这位河北人，改变了北京！

北京有一个地名，叫做“积水潭”。地铁2号线有积水潭站，还有一座著名的积水潭医院。但是今天的北京，已经没有一片叫做积水潭的水域。

事实上，二环内的什刹海，正是积水潭的残余。今天的什刹海，被分割为前海、后海、西海三块封闭的小水域，水面上偶有几艘游船。然而700多年前的积水潭，却是一片十分开阔的水域，而且船舶众多，当时的人甚至用“舳舻蔽水”来形容。

夏日，什刹海一景（图：图虫创意）▼

这一切，都和一位叫做郭守敬的科学家分不开，郭守敬不仅能治水，而且擅长天文、历法，他的很多发明，对后世影响深远。

被郭守敬改变的北京城

郭守敬（1231年—1316年），河北邢台人，和元世祖忽必烈是同时代人。忽必烈营建大都时，北方经济凋敝，京师十分依赖于南方的物资，但此时大运河已经不能通航。郭守敬的一项重要任务，就是将大运河通到大都城内。

隋唐时期的大运河是以洛阳为中心的，淮河以北的通济渠向西通到洛阳，与黄河以北的永济渠共同构成一个大弯角。当时的大运河这样布局，显然是有利于向洛阳、长安运输物资的，并且方便隋唐王朝控制全国。

隋代运河系统（图：《大运河画传》）▼

南宋初年时，宋军为了阻挡金兵南下，决开黄河，导致黄河夺淮入海。黄河泥沙淤塞了运河，再加上宋金长期对峙，淮河以北的运河无法同航。

到了元朝定都大都，政治中心北移，再去疏浚原来的运河意义便不大了。于是，郭守敬经过缜密勘查后，采取裁弯取直的方式，使运河不再经过洛阳，而是走山东进入海河流域。

元代大运河历史地图（图：《大运河画传》）▼

经过郭守敬和无数劳工的努力，运河终于通到了通州。但是从通州到大都这段依旧很不容易。原因在于大都地势比通州高得多。这就涉及到两个问题，一是怎样让船爬坡，二是怎样保证大都方面的水量。

为了解决第一个问题，郭守敬改进了升船闸，在通州通往大都的运河上设立了24道船闸，改用石闸门，分段控制水位，利用连通器原理让船舶实现“爬坡”。

通惠河二十四闸（图：北京郭守敬纪念馆）▼

为了保障水量，郭守敬主持修建了白浮泉引水工程。这一工程的水源，是位于昌平山区的白浮泉，为了保证泉水能到达大都城内，水渠沿着山麓走了一个C字型。如果走直线的话，中间有一段海拔很低的区域，水就到不了大都城。白浮泉沿着水渠到达瓮山泊（就是今天昆明湖），再从瓮山泊引到大都城内。

拐出一个大大的“C字型”

（图：北京郭守敬纪念馆）▼

当时的积水潭，就是大都内部的一个湖泊，白浮泉的水最终到达了这里，京杭大运河的终点也在这里。所以，700多年前的积水潭“舳舻蔽水”，来自江浙地区的船舶在这里停泊卸货。积水潭作为大运河的终点，也带动了钟鼓楼地区的商业繁荣。

从图中可见，当时的积水潭面积不小

（底图：北京郭守敬纪念馆）▼

后来明成祖朱棣营建北京，将城墙南移，不得不填平了积水潭的西段，但由于地基十分松软，无法建筑城墙，所以明清北京城的西北角缺了一小块。而积水潭的东段由于失去了航运价值，日益萎缩，最终形成了今天的什刹三海。

与元大都相比，明清北京城偏南▼

郭守敬的另一项成就，是治理永定河。永定河作为北京的母亲河，季节性变化很大，脾气喜怒无常。刚刚过去的暴雨和洪灾，充分证明了永定河的暴虐。但是忽必烈营建大都，许多建材需要通过水运，而引永定河水是最可行的办法。

事实上，早在金朝时，人们就曾试过引永定河水，却以失败告终。因为永定河水过于汹涌，且含沙量很大，无法行船。金朝人开的这条河叫做“金口河”。

1265年，郭守敬向忽必烈建议重开金口河，得到了赞赏，并被授权全面负责元朝的水利工程。郭守敬吸取金人的教训，在金口的上游麻峪村附近，预先开引一个减水口，从减水口向西南再凿一段又深又广的水渠，重新连接金口以下的永定河。

减水渠示意图（图：北京郭守敬纪念馆）▼

这样，洪水来袭时，就可以从减水口把洪水分出去一部分，使这些水在金口下游回归主河道，从而避免洪水直接灌入金口河，威胁到都城的安全。由此，导永定河水入护城河，为营建大都提供了一条重要的运输通道。

但元朝时的永定河还是过于暴虐，考虑到都城的安全，朝廷最终决定关闭金口。从1266年到1301年，金口河总共用了35年。

今日，永定河畔永定楼（图：图虫创意）▼

今天北京的水系，除了天然河道外，大多是郭守敬主持修建的。在修建这些水利工程的过程中，郭守敬发明了很多有用的东西。比如说“海拔”这个概念，就是郭守敬最先提出的。他以海平面高度作为高程起算的基准面，在世界测绘史上具有重要意义。

（图：北京郭守敬纪念馆）▼

“四海测验”与《授时历》

郭守敬的另一项重要成就是观测天文。古人说：“工欲善其事，必先利其器”，郭守敬首先是改进了观察仪器。

元代以前用于确定星体坐标的浑仪，把测量道坐标、地平坐标和黄道坐标等多种不同坐标的机构都装在一个系统内。导致一个球面空间被安装了八九个圆环，制造、使用都很不方便，还遮挡视线。

而郭守敬改进发明的“简仪”，将把地平坐标与赤道坐标分为两个独立的装置，解决了这些问题，还利用滚珠轴承，使之转动更灵活，观测更加精确。

简仪，长这样（图：图虫创意）▼

另外，郭守敬海改进了古人观测日影的工具圭表。古人通过日影长短，可以划分节气，推算历法。为了提高测量精度，郭守敬增加了圭表的高度，并且发明了一个叫“景符”的辅助仪器。这种改进版的圭表叫做“高表”。

此外，郭守敬还发明了仰仪、窥几等观测仪器。利用这些仪器，郭守敬观测出了前人未命名的星体一千余颗。

仰望漫天星宿，郭守敬会作何感想呢？

（图：图虫创意）▼

众所周知，元朝的版图是历代王朝中最大的，这么大的版图，对于天文观测是十分有利的。

1279年，郭守敬向忽必烈建议：“唐朝开元年间，僧一行曾在全国13处观测点进行天文观测，如今元朝的疆域比唐还大，如果不分赴各地进行实测，就不能了解日月食的时刻和食分数、各地昼夜长短的差距，以及日月星辰在天球上的位置。”

这项建议得到了忽必烈的赞同，由此便开始了一项叫做“四海测验”的大规模天文观测活动。郭守敬在元朝广袤的版图上设立了27个测影所。这些测影所分布在不同纬度。通过观测当地的日影长短，就能计算出地球的半径。

图中北海测影所位置根据谭图修改

（底图：北京郭守敬纪念馆）▼

其中最北部的测影所叫做北海测影所。它的位置意味着元朝实际控制疆域的北部极限。根据测量结果，北海测影所的纬度是北纬64°左右，非常靠近北极圈（66°34′），应该处在西伯利亚腹地。根据元朝史料，北海测影所以北有一座日不落之山，山名显然是指极昼现象，说明这座山位于北极圈内。

最南边的测影所叫做南海测影所，纬度在北纬15°左右，具体位置位于西沙群岛，可能是元朝实际控制疆域的最南边。

这27座测影所唯一保存至今的，就是河南登封的观星台。

星空下，河南登封观星台（图：图虫创意）▼

“四海测验”的成果，就是1281年开始实行的《授时历》。值得注意的是，《授时历》与中国传统农历不同，是以地球公转周期为一年的太阳历，和今天的公历相似。

《授时历》以365.2425天为一年，与地球公转周期只差了26秒。这一数值，与西方通行的公历相同，却早了301年。

《授时历》还纠正了中国传统历法的许多弊端，创造了许多记录，是中国古代最精确的一部历法。元朝灭亡后，明朝的《大统历》只是换了个名字，实际上继续沿用这部历法。

此历法因古语“敬授人时”而得名

（图：北京郭守敬纪念馆）▼

伟大科学家的一生

郭守敬的一生，足迹遍及半个中国，完成大小百余处河渠泊堰的治理，科技成就有二十几项遥遥领先于世界水平。1316年，86岁高龄的郭守敬病逝在工作岗位上。

郭守敬小时候就已经表现出过人的天赋，在十五六岁时，就曾根据书上的一幅图，用竹篾扎制出一架测天用的浑仪。十七八岁的时候，郭守敬又照着一副拓印动手做出了一种计时器——莲花漏。

超强的动手能力（图：北京郭守敬纪念馆）▼

但是，这位伟大科学家的成长路上，离不开两位贵人的提携。第一位是郭守敬的祖父郭荣，郭荣本人精通数学、水利，郭守敬父母早逝，在祖父的抚养和教育下，在天文、数学、水利等方面青出于蓝。

后来，郭荣把孙儿推荐给了刘秉忠。这位刘秉忠是郭守敬的同乡，以僧人的身份担任忽必烈的高级幕僚，后来成为了营建元大都的总负责人。

当时，刘秉忠因父丧回乡守制，在邢州西边的紫金山书院讲学。郭守敬通过祖父的推荐，拜在了刘秉忠的门下。比他年长的同学还有张文谦、王恂、张易等人，这五个人日后都成为了元朝在天文、历法、水利方面的能臣，被后世称为“紫金山五杰”。

（图：北京郭守敬纪念馆）▼

其实，郭守敬能成长为一位伟大的科学家，还应该感谢那个时代。元朝的科举时开时废，这就导致当时的读书人并不醉心于钻研儒家经典，而是去研究水利、天文、历法、数学等有利于国计民生的实用科学。况且郭守敬的很多提议都得到了忽必烈的全力支持，这是他有如此大成就的重要因素。

为了纪念郭守敬的成就，国际天文学组织把月球背面的一座环形山和太空中编号为2012号的小行星以郭守敬的名字命名。2010年，中国将新研制的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜命名为“郭守敬望远镜”。

郭守敬的智慧之光，至今仍在闪耀

（图：北京郭守敬纪念馆&Flickr@LuFeng）▼

北京有一座郭守敬纪念馆，就位于西海北面的一座小山上，距离积水潭站C口很近。这座建筑始建于元代，郭守敬曾长期在此主持全国的水利建设。如今，馆中的陈设默默向世人诉说这位科学家一生的贡献。

北京郭守敬纪念馆掠影，感受一下

（图：北京郭守敬纪念馆）▼