对于水轮构造，元代以前的文献少有描述。北宋王希孟（1096—？）的《千里江山图》长卷描绘了上射立式水轮驱动的水磨。（下图）

| 《千里江山图》上射立式水轮驱动的水磨

王祯《农书》绘出了下射立式水轮的草图，但叶片构造描绘得十分简略。连机碓、连磨等出现以后，必然要求水轮能输出更大的功率。增大功率的基本途径包括加大水轮的直径、叶片的宽度，增叶片的数量，改善叶片的状。当水轮直径、叶片宽度和数量达到一定程度时，轴和叶片的连接难度增加，叶片顶端间距也会过大。当直径很大时，若不采用粗笨的轮穀，几乎难以制成实用的水轮。为克服这一障碍，古人给水轮装了辋，直至辐与叶片分离；辐变为杆式，叶片为板式。进而增加叶片数量，改善叶板形状。（下图）

| 有辋的立式水轮（采自《天工开物》）

由于早期文献记载过于简略，现在很难确定中国水轮用的起始年代。不过，中国人至晚在西周已有由毂、辐、辋构成的车轮。车轮很容易传播，水轮制作者可以方便地参照车轮的构造。连机碓要求水轮输出较大的力矩，需要带辋的水轮。由傅畅《晋诸公赞》的记载推测，晋代（317一420年）已有带辋的立式水轮。王祯《农书》、宋应星《天工开物》和徐光启《农政全书》所绘水轮都是有辋的。明代，驱动连机碓、连磨的水轮就是由较复杂的辐、辋、叶片等构成。

| 华埠镇水碓主视图（据张柏春等《中国传统机械研究调查》改绘）

浙江开化县华埠镇华民村曾有一部下射立式水轮驱动的碓、磨、碾、砻系统（上图)，借大河之水运转，到20世纪80年代已有100多年甚至更长的历史，晚清以来经过了多次修复。到20世纪90年代原址残存着引水渠，以及石轴座、石磨盘、槽碾、轮碾等零部件和部分建筑。华埠水碓为镇上的2000多人加工粮食，每昼夜可加工稻谷1000公斤，磨面粉500公斤，碾菜籽约500公厅。

唐代已将水轮和旋转磨组合安装在船上，制作出船磨。唐代《水部式》记载，禁止在洛阳附近的河道上建造“浮硙（石磨）”；号南宋陆游《剑南诗稿》说“湍流见硙船”。“浮硙”“硙船”当是指船磨。船磨用的是下射立式水轮，王祯《农书》卷一九对此有确切的说明：“两船相傍，上立四楹，以茅竹为屋，各置一磨，用索缆于急水中流。船头仍斜插板木凑水，抛以铁爪，使不横斜。水激立轮。其轮轴通长，旁拨二磨。”

明代《天工开物》及清代的文献都表明南方用船磨较普遍。古文献对船磨的水轮构造无详细描述也未绘图。伍斯特（ Worcester )1940年发表的论文里，有一幅在四川涪陵测绘的船磨图（下图），其中的立式水轮直径近米，用了平式叶片。此外，受船高的限制，船磨不宜装直径过大的水轮，但可以增加水轮的数量和宽度，甚至可以采用斗式叶片。元代以前已经具备了这样的技术条件。伍斯特所绘的布置优于王祯所述的两船夹一水轮方案。

 四川涪陵的船磨及其水轮（ Worcester 1940年）

筒车的文献记载可能最早见于《全唐文》，卷九四八中陈廷章的《水轮赋》描述了轮形提水机械：

水能利物，轮乃曲成，升降满农夫之用，低回随匠氏之程。始崩腾以电散，俄宛转以风生。虽破浪于川湄，善行无迹；既斡流于波面，终夜有声。观夫斫木而为，凭河而引，箭驰可得，而滴沥辐凑，必循乎规准，何先何后，互兴而自契心期……

浴海上之朝光，升如日御；泛江中之夜影，重似月轮。……罄折而下随毖彼，持盈而上善依於。当浸稻之时，宁非沃壤；映生蒲之处，相类安车。

陈廷章所述的“水轮”是一种置于河边的提水机械，上面装有“罄折而下”“持盈而上”的盛水器，其工作原理与筒车相符。若盛水器是竹筒或木筒，那么它应该是后世所称的筒车。

宋代有关“水轮”的记载颇多。北宋李处权《裕庵集·土贵要子赋水轮》:“江南水轮不假人，智者创物真大巧。一轮十筒挹且注，循环下上无时了。四山开辟中沃壤，万顷秧齐绿云饶。”这里的“水轮”当是指水流驱动的筒车。北宋苏舜钦《沧浪集钞·水轮联句》谈及筒车的辐和斗：“上下车交辐，周旋斗转魁。……转圆非雅具，欹器有深灾。持满忘前监，相倾自下催。”

筒车的提水筒一般为竹筒，也有用木筒的。通常筒车用较轻的材料如竹木，依提水高度就地在轮架上制作；甘肃兰州黄河边的筒车有的直径竟超过15米，其中西固区下川村一辆始建于清代的水车至今仍在使用。采用编织叶片的水轮现在还用于云南景洪市罕镇曼海村的轧蔗机上。

中国古代天文仪器很早就使用水力。《晋书·天文志》记载，汉顺帝时（130年前后），张衡制浑象，“以漏水转之”。后人推测，张衡很可能使用了立式水轮和齿轮系，其结构可能参照了水碓。

唐代有用水轮驱动的天文仪器。《旧唐书，天文志》称，一行、梁令制成浑象，“注水激轮，令其自转”。这个水轮应当是立式的，叶片可能是斗式的，这有助于提高功率和运动平稳性。唐代以后，以水轮为动力的仪器逐渐增多。宋代苏颂等人创制的水运仪象台的“枢轮”采用侧射立式水轮。它依靠水的重量转动，而非动能。枢轮与天衡相配合，实现了擒纵机构控制“枢轮”转速。

未完待续

| 编辑节选自《中国三十大发明》，华觉明 冯立昇 主编，黄兴 张柏春作。本文谢绝转载。文章配图部分来源于网络，吉林科普微窗收集整理。