從機械發(fā)明的角度看，人類歷史中從提水器具到機械的發(fā)明是重要的進步。具有杠桿原理構(gòu)造的提水機械(桔槔)、有垂直傳動裝置的轆轤、平行傳動裝置的龍骨水車和以水為動力的筒車，代表了古代Zui先進的提水機械，也代表了古代機械發(fā)展的重要方面。但從水利史的角度來看，提水機械的發(fā)展經(jīng)歷從人力、畜力到水力風(fēng)力等自然能應(yīng)用兩個發(fā)展階段。18世紀的工業(yè)革命，誕生了使用電能的抽水機，它標(biāo)志著以自然能為動力的提水機械的終結(jié)。但是，古老的水力機械，因為沒有供電問題而在邊遠的山區(qū)和農(nóng)村至今仍在使用。
(一)人力和畜力提水機械
先秦文獻中出現(xiàn)的“報甑而汲”“負缶而入井”文字，描述了灌溉園藝的取水方式，或許這就是Zui早提取地下水灌溉的方式。西安半坡村遺址距今6000多年前水井中發(fā)現(xiàn)取水的陶罐。河北藁城夏商時期的水井中，發(fā)現(xiàn)了扁圓形的水桶，口邊有對稱的兩個方孔，應(yīng)該是用于穿系繩索，用在較深的井中提水①。
1．戽斗和倒虹吸
戽斗是古代Zui常見的提水器具(圖4-80)，在木桶、柳條筐系上繩子，兩人相對而立，用手牽拉繩子，從低處戽水上岸。

圖4-80 戽斗及其工作情景
(引自(元)王禎《農(nóng)書》)

倒虹吸一類的提水設(shè)施在東漢時見于記載，中平三年(186)大修宮城，掖庭令畢嵐“又鑄天祿蝦蟆，吐水于平門外橋東，轉(zhuǎn)水入宮。又作翻車、渴烏，施于橋西，用灑南北郊路，以省百姓灑道之費”②。畢嵐所作的天祿蝦蟆至少是管道引水的出水口。關(guān)于渴烏，唐代李賢注：
①河北省博物館，藁城臺西商代遺址，文物出版社，1977年，第66～71頁。
②《后漢書?宦者列傳》卷78，中華書局本，第2537頁。

“渴烏，為曲筒，以氣引水上也”①，是倒虹吸裝置。唐《通典》記：“渴烏，隔山取水。以大竹筒雌雄相接，勿令漏泄。以麻漆封裹。推過山外，就水置筒，入水五尺。即與筒尾取松樺干草，當(dāng)筒放火?；饸鉂撏ㄋ?，即應(yīng)而上?！雹诳蕿踹M水口和出水口需要有一定的高差，利用真空和水壓力將水輸送到目的地。
1．桔槔
桔槔始見于《墨子?備城門》，作“頡皋”③。是一種利用杠桿原理的取水機械(圖4-81)。如下幾條記載反映了春秋戰(zhàn)國時使用桔槔的地區(qū)主要是經(jīng)濟比較發(fā)達的魯、衛(wèi)、鄭等國(今山東西南、河南北部、河北南部)。

圖4-81 山東嘉祥東漢畫像石上的桔槔取水圖

《說苑?反質(zhì)》記載鄭國大夫鄧析過衛(wèi)國，見5位農(nóng)夫“俱負缶而入井，灌韭終日一區(qū)”。鄧析下車為之教：“為機，重其后，輕其前，命曰橋。終日溉韭百區(qū)不倦?！雹艿l(wèi)國人說，并不是不知道有這種機械，而是“有機之巧，必有機之?dāng)　?，所以不用之。這里鄧析對桔槔的結(jié)陶和工作效率有較全面的描述。
孔子弟子子貢南游楚國，過漢陰，見一丈人抱甕入井出灌，也向前介紹桔槔：“有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而見功多，夫子不欲乎?為圃者仰而視之曰：奈何?曰：鑿木為機，后重前輕，挈水若抽，數(shù)如沃湯，其名為槔?！雹?br>①《后漢書?宦者列傳》第78，中華書局本，第2537頁。
②唐?杜佑：《通典?兵十》卷157，商務(wù)印書館，1935年，第831頁。
③《墨子?備城門》卷14，諸子集成本，第313頁。
④漢?劉向：《說苑》卷20，叢書集成初編本，第202頁。
⑤清?王先謙：《莊子集解》卷3，諸子集成本，第74～75頁。
魯國的太師金借桔槔闡發(fā)為人之道。其中對桔槔的概括：“獨不見桔槔乎?引之則俯，舍之則仰。”①
桔槔的構(gòu)造運用了杠桿原理，取水時可一按而下，木桶盛滿水后，杠桿的前端由重點變?yōu)榱c，借助安置于后端的重物，只用較少的力上提，水桶就上來了。桔槔一直是我國北方地區(qū)比較常見的提水機械。
3．轆轤
轆轤是利用輪軸原理做功的機械。用于提取井水的轆轤始見于漢代，作“櫝櫨”。李斯《蒼頡篇》：“櫝櫨，三輔舉水具也?！遍L安三輔地區(qū)多有使用。今湖北大冶礦冶遺址考古發(fā)現(xiàn)漢代轆轤木軸，這是礦井中提升礦石之用的起重設(shè)備②。漢代畫像石中，用轆轤提水的題材較多，當(dāng)時轆轤已經(jīng)較多地用在生活和灌溉用水中。明代徐光啟概括轆轤的提水過程：“虛者下，盈者上，更相上下，次第不輟，見功甚速。”轆轤的關(guān)鍵設(shè)備是轆轤軸，利用輪軸原理做功，輔助的設(shè)備有支撐架、盛水具、繩索等。
轆轤的出現(xiàn)，解決了深井的取水問題，標(biāo)志著人類利用地下水進入新的階段。轆轤逐漸成為北方地區(qū)使用Zui普遍的提水機械，明清時華北地區(qū)出現(xiàn)了畜力轆轤，在機械傳動部分加了動力輪——平輪，盛水器由一桶改為多桶，牛馬環(huán)繞立柱作圓周運動，井水不斷上提(圖4—82)，提水的深度可以達到數(shù)十米，今天華北平原一些超100米的深井也還在用轆轤提水。

(a)元?王禎《農(nóng)書》上的轆轤 (b)現(xiàn)代仍在使用的轆轤
圖4-82 轆轤

①清?王先謙，《莊子集解》卷4，諸子集成本，第91頁。
②銅綠山——中國古礦冶遺址，文物出版社，1980年。

4．機汲
一種利用滑輪提水的設(shè)施，適合遠距離高落差的地方提取河水。唐代劉禹錫《機汲記》：“比竹以為畚，置于流中。中植數(shù)尺之臬，輦石以壯其趾，如建標(biāo)焉。索绹以為縆，系于標(biāo)垂上屬數(shù)仞之端；亙空以峻其勢，如張弦焉。鍛鐵為器，外廉如鼎耳，內(nèi)鍵如樂鼓，牝牡相函，轉(zhuǎn)于兩端，走于索上，且受汲具?！雹俳袢烁鶕?jù)文獻，繪制出大致形制(圖4—83)②。此外，唐《通典?兵》“識水泉、隔山取水、越山渡險”條也有類似越山取水設(shè)備的記載③。

圖4—83 唐代機汲示意圖
(引自《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)史稿》，農(nóng)業(yè)出版社，1986年)

(二)水車
古代水車是輪轉(zhuǎn)提水機械的統(tǒng)稱，按動力分有人力、畜力、水力和風(fēng)力，因為動力裝置不同而有不同形制。后漢及三國時都有水車發(fā)明的記載，唐代水車開始推廣應(yīng)用。大和二年(828)文宗“內(nèi)出水車樣，令京兆府造水車。散給鄭白渠百姓以溉田”④。用人力或畜力的水車稱龍骨水車，利用水流沖動來提水的水車稱“筒車”。
1．龍骨水車
水車東漢時始見于記載，《后漢書》記畢嵐：“又作翻車、渴烏?！蔽鲿x人傅玄記三國時人扶風(fēng)馬鈞“居京都，城內(nèi)有地，可為囿，患無水以灌之，乃作翻車。令童兒轉(zhuǎn)之，而灌水自覆，更入更出，其巧百倍于?！雹荨＿@段文字對馬鈞翻車用途有較為明確的記載，但其結(jié)構(gòu)仍然不詳。從字面推測應(yīng)是手搖的龍骨水車。
①唐?劉禹錫：機汲，《劉夢得文集》卷27，四部從刊初編，第162頁。
②李崇州，中國古代各類灌溉機械的發(fā)明和發(fā)展，農(nóng)業(yè)考古，1983年，第l期，第142～143頁。程鵬舉，機汲試析(未刊稿)，對索道的架設(shè)方式和滑輪構(gòu)造有進一步研究。
③唐?杜佑：《通典?兵十》卷157，商務(wù)印書館，1935年，第831頁。
④引日唐書?本紀》卷17，中華書局本，第528頁。
⑤引自《三國志?杜夔傳》卷29晉傅玄的注，中華書局本，第807頁。

龍骨水車的稱呼來自民間，南宋陸游《春晚即景》：“龍骨車鳴水入塘，雨來猶可望豐穰。”①目前見到的史料中，這是Zui早的出處。
龍骨水車適合近距離，提水高度在1～2米左右，比較適合平原地區(qū)使用，或者作為灌溉工程的輔助設(shè)施，從輸水渠上直接向農(nóng)田提水。用于井中取水的龍骨水車是立式的，水車的傳動裝置有平輪和立輪兩種以轉(zhuǎn)換動力方向。
唐宋以來農(nóng)田灌溉、排水及運河供水中，龍骨水車是使用Zui普遍的提水機械，特別是南方大興圍田之后，對低水頭提水機械的需求更加普遍。元代王禎《農(nóng)書》繪制了不同動力的龍骨水車的圖譜，其中人力水車有腳踏、手搖等，畜力水車有牛車、驢車等，(圖4—84)為明代宋應(yīng)星《天工開物》改繪的三種龍骨水車。
2．水力水車
中唐時，已有了水力提水機械的文字記載，Zui早稱之“水輪”、“機輪”。在元代王禎《農(nóng)書》記載了兩類水力提水機械：筒車和水車。水車有水轉(zhuǎn)翻車、水轉(zhuǎn)高車(明代徐光啟記做水轉(zhuǎn)筒車)。
(1)筒車：
Zui早的文字記載見于唐陳廷章《水輪賦》，水輪即為提水水車，“鄙桔槔之繁力，使自趨之轉(zhuǎn)轂”，汲具一般是竹筒系在水輪上，水輪既是動力機械又是工作機，以水力為動力，沖動水輪自動運轉(zhuǎn)而提水。“水能利物，輪乃曲成。升降滿農(nóng)夫之用，低回隨匠式之程……觀夫斫木而為，憑河而引，箭馳可得。而滴瀝輻輳，必循乎規(guī)準(zhǔn)?！雹诳梢娡曹嚨闹谱饕延幸欢ǖ囊?guī)程。北宋梅堯臣《水輪詠》：“孤輪運寒水，無乃農(nóng)者營，隨流轉(zhuǎn)自速，居高還復(fù)傾?！雹勰纤稳藦埿⑾檫^廣西興安，記途中所見：“筒車無停輪，木枧著高格?！雹茱@見所謂孤輪、水輪、筒車均為同一水力提水機械，其汲具系于水輪之上，隨水輪的轉(zhuǎn)動將水提到水輪的Zui高處，自動傾入輸水槽中，水輪的直徑幾乎同于提水高度。元代，王禎《農(nóng)書》對筒車有很詳細的介紹，并有圖譜⑤。因為結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，且維修方便，在宋代便已廣泛流行于民間，及至近代仍是農(nóng)村常用的水力機械。
(2)水轉(zhuǎn)翻車：
元代王禎《農(nóng)書》始見記載，動力傳動部分與人力、畜力水車相同，出水端有傳動輪；進水端位于水下，為動力輪。水輪有立式、臥式兩種，適用于低水頭的水力條件(圖4—85)。
(3)高轉(zhuǎn)筒車：
水輪愈大，需要的水動能愈大，宋元時大水輪被廣泛用在提水機械上。
元代王楨說“此近創(chuàng)捷法，已經(jīng)較試”⑥，可見應(yīng)是當(dāng)時的產(chǎn)物，王禎稱平江府(治今江蘇吳縣)虎丘寺劍池安裝了這種水車供水，它的形制“其高以十丈為準(zhǔn)，上下架木，各豎一輪，下輪半在水內(nèi)，各輪徑可四尺”⑦。高轉(zhuǎn)筒車提水高度可達約30米，水輪直徑1米以上(圖4—86)，說明水輪的制作工藝和水工建筑物的修建技術(shù)都有相當(dāng)高的水平。
①轉(zhuǎn)引自《中國科技資料選編》第四章，清華大學(xué)出版社，1981年，第161頁。
②唐?陳廷章：水輪賦，《全唐文》卷948，中華書局本，第9840頁。
③北宋?梅堯臣：《宛陵先生集》卷4，四部叢刊本，第39頁。
④南宋?張孝祥：過興安呈張仲欽，《于湖居士文集》卷5，四部叢刊本，第48頁。
⑤元?王禎：《農(nóng)書》卷19，萬有文庫本，第421頁。
⑥，⑦ 元?王禎：《農(nóng)書》卷18，萬有文庫本， 375頁。

圖4-84 不同動力驅(qū)動的龍骨水車
（引自明?宋應(yīng)星《天工開物》）
圖4-86 高轉(zhuǎn)筒車
（引自（明）徐光啟《農(nóng)政全書》）

(4)水轉(zhuǎn)高車：
這是一種可以垂直或接近垂直提水的機械，王禎說“(水轉(zhuǎn)高車的制作)此誠秘術(shù)，今表暴之，以諭來者?！睋?jù)干禎的記載可以推想它的形制：“但于下輪軸端別作豎輪，傍用臥輪撥之?！雹僦鲃虞喸谙露?，水流沖動臥輪，臥輪撥動豎輪(傳動輪)。王禎又說其構(gòu)造與“水轉(zhuǎn)翻車無異”。水轉(zhuǎn)高車在元大都(今北京)有使用的記載，“今都城已有高車，用水飛上樓閣，散若霧雨，頗聞費力”②，是用作屋頂降溫的一種設(shè)備。
3．風(fēng)力水車
明清出現(xiàn)廠風(fēng)力水車的記載。風(fēng)力水車的動力裝置是風(fēng)帆，工作機的構(gòu)造與龍骨水車相同(圖4—87)。明?宋應(yīng)星《天工開物》：“揚郡以風(fēng)帆數(shù)扇，俟風(fēng)轉(zhuǎn)車，風(fēng)息則止，此車為救潦，欲去澤水，以便栽種。”③這類提水機械用于太湖流域排水，有風(fēng)就轉(zhuǎn)且可經(jīng)常工作。清代長蘆利用風(fēng)力水車提取海水制鹽，一具風(fēng)帆可帶動兩部水車。
①，② 元?手楨：《農(nóng)書》卷18，萬有文庫本，第375頁。
③ 明?宋應(yīng)星：《天工開物?乃粒》卷上，商務(wù)書館，1954年，第5頁。