1264年，元世祖忽必烈发布《至元改元诏》，取《易经》“至哉坤元”之义，改“中统五年”为“至元元年”。随后，国号由“大蒙古国”改为“大元”。1272年二月，采刘秉忠议，改中都为大都，宣布在此建都，刘秉忠负责都城的规划设计。刘秉忠设计的大都城位于高粱河下游，将今天的什刹海、北海、中海都圈入了城内。整个大都城布局近似方形，南北约7.5公里，东西约6.6公里，占地近五十平方公里，是唐代以来中国规模最大的一座新建城市（图1）。都城内人口在元朝初期时约为五十万，至元朝中期时已超过百万。如此庞大数量的人口消耗粮食物资必定十分惊人，加之元朝初年连年对外战争，也需要供应大量的军粮。据史料考证，元朝都城每年粮食需求都在百万石以上（元代时一石约为现在六十公斤）。对于如此庞大的粮食需求，区域有限的华北平原必定难以满足，元朝必须从全国范围内征集物资，其中主要的征集地就是富庶的江南地区。《元史》载“元都于燕，去江南甚远，而百司庶府之繁，卫士编民之众，无不仰给于江南。”为把江南的粮食运送至大都城，元朝先后开通了海运、疏通了京杭大运河，经由这两条线路运输的物资皆可到达通州。物资在通州一部分可以经过坝河转运至大都城，但坝河每年的运量仅在三四十万石左右，剩余的物资则必须经过陆路运至大都城。通州和大都城相距五十里路，陆路运输会耗费大量的人力、物力，尤遇恶劣天气，道路泥泞，民夫艰辛不堪。史载：“先时通州至大都五十里，陆挽官粮，岁若千万，民不胜其悴，至是皆罢之，”所以在通州和大都之间迫切需要一条便捷的运输通道，由此促成了“通惠河”的出现。
图1 元大都城平面设计示意图(图片来源：侯仁之《北京城的生命印记》)
提起通惠河，不得不介绍一下通惠河的规划者——元代著名科学家郭守敬。郭守敬出身书香之家，其祖父郭荣是金、元之际颇有名望的学者。郭守敬十五岁时就用竹篾扎制出一架测天用的浑仪，其后师承著名学者刘秉忠，历任副河渠使、都水少监、工部郎中、同知太史院事、太史令等职，开启了他硕果丰硕的一生。后人总结郭守敬的学问“不可及者有三”：水利之学、历数之学、仪象制度之学。他主持规划了大都城完美的水利体系、参与西夏治水，治水思想上提出了一系列先进的理念；在数学上，废除上元积年、发明弧矢割圆术、以万分为日法……；在仪象制度上，完成了《授时历》，成为中国历史上一部精良的历法。发明了简仪、候极仪、立运仪、浑象、仰仪等众多天文计时仪器（图2）；创作《推步》、《立成》、《历议拟稿》等十四部著作。在古代社会相关学科体系都不太健全的情况下，能取得如此大的成就，的确非同一般。当今天我们歆羡于近代西方杰出的科学家时，更应该翻开历史，去追忆我们这些古代的先哲。对于郭守敬的这些成就，我们最熟悉的还是元大都水利体系的规划及通惠河的开凿。
图2 郭守敬发明的简仪（图片来源：作者自摄）
元中统三年（1262年），三十一岁的郭守敬，受到忽必烈的召见，面陈水利六条建议，深得忽必烈赞赏，随机被任命为提举诸路河渠，掌管各地河渠的整修和管理工作。郭守敬上任伊始面临的头等大事就是通州至大都之间的漕运问题。郭守敬计划开凿一条连接通州和大都城的河道，而在此之前北京已有两条连接两地的河道：一条是金代闸河，以中都城北护城河为起点，东流至通州城北，注入北运河；另一条是萧太后河，位于北京东南，起始于辽南京城迎春门（原宣武区西南部），东南流向张家湾，与北运河相接。两条河道保存状况尚好，因此疏浚这些旧河道作为漕运河道是比较适宜的。在两条河道中，郭守敬选择了离大都城距离较近、保存状况较好的闸河作为疏浚河道，同时根据实际情况将河道进行调整，将起点改至积水潭（今什刹海）东南岸，并将河道下游改至通州东南，在张家湾注入北运河，这即是通惠河的路线规划。
运河路线虽然确定，但还需解决运河最重要的问题——水源。对于一条运河来说，其成功与否的关键就在于其是否有稳定的水源，对于北方少雨地区的运河来说尤其如此。早在金代时，这个问题就一直困扰着金代的统治者。金代为解决闸河水源问题，大定十一年，金世宗命人开凿金口河，引卢沟河水以济漕运，但因漕渠地势高峻，水性浑浊，最终失败。其后金章宗泰和年间，开高粱河引翁山泊水接济闸河，不过水量仍是不足，因此解决水源问题成为通惠河成功的关键。由于北京平原西北高、东南低，要保证水源能够自行平缓地流入漕运河道，新的水源必须位于大都城西北部海拔较高的位置。元朝初期，郭守敬曾以金代旧水源瓮山泊为通惠河供水，水源仍旧不足。为寻找稳定的水源，郭守敬在大都城周边进行详细的勘察后，发现北京昌平温榆河上源地区水源丰富，散布着诸多泉眼，其中白浮泉水量充足、流量稳定（图3），是通惠河理想的水源郭守敬规划以白浮泉为起点，将周边诸泉汇集在一起，再导引至大都城。
图3 白浮泉遗址（图片来源：作者自摄）
不过工程实施起来却并不简单，这是因为白浮泉距瓮山泊约四十里路，高差仅有两米，之间有众多山谷和河道，高低起伏较大，引水路线如何选择是工程的难点。若开凿一条直线的引水渠道，泉水必定会在中途汇入地势较低的河流和山谷之中，因此需要寻找一条迂回且地势逐渐降低的引水路线。如何确定引水路线地势是逐渐降低的呢？在今天的施工技术中，我们可以通过全站仪、水准仪等现代化的测量设备轻松地测出两地的高差，在古代社会这个问题却是难以解决。为此郭守敬想到可以选择一个固定的参照点，通过和它对比获得绝对高度，以此确定不同地点的高差，这个参照点郭守敬确定为海平面，这是地理学上的一个重要概念“海拔”的创始。这个概念的提出要比西方类似概念的提出早五百多年，极大的便利了人们的工程测量。通过海拔概念，郭守敬确定了一条海拔高度逐渐降低的路线，这条路线绕开了白浮泉和瓮山泊之间的山谷河流，先是自白浮泉向西，而后沿西山山麓南行，再东南转向瓮山泊，整条路线略呈“C”字形，沿渠修筑堤堰（图4）。
图4 白浮泉引水路线（图片来源：作者自绘）
整条引水渠道在途中还汇集了一亩泉、马眼泉、王家山泉、冷水泉等十余泉水众多泉水，小的溪流逐渐汇集成了一条水量丰沛的大河。不过山谷溪流与引水渠相接时出现了一个新的问题：即山洪大时可能会将引水渠道直接冲毁，后期修复起来较为麻烦，为此郭守敬想到在引水渠与山溪间交叉处采用一种“荆笆编笼装石”的溢流坝，山洪大时，能自动溃决泄洪，修复时工程量也不大。这种结构称为“清水口”（图5），在整个白浮——瓮山引水渠中，这种结构共有十二处，它巧妙解决了渠道和山溪相接的问题，为引水渠提供了稳定清洁的泉水。
图5 “清水口”交叉工程结构推想图（图片来源：蔡蕃《北京古运河与城市供水研究》）
通过精确计算、巧妙设计的引水路线，郭守敬将白浮泉和沿途众泉水成功引导至瓮山泊，并在瓮山泊入水口和出水口各设一座水闸，将瓮山泊改造成了一个大的蓄水库，然后通过高粱河将水导引至大都城内积水潭，再以积水潭和通惠河相接，以此解决了通惠河的水源问题（图6）。但工程并未就此结束，如何让通惠河“平稳”的运行还是一个“难题”。因为北京地势西北高东南地，瓮山泊和大都城相距二十里，海拔相差两米，水可以平稳自流，而北京和通州相距五十里，海拔却相差近二十二米，如果将上游河水直接流入通惠河的话，通惠河必定水流湍急，河水“一泻无余”，同时漕船也难以行驶。那么如何才能让水流流泻不至于过快，又能保证船只平稳行驶呢？为此郭守敬苦苦思索，最终他想出一个办法，那就是通过设计水闸控制水流，“闭闸蓄水，开闸行船”。具体说来就是，在通惠河上设置若干组水闸，漕船在通惠河上自西向东行驶，行至一组水闸下时，下闸打开，使下游水位上升，船只驶入两闸之间，然后下闸关闭，上闸开启，使两闸之间的水位上升，船继续向上行驶，如此往复，船只就可以顺利行至都城。史载：“每十里一置闸，比至通州凡为闸七。距闸里许，上重置斗门。互为提，以过舟止水”。整条河道包括上游高粱河在内共有十一组水闸，二十四座（图7）。实际上这种梯段式行船的原理就是现在的“船闸”技术，这种技术至今仍广泛地应用于船舶航行领域，比西方类似技术早了几百年之久，由此不得不感叹郭守敬的巧妙构思（图8）。
图6 元大都通惠河源流图（图片来源：侯仁之《北京城的生命印记》）
图7 通惠河二十四闸图（图片来源：作者自绘）
图8 船闸工作原理（图片来源：摘自网络）
至此，水源、路线、行船等问题统统解决，这条河的规划方案基本确定，接下来就是具体施工。这条关乎都城发展的河道得到忽必烈的极大关注。在河道开挖时，忽必烈命“命丞相以下皆亲操畚锸为之倡，咸待公（郭守敬）指授而行事”。工程至元二十九年（1292年）八月开工，元至元三十年（1293年）秋竣工。河道通航后，载满货物的漕船自北运河驶入河道，溯流而上，直抵大都城内的积水潭。当时积水潭水域辽阔（图9），停满了大大小小的漕船，“舳舻千里，旌旗蔽空”，恰逢忽必烈从上都（今内蒙古锡林郭勒盟正蓝旗的金莲川草原）归来，行至积水潭处，看到如此空前的盛况，大喜过望，遂将这条人工河道命名为“通惠河”，并赏赐郭守敬一万二千五百缗，让他继续兼职，抓好漕运大事。
图9 元大都积水潭（图片来源：作者自绘）
从整条引水路线来说，这条河道开凿的过程无疑是艰难的，每一个环节都面临着大大小小的问题。在这种背景下这条河道的成功更显得“来之不易”，这也主要得益于古代劳动人民的辛勤付出和设计师的精巧构思。它的每一个环节都充满着智慧，是一条当之无愧的“智慧之河”。通惠河的成功意义无疑是巨大的，毫不夸张的说，这一条河带动了一座城，不仅都城所需的粮食皆需依靠这条河供给，就连都城内的日用百货也需要它来满足。同时这条河流和北运河直接相连，解决了大都城至通州的“最后一段路程”，有效地促进了元朝的南北沟通，这对于都城对于全国的控制和政权的巩固都具有很大的裨益。更可贵的是这条河流历经明清，流淌在现在，依旧服务着北京城，泽润着今天的人们！
图10 通惠河现状（图片来源：作者自摄）
作者：周坤朋 吴礞 单位：北京建筑大学水文化遗产团队
（本文为“大运河沿线八省市社科联+北京市网信办”联合主办的“我身边的运河故事”征集发布活动办公室来稿。）
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