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世界水利史

2020-04-09 21:01

水利事业的发展与人类文明有着密切的联系。全世界的各种宗教和传说几乎都提到了远古时期的洪水,当时人类只能以各种方式躲避其灾难。与洪水斗争并取得胜利的则以中国的大禹治水为代表。随着人类社会的日益发展,防洪问题日趋重要。在数千年的人类活动史上,世界上许多河流的两岸都构筑了各种各样的堤防。除了中国黄河堤防闻名于世外,埃及的尼罗河、意大利的波河也有很完整的堤防。巴基斯坦、波兰、法国在修筑堤防、保护农田方面的历史也比较长。公元前2650年前后建造的埃及异教徒坝可能是修建防洪水库的最初尝试。斯里兰卡则于公元前3世纪就有了用于防洪的米纳利亚水库。欧洲各国约在1000年前就开始进行河道整治,以保护城市和农村。19世纪以后,世界上许多国家都将防洪问题提到更高的地位,将其置于国家有关部门的直接管理之下。至20世纪,这一趋势扩展到全世界大多数国家,洪水保险等非工程措施则是最近几十年才出现的。利用工程措施,人为造成洪水以取得战争的胜利,这在中外历史上都是屡见不鲜的。早在公元前18世纪,巴比伦第一王朝国王汉穆拉比也曾多次依靠筑坝截水、切断敌方水源等方式打败对手。

工程与技术

人类很早就利用降雨或河水发展灌溉和航运,并在河流两岸建起早期的城市。世界四大文明古国正是出现在河流沿岸,这就是尼罗河流域的埃及、幼发拉底河和底格里斯河流域的巴比伦、黄河流域的中国与印度河和恒河流域的印度。此外,美洲的印加文明和玛雅文明也是以其农业灌溉为基础的。一般来说,早期的灌溉都是引洪淤灌,以后逐渐发展为建造水库、塘坝等蓄水灌溉。与此同时,排水技术也日益重要。在许多干旱缺水的国家和地区,坎儿井技术自古至今都是获取水资源的重要手段。在漫长的历史时期中,水利技术往往凭借经验的积累,而理论的探讨和总结则要迟缓得多。

城市水利的发展大体上要比灌溉水利略迟一些。最初的城市供水系统只是供生活用水,罗马水道是其中的典型代表。随着现代城市的发展,城市水利的内容更加广泛,包括工业用水、防洪排涝、环境保护、生态平衡等。

人工运河出现于公元前7世纪。古希腊、罗马时代的城市供水渠道和运河已很发达。12世纪随着贸易的发展,欧洲运河工程开始兴起,以后几百年间一直不断发展,19~20世纪著名的三大运河,即基尔运河、苏伊士运河和巴拿马运河,曾经大大缩短了航运里程,给全世界带来深远的影响。20世纪以来,由于空中运输与陆路运输的大规模发展,水运,特别是内河航运受到了一定的冲击。因此,专门用于航运的运河发展受到了限制。但是,兴建跨流域调水工程以解决区域水资源不足的设想和方案却越来越多。其中最著名的有美国加利福尼亚州调水工程、澳大利亚库尔加迪(Coo1gardie)输水工程等。

水坝是水利工程中的典型建筑物,往往反映了不同历史时期的工程技术水平。早期的水坝都是凭借经验设计的,坝型也经常是各式各样的。直至19世纪中叶以后,随着土力学和岩石力学的发展,筑坝技术理论才日益成熟并趋于规范化。1824年,英国人J.阿斯普丁发明硅酸盐水泥,从而使土木建筑工程,包括水利工程技术发生了一场深刻的变革。现代技术水平已使我们能够建造300m以上的超高大坝。各种坝型也随技术进步和建坝环境提出的问题而在不断发展。

水力机械的确切起源时间很难估计,水轮、水车至少在公元前许多年即已出现。中世纪以后,水车已普遍应用于许多领域。在水车、水磨等机械的基础上产生了水轮机。19世纪中期的水轮机可达36.8 kW(50马力),用于牵引工业机械,以后又用于水力发电。1878年,世界上第1座水电站在法国建成。目前世界上最大的水电站是巴西和巴拉圭边界河流巴拉那河上的伊泰普水电站,装机容量为12.6 GW。最大的地下水电站为加拿大丘吉尔瀑布水电站,总装机容量为5.225 GW。

水利基础科学

水利工程技术是在人类与自然进行斗争的过程中发展起来的。而对这些工程技术及其基本原理进行探讨,开展基础研究,则滞后了许多年。古代和中世纪虽然也有一些重大的发现和经典性著作,但真正的基础科学研究则出现于西方文艺复兴、产业革命时代以后。进入20世纪以来,其发展速度更快。古代人很早就发现了水文学及水力学的许多现象,并出现了像阿基米德、达·芬奇那样的科学家。但从总体来看,这些学科是在欧洲工业革命以后才迅速发展起来的。水工试验的发展也很类似,但进入现代科学阶段则是19世纪末的事。土力学的形成时间更晚一些。17世纪,正式出现“水力学”这个科学名词,1686年I.牛顿提出了水力相似性原理。18世纪丹尼尔第一·伯努利和L.欧拉等人创立了水动力学,并使之与实验水力学平行发展。18世纪中叶,英国工程师J.斯米顿提出使用水工模型进行水力学等试验。1841年美国第1座现代的水工实验室在马萨诸塞州的卢韦尔建立。19世纪科学家发现了管流和明渠流2种流态,并提出了弗劳德相似准则和区分流态的雷诺数,推导出紊流的雷诺公式。1898年德国著名水利专家H.恩格斯创立河工模型试验室。进入20世纪,模型试验相似原理已为学术界普遍接受。英国人在南亚次大陆和埃及的灌区做了大量的现场观测工作,对渠道的冲淤和透水地基上筑坝等的研究更为突出。德国航空学家L.普朗特于1904年提出的边界层理论,很快就被水力学学者用于解决实际问题。T.von卡门于1912年完成了著名的卡门涡街研究,进一步丰富了水力学的内容。

早在公元前3200年前后,埃及人就掌握了尼罗河水位变化的规律,并开始使用原始的水位计。在古希腊已有许多人开始讨论水文循环问题。直至16世纪,法国人才以严谨的方式证明水流的最终来源是海水或大气中的水汽。早在公元前4世纪,印度已开始广泛使用雨量计。1687年英国天文学家E.哈雷首先采用蒸发皿测定了水面蒸发率。19世纪初,J.道尔顿提出了在一定条件下蒸发速率与水汽压力的饱和差成正比的理论,为蒸发计算提供了可靠的依据。1 000多年以前,伊朗人G.A.卡拉季就写出了有关地下水的专著《潜水的开发》。16世纪以后,地下水文学有很大发展。其中H.P.G.达西论述了渗流理论,提出了达西定律。19世纪,奥地利人P.福希海默尔把数学分析方法引入地下水研究。法国人G.A.多布雷则于1887年出版了《地下水》一书。当时,人们在莱茵河、易北河等河流上已通过实测和推算等综合方法建立起流量资料系列。1851年,爱尔兰人T.J.摩尔凡尼提出推求洪峰流量的原理。1932年,美国水文学家L.R.K.谢尔曼提出了水文计算中的单位线方法。此后,水文学继续不断发展,并与其他学科互相交叉、渗透。 1773年,法国物理学家C.A.de库仑发表有关土压力的理论;1857年苏格兰工程师W.J.M.朗肯提出土质量平衡理论。1925年K.太沙基发表《土力学》一书,标志着这一学科基本形成。

水利管理

在人类开发利用水资源、战胜水害的过程中,往往会遇到不同行政区划之间的矛盾、河流上下游之间的矛盾等。因此,逐渐形成决定水权的归属,解决防洪和用水矛盾的各种法规。从古代法典中关于水权的简单条文到现代的系统成文水法,这一演变过程表明了水利事业在人类文明发展过程中的重要作用。

新兴学科的引入

进入20世纪以后,许多新兴的科学技术在水利工程中得到广泛应用。例如:①利用电子计算机对技术经济方案进行评估;②用系统分析方法进行数学模型分析和全面评价区域性水资源;③利用光弹模型分析和设计水工结构;④利用滴灌、喷灌和渗灌等以节省水资源;⑤利用卫星、航天飞机、遥感、超声波等手段分析、鉴定大型水利枢纽工程的水文地质及工程地质情况,进行大规模水资源开发利用规划等。对历代水利工程实践的得失成败进行探讨,为现代水利事业提供借鉴,提出水资源与人类社会的协调及可持续发展的新思路,也是水利科学的重要方面,引起广泛重视。

水利事业在人类历史发展过程中的重要作用,已为世所公认。美国历史学家K.A.魏特夫还提出了“水利文明”的概念,认为凡是依靠政府管理的大规模水利设施而推行其农业制度的文化时期即是水利文明。美国人类学家R.M.亚当斯虽然不同意“水利文明”的概念,但并不否认水利是生存技术、经济关系和政治结构的重要组成部分,是加强政治控制力的重要手段之一。

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