沈括对此愤慨难平,挥笔写下了《万春圩图记》,披露事实真相,以正视听,并继续倡导修圩改田一事。后来在他的积极倡导下,规模宏大的万春圩得到了修筑,并开辟出了能排能灌、旱涝保收的良田一千二百七十顷,同时他还写了《圩田五说》、《万春圩图书》等关于圩田方面的著作。熙宁五年(1072年),黄河泛滥,滔滔河水冲垮了汴京东北一百多公里处的商胡大堤(今河南濮阳东北)。决口宽八百多米,汹涌的黄河水淹没大片良田,冲毁民房数万间,守卫边防用的战备粮草器材也损失了八九成。决堤的洪水如脱缰野马,调转方向,径直向北,直逼汴京的门户北京(今河北大名),形势十万火急。
因沈括对水利工程非常精通,于是皇帝下诏派沈括去疏浚汴河。为了治理汴河,沈括亲自测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸共八百四十里河段的地势。他率领部下从京城东门起,沿河岸直向下游,边走边访问当地居民,探讨疏浚汴河的方案,也顺便了解两岸淤田的情况。汴河的河床应该挖掘多深才算疏浚好了呢?沈括先进行实地试验。他堵住一角河道,挖尽沉积的淤泥,一直挖到三丈深,发现底下有石板,那是从前疏浚河床时留下的标记。沈括大吃一惊,想不到淤泥把河床垫高了三丈多,疏浚汴河是多么艰难的任务啊!
要清除这么多淤泥,用人力挖必定费力耗时,有什么更好的办法呢?这时,沈括想起了王安石提倡过淤田,办法就是在汴河水大流急时,故意掘开一段堤岸,让汴河水把河床的淤泥冲刷到堤外的盐碱荒滩上。这样反复做几次之后,既可为汴河清淤,又可造地,变荒滩为良田。不过,这位治河经验丰富的著名科学家在治理汴河工程时却碰到了一些难题。汴河地理位置重要,是通向东京汴梁的一条命脉,而从开封到泗州一段,则是汴河最紧要的部分,需要格外重视。疏浚河道,第一步要做的便是进行河道测量。
如果是比较直的河道,就容易一些,按照一步等于五尺的规则计算就可以了。但是沈括发现,汴河的河道地势高低起伏,而且整条河弯弯曲曲非常不规则,仅靠现有的水平尺或标尺等常规工具肯定不可能准确测量如此复杂的地形。怎么办呢?这可难坏了沈括等一干大臣。有人说,大体测量一下就可以了,不用非得那么准确。但是沈括天生是个认真的人,又长期搞科研,养成了严谨的习惯,虽然目前困难重重,但他坚决反对敷衍应付。不过,一时半会,他们也没想出好主意,沈括有些着急,没事就出去到工地巡视,他看见几个儿童在河边上嬉戏玩水。孩子们齐心协力,在小沟里用沙泥建起一道道小型堰塘,虽然泥水溅得满身都是,但孩子们玩得很开心。
沈括凑到跟前,仔细研究孩子们的“杰作”,突然沈括一拍脑袋,道:“有了!”他赶紧跑回去设计方案。次日,沈括让工人们停下所有手头的工作转而集中力量逐段挖通堤外的小沟,把它挖成一条与汴河大致平行的河道。河工们有些纳闷,本来汴河就那么难疏通,不抓紧时间干正事,怎么玩起旁门左道了,大家都很莫名其妙,甚至偷偷有些不解和怨气。但是,沈括一声令下让怎么干就得怎么干,既然让挖小河道就挖吧!
过了一段时间,小河道挖通了,沈括又下令向小河道里灌水,好让水都蓄积在靠近泗州一边的地势最低平的测量点上。渐渐的,水都流向地势低的地方,靠地势较高的小河道便形成了浅涸。沈括再让河工们在浅涸的地方再筑一道堤堰,再灌水,于是又会出现浅涸,如此这般,一段段地建堤堰。河工们开始看出门道了:“这不就是孩子们玩水的游戏吗?”小河道里的水是静止、水平的,通过分层筑堤堰,河道形成了一个个阶梯。只要然后逐级测量各段水面,累计相加各段的高度,它们的总和就是开封和泗州间“地势高下之实”的实际数字了。
这便是沈括发明的“分层筑堰法”。他运用这种方法,测量了汴河下游从开封到泗州淮河岸共八百四十多里河段的地势,并测出开封比泗州地势高出19丈4尺8寸6分。沈括取得了汴河这两个最重要的数据,为七年以后的导洛清汴工程打下了基础。在此后的四五年时间内,又取得引水淤田一万七千多顷的显著成绩。在对地势高度计算时,其单位竟细到了寸分,可见,沈括的治水态度是极其严肃认真的,而且这在世界水利史上也是一个创举。
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