在煤炭还没有成为农业时代的主流能源之前，水流是古代中国最为倚重的动力来源之一。自汉代以来，无论是在乡间的磨坊还是城里的作坊，抑或是古代学者观测天象的天文台，水流落差所造成的冲力都是最为常见的驱动方式。因为它的应用成本比薪炭和役畜更低廉，但效率却比成本更低的风能更高。那么，在古代中国，人们对水能源是如何开发利用的呢？
水碓时代
水碓逐步代替人力驱动的杵臼和践碓，固然是民生的自我改进，但也与两汉时期的国计有关。因为从有关史料可知，这种效率最高的粮食加工工具最初主要是由官方掌控的，其目的也在于大规模加工军粮。
自西汉建国以来，来自北方大漠的匈奴就不断地窥伺边疆。虽然两汉屡以和亲政策缓和关系，但始终未能从根本上解决问题。因此，在北方主要水域掌控大量粮食加工机械，保障沿途的军粮供应，自然而然地成为官方派兵深入大漠、北击匈奴的战略需要。
汉安帝永建四年，尚书仆射虞诩上疏皇帝，建议在陇西地区的羌人住地开挖河漕、建造水碓，以满足军粮加工的需要。在虞诩看来，汉武帝和东汉的光武帝逐渐控制朔方，设置郡县，皆赖于此。汉安帝采纳了他的建议，边远地区由此而遍布“水舂河漕”，“用功省少，军粮饶足”。
东汉末年，魏、蜀、吴三国尽管交互征伐，攻城略地，但说到底还是经济力量的较量。军事领域的且战且走，伴随着粮食主产区的“且佃且守”。无论是北方的曹魏、南方的孙吴，还是西南的蜀汉，都把军屯视为巩固边地、与强敌争雄的重要战略。汉中渭南、两淮地区与荆襄一带，作为各方保障军粮供应的三大战略粮食基地，开始了官方主导的大规模军屯生产。
屯田既然是受控于官方的集体生产方式，自然超越了普通农户小家小业的限制，有能力使用水碓一类的大型粮食加工器具，磨麦舂米，供给军粮。为了加强军备，三国还各自在军屯区域发展大规模冶铁鼓铸，锻造兵器。水碓与水排因此被广泛应用，前者用于加工军粮，后者则利用水力鼓风冶铁，水力再次成为魏蜀吴三国争夺国家主导权的战略能源。
类似的情况，一直持续到西晋统一。由于中央政府过分倚重于水碓加工军粮，皇权的挑战者常常破坏战略性水利设施，以断绝帝国军队的后勤供给。
晋惠帝时期，皇后贾南风利用惠帝司马衷痴呆低能、无力理政之机，与楚王司马玮合谋发动政变，造成各诸侯王为夺取中央政权而相互攻伐，史称“八王之乱”。急于取胜的叛军挖开了都城洛阳近郊的千金堨，使河流改道，造成为洛阳供给粮食的沿河水碓全部瘫痪。官军不得不强令王公大臣的奴婢以手舂米，加工军粮。凡属一品以下的非军方官员和十三岁以上的男子，都要承担这项劳役。即便如此，水碓业的破败，也使得洛阳一带粮价暴涨，一石米的价格竟然飙升至万钱之多。
水碓在粮食加工领域凸显出来的高效率，吸引了掌握大量土地和庄园的门阀士族投资牟利。随着西晋王朝的衰败，军屯民屯转为豪强权贵的产业，附着于屯田庄园之上的水力加工机械，也由官方掌控转为豪强权贵私有。事实上，早在西晋初期，晋武帝司马炎就曾把园田水碓作为重要资产，赏赐给亲信和功臣。陈留王和太子少傅卫瓘先后都得到过赏赐，但后者孤傲，没有接受这种有可能为其带来巨大经济利益的水力加工机械。
从官磨到私磨
从北朝开始，水磨和水碾开始出现在有关水力利用的史册上。北魏官员崔亮经奏明皇帝，在洛阳附近的河道上设置了水力碾磨“数十区”，以保障“国用”。北齐宰相高隆之开凿河渠，让漳河水绕城而流，大造水碾、水硙，城内官民就近取食，官方则经营取利。《洛阳伽蓝记》一书也提到，洛河、伊河两岸设有大量由官方控制的粮食加工作坊，其中的石碾、石硙（石磨）磨面、舂米，“皆用水功”。
直至隋朝和唐代前期，水力机械由皇室和豪门世家掌控的局面仍然没有改变。不过，随着佛教自南北朝以来的勃兴，这种在当时而言最具效率的资产，也常常连同庄园，被历代皇帝封赏给寺庙。隋炀帝的弟弟晋王杨昭崇信佛教，曾赏给寺院“水硙及碾上下六具”；唐太宗李世民也曾赐地40顷、“水碾一具”给河南少林寺。因此，所谓“南朝四百八十寺”的佞佛盛况，其实也伴随着寺庙的地主化进程。
杨素是隋朝皇亲，也是开国元勋，地位和封赏自然也超越百官之上。《隋书》说他在长安、洛阳即东西两京拥有大量田产和私邸，水磨数量多达“千百”。唐代宦官高力士受玄宗和杨贵妃宠幸，其水力加工产业同样惊人。他在京城长安西北截留沣水，筑坝设碾，以大型水轮驱动，每日可以碾磨小麦300斛。与他同时代的宰相李林甫不但也拥有大量田园和水磨，而且经营得法，获利甚巨。霸占水源、开办水力粮食加工业的达官贵人，还包括女皇武则天的女儿太平公主和权臣郭子仪。前者甚至为了厚利，不惜以皇室身份与寺僧打官司，争夺一处碾硙的所有权。
在长安城附近的白渠和郑国渠上，不少“豪家贵戚”筑坝拦水，设置“私碾百余所”。由于水碓、水磨和水碾在当时尚属效率最高的粮食加工方式，形制复杂，造价昂贵，附近百姓的人力石磨往往无力与其竞争，隋唐权贵几乎垄断了城郊的粮食加工业。
这种源自汉魏时代、由官方和权贵垄断水力加工业的局面，并没有从隋唐两朝继续维持下去。相反，社会变革和市场规律最终使得水力资源的产业经营权开始分散和下移。民间资本和普通百姓逐渐成为这一领域的新力量。
晚唐时代的藩镇割据和战乱，使西晋以来中央集权分散化的历史进程进一步加快，门阀士族势力渐趋解体。官方在无力控制和经营庞大的战略性水力资产的情况下，开始甩掉包袱，将皇族产业逐步向地方政府转移。
公元813年，唐宪宗下令将本来应该赐予王公、公主和百官的庄园、碾硙、店铺等等，对外发售，与这些资产相关的赋税与劳役也一并交给地方官“收管”。到北宋时期，地方官和民间资本经营的水磨、水碾已占有相当比重。官磨以租课形式交给民间经营，私磨则通过纳税或承接部分官差接受官方的管控。
在甘肃，秦州路（今甘肃天水）衙门每年“造麴”所需要的数万石小麦，分别交给80户经营私磨者加工。由于竞争者众且难以协调，这些私磨作坊主竟然愿意以放弃收益为代价，要求官方主持水磨经营。可以看出，时至北宋，民间水磨的数量已很可观。
宋代水磨、水硙的数量之大，远超于唐代，其私设碾硙的状况自然也更严重。苏轼之父、官员兼文学家苏辙曾在给朝廷的上疏中说，在都城东京（今开封）的汴河沿岸，水磨数量繁多，不但造成水流缓慢，官私舟船航行受阻，甚至还导致水患，使下游农田损失惨重，几乎殃及皇家陵墓。另外，宋人饮茶风尚浓厚，且喜饮茶末。一些地方官为求藩库充盈，就制定磨茶法。由官方衙门设置水磨，将收购来的茶叶磨成茶末卖给茶商。除了向官家磨坊购买外，茶农和茶商均不得私自磨茶。这种官方争相在各地水路设磨营利的做法，引起了商人的群体性反对。面对民意浮嚣，朝廷不得不修正水磨茶法，拆毁部分官营水磨，以缓解政治压力。
金兵南侵之后，南宋偏安于江南，由官方掌控水力加工业的局面得以改变。在南宋乃至元代文献里，已经看不到设立御用水磨的文字，或者权贵垄断水力资产的记载。明代北京附近虽然出现不少水磨，但多为寺庙磨面使用。清朝政府因为多次对西北用兵，曾仿效古人在新疆实施军屯，种植小麦。由于小麦必须磨面食用，官办水磨业因此而起。
不过，这已经不同于唐代以前由官方或权贵完全垄断的状况，而是由兵丁经理，雇佣当地百姓磨面，面粉作为官兵口粮，麸皮则低价卖出，作为雇工的工资和水磨日常维护的开支。商人不但没有被排除在当地水力加工业之外，官方反而鼓励他们投资兴业，以满足军事需要。由于水磨林立，当地河流因此改名为水磨河。光绪二年，由湘鄂籍商人组成的迪化两湖会馆在迪化（今乌鲁木齐）一带建起4座水磨。江西余江县知县史善长当时正因罪谪戍新疆。在他的笔下，水力加工业已完全与官方垄断无缘，而成为商人资本与官方军务的商业交易行为了。
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