什么是水利工程?

[拼音]：shuili gongcheng

[外文]：hydraulic engineering

研究防止水患、开发水利资源的方法及选择和建设各项工程设施的科学技术。主要是通过工程建设，控制或调整天然水在空间和时间的分布，防止或减少旱涝洪水灾害，合理开发和充分利用水利资源，为工农业生产和人民生活提供良好的环境和物质条件。水利工程包括排水灌溉工程(又称农田水利工程)、水土保持工程、治河工程、防洪工程、跨流域的调水工程、水力发电工程和内河航道工程等。其他如养殖工程、给水和排水工程、海岸工程等，虽和水利工程有关，但现常被列为土木工程的其他分支或其他专门性的工程学科。水利工程原是土木工程的一个分支。由于水利工程本身的发展，逐渐具有自己的特点，以及在国民经济中的地位日益重要，已成为一门相对独立的技术学科，但仍和土木工程的许多分支保持着密切的联系。

中国水利工程建设具有悠久的历史。传说中的大禹治水，就是治理黄河水患。纵贯中国南北的京杭运河，全长1794公里，始凿于公元前5世纪（春秋末期），后经7世纪（隋）和13世纪（元）两次大规模扩展，利用天然河道加以疏浚修凿连接而成，是古代伟大水利工程。公元前 3世纪（战国时期）李冰父子主持修建的四川都江堰灌溉工程一直沿用至今，规模之宏大，规划之周密，技术之合理，为前所未有。1949年以后，中国水利事业突飞猛进。50～60年代先后治理了淮河、海河水系，基本上控制了这两个流域的水情。经过长期综合考察和勘测，已制订了长江、黄河的全面治理和开发计划。长江中游的荆江分洪工程已发挥作用；保卫武汉的长江大堤，经受过1954、1981和1983年几次特大洪水的考验；长江第一坝──葛洲坝水利枢纽工程第一期工程已投入运营，第二期工程正在施工；开发长江三峡的工作也在积极准备。黄河的前期治理开发工程，如刘家峡、八盘峡、盐锅峡、青铜峡、天桥、三门峡等水利枢纽工程以及黄河下游两岸的堤防加固和分洪工程已初见成效，基本上控制了黄河水害，大体上稳定了河道，灌溉和电力事业得到发展。其他如东北的辽河水系、华南的珠江水系以及西南的怒江、澜沧江水系，有的已经部分进行开发治理，有的正在规划和制订全面的开发方案。1983年竣工的引滦入津工程，全长234公里，是目前中国输水距离最长、流量最大的城市引水工程。京杭运河的部分河段拓宽加深，裁弯取直，增建船闸，并建江都、淮安水利枢纽，使其成为“南水北调”东线的通道。在中国960万平方公里的领土面积范围内，平均年径流总量约为2.6万亿米3，可以开发利用的水电资源约有3.8亿千瓦，但迄今已控制和利用的仅其中极小部分。到1980年为止，全国已有灌溉面积约0.47亿公顷，已修建的各类水库达84000余座，总库容约为4000亿米3，已建大中小型水电站约9万座，总装机容量2000多万千瓦。

地球上大陆总面积为1.49亿平方公里，长度大于5000公里的河流有7条，地面平均年径流量为47万亿米3。世界耕地面积约为15.01亿公顷。据联合国粮农组织统计，至1975年，灌溉面积达2.27亿公顷，排水面积1.47亿公顷。为解决各地区水量分配不均现象，很多地方修建了大规模的调水工程，如巴基斯坦引用印度河河水的西水东调工程是世界迄今已建成的规模最大的调水工程，引用流量每秒614米3，年引水量148亿米3，输水路程长达663公里，灌溉面积约153万公顷。全世界可能开发的水电资源约有22.6亿千瓦，其中亚洲、非洲和拉丁美洲发展中国家的水电资源占世界储量的61.5％，但已开发利用的仅约4％。到1980年止，全世界已开发的水电总装机数约为4.6亿千瓦，其中美国为 7665万千瓦，苏联5230万千瓦，加拿大4777万千瓦，装机大于2000万千瓦的国家还有日本、巴西和中国。目前，世界上已建和在建装机大于300万千瓦的水电站共21座，巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，装机1260万千瓦，是在建的最大水电站。巴西水电资源十分丰富，仅次于中国居世界第二位，但已开发的不多，近20年来发展很快。当前世界水利工程向高、大发展，现有高于200米的大坝共25座，苏联罗贡土石坝坝高 325米，为目前世界最高的。库容300亿米3以上的水库共28座，乌干达欧文瀑布水库库容2048亿米3。

水利工程规划的目的是全面考虑、合理安排地面和地下水资源的控制、开发和使用方式，最大限度地做到安全、经济、高效。水利工程规划要解决的问题大体有以下几个方面：根据需要和可能确定各种治理和开发目标，按照当地的自然、经济和社会条件选择合理的工程规模，制定安全、经济、运用管理方便的工程布置方案。因此，应首先做好被治理或开发河流流域的水文和水文地质方面的调查研究工作，掌握水资源的分布状况。

中国水资源在地理上和时间上的分布很不均匀。就地理上分布而言，长江和珠江的流域面积占全国领土面积的23％，而入海水量约占全国总水量的51％;黄河、海河、淮河的流域面积占全国领土面积的12％，入海水量却不到全国总水量的4％；就时间上分布而言，也很集中，如华北等干旱缺水地区，降水量集中在七、八月份，占全年水量的一半以上，而冬春旱季，每月降水量只有全年的3～5％。因此，解决水量在时间上和空间上的分配不均，以满足工农业和城市建设等方面的需要，是修建水利工程的重要目标之一。

黄河泥沙的淤积冲刷是造成其下游灾害的重要因素。黄河中游每立方米水流中的含沙量最大竟达1500公斤以上（无定河白家川测站），在世界上绝无仅有。其他不少河流也有程度不同的泥沙问题。因此，流域的产沙和输沙规律以及河床演变等也是水利工程规划中需要研究的重要课题。

工程地质资料是水利工程规划中必须先行研究的又一重要内容，以判别修建工程的可能性和为水工建筑物选择有利的地基条件并研究必要的补强措施。

水库是治理河流和开发水资源中普遍应用的工程形式。在深山狭谷或丘陵地带，可利用天然地形构成的盆地储存多余的或暂时不用的水，供需要时引用。因此，水库的作用主要是调节径流分配，提高水位，集中水面落差，以便为防洪、发电、灌溉、供水、养殖和改善下游通航创造条件。为此，在规划阶段，须沿河道选择适当的位置或盆地的喉部，修建挡水的拦河大坝以及向下游宣泄河水的水工建筑物。在多泥沙河流，常因泥沙淤积使水库容积逐年减少，因此还要估计水库寿命或配备专门的冲沙、排沙设施。

现代大型水利工程，很多具有综合开发治理的特点，故常称“综合利用水利枢纽工程”。它往往兼顾了所在流域的防洪、灌溉、发电、通航、河道治理和跨流域的引水或调水，有时甚至还包括养殖、给水或其它开发目标。然而，要制止水患开发水利，除建设大型骨干工程外，还要依靠大量的中小型水利工程，从面上控制水情并保证大型工程得以发挥骨干效用。防止对周围环境的污染，保持生态平衡，也是水利工程规划中必须研究的重要课题。由此可见，水利工程不仅是一门综合性很强的科学技术，而且还受到社会、经济甚至政治因素的制约。

无论是治理水害或开发水利，都需要通过一定数量的水工建筑物来实现。按照功用，水工建筑物大体分为三类：

（1）挡水建筑物；

（2）泄水建筑物；

（3）专门水工建筑物。由若干座水工建筑物组成的集合体称水利枢纽。

阻挡或拦束水流、拥高或调节上游水位的建筑物，一般横跨河道者称为坝，沿水流方向在河道两侧修筑者称为堤。

坝是形成水库的关键性工程。近代修建的坝，大多数采用当地土石料填筑的土石坝或用混凝土灌筑的重力坝，它依靠坝体自身的重量维持坝的稳定。当河谷狭窄时，可采用平面上呈弧线的拱坝。在缺乏足够筑坝材料时，可采用钢筋混凝土的轻型坝（俗称支墩坝），但它抵抗地震作用的能力和耐久性都较差。砌石坝是一种古老的坝，不易机械化施工，目前主要用于中小型工程。

大坝设计中要解决的主要问题是坝体抵抗滑动或倾覆的稳定性、防止坝体自身的破裂和渗漏。土石坝或砂、土地基，防止渗流引起的土颗粒移动破坏（即所谓“管涌”和“流土”）占有更重要的地位。在地震区建坝时，还要注意坝体或地基中浸水饱和的无粘性砂料、在地震时发生强度突然消失而引起滑动的可能性，即所谓“液化现象”（见砂土液化）。

能从水库安全可靠地放泄多余或需要水量的建筑物。历史上曾有不少土石坝，因洪水超过水库容量而漫顶造成溃坝。为保证土石坝的安全，必须在水利枢纽中设河岸溢洪道，一旦水库水位超过规定水位，多余水量将经由溢洪道泄出。混凝土坝有较强的抗冲刷能力，可利用坝体过水泄洪，称溢流坝。溢洪道或溢流坝均具流线形溢流堰坎，它们的泄流能力较大，每秒可过水数千甚至数万立方米。

水闸是兼具挡水和泄水两种功能的水工建筑物，由能控制泄流量的闸门部分构成了这种建筑物的主体。

泄水隧道或坝身泄水孔多数是指进水口淹没在水下的深水式建筑物，根据进水口的位置高程，可在不同或变化的水位下向下游泄水。由于整个建筑物处在较高的水压力下工作，条件比较复杂，因此，泄流能力受到一定限制。到目前为止，单洞或单孔每秒最大只能通过数千立方米。

修建泄水建筑物，关键是要解决好消能和防蚀、抗磨问题。泄出的水流一般具有较大的动能和冲刷力，为保证下游安全，常利用水流内部的撞击和摩擦消除能量，如水跃或挑流消能等。当流速大于每秒10～15米时，泄水建筑物中行水部分的某些不规则地段可能出现所谓空蚀破坏，即由高速水流在临近边壁处出现的真空穴所造成的破坏。防止空蚀的主要方法是尽量采用流线形体形，提高压力或降低流速，采用高强材料以及向局部地区通气等。多泥沙河流或当水中夹带有石渣时，还必须解决抵抗磨损的问题。

除上述两类常见的一般性建筑物外，为某一专门目的或为完成某一特定任务所设的建筑物。

渠道是输水建筑物，多数用于灌溉和引水工程。当遇高山挡路，可盘山绕行或开凿输水隧洞穿过（见水工隧洞）；如与河、沟相交，则需设渡槽或倒虹吸，此外还有同桥梁、涵洞等交叉的建筑物。

水力发电站枢纽按其厂房位置和引水方式有河床式、坝后式、引水道式和地下式等。水电站建筑物主要有集中水位落差的引水系统，防止突然停车时产生过大水击压力的调压系统，水电站厂房以及尾水系统等。通过水电站建筑物的流速一般较小，但这些建筑物往往承受着较大的水压力，因此，许多部位要用钢结构。

水库建成后大坝阻拦了船只、木筏、竹筏以及鱼类回游等的原有通路，对航运和养殖的影响较大。为此，应专门修建过船、过筏、过鱼的船闸、筏道和鱼道。这些建筑物具有较强的地方性，修建前要作专门研究。

水工建筑物常用的附属设备或设施，或某些水利工程的专用机械设备。

泄水建筑物和水闸的重要组成部分，由两侧闸墩支承。闸门的作用是挡水和控制泄水流量。最常见的闸门型式有平面闸门和弧形闸门。前者迎水面为一平板，水压力通过闸门两侧滚轮或滑块传至闸墩门槽。后者迎水面为平轴圆弧形，水压力经由支腿集中通过圆弧中心处的支铰传至闸墩，这种闸门整体性强，启闭灵活、运用方便。目前，绝大多数闸门采用钢结构，也有少数为钢筋混凝土或木结构。按工作条件，闸门又可分为露顶式和深水式。前者最大工作水深和闸门高相同；后者则随进水口位置的高程而变，最大工作水深达100～200米。一般以作用在闸门上的水压力大小作为衡量闸门规模和工艺水平的指标。目前，世界上最大的闸门水压力为5000～10000吨级，闸门的启闭通过专门的机械、电器设备 *** 作运转。

调节泄水流量的又一种控制设施，适用于高水头压力管道。因此，常在水电站建筑物的引水系统中使用。高流速泄水建筑物用阀控制流量的也很多，常见的型式有蝴蝶阀、空注阀和锥形阀等。

水轮机是水力发电站的关键性动力设备，它把水的势能转化为旋转的机械能;水泵的作用是提高系统中水的位能，主要用于排水或抽水灌溉站。这两种水力机械的机械结构和工作原理基本相同，但行水方向相反。正因如此，近代修建了不少专用于调节高峰负荷的水电站，电站的水轮机同时又是水泵，当电力系统中电力有富裕时，即抽水入水库蓄能；一旦高峰负荷来临，则又转为泄水发电，这样的水电站称为抽水蓄能电站。

为提高水轮机的工作效率，应根据工作的水位落差（水头）大小选择机型。轴流式水轮机，适用于3～5.5米水头；当水头在30～450米之间时，宜选用混流式水轮机；而当水头超过400米时，则应选用冲击式水轮机。目前，世界上以美国大古力第三水电站的水轮机出力最大，单机出力为71.6万千瓦；以奥地利赖瑟克水电站机组工作水头最大，为1771米。中国东北白山水电站使用的水轮发电机组单机出力为30万千瓦，工作水头110米，是中国目前最大的水轮机。

水利工程的施工有许多地方和其它土木工程类同。导流问题是水利工程施工中的重要环节，常常控制着工程进度。在宽阔河道，一般采用分段围堰的方法，先在河道一侧围出基坑进行这一段拦河闸坝的施工，河水由另一侧通过。这一侧完工后，便转移至另一侧施工，河水从已建的部分建筑物通过。用围堰拦截水流强令其转移至已建工程通过，称为截流。此外，还有采用河岸泄水隧洞或坝身底孔导流，这些洞和孔有时专为施工期的导流而设，但也可在施工完毕后留作永久泄水设施。

水利工程的施工周期一般都较长，短则1～2年，长则5～10年。

水利工程的安危常关系到国计民生，工程建成后如不妥善管理，不仅不能积极发挥应有的效用，而且会带来不幸和灾难。运营管理工作中最主要的是监测、维修和科学地使用。为此，每个水利工程一般都设有专门的运营管理机构，它是管理单位，又是生产单位。一个大型综合利用水利枢纽工程，往往和国民经济中的若干部门有关。为更有效地发挥工程作用和充分经济、合理、安全地利用水力资源，必需加强协调和统一指挥。

参考文章

中国古代著名水利工程概述中国地理

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