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由滏阳（为磁州州治所在地，即今磁县）、邯郸、洛州、永年再过鸡泽，使
其流入沣河，就可以灌溉这个地区的3000多顷土地。
五、怀孟的沁河（今河南省的沁阳境内），虽然灌溉了两岸的农田，但
还有多余的水流穿过土堰向东与丹河的余水相汇合。若开渠引水东流到武陟
（今河南武陟隔河之南故城）之北，注入御河（今卫河），就能灌溉农田3000
多顷。
六、在孟州 （今河南省孟县）西面黄河北岸，引河水修一条水渠，先北
流穿过新旧孟城之间再沿黄河北岸东下到温县重新流入黄河。这样，可以灌
溉田地3000多顷。
郭守敬首次晋见忽必烈时提出的这些意见，除了有关解决燕京漕运问题
外，主要都与华北平原如何增加农业生产和安定民生有关。这个地区是忽必
烈当时重要的粮食供应基地之一，是他十分重视的地方。那时他正在实行子
聪、姚枢、许衡等人提出的务农桑、兴学校、恢复经济、发展文化的政策。
他听着郭守敬这些以实际出发的治理办法，非常满意。他当即任命郭守敬担
任提举诸路河渠的职务，让他经办各地的河道水利事宜。
到了中统5年（1264年），忽必烈更改年号为至元元年，中统和至元初
年他陆续在行政管理机构等方面进行改革。如在地方设立“行中书省”，这
是我国地方设省的开始。他命令子聪和尚还俗，恢复姓刘，更名刘秉忠，封
给他封建社会的最高爵位“太保”，一同参与中央政府的中书省和枢密院的
工作。元朝的政权机关在逐步强化和完备起来。
这年初夏的5月，忽必烈派蒙古人唆脱颜与郭守敬二人到西夏一起去视
察河渠水道，还要求他们绘出地图向他们汇报。这一片原属西夏的地方，就
是现在内蒙古自治区中西部至宁夏回族自治区北部和甘肃的中部，沿黄河上
游的河套平原西半部一带，历来是西北重要的农耕地区。黄河两旁，早在汉、
唐各代就开凿了许多河渠，引黄灌溉，单是干渠就有12条。最长的是黄河西
岸中兴州（即今银川东南）的唐来渠，长达400里；其次是汉延渠，长有250
里。大大小小的支渠总共有68条之多。这些渠道在河套西部构成一片水利
网，灌溉着90000多顷的良田，是西北一个极为重要的产粮基地。但是常年
的战乱，使土地荒废，渠道失修，河身淤浅，水坝水闸等设施都被破坏或倾
废了，收成毫无保证，人民纷纷外出逃荒。
元朝政府规定，官员的正职都派蒙古人充任，汉人只任副职。虽然如此，
唆脱颜与郭守敬来到西夏后，实际上是担任副使的郭守敬完成了考察工作。
这年8月，元政府颁布了陕西、四川、西夏中兴等处新建行中书省的条格（办
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事规则）。张文谦就在这时出任西夏行省行政长官，于是郭守敬就在张文谦
的领导下，着手整治西夏古渠。采取了“因旧谋新”的方针，在故道的基础
上设计规划，加以疏理修整。这项工程得到了广大人民群众的拥护。在当地
人民的大力支持下，迅速动工了。在疏浚 （j*n疏通）古渠道的过程中，许
多用来控制和调节水位与流量的水坝和水闸，坏了的重新设置，倒了的予以
修复。另外还开挖了一些新渠道。没多少时间，几十条河渠都畅通无阻。这
样，不过一年光景，这一带又呈现出一片生机勃勃的景象：渠水四达，稻麦
丰收，恢复了这个灌区的旧貌。西夏人民衷心感谢郭守敬，特意在当地建立
了一座生祠，来纪念他的功绩。得到老百姓的如此爱戴，是一种多大的荣誉
啊！第二年，郭守敬回到中都，忽必烈升任他为都水少监，也就是掌管全国
河渠、堤防、水利、桥梁、闸堰等事务的高级官员。
郭守敬从西夏回京的路上，为了调查考察各地的水利灌溉情况，曾特地
率领随从人员，专程坐船，自中兴州沿着河套迂回地顺黄河而下。走了四天
四夜，从中兴州一直航行到大同府所属的东胜（今内蒙古自治区托克托）。
他肯定了这一段水路完全可以通航。这时，忽必烈派遣的调查黄河水程航运
的官员，也到达东胜。听到这消息，他们赶忙派人飞马驰奔中都，向忽必烈
汇报。从此，自富饶的粮仓河套地区运送粮食到中都，有长长一段路程能用
船只运输了，大为省便。考察途中，郭守敬还发现东胜西边的查泊兀郎海（今
内蒙古自治区乌梁素海）附近的许多古渠，均可重新修复，用以灌溉。他回
到中都向忽必烈报告此行的经过时，亦谈到此事。忽必烈当即表示赞同。
郭守敬完成了修渠任务之后，便离开了西夏，在还京之前，他曾经逆流
而上，探寻黄河的发源地，以往史书上虽然也有些河源探险的记载，但都是
些将军、使臣们路过这个地区，顺便探察，写下一些记载，并不是特意考察。
以科学考察为目的，专程探求黄河真源的，要推郭守敬是第一人。很可惜，
郭守敬探察河源的结果没有记载流传下来。后来到了1280年，又有一位探险
家都实奉元世祖之命专程前去考察河源。这次探索的经过记录在一部《河源
记》的专著里，其中有不少有价值的结果。毫无疑问，作为先驱的郭守敬对
都实的考察是有很大影响的。
郭守敬西夏之行归来，除了提出关于河套北端的水利建议外，又提出了
关于增辟中都水源这个问题。他说，金代曾在京西的麻峪村，开引泸沟河（今
永定河，元代称浑河）水穿西山东出，称为金口。这支水流曾经灌溉了金口
以东、中都以西迤北的许多良田，对京郊农业的发展，颇有好处。过去，有
关官员唯恐出事情，就用大石块堵塞了。现在，如果把原来的河道加以开挖，
那末，上游西山的物产就得以运来中都，下游的水流增大，可以便利漕运。
不过，泸沟河的河水是非常难以控制的，它的含沙量大，春冬少雨的时候，
容易沉积泥沙，而到夏季秋季洪水季节，水势汹涌，常会泛滥成灾，所以古
来称为无定河。为此，郭守敬同时指出，应该在金口西岸预先开好一条溢洪
道，先向西南再折而绕回到泸沟河中。并且还要开得深一些和宽一些，以防
涨水时节大水横溢突然冲向中都。忽必烈听了认为很有道理，而且他恰正需
要西山的木材来营造宫殿，于是就批准了。
这条河恢复之后，虽然引水解决漕运问题并无显著效益，但对西郊农田
灌溉却颇起作用。所以几年后，宫殿都城虽已营建完成，建筑材料的运输锐
减，但金口河仍维持不废。然而，永定河水灾的威胁毕竟是严酷的。30多年
后，到忽必烈的儿子铁穆耳大德2年 （1298年）时，山水大发，为害居民，
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都水监就将金口以下的闸板闸住，使水不进金口河而向永定河下游泄去。大
德5年 （1301年），郭守敬已70岁了，那年又是洪水暴发。他恐怕河水实
在过大，阻拦不住，冲没金口河两旁的田舍，波及都城，又提请将金口河上
部河身用砂石杂土全部堵塞。这条河一共使用了35年，起了一定的作用，到
后来便废弃了。
郭守敬汇报了西夏之行的经过，接着又解决了河套一带的漕运通航问
题，引起了忽必烈的注意。他对靠近蒙古族发祥地的这块重要地区自然不会
不重视。至元4年（1267年）秋天，便在从中兴路到东胜间数百里长的一段
黄河上，新添设了10所水上驿站，使其接通原有的驿站，专办西夏到上都和
中都的军政通讯事宜。就在这年，忽必烈为了巩固政权建设，命刘秉忠于中
都故城西北郊，在原宫城之外兴工修建起一座规模巨大的新城。城内按照我
国都市建设的传统原则，有计划地划定街区分布。经行工部尚书也迭山设计，
宫室居中，前朝后市，道路横平竖直，犹如棋盘。这工程比营建上都还要浩
大，前后延续了好多年，直至至元11年，忽必烈才正式坐上新完成的宫殿接
受朝贺。而大都的城垣，要到至元20年 （1283年）发动侍卫军10 000人助
修，方始竣工。这就是现今北京的前身。
至元8年（1271年）时，忽必烈采纳刘秉忠的建议，仿前朝正式建立国
号，“大元”。将中统年号改为“至元”。接着把正在建造的新都城改称大
都，以前称中都。从此，中都和大都并称。也就在这年，郭守敬被任命为都
水监，负责掌管全国河渠水利的经营治理工作。
至元11年，这时北方已经稳定。忽必烈在遣兵东征的同时，派太尉同知
枢密院事的大将伯颜自襄樊南下，开始大举伐宋。年底占领鄂州。第二年年
初，水陆并进沿长江东下，陆续攻下黄州（今湖北黄冈）、安庆、太平州（今
安徽当涂）。他一面分兵西攻江陵，一面相继东进建康（今江苏南京）、镇
江，并汇合华北南下人马，接连取得了长江南北各处重镇。7月间，对峙在
镇江、瓜州周遭的宋、元水陆主力大军，各以战舰万艘，围绕长江江心的焦
山进行了一场空前的决战。最后，宋军大败，伯颜回京师述职，忽必烈升任
他为中书右丞相，命他率领诸将继续南征，不使宋室有喘息的机会，直趋南
宋都城临安 （今浙江杭州）。
元朝向来重视驿站。这次伯颜为了便于就扬子江南北的军政大事与大都
方面的联系，并取得华北平原对前方的军需供应，商议在原有陆路驿站之外，
设立水路驿站，相互配合以提高通信和交通效能。他委派郭守敬去考察今河
北、山东、江苏等地区的水道交通情况，确定水路交通路线。至元12年（1275
年），郭守敬经过必要的实地视察，定下了中原地区这样五条河渠干线：
一、自陵州（今山东济宁市）至大名（今河北大名东南），那里有马颊
河及卫河通运河。
二、自济州（今山东济宁市）至沛县（今江苏沛县），又南至吕梁（在
今江苏徐州东28公里废黄河北），那一段有山阳湖（今昭阳湖），在运河旁，
并和微山湖相接。
三、自东平（今山东东平）至纲城。
四、自东平至清河（故址在今山东东平西北黄河之南），向北越过黄河
故道，接御河。
五、自卫州（今河南辉县）通御河至东平，又自东平西南的梁山泊再回
通到御河。
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于是，大都南方，华北平原的中心，及其四周一大片地区与御河及大运
河连接成水道交通网，由郭守敬筹划描绘下来上报。最后由伯颜呈准忽必烈，
决定西起卫州，中以东平为枢纽，东连鲁中、南，南迄徐州，吕梁的黄河下
游，北接运河直到杨村，建立水驿。这在相当程度上便利了元朝中央政府的
指挥联系和军事运输，加强了伯颜南下攻宋的力量。
此后不久，都水监并到工部，郭守敬随之转入工部改任郎中官职，仍旧
负责河工水利。尔后，他还对黄河中游地区的地形以及京汴沿途的大地水平
进行了测量，这段时间，他在工作中的成绩是很突出的。
长期负责河工水利，使郭守敬思想中逐渐形成了一个地形相对高度的概
念。测量地形高低需要一个基准，以作比较。郭守敬根据他所得的资料，曾
经以大都东边的海平面为基准，将大都的水平高度与海平面作了比较。他进
而又将大都至开封一线上的逐段与海平面作了比较。他所做的，确是一项重
大而紧要的大地水平测量工作。他得出的结论是：开封离海很远，高程差的
较多，致水湍急；大都距海极近，高程相差甚小，故水流缓慢，这是我国首
次创设了用海平面以上的标高来表达地形高低的办法，在地理学与测量学上
有重要的意义，即使在世界上亦远比西方早多了。
三、创制仪器观天文
我国是天文学很发达的国家之一。西汉以后，国家天文台的组织和设备
已达到相当完善的地步。它的主要任务之一是编制历法。我国的古代历法，
内容是十分广泛的。它包括日月运动及其位置的推算、逐年的日历编制、五
大行星位置的预报、日食、月食的推算等等。历法关系到生产、生活甚至政
治活动等很多方面。因此，对这项工作历来都是相当重视的。一种历法用久
了，误差就会逐渐显著，因而需要重新修改。跟着每次重大历法的修改，总
会带来一些创造革新的进步，象基本天文数据的精密化、天文学理论的新成
就或计算方法上的新发明等等。历法的发展可以说是中国天文学发展史上的
一条主线。
元朝初年沿用当年金朝的“重修大明历”。这个历法是1180年（金世宗
大定20年）修正颁行的。几十年来误差积累日渐显著，发生过好几次预测与
实际天象不符的事。再一次重修是迫切需要的事了。
元世祖迁都大都（今北京），采纳了已死大臣刘秉忠的建议，决定改定
旧历，颁行元王朝自己的历法。于是，元政府下令在新的京城里组织历局，
调动了全国各地的天文学者，另修新历。
忽必烈把建立太史局的具体工作，交给了当时负责教育工作的王恂，王
恂认为当时的治历人员都只知编历的方法，不明制历的原理，在他的建议下，
元政府把已告老回乡的许衡召回来，主持改历工作。为了郑重其事，又派昭
文馆大学士张文谦，总管改历工作。郭守敬虽然在水利部门任职，但他精通
天文历算，早已众所周知，在老同学王恂的推举下，忽必烈将郭守敬抽调出
来，到太史局与王恂一起主办改历事宜。从此，在郭守敬的科学活动史上又
揭开了新的一章，使他在天文学领域里有机会发挥出高度的智慧和才能。
治历一开始，郭守敬首先指出：“历之本在于测验，而测验之器莫先仪
表”。就是说治历的根本在于实际观测，观测要有工具，就得先准备适用的
仪表。这同许衡的见解是一致的。郭守敬首先与许衡到大都南城外金朝时期
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的司天台，检查那里的仪器设备。其中浑仪还是北宋时代的东西，是当年金
兵攻入北宋的京城汴京 （今河南开封）以后，从那里搬运燕京来的。这台浑
仪当年远道颠沛，在转运途中免不了有些损伤，加上长期放置，更是环圈锈
结，转动不灵。而且，这座浑仪原是在开封使用的，仪器的北极出地高度是
当时所测得的地理纬度35度。大都的地理纬度比开封高得多。金朝将这座仪
器运到中都后，并没有把仪器指向天球南北极方向的轴的位置很好加以调
整。如果仍使用这座旧浑仪，测得的数据自然不会准确。郭守敬通过夜晚的
观测来检验这座浑仪，查得其南北极轴的方向，与天球北极差了大约四度。
按地理位置，中都与开封的北极出地高度，相差应有五度多，可见仪器已经
走了样。郭守敬就把它加以改造，暂时使用。台上的圭表也由于年久失修，
变得倾侧歪斜，不成样子。使用这样的仪器，怎样测得制历所需的大量天文
数据呢？郭守敬对这些旧仪器一件件做了仔细的检查，并加以必要的校正和
修复。经过一番修整之后，必需的测量工作，总算可以进行了。但是，在实
际观测中，郭守敬感到这些陈旧的仪器操作起来很不方便，存在着好些不足
之处，测量的精度又很不准，不能满足他的严格要求。他对浑仪原是颇有研
究的，年少时还亲自做过一架竹篾扎的浑天仪。在对旧仪器的缺点作了深入
的分析之后，他下决心按照自己的理想重新设计和制造新的天文仪器。以适
应实际观测的需要。那时郭守敬已经46岁了，职位也相当高了，可是他依旧
象以前那样，积极从事实际具体工作。在许衡的赞助下，他殚精竭虑设计出
一件又一件新仪器，太史局又招进了一批技术优秀的工匠，以便进行冶铸和
制作。
自古以来，人们就注意到冬至那天，太阳在南天的位置最低，正午时投
射在地面上的影子也最长。人们根据冬至前后影子的长短来定出冬至的�