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水利工程

2020-04-09 21:01

为防治水害和开发利用水资源而修建的工程。自然界的水在地区上和时间上的分布及其自然存在的状态,不能完全适应人类的需要。为了防治水旱灾害并充分合理地利用水资源,以满足人类生活、工农业生产、交通运输、能源供应、环境保护和生态建设等方面的需要,常需统筹规划,因地制宜地修建一系列水利工程。

类型

水利工程按其服务对象可分为:①防治洪水灾害的防洪工程。②为农业生产服务的农田水利工程,也称灌溉排水工程。③将水能转化为电能的水力发电工程。④为水运服务的航道及港口工程(同时有防洪、水运作用时称为河道整治工程)。⑤为人类生活和工业用水及排泄、处理废水和雨水服务的城镇供水及排水工程。此外,还有防止水质污染、维护生态环境的环境水利工程,防御海潮和涌浪侵袭以及保护沿海城市与农田的河口堤防和海塘工程,以及围海造陆以满足生产、生活或交通需要的海涂围垦工程等。水土保持中的工程措施以及林牧渔业中有关水的工程措施,也都属于水利工程范畴。很多水利工程具有综合利用效益,称为综合性水利工程。

水利工程也可以按其对水的作用分为蓄水工程、排水工程、取水工程、输水工程、提水工程、水质净化和污水处理工程等。

组成

主要由各种类型的水工建筑物组成,其中有:①挡水的堤防、海塘和各种类型的挡水坝;②泄水或取水的水闸、隧洞和涵管;③输水的人工河道、渠道、隧洞、涵管、渡槽和倒虹吸管;④河道整治的丁坝、顺坝、导流堤和护岸;⑤水力发电系统的压力前池、压力管道、调压室和水电站厂房;⑥取水和扬水的单井、群井、进出口流道和泵站厂房;⑦城镇供水及排水系统的过滤池、配水管网、污水处理厂和排污渠(管)道;⑧航运设施的船闸、升船机、船坞、码头和防波堤;⑨过坝设施的筏道、鱼道、鱼闸等。

特点

水利工程多修建在江河、湖泊、海岸等范围内,既对水起控制作用,又承受水的作用,因而具有不同于其他工程的特点:①一项水利工程常是同一流域或同一地区所有水利工程乃至其他建设工程的组成部分,与其他水利工程乃至其他建设工程存在着对立统一的关系;而一项水利工程又往往同时为防洪、供水、灌溉、发电、航运等多方面服务,在这些服务对象之间,同样也存在着对立统一的关系。因此,兴建水利工程必须遵循全面规划、统筹兼顾、标本兼治、综合利用的原则。②水利工程特别是一些大型水利工程的兴建,都在不同程度上改变了江河、湖泊、海岸以及邻近土地的天然状态,对生态环境、自然景观、区域气候以及人类生活、社会经济等都将产生一定的影响。在有利方面,除上述除害、兴利的主要效益外,还可能绿化大地,改良土壤,改善气候,形成优美的旅游和休养场所。在不利方面,水库蓄水将淹没耕地、城镇、文物古迹、居民点以及工矿、铁路、公路、通信线路等,需要妥善做好移民安置、淹没补偿和文物迁移,并对工矿、铁路、公路、通信线路等进行必要的迁建或改建;还可能引起附近土地的沼泽化和盐碱化、河道的冲刷和淤积,甚至影响某些水生和陆生生物的繁殖和生长;特别是堤坝等挡水建筑物万一失事,将给下游人民的生命财产和工矿企业、交通运输等带来灾难性的损失。发挥工程效益,减免不利影响,是兴建水利工程需要充分考虑、妥善解决的问题。③作为水利工程主要组成部分的水工建筑物,在施工、运行过程中,要承受水压力、浮力、渗透力以及侵蚀、冲刷、冰冻等作用,加之水工建筑物所在地区的水文、地形、地质条件各异,因而水工建筑物的设计、施工和运行管理也较为复杂。

建设和运行管理

由于水利工程有上述一些特点,而且其规模一般较大,牵涉的因素也较多,因而其建设是一项比较复杂的系统工程。首先,一项水利工程的建设必须立足于所在河流的流域规划和所在地区的地区规划。流域规划应结合流域整体的地形、地质、水文气象、生态环境、物质资源,以及社会、经济的现状与发展前景,根据除害、兴利、可持续发展的原则,通过多因素的综合分析,制定整个流域应采取的各项水利工程的整体布局以及各项工程的任务、规模和合理的开发程序。拟建其中某一项水利工程时,必须以此为依据,根据规模和影响的大小,确定其本身和所属建筑物的等级(参见水利工程等别和水工建筑物级别),按照基本建设程序,在不同的设计阶段,进行不同深度的设计,确定工程建设的可行性、建筑物的布置、施工方案以及工程投资等。在整个规划、设计过程中,必须十分重视环境保护。例如长江三峡水利枢纽工程,就进行了十分详尽的环境影响评价,通过大量、严肃、认真的调查和实事求是的分析,得出的结论是:只要对不利影响从政策、工程措施、监督管理以及科研和投资等方面采取得力措施并切实执行,使其减小到最低限度,生态与环境问题不致影响三峡工程的可行性。

水利工程建设,必须对工程质量、进度和投资进行严格控制。为此,要贯彻执行项目法人责任制、招标投标制和建设监理制;工程建设、监理、设计和施工单位在工程建设阶段必须接受水利工程质量监督机构的监督;在工程竣工时,进行严格的竣工验收。水利工程在建设过程中也要重视环境保护,对施工现场的大气、水质、噪声、废渣等采取有效措施加以控制,使之不超过规定的标准。

水利工程竣工后,要根据保证安全运行和充分发挥效益的原则,加强监测和运行管理。要有明确的规章制度对所有建筑物进行定期、非定期的检查和监测,并对监测成果及时进行分析,发现建筑物变形、应力、渗流等有异常时及时加以处理;对仪器、设备要定期进行检验和维护。要进行气象水文的预测预报。对于堤防、滞洪区、湖泊、水库等多种措施协同工作的防洪工程,结合预报成果,进行全面分析、合理调度,以保证工程安全,充分发挥防洪效益。对于取水或蓄水水利枢纽,制定通常情况下的防洪、供水、灌溉、发电、航运等多目标的调度计划,并结合预报成果,及时进行必要的调整,以充分发挥工程的综合效益。

发展史

水利工程的历史十分悠久。自人类开始定居以来,就出现了原始的防洪工程。公元前约4400年,埃及人就引水淤灌尼罗河沿岸平原,公元前约2900年,又修建了向美尼斯(King Menes)王朝的首都孟菲斯(Memphis)城供水的拦河坝、渠道和渡槽等。以后,巴比伦人、印度人、希腊人和罗马人也都修建了大量的水利工程。中国是最早修建水利工程的国家之一。《禹贡》中记载了公元前2280年前后大禹治水的业绩,商周时期已有“滮池北流,浸彼稻田”(《诗·小雅》)、“以潴蓄水,以防止水”(《周礼·稻人》)等水利工程措施。春秋战国时期,已经出现大量水利工程。黄河堤防远在春秋中期就已逐步形成,安徽的芍陂,河北与河南间的引漳十二渠,陕西的郑国渠(参见郑白渠),特别是公元前256~前251年间修建的四川都江堰,是这一时期灌溉工程的典型代表。公元前219年建成的沟通湘江和漓江的灵渠,以及自公元前486年修建邗沟开始,到隋代基本建成,以后又逐步完善的京杭运河,则是中国古代水运工程的典型代表。还有从明代起在江浙沿海修建的海塘工程,对挡御海潮、保护农田发挥了重要作用。

水利科学技术随水利工程建设而得到发展。埃及的引洪淤灌技术、巴比伦的平原渠道网规划和砖砌渠道防渗技术等,都基本符合科学规律。中国《管子》、《周礼》、《孟子》等典籍中,记载了很多水利科学技术的内容。“今夫水,搏而跃之,可使过颡;激而行之,可使在山”,阐述了筑坝引水的原理。“大其下、小其上”和“叁分去一”,对堤防的剖面进行了具体的描述。当时对水跃、跌水及涵管水流等现象也都有所了解。都江堰还运用了正面引水、侧面排沙的原理,汉代的王景、明代的潘季驯等人的治河理论,至今仍有一定的参考价值。

中世纪及其以前的水利科学技术虽然不断发展,但理论基础较差,还不能进行较准确的定量计算,因而水利工程建设主要依靠经验。17世纪特别是19世纪中期以来,随着社会生产的迅速发展,水利科学及其有关科学技术有了较快的发展,这就使水利工程能够在比较严谨的科学理论和丰富实践经验的指导下,进行更加经济合理的规划设计,并采用越来越先进的机械化、自动化的手段进行施工与运行管理。在印度、巴基斯坦、美国、原苏联等国修建了大规模的有闸坝控制的灌溉工程;在莱茵河、多瑙河流域进行了大规模的防洪和河道整治工程;在荷兰修建了大范围的围海造陆工程。美国的胡佛坝、大古力水利枢纽,塔吉克斯坦335m高的罗贡坝,俄罗斯的萨扬舒申斯克水电站,埃及的阿斯旺水利枢纽、巴西装机达12.6 GW的伊泰普水电站等,是这一时期大坝和水电站建设的典型代表。

中国由于封建统治时间较长,19世纪后半叶和20世纪前半叶又处于半封建、半殖民地社会,水利工程建设和水利科学技术的发展都比较缓慢。1949年中华人民共和国成立以来,社会主义制度为水利工程建设提供了十分优越的条件。半个世纪中,开展了长江、黄河、淮河和海河等流域的治理工程,新建和整修堤防26万km,建设枢纽、水库、水电站8.6万余座,代表性的枢纽、水库和水电站如官厅水库、密云水库、大伙房水库、南湾水库、佛子岭水库、新安江水电站、三门峡水利枢纽、刘家峡水电站、乌江渡水电站、白山水电站、丹江口水利枢纽、葛洲坝水利枢纽、万家寨水利枢纽、龙羊峡水电站、岩滩水电站、漫湾水电站、隔河岩水利枢纽、水口水电站、五强溪水电站、天生桥一、二级水电站、二滩水电站、小浪底水利枢纽工程等。正在建设中的三峡水利枢纽工程的混凝土浇筑量达2 800万m3,装机容量达18.2 GW,均居世界第1位。为解决水资源分布与城乡人民生活和工农业生产需求上的矛盾,修建了许多跨流域、长距离的调水工程,如京密引水渠工程、向深圳和香港供水的东深供水工程、向厦门供水的北溪引水工程、引滦入津及入唐工程、引碧入连工程、引青济秦工程、引黄济青工程、引黄入卫工程,以及在建的甘肃引大入秦工程、山西万家寨引黄工程、新疆引额济克济乌等项工程。此外,还扩建和修建了都江堰灌区、河套灌区、淠史杭灌区、人民胜利渠灌区、玛纳斯河灌区、韶山灌区等大型灌溉工程,川江、湘江、赣江、松花江、大运河等大规模航道整治工程,秦皇岛港、大连港、青岛港、上海港、天津港、湛江港等港口工程以及大量中小型农田水利、小水电和水土保持工程。都江堰灌区的灌溉面积已扩大到72.4万hm2。1999年底,全国(未计入台湾省和香港、澳门特区)的灌溉面积达5 400万hm2,居世界第1位;水力发电装机容量达72.971 GW,居世界第2位。

展望

20世纪50年代以来,水利科学以及力学、材料科学、系统工程学、计算数学、信息科学、自动控制技术、遥控遥测技术、计算机技术、网络技术、大型机电设备的设计与制造技术等,取得了飞跃发展,水利工程的勘测、规划、设计、施工和管理都提高到一个新的水平。与此同时,人类生活和生产对水利工程也提出了更高的要求。今后水利工程建设必将采用更高的技术更快地发展:①除一些国家仍将大力兴建各种新的水利工程外,不少国家,特别是水利工程建设已经较多的国家,包括中国在内,将致力于更合理地综合利用水资源和水利工程产业化,大力提高水利工程的质量和效益,包括经济效益、社会效益和环境效益;②跨流域调水工程将在不少地区兴建;③防洪治河工程的标准将日益提高;④供水、灌溉等水利工程将着重提高水的利用系数,采取节约用水措施;⑤水能资源将着重于充分利用和重复利用;⑥水土保持将在更大范围内进行;⑦环境水利将日益发展;⑧水利工程将在人类的物质和精神生活中发挥更大的作用。

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