暗渠，又称地下渠道，是坎儿井的主体。暗渠的作用是把地下含水层中的水会聚到它的身上来，一般是按一定的坡度由低往高处挖，这样，水就可以自动地流出地表来。暗渠一般高1.7米，宽1.2米，短的100—200米，最长的长达25公里，暗渠全部是在地下挖掘，因此掏捞工程十分艰巨。

坎儿井始于西汉，而指南针在明朝时期才从中原传入西域，在开挖暗渠时，为尽量减少弯曲、确定方向，吐鲁番的先民们创造了木棍定向法。即相邻两个竖井的正中间，在井口之上，各悬挂一条井绳，井绳上绑上一头削尖的横木棍，两个棍尖相向而指的方向，就是两个竖井之间最短的直线。然后再按相同方法在竖井下以木棍定向，地下的人按木棍所指的方向挖掘就可以了。

    在掏挖暗渠时，吐鲁番人民还发明了油灯定向法。油灯定向是依据两点成线的原理，用两盏旁边带嘴的油灯确定暗渠挖掘的方位，并且能够保障暗渠的顶部与底部平行。但是，油灯定位只能用于同一个作业点上，不同的作业点又怎样保持一致呢？挖掘暗渠时，在竖井的中线上挂上一盏油灯，掏挖者背对油灯，始终掏挖自己的影子，就可以不偏离方向，而渠深则以泉流能淹没筐沿为标准。

    暗渠越深空间越窄，仅容一个人弯腰向前掏挖而行。由于吐鲁番的土质为坚硬的钙质粘性土，加之作业面又非常狭小，因此，要掏挖出一条25公里长的暗渠，不知要付出怎样的艰辛。据说，天山融雪冰冷刺骨，而工人掏挖暗渠必须要跪在冰水中挖土，因此长期从事暗渠掏挖的工人，寿命一般都不超过30岁。所以，总长5000公里的吐鲁番坎儿井被称为“地下长城”，真是当之无愧。

    暗渠还有不少好处是，由于吐鲁番高温干燥，蒸发量大，水在暗渠不易被蒸发，而且水流地底不容易被污染，再有，经过暗渠流出的水，经过千层沙石自然过滤，最终形成天然矿泉水，富含众多矿物质及微量元素，当地居民数百年来一直饮用至今，不少人活到百岁以上，因此，吐鲁番素有中国长寿之乡的美名。

    龙口是坎儿井明渠、暗渠与竖井口的交界处，也是天山雪水经过地层渗透，通过暗渠流向明渠的第一个出水口。暗渠流出地面后，就成了明渠。顾名思义，明渠就是在地表上流的沟渠。人们在一定地点修建了具有蓄水和调节水作用的蓄水池，这种大大小小的蓄水池，就称为涝坝。水蓄积在涝坝，哪里需要，就送到哪里。

    根据1962年统计资料中国新疆共有坎儿井约1700多条，总流量约为26立方米/秒，灌溉面积约50多万亩。其中大多数坎儿井分布在吐鲁番和哈密盆地，如吐鲁番盆地共有坎儿井约1100多条，总流量达18立方米/秒，灌溉面积47万亩，占该盆地总耕地面积70万亩的67%，对发展当地农业生产和满足居民生活需要等都具有很重要的意义。

    在吐鲁番盆地大量兴建的原因，是和当地的自然地理条件分不开的。吐鲁番是中国极端干旱地区之一，年降水量只有16毫米，而蒸发量可达到3000毫米，可称得上是中国的“干极”。但坎儿井是在地下暗渠输水，不受季节、风沙影响，蒸发量小，流量稳定，可以常年自流灌溉。

    吐鲁番虽然酷热少雨，但盆地北有博格达山，西有喀拉乌成山，每当夏季大量融雪和雨水流向盆地，渗入戈壁，汇成潜流，为坎儿井提供了丰富的地下水源。盆地北部的博格达峰高达5445米，而盆地中心的艾丁湖，却低于海平面154米，从天山脚下到艾丁湖畔，水平距离仅60公里，高差竟有1400多米，地面坡度平均约四十分之一，地下水的坡降与地面坡变相差不大，这就为开挖坎儿井提供了有利的地形条件。吐鲁番土质为砂砾和粘土胶结，质地坚实，井壁及暗渠不易坍塌，这又为大量开挖坎儿井提供了良好的地质条件。

    “坎儿井”是“井穴”的意思，其结构是由竖井、暗渠、明渠、“涝坝”(积水潭)四部分组成。在高山雪水潜流处，寻其水源，在一定间隔打一深浅不等的竖井，然后再依地势高下在井底修通暗渠，沟通各井，引水下流。地下渠道的出水口与地面渠道相连接，把地下水引至地面灌溉桑田。正是因为有了这独特的地下水利工程－－坎儿井，把地下水引向地面，灌溉盆地数十万亩良田，才孕育了吐鲁番各族人民，使沙漠变成了绿洲。

    清代萧雄《西疆杂述诗》云：“道出行回火焰山，高昌城郭胜连环。疏泉穴地分浇灌，禾黍盈盈万顷间。”它说出了“疏泉穴地”这吐鲁番盆地独特的水利工程最大特点。

    坎儿井是干旱荒漠地区，利用开发地下水，通过地下渠道可以自流地将地下水引导至地面，进行灌溉和生活用水的无动力吸水设施。坎儿井在吐鲁番盆地历史悠久，分布很广。长期以来是吐鲁番各族人民进行农牧业生产和人畜饮水的主要水源之一。由于水量稳定水质好，自流引用，不需动力，地下引水蒸发损失、风沙危害少，施工工具简单，技术要求不高，管理费用低，便于个体农户分散经营，深受当地人民喜爱。

坎儿井是中华文明的产物。盛弘之《荆州记》中记述：“隋郡北界有厉乡村，村南有重山、山下有一穴，父老相传云：神龙所生林西有两重堑，内有周围一顷二十亩地，中有九井，神农既育，九井自穿。又云：汲一井则众井水动，即以此为神农社，年常祠之。”九井自穿相通，一井牵动众井，这与地下暗渠相通的坎儿井结构相同。神农是我国农业和医药发明的传说人物，把穿井与他连在一起，可见其历史悠久。司马迁《史记·五帝本纪》云：“瞽叟又使舜穿井，舜穿井为匿空旁出。舜既入深，瞽叟与象共下土实井。舜从匿空出去。”舜穿井时，就挖了一条从旁出的“匿空”(地道)，这与坎儿井的挖掘方法极其相似。如果：“匿空”为水平地道，就是坎儿井，这是公元前21世纪的史迹，比传说波斯于公元前8世纪有坎井，要早1000多年。

《庄子·天地》篇云：“子贡南游于楚，反于晋，过汉阴，见一丈人，方将为圃畦，凿隧而入井，抱瓮而出灌，搰搰然用力甚多，而见功寡。子贡曰：‘有械于此，一日浸百畦，用力甚寡而见功多，夫子不欲乎’?”子贡向其介绍当时的先进灌溉提水工具桔槔，而圃者答以“吾非不知，羞而不为也。”他害怕使用机巧工具而乱了思想，坚持遵古法凿隧取水。可见在春秋时期凿隧取水已是一项古老技术，而这种技术运用于坡度较大地段，就可挖成坎井。《庄子·秋水》篇的“埳井”，即“坎井”。蛙“擅一壑之水，而跨跱埳井之乐”。这类井似同于壑，应是流水深沟或地下暗渠。(苟子·正论)又云：“坎井之蛙，不可与语东海之乐。”坎井之名，正式出现在先秦典籍之中。人们相信波斯地下暗渠起于公元前800年，却没有认真考究中国史籍中有关坎井的记述，不无偏废之嫌。虽然这些记述没有指明坎井的具体形成时间，却充分显示出产生坎井的文化背景渊远流长。

吐鲁番坎儿井是由地下暗渠、竖井、出口涝坝、引水渠等工程组成的自流灌溉系统。利用地形特点，通过地下暗渠，将埋深几十米乃至百米以下的地下潜流，引至农区或居住区。首先对吐鲁番坎儿井起源作解释的人，是清代光绪年间的陶葆廉。他在《辛卯侍行记》一书中记述鄯善连木齐(沁)西面的坎儿井时说：“又西多小圆阜，弥望累累，皆坎尔也。坎儿者，缠回从山麓出泉处作阴沟引水，隔敷步一井，下贯木槽，上掩沙石，惧为飞沙拥塞也，其法甚古，西域亦久有之。今人动云林文忠所创，非也。”他在夹注中指出：吐鲁番盆地的坎儿井与《汉书.沟洫志》引洛水，井下相通行水之法相同，《沟洫志》载：“严熊言‘临晋民愿穿洛以溉重泉以东万余顷故恶地。诚即得水，可令亩十石。’于是为发卒万人穿渠，自征引洛水至商颜下。岸善崩，乃凿井，深者四十余丈。往往为井，井下相通行水。水陨以绝商颜，东至山领十余里间，井渠之生自此始。”今陕西澄城县北头村附近有一段引洛水入渠的遗迹，南流十余里进入永丰境。其第一段井渠共发现竖井7个。

坎儿井一词，与《庄子·秋水》篇中的“坎井”十分相近。“坎井”一词屡见于典籍。《初学记》把井分为天井、坎井等名目，可见“坎井”早就是井类家族的正式成员。坎井在汉语中是一个开音节和闭音节组成的词语，容易儿化为坎儿井，翻译成维吾尔语自然会嵌入一个“儿”音节。维吾尔语Kariz是直接从汉语音译“坎井”而来。钱伯泉以坎儿井在《史记》、《汉书》等典籍中称“井渠”，而山东桓台县民间多称其为“洞子井”为据，考证维吾尔语坎儿井(Kariz)的语源是汉语“洞子井”的意译。维吾尔语称“洞”为ㄆ☆〃olar〃，在它后面加上“子”的音译(Z)，则须在(r)和(Z)这两个辅音字母之间增添一个元音字母(i)，于是“洞子井”译为维吾尔语(olariz)，“oI”这个后颚磨擦音与“k”音相近，就读成“ka—riz”了。《重修肃州新志》记述明洪武中，肃州干户曹斌在“肃州城南二十五里修东洞子、西洞子两渠，凿石崖为洞，引水渐上者也，甚为奇异”。接近新疆地方的肃州民众也把坎儿井称为洞子渠，维吾尔语Kariz或是汉语洞子井的意译，可备一说。不论坎儿井(Kariz)是汉语音译或意译，都表明它源于中国。

    唐代吐鲁番坎儿井的存在，还可以从其他文献和古遗迹找到线索。《唐忠武将军行.左领军卫部将裴沙墓志》云：“奏拔四镇，公仍按以戎律，导以泉井，百战无死败。”吐鲁番在唐安西四镇区域之内，其“导以泉井”的“泉井”，应是指坎儿井。这句话颇为准确地表述了坎儿井工程的基本原理，坎儿井就是疏导地下泉流而成。

    交河古城内，有一段凿于地面以下3米左右深30多米长的地下暗道，至今保存完好，尚可过人，虽然尚无法断定它修建原由，但此类暗道开凿技术与坎儿井工程相近。据新疆水利厅原厅长维吾尔·米努甫《新疆坎儿井研究》一稿，“在今吐鲁番胜金口水库西坝端有一古居民遗址，在水库附近曾挖出两个陶罐和一个陶碗，经鉴定是魏晋时期文物。还有一条长100米的坎儿井，出口处距古居民遗址仅有30米，有7个竖井，每个竖井相隔约10米，现已干涸，出口处有一段已坍塌成明渠。可以肯定自魏晋至隋唐时期，这一带必定有坎儿井。

    唐代吐鲁番经济有较大发展，与之有密切关连的坎儿井相应增加。管理水利官员，县一级设有知水官。吐鲁番出土《唐开元二十二年(734年)西州高昌县申西州都督府牒为差人夫修堤堰事》文书，其知水官杨嘉恽负责堤堰修整。“同墓所出另一件《唐开元二十二年(734年)西州都督府致游弈首领骨逻拂斯关文》，高昌县派知水官杨嘉运(即场嘉恽)前往与突厥首领商议，令其派出一定数量的人员，长期从事灌溉劳动，交与多少粮食。《唐勋官某诉辞为水破渠路事》记述有人“过乘开水，渠破墙倒”，“水破渠路”、“桃木满逸”，与之“论理不伏”，为此向官府提出控诉，“今请迫过处(分)”。所言“合修理渠后始合取水”，是维护井渠工程的一条原则。

新疆坎儿井的发展一直比较缓慢。在道光十九年(1839年)，乌鲁木齐都统廉敬建议：“在牙木什(即雅木什)迤南地方，勘有垦地八百余亩，因附近无水，必须挖卡引水，以资浇溉”。但无进—步实施记载。

在近代提倡和推广坎儿井最有力和影响最大的人物则首推林则徐。道光二十五年(1845年)林则徐遣戍伊犁途中，在距吐鲁番约40公里处看到坎儿井，当时十分惊讶，询问后知其利益便极为主张推广。这在他的日记中记录十分明确：“道光二十五年(1845年)正月十九日，……二十里许，见沿途多土坑，询其名曰卡井，能引水横流者，由南而北，渐引渐高，水从土中穿穴而行，诚不可思议之事。此处田土膏腴，岁产才棉无算，皆卡井之利为之也”。

当时的喀喇沙尔办事大臣全庆在筹划伊拉里克开垦事宜的《经久章程》中写道：“查吐鲁番境内地亩多系掘井取泉以资浇灌，名曰“卡井”，……其利甚至，其法颇奇，询为关内外所仅见。此次垦地不无高卑之田，难令渠水逆流而上，应听该户于盐卤空间之处自行出入挖井”。

这段文字一是说明坎儿井的利益很大值得推广，另外也说明坎儿井可以浇灌“高阜之田”的重要作用。在林则徐到新疆办水利之前，坎儿井限于吐鲁番，为数30余处，推广到伊拉里克等地又增开60余处，共达百余处。这些成就的取得与林则徐的努力是分不开的。

另一次新疆兴建坎儿井的高潮便是光绪六年(1883年)左宗棠进兵新疆以后了。光绪九年(1886年)建新疆行省，号召军民大兴水利。在吐鲁番修建坎儿井近200处，在鄯善、库车、哈密等处都新建不少坎儿井，并进一步扩展到天山北的奇台、阜康、巴里坤和昆仑山北麓皮山等地。

民国初年，新疆水利会勘查全疆水利，重点对吐鲁番、鄯善等地坎儿井工程进行了规划提出开凿新井和改造旧井的计划，以吐鲁番县、鄯善县、库车和阜康县为重点。以吐鲁番为例，当时调查结果：“河水居其三，坎水居其七”。查吐鲁番旧有坎儿井800余道，实有水600余道，鄯善约360道，库车100余道。这与1944年调查数字有较大差距了。

在中华人民共和国成立初期，吐鲁番地区311.33公顷土地中，有50%是坎儿井灌区。到1957年前共有有水坎儿井1237条，流量为17.86m3/s灌溉22667公顷。当时各公社(乡)均有挖坎专业队并制定了“定领导、定人员、定时间、定任务、定质量”的“五定”制度。常年对坎儿井进行捞泥、维修、延伸，保证坎儿井出水量逐年增加。