见自己的孙儿如此志于学而笃于行，心中十分高兴和欣慰。郭荣有个老朋友叫刘侃，字仲晦，后改名为刘秉忠。刘秉忠博学多能，精通天文、数学、地理、音律和相术。他青年时代由于不得志，到湖北武汉富宁寺当了和尚。后因当时一位高僧海云禅师的引荐，见到了忽必烈，很受器重，成为一名谋士。在忽必烈争夺帝位、统一中国的征战中，刘秉忠出谋划策，推行文治，荐举人才，功勋卓著。
刘秉忠原是与郭荣很谈得来的好朋友，郭荣对他的博学多识十分钦佩。大约在1250年前后，刘秉忠因丧父回乡守孝三年，金末元初，北方民间讲学之风盛行。虽在战乱年代，各地却常有一些志同道合之士，聚在一些研讨学问，守孝期间的刘秉忠，同老朋友张文谦、张易等人聚会在紫金山讲谈学问，郭荣认为，这是一个让孙儿郭守敬开阔眼界、得以深造的好机会，因此在这段时期将郭守敬送到刘秉忠门下去学习。
值得一提的是，郭守敬在紫金山时的同窗好友中有一位叫王恂。王恂，字敬甫，中山唐县（今河北唐县）人，他自幼天资聪颖，3岁即能识字，6岁就读私塾，13岁学习算学，后来也成为一名出类拔萃的天文数学家。在紫金山学习的3年中，郭守敬如鱼得水，一面师从良师刘秉忠，一面与志趣相投的同窗王恂结为好友，在天文、算学、历法等各个方面学问都有很大的长进。尤其是算学，是研究天文历法的重要工具和基础。这一段时间的学习，为郭守敬将来在天文、历法上的杰出造诣奠定了坚实的基础。
二、邢州治水 初露头角
金、元之际，由于长期战乱，元朝统治的北方地区，生产力急剧下降，大片农田废弃。刑州本是一个人口繁盛、经济殷实的地区，有八万多户人家；但到1236年时，已剧减至一万四千户左右；再过十年，竟不足一千户。
忽必烈为了巩固在北方的统治，特别重视对地居南北交通要冲的邢州的治理。他在邢州设立安抚司，采取了一些积极措施，安抚流亡百姓，恢复农业生产。
疏通旧河道
在旧时的封建经济条件下，农业生产是整个社会、经济发展的基础，而水利与农业生产关系十分密切，因此，忽必烈十分重视水利建设，特别派遣有关官员负责水道的整治工作。
当时邢州城北有三条河流，经过30多年的战乱，河渠水道无人管理，河水常常破堤而出，四散漫溢；附近一大片低洼地成了沼泽，连冬天也不见干涸，人们行经此处，不得不提起衣裳涉水而过，有好心人安上几根木梁做桥，却是常架常坏，问题没有得到根本解决，给当地的农业生产和交通运输带来了很大的不便。
那时郭守敬才二十岁出头，刚刚从紫金山学成归来，决心以自己学到的知识，为家乡的水利建设出一把力，他一得到州官的任用，便立即到城北现场进行实地勘察。他不辞辛劳，不畏脏污，仔细地观察地形地貌，认真考察水流的来源去迹，而且不耻下问，遇到难题总是虚心地向当地父老们请教。郭守敬在查勘之后，按照水位、流量和灌溉需要等条件，设计出了一套切实有效的治理方案。他划定了河道位置，确定了堤岸的尺寸，核算了需耗的工时。一切规划就绪，疏浚工程开始，郭守敬担当工程总指挥，带领着招募来的父老乡亲将三条河水导向下游。
翻新古石桥
疏通完河道后，还需要架桥。三条河道中间那条达活泉上原先有座小石桥，战乱中倒塌后被泥沙倾没，早已不见踪影，为了方便百姓们来往行路，郭守敬决定在原有的位置上再建一座新石桥。为此，他仔细测量了达活泉河道及周围的地形地势，确定了建桥的方位。
建桥工程开始了，民工们按照郭守敬设定的地点开始打桥基，深挖淤泥和沙土。挖着挖着，突然挖到了硬邦邦的东西，原来是将那淹没多年的古石桥挖了出来！大家都不由惊叹郭守敬的好眼力，所选的建桥地点与以前建桥的方位分毫不差。由于古石桥的基础石仍旧十分完整，于是便可在原有的基石上建桥，这样一来建桥的工程既省力又省料，很快便完工了。
美名传乡里
从此，河水依然沿旧河道流去，不再泛滥。当地的百姓既不再受污水泥淖之苦，又得新石桥往来之便，还大大满足了临近农田灌溉的需要，促进了当地农业生产的恢复，使百姓安居乐业。
郭守敬在家乡规划主持的这一河道工程，只征调了400多人干了40天，便顺利完工了。在设计施工期间，郭守敬并不高高在上发号施令，而是同民工们一起同甘共苦，遇到技术上的困难，他不是一意孤行，而是虚心向经验丰富的老技工请教，修整自己的方案；人手短缺时，他总是穿着破旧的衣服同民工们一起劳动，不怕劳累，大家都很喜欢这个聪敏好学、有本事又不摆架子的好青年。
郭守敬修复河道的事迹很快在邢州周围传播开来，人们借用唐代李商隐的诗句，夸奖郭守敬是“雏凤清于老凤声”。当时有一位著名的文学家元好问，原是金朝的进士，到元朝时隐居不仕，他就写了一篇文章，叫做《邢州新石桥记》，生动记述了达活泉上新石桥的建造经过，其中特别提到“里人郭生立准计工”。记下了郭守敬在水利工程上崭露头角的业绩。
三、西夏修渠 黄河探源
郭守敬在家乡邢州修桥治水、初露头角之后，并没有自得自满。他清楚地知道，自己年纪还轻，但学无止境，正像古人说的那样：“吾生有涯而学无涯”。（意思是说，人的生命是有限的，但对知识的学习却是永无止境的。）所以在随后近十年的时间里，他没有进入仕途，而是潜心学术，积累知识，为今后的科学研究工作打下了坚实的基础。
而在这段时间里，当年同郭守敬在紫金山相为师友的一班人，如刘秉忠、张文谦、王恂等，都先后担任官职，得到忽必烈的赏识和重用。1260年，忽必烈任命张文谦为“左丞”。（中央政府机关的最高负责官员），后又兼任大名路与彰德路（今河北大名地区西部至河南安阳地区东部）的地方官，从京都调转到地方，古时外放的京官，总要带上几个亲信随从，作为自己的左膀右臂，以便行事得心应手。张文谦一得到调令，就立刻想起了老朋友刘秉忠的学生郭守敬来了，于是，郭守敬打点起行装，辞别亲朋好友，跟随张文谦上任去了。
规划整治水利
当时，忽必烈正在漠北排兵布阵，同与他争夺汗位的蒙古贵族打战，因此需巩固他的漠南后方。他在张文谦调离京都之时，就授意张文谦要重视农业生产，稳定人们的生活。
郭守敬到了大名、彰德地区，发现那里的人民生活虽然逐渐安定，但由于连年干旱，农作物产量很低，生活十分贫困。郭守敬深知水利兴建是恢复农业关键所在，他认真察看了当地河流水渠的分布，仔细估量了地形地貌，结合他在家乡修桥治水的经验，周密地考虑了该引哪条水，该修哪条渠。在头脑中形成了一整套整治水利的地区规划方案。
公务之余，郭守敬没有放弃他所擅长的天文仪器的研制工作。他在早年间就已经弄明白了莲花漏的计时原理，只是苦于没有力量正式仿制。现在，自己在地方上担任重要官职，有了人力和物力的保证，顶头上司又是深谙天文历法的旧日师友，于是他亲自动手，指挥匠人，开炉熔铜，按照早年所见的图样，浇铸了一套正规的铜漏壶。这套铜漏壶名“宝山漏”，后来随郭守敬北上燕京时运至京都，献给政府使用，因为这套计时仪器构造精巧、水流均匀、计时准确，后来元代的司天台（即国立的天文台）上也采用了这种漏壶作为计时的工具。
忽必烈召见
1262年春，张文谦向忽必烈推荐郭守敬，说他“习知水利，巧思绝人”。意思是说郭守敬熟知水利方面的事情，十分聪明能干。而当时忽必烈刚刚登上汗位两年，为巩固政权统治，安定人民生活，保证对军队的治养，采取了一系列鼓励农桑、发展经济的政策措施，因此求贤若渴，广为网罗各种专门的技术人才。他一听到张文谦的大力推荐，便很快将郭守敬召到开平府（今内蒙古多伦附近）接见。
郭守敬感到实现抱负、大展宏图的机会到了，心中又高兴又激动。在开平府被召见的那天，结合自己往日实地勘查的积累，针对当时农业生产的实际情况和国民经济的需要，向忽必烈呈报了六项治理华北水利的建议，并系统而详细地阐述了每项工程的效用及具体实施方案，郭守敬从容不迫，娓娓道来，听得忽必烈不时地点头称许。郭守敬讲完后，他不无感慨地对左右官员说：“任事者如此，人不为素餐矣！”意思是说，担任职务办事的人，像郭守敬这样，才不是摆摆样子吃闲饭的啊！并当即任命郭守敬为提举诸路河渠，即管理地方河道水利事宜的官员，着手实施这些建议。
开引玉泉水
这年八月，郭守敬正式提出“开玉泉以通漕运”的具体方案，提请修复废弃的漕运河道，并导引入玉泉山水，使从大运河运到通州的粮食，能够全由水路运抵京城，忽必烈批准了他的方案，并派宁玉“充河道官，疏浚玉泉河渠”。宁玉是元初负责漕运并很有成绩的官员，在此前后也多次治理过漕河。这次他来到燕京，按照郭守敬的规划，开凿玉泉山水，将其引入旧漕河。但因毕竟只有一泉之水，流量有限，对恢复大规模的航运，似乎帮助不是很大。
尽管如此，引来的玉泉水增加了当时中都（即北京）城内湖池川流的水量，便利了人民的生活；其后又为大都至迪州北线运河的开凿奠定了基础。因此，开玉泉水通旧漕河是郭守敬对北京水利兴修所建的第一功，也是历史上大规模开发玉泉水源的最早记录，郭守敬这一历史功绩是不可磨灭的。
修复西夏渠
1263年，郭守敬被提拔为佩带银符的副河渠使。1264年初夏，郭守敬同河渠使唆脱颜一道奉命到西夏（今甘肃、宁夏一带）视察河渠水道。沿黄河上游的河套平原西北部一带，原属西夏，历来是西北重要的农耕地区，早在汉唐各代就开凿了许多河渠，引黄河灌溉农田。大大小小的干渠和支渠总共有80多条，最长的唐来渠，长达200千米，其次是汉延渠，也有125千米；还有十来条干渠，各长100千米。这些渠道在河套西部，构成了一片水利网，灌溉着九万多顷良田。但由于连年战乱，渠道失修，河床淤浅，坝闸倾废，以致土地荒芜，收成日减，百姓们纷纷外出逃荒。
当时按元朝政府的规定，官员的正职都派蒙古人充任，汉人只任副职，所以，尽管是唆脱颜与郭守敬两人受命来到西夏，实际上是郭守敬担当了主要的考察工作。这年八月，元朝政府颁布了陕西、四川、西夏中兴等处设立政府机构、治理人民生活的有关条例规则，同时，张文谦又出任西夏的行政长官。在张文谦的支持下，郭守敬更是如虎添翼，开始大规模地整治西夏古渠。他采用“因旧谋新”的方针，主要在古渠河道的基础上设计规划，加以修整；同时“更立闸堰”，修复和重新调协用以控制和调节水位与流量的水坝水闸。他还设计了河渠入口附近的滚水坝和两三个退水闸。水小时闭闸，水大时则酌量开闸，以调节水量，过了退水闸，才是渠道的正闸，这种设计具有很高的技术水平和实用价值。这项工程得到了当地百姓们的拥护与支持，工程进展得十分顺利。没过多少时间，几十条河渠都畅通无阻。不仅有利于航运，还扩大了灌溉面积。逃荒的农民纷纷返回家乡，重建家园，不到一年光景，这儿又恢复成为西北重要的产粮基地，呈现出一片渠水四达、稻麦丰收的景象。西夏人民衷心感谢郭守敬，特意在渠上为他建立了一座庙祠，来纪念他的功绩。能得到老百姓们如此的爱戴，是多么大的一种荣誉啊！但在郭守敬的心目中，能够为人民群众办实事，使父老百姓安居乐业，远比这些荣誉重要得多！
探溯黄河源
郭守敬在西夏修复河渠古道期间，日日面对滚滚而来的黄河洪流。不禁产生了一个疑问：黄河的源头在哪里？古人云：“黄河出自昆仑”“黄河之水天上来”。但这种未经实地勘察的假说和诗句，都不能解决这位勤于思考、善于钻研的科学家的疑问，他决定“挽舟溯流而上”，去探索黄河之源。他从孟门（今河南孟津）往西，沿黄河旧道，逆流而上数百里，终因风涛险恶，只得中途折回。郭守敬虽没能探溯到黄河之源，却是以科学考察为目的，有意识地探寻黄河之源的第一人！
这一壮举，虽“前无古人”，却是后有来者。到了1280年，有一位名为都实的后继者奉忽必烈之命专程前去考察黄河河源。这次探索的经过都记录在一部《河源记》的专著中，虽然同样没能得到确切的结果，但也获得了不少颇有价值的资料。毫无疑问，作为先驱者的郭守敬的考察，对都实是有相当的影响的。六七百年后的1952年8月，黄河水利委员会等单位组织黄河河源查勘队，经过四个多月的考察，行程万里，终于查勘出黄河发源于青海雅合拉达合泽以东的约古宗列。郭守敬若在天之灵有知，亦会十分欣慰。
四、重开金口 新建水驿
1265年，郭守敬从西夏回到中都。为了考察各地的水利灌溉情况，他特地率领随从人员从中兴州（即西夏都城兴庆府，位于今宁夏银川东南）乘船沿河套迂回地顺黄河而下，船行几昼夜，到达大同府所属的东胜（今内蒙古托克托），证明了这一段水路完全可以通航。这时，忽必烈派往调查黄河水利航运的官员也正好到达东胜，听到这个好消息，立即派人飞马驰奔中都，向忽必烈报告喜讯。从此，自富饶的粮仓河套地区运送粮食到中都，不必全靠陆上运输，有长长一大段的路程可用船只漕运，大大方便了运输。
考察途中，郭守敬还发现东胜西边的查泊兀郎海（今内蒙古乌梁素海）附近古渠甚多，经过疏浚，也可用于灌溉。他回到中都向忽必烈报告此行经过时，同时提出了这一建议。忽必烈十分高兴，当即表示赞同。郭守敬回到中都后不久，忽必烈鉴于郭守敬工作认真、吃苦耐劳，且成绩显著，升任他为都水少监，也就是掌管全国河渠、堤防、水利、桥梁、闸堰等事务的高级官员。
引永定河水
郭守敬西夏之行归来，除提出关于河套北端的水利建设的建议外，又提出了关于增辟中都水源这个老大难问题。
金代曾在京西的麻峪村（今北京石景山西北），开引卢沟河（今永定河，元代称浑河）水穿西山东出，称为金口，金口以东的金口河曾经灌溉了京口至中都两岸的许多良田，促进了京西郊农业生产的发展。但是，永定河是一条典型的暴涨暴落的恶河，河水非常难控制。春冬少雨时，容易沉积泥沙；而到夏秋洪水季节，水势汹涌，常常泛滥成灾。自古以来，人们都称它为“无定河”。由于引水与防洪的矛盾，以及永定河的高含沙量带来的淤积难以解决，金代开凿金口河后只过了15年，就因山洪决堤，不得已又把金口填塞了。
1265年，郭守敬本着“上可致西山之利，下可广京畿之漕”的目的，提出重开金口，实现引永定河水为漕运服务的规划，为了既引进所需水量，又避免将洪水“引狼入室”，确保城市安全，郭守敬认真分析总结了前人失败的原因和应吸取的经验教训，提出在“金口以西预开减水口，西南还大河，令其深广，以防洪水突入之患”。也就是说在通往城区的金口上游增设一条尺寸足够宽大高深的溢洪道，当自东入渠的洪水过多时，可以自然溢流回西南边的主河道，同时保证足够量的河水入渠。这种规划设计在我国古代水利建设中虽然是经常使用的方法，但能够如此大胆而稳妥地应用于永定河这样凶猛的大河还是首次。
忽必烈采纳了这一方案，于第二年年底实现了“凿金口，导卢沟水，以漕西山木石”的计划，也就是说，这段修复了的金口河，对船只航运的益处虽未见于史书，但它对西郊农田灌溉和顺流漂送从西山开采的木材至城内，起到了相当的作用。郭守敬这一成就在古代永定河引水上是空前的。
设水驿交通
古语说：“黄河百害，惟富一套”。郭守敬在回京途中，以切身经历证实了从中兴州到东胜这一段水路完全可以通航。他回京向忽必烈汇报此次西夏之行的前后经过时，特别提出了河套一带的漕运通航问题，引起了忽必烈的重视。从政治军事角度上考虑，忽必烈对靠近蒙古族发祥地的这块重要地区自然是十分关注的。1267年秋天，忽必烈下令在从中兴州到东胜之间数百里长的这段黄河上，新添设了10所水上驿站，使其接通原有的驿站，专办西夏到上都和中都的军政通讯事宜。
1271年，忽必烈采纳刘秉忠的建议，仿前朝正式建立国号，取《易经》“大哉乾元”之意，建国号为“大元”，称元世祖，并将中都改名为大都，这年，郭守敬被擢升为都水监，负责全国河渠水利的经营治理工作。郭守敬一上任，就向忽必烈提出要在全国范围内兴办水利工程，得到了批准。第二年，忽必烈便下诏通知所辖各路，要兴办水利。
1274年，忽必烈派兵大举南下伐宋。为了保证华北平原对前方军需的供给，提高通信和交通效率，元朝政府决定在原有陆路驿站之外，增设水路驿站。因此，郭守敬奉命考察，今河北、山东、江苏等地的水道交通情况，确定水路交通的路线。郭守敬经过详细的实地勘查，将大都南方华北平原中心，济州、大名、东平一带汶水、泗水同御河及大运河相通的形势和连接的水道交通网，绘制成图，连同自己确定的五条河渠干线，上报元朝政府。忽必烈在郭守敬呈报的实际情况和规划设想的基础上，决定西起卫州，中以东平为枢纽，东连鲁中、南，南至徐州、吕梁的黄河下游，北接运河直到杨村，建立了水驿交通站，备有船只供官员来往和传递文书，加强了中央政府对南方攻宋军队的指挥联系和军事给养的运输力量。
作地形测量
1276年，元政府把都水监合并入工部，郭守敬随之转入工部改任郎中的官职，依旧负责河工水利，郭守敬在都水监与工部任内，做的实际工作是很多的，据史书记载，他“前后条奏全家凡二十余事”，就是说光他上报中央政府的事宜，就有20多件。他勘察治理过的“河、渠、泊、堰”，大大小小不下数百余所，除了前面讲到的几件大事之外，他工作中成绩比较显著而突出的，还有黄河中游的地形测量这一项。
据史书记载，郭守敬曾经从河套西头的孟门山起，顺中条山往东，沿着黄河和黄河改道一路测量地形，掌握了大河之北纵横数百里地区内地势起伏的变化。透过几百年的时光，我们回首看去，似乎看到这位大科学家不辞辛劳、风尘仆仆的身影，他或驱牛车、或行木船或以步当车，穿行在众多的古渠故道中。哪里应该开渠以“分杀河势”，何处可以引水来“灌溉田土”，他都一一绘在地图上，详细注明情况。就这样，在黄河中游的大块土地上，他做了一次大面积的地形测量，积累了大量的第一手资料，作为规划的依据。在当时交通很不发达的情况下，这项测量工作的工作量之大，工作的繁难程度是可想而知的，从中也反映出郭守敬作为一名科学工作者的良好素质和敬业精神！
创标高概念
郭守敬在长期的水利工程实践中积累了丰富的经验，同时也有不少理论上的总结和创新，标高概念就是突出的一例。
近代水平测量需要以一定的海平面作为零点，以此作为标准来测定各地的水平高度，称为标高，亦叫海拔。这在西方，是19世纪20年代才有的概念。长期负责河工水利，郭守敬凭着科学严谨的治学态度发现，测量地形的高低需要一个基准，以作比较。他根据自己所得的地形资料，以大都东边的海平面为基准，将大都的水平高度与海平面作了比较。又进而将大都至开封一线上逐段的水平高度，分别与海平面基准做了比较。于是，他就得到了这500多千米长的路途上许多地方超出海平面的高度，即标高。
郭守敬所做的，是一项重大而紧要的大地水平测量工作。可惜当年的图志均已散失，无从查考了。只知道他得出的结论中有一条说：汴梁（今开封）离海远，标高大，因此水流湍急，大都离海近，标高小，所以水流和缓。这是在我国首次创设了用海平面以上的标高来表达地形高低的办法，在地理学与测量学上具有重要的科学意义，在世界上比西方要早五六百年。
青年和壮年时期的郭守敬，本着科学严谨的精神、认真负责的态度，理论结合实际，在那个时期对我国北部的河道工程、农田水利和水路交通的建设，对农业生产的恢复与发展，作出了很大的贡献。
五、简仪高表 巧思绝伦
中国长期处于封建社会之中，经济活动以农业为本。农业生产便需要准确的历法，编制历法是我国古代天文学在实际应用中的主要一环，广泛涉及天文学中的观测、推算与仪器制造等各个范畴。因此，历法的精确程度从某种意义上讲体现了我国古代天文学发展的成就。而中国历代的封建帝王，自认为是“天子”，因而王朝的兴衰，被认为是与天地日月运转的数理有关。这种运转之理，叫做天道，也称为历数。所以，各朝皇帝都特别重视历法的制定，尤其是改朝换代时要重颁新历，把颁历视为皇权的象征，看做是受命于天的标志。
元朝统治者来自中国北方的游牧部落蒙古族。虽已逐步演变进入了封建社会，却并没有自己完整的一套历法。从13世纪初成吉思汗勃兴以来，一直沿用金朝的大明历。年长日久，斗转星移，这部历法已推算不准，经常出现差错。成吉思汗西征时，人们在初一晚上会看见本应在初三才能出现的一弯新月，日月食也不在预报的时刻发生，连农事活动所遵循的二十四节气的日期也不准确，严重影响了农业生产和人民生活。当时，耶律楚材曾拟订“西征庚午元历”，但未施行。后来，波斯人札马鲁丁用回回历法制成“万年历”，献给忽必烈，因为不精确，只用了很短时间就被废弃了。这时，不仅因历法不准确而“失误国家大事”，而且江南一带的地区仍旧继续使用着南宋的成天历，南北历法的不一致，给新皇朝的统治带来了不少障碍。其实，刘秉忠早在忽必烈初登皇位时就提出过改新历的奏议，可是忽必烈忙于打仗，始终没顾上办理。到1276年，元军攻占江南，天下基本统
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