Орошение с помощью гравитации – каналы, пруды, резервуары, дамбы – не требует подъема воды и поэтому характеризуется самыми низкими энергетическими затратами. Но в речных долинах с минимальным градиентом потока и на широких равнинах всегда было необходимо поднимать большие объемы поверхностной или подземной воды. Обычно приходилось одолевать низкие насыпи, но часто требовалось справиться с крутыми берегами или стенками глубокого колодца. Неизбежная неэффективность, отягченная грубым сочетанием движущихся частей и дефицитом смазочных материалов, усложняла задачу. Ирригация, движимая мускулами человека, была тяжелой ношей даже там, где утомительная работа считалась нормой. Много творческой энергии ушло на то, чтобы придумать механические устройства, использующие труд животных или силу водяного потока, чтобы облегчить эту задачу, и просто для того, чтобы хоть как-то поднять воду на нужную высоту.

Впечатляющее количество разных механических приспособлений было изобретено для поднятия оросительной воды (Ewbank 1870; Molenaar 1956; Oleson 1984, 2008; Mays 2010). Простейшие – черпаки, ведра или корзины из плотной ткани или плетеные – применялись для подъема воды менее чем на метр. Одно ведро, подвешенное на веревке к треноге, было немного более эффективным. Оба эти предмета использовались в Восточной Азии и на Ближнем Востоке, но старейшим методом подъема воды, который применяли повсеместно, был «журавль», называемый у арабов shaduf. Его очертания можно видеть на вавилонских цилиндрических печатях от 2000 года до н. э., его широко использовали в древнем Египте, он достиг Китая около 500 года до н. э. и в конечном итоге распространился по всему Старому Свету. «Журавль» в основе своей – длинный шест, опирающийся на перекладину как рычаг, его было легко изготовить и ремонтировать (рис. 3.7).

Ведро на веревке свисало с более длинного плеча «журавля», а к более короткому крепился либо камень, либо кусок сухой земли. Эффективная высота подъема составляла обычно 1–3 метра, но последовательное развертывание нескольких таких устройств (от 2 до 4 уровней) было обычным делом на Ближнем Востоке. Один человек мог поднять около 3 м3/ч на высоту 2–2,5 метра. Вытягивание веревки очень утомительно, но поворачивание архимедова винта (римская cochlea, арабский tanbur), чтобы вращалась деревянная спираль внутри цилиндра, было еще более трудным и обеспечивало только небольшой подъем (25–30 см). Колеса с лопатками обычно использовались в Азии. Китайские водяные лестницы («драконий хребет», long gu che) действовали как ленточные водоподъемники на деревянных квадратных платформах с маленькими дощечками, цеплявшими зубчатые колеса, и формировали бесконечную цепь, поднимая воду по деревянному желобу (рис. 3.8). В ведущее колесо был вставлен горизонтальный шест, приводимый в движение двумя или более работниками. Некоторые лестницы приводились в движение ручными рычагами или с помощью шагавших по кругу животных.

Рисунок 3.7. Гравюра XIX века, изображающая египетского крестьянина, который использует shaduf

Все приведенные ниже устройства всегда получали энергию либо от животных, либо от текущей воды. Подъемник из веревки и ведра, широко распространенный в Индии (monte или charsa), работал с помощью одной или двух пар волов, шагавших вниз по уклону, одновременно поднимая кожаный мех, прикрепленный к длинной веревке. Бесконечная цепь из глиняных горшков на двух петлях веревки, движущаяся сверху вниз через деревянный барабан, чтобы зачерпнуть воду снизу и вылить в желоб сверху, использовалась уже древними греками. Это устройство было известно под арабским названием saqiya и широко распространено в Средиземноморье. Когда энергию ему давало единственное животное с завязанными глазами, ходящее по кругу, оно обеспечивало подъем воды из колодцев глубиной менее 10 метров со скоростью ниже 8 м3/ч. Улучшенная египетская версия, zawafa, доставляла воду с большей производительностью (до 12 м3/ч из колодца в 6 метров глубиной).

Рисунок 3.8. Древняя китайская машина «драконий хребет» действовала благодаря крестьянам, которые держались за шест и переступали по ступицам, прикрепленным к оси. Взято из иллюстрации поздней династии Мин

Noria, другое устройство, широко использовавшееся как в мусульманских странах, так и в Китае (hung che), включало глиняные сосуды, бамбуковые трубки или металлические ведра, прикрепленные к ободу единственного колеса. Через шестерни колесо приводилось в движение ходящими по кругу животными, а колесо с лопаточками – водным потоком. Необходимость поднимать ведра еще на один радиус колеса выше уровня приемного желоба оборачивалась значительным снижением эффективности. Этот недостаток был устранен в египетской tabliya. Улучшенное устройство, приводимое в движение волами, представляло собой двустороннее цельнометаллическое колесо, которое зачерпывало воду на внешнем краю и выливало ее в центре в уходящий вбок желоб. Сравнение типичных потребностей в мощности, параметров подъема и часовой производительности традиционных водоподъемников четко показывает пределы производительности человека (примечание 3.7, рис. 3.9).

Энергетические затраты в случае ирригации с помощью человека были запредельно высокими. Работник мог сжать гектар пшеницы косой за восемь часов, но ему бы потребовалось три месяца (8 ч/сут.), чтобы поднять половину воды, нужной для этого гектара, всего на один метр из прилегающего канала или ручья. Из-за больших вариаций реакции разных злаков на полив нельзя делать обобщения по поводу энергоотдачи традиционного орошения. Большая разница существует не только между видами растений, она зависит от времени, когда доступна вода (арахис, например, мало чувствителен к временной нехватке воды, а кукуруза сильно уязвима). Реалистичные примеры показывают, что энергоотдача может быть десятикратной или даже выше (примечание 3.8).

Рисунок 3.9. Сравнение подъема, объемов и требований к мощности доиндустриальных водоподъемных устройств и машин. Основано на данных из Molenaar (1956), Forbes (1965) и Needham and co-workers (1965)