灌溉有两种方式,一种是自上而下的大型水利工程,如芍陂、都江堰等,其优点是灌溉面积大,持续时间长,缺点是对地形要求高、工程量大;另一种则是自下而上的升水装置,如桔槔、辘轳、水车以及如今的抽水器械等,其优点是适用于各种复杂地形、易于实施,缺点是部分器械还是需要人力介入,且持久性不如大型水利工程。
在升水装置中,辘轳和桔槔都是出现较早、应用较广的典型器械,同样都是用于提升井水,《齐民要术》精确描绘了两者区别:“井深用辘轳,井浅用桔槔。”桔槔是利用杠杆原理的取水机械。2015年,诸暨赵家镇泉畈村的桔槔井灌工程被列入世界灌溉工程遗产名录。
浙江诸暨赵家镇地处丘陵,天旱水枯,需汲井灌溉,当地把要用桔槔提水灌溉的井称为“拗井”。 桔槔俗称“吊杆”“称杆”,基本架构很简单,在井旁立一根木柱子,柱上端分叉,再架上横木形成杠杆,末端悬挂重物、前端悬挂水桶。当要汲水时,人向下拉水桶入井,由于杠杆作用,以及人向下用力时自身身体的加成,用力较少。水桶装满水后放手,末端重物将水桶自动拉至井口。
简而言之,即通过杠杆原理,以较小力量积累重物势能,水满之后,重物势能转化为提升水桶的动能,从而达到投入小而收获大之目的。在文献中,桔槔在先秦时已被广泛使用。由于是木质结构,早期的桔槔实物已难寻觅,但在汉代图像资料中,保存着足够充分的使用资料。如嘉祥宋山画像石、临沂吴白庄画像石、梁山百墓山画像石、济南南张画像石等。
从图案看,桔槔前端悬挂吊水桶时,大多数使用的是绳索,也有使用木杆或竹竿。而作为杠杆的横木,有些是笔直的,可能是由于横木粗壮或使用时间不长,有些弯曲弧度非常明显,可能是由于长久使用导致曲折度或横木是竹制的。同时,图案中的横木都是捆绑在支柱上,这样最大程度地保持器械的耐用性。其中最有趣的当数济南南张画像石,描绘的场景是提水人一不留神放开了绳子,导致水罐在空中不停摇荡。
另外,在莫高窟隋代第302窟“福田经变”和第419窟“须达拿本生”壁画中,也有形制很清晰的桔槔图,前者通过桔槔提水,供马匹以及路过的旅人饮用,后者用途不明。
纵观我国古代历史,桔槔虽然极大提高了灌溉效率,但并不是升水装置的最终“进化”形态,从应用范围之广、实际效率之高等角度出发,水车可能才是最能代表我国水利设施最高水平的代表性工具。水车是桔槔和辘轳的进化。
在黄河河湾距离沙坡头不远处,耸立着6架木质水车,车高10米多、直径8米,有水斗48个,堪称巨轮。这些水车并非古物,也没有投入实际使用,是为了丰富旅游内涵而建造的一种符号性装置。