第一章 绪论

第一节 水利水电工程简介

水是一切生命的源泉，是人类生活和生产活动中必不可少的物质。在人类社会的生存和发展中，需要不断地适应、利用、改造和保护水环境。水利事业随着社会生产力的发展而不断发展，并逐步成为人类社会文明和经济发展的重要支柱。

人类社会为了生存和发展的需要，会对自然界的水和水域进行控制和调配，以达到兴利除害、开发利用和保护水资源的目的。在研究自然界水的特性、存在方式和运动规律的基础上，研究水的控制、开发、利用、管理和保护的知识体系称为水利科学。用于控制和调配自然界的地表水和地下水，消除水害和开发利用水资源而修建的工程称为水利水电工程。

一、水利水电工程发展简史

水利一词最早见于战国末期问世的《吕氏春秋》中的《孝行览·慎人》篇，其中的“取水利”系指捕鱼之利。西汉史学家司马迁所著《史记》中的《河渠书》首次赋予该词以防洪、灌溉、航运等兴利除害的含义。水利的发展历史大致可分为古代、近代和现代3个时期。古代水利是指18世纪产业革命前的时期，水利建设主要凭经验进行，多使用当地建筑材料，用人力畜力和简单机械施工。人类的水利活动可以追溯至远古：公元前4000年埃及人已经利用尼罗河水漫灌；南美洲的秘鲁在公元前1000年已有灌溉；而中国今河南登封在公元前2800—前2000年已使用陶制排水管，公元前256—前251年在今四川省都江堰市修建的都江堰是世界现存最古老的无坝引水枢纽。中国古代水利经历了秦汉、隋唐宋和元明清的3次统一与和平时期，带来了3次水利的大发展和人口的大增长。近代水利是指18世纪开始的产业革命到第二次世界大战期间，一些国家进入以工业生产为主的社会，水利进入一个新的阶段。但中国从1840年鸦片战争后，却沦为半殖民地半封建社会，水利建设趋于停滞。这时期水利的基础科学开始建立，从而推动了水利应用科学在19世纪中叶之后的长足进步，工业发达国家在水利建设上取得了重大突破，并使水利形成独立学科。1878年法国建成世界上第一座水电站；1936年美国建成高221m的胡佛坝，并创造性地发展了筑坝技术。现代水利是指第二次世界大战结束之后的时期，随着电子计算机的广泛应用，试验手段、计算技术和自动化技术的发展，机械制造能力的提高，大型施工机械的使用和新材料的出现，水利水电工程数量急剧增加，规模日益扩大，新结构不断涌现，高坝和大型水库大量兴建，从而带来了巨大的经济效益：1949年中华人民共和国建立后，水利事业蓬勃发展，取得了巨大成就；1986年世界灌溉面积为2.33亿hm2，占耕地总面积的17%，其粮食产量占全世界总产量的40%；中国在20世纪80年代灌溉面积为0.48亿hm2，居世界之首；1986年全世界高15m以上的大坝共登记3.66万座，其中中国有1.88万座。截至2014年6月，中国最高的水坝是坐落在四川省境内的锦屏一级水电站大坝，属双曲拱坝，高305m，也是世界第一高水坝。中国最高的土石坝是云南省境内的糯扎渡大坝，高261m。中国最高的重力坝是位于广西壮族自治区的龙滩水电站大坝，高216.2m。湖北省境内还拥有世界上最高的混凝土面板堆石坝：高233m的水布垭水电站大坝。四川省境内正在建设的双江口大坝预计高度将达到312m，建成后将成为新的世界第一高坝。位于我国湖北省宜昌市的三峡水利枢纽工程是世界上最大的水利水电工程。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成，大坝为混凝土重力坝，坝顶总长3035m，坝高185m，设计正常蓄水位枯水期为175m（丰水期为145m），总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3。水电站左岸设14台机组，右岸12台机组，总共26台机组，水轮机采用混流式机组，单机容量均为70万kW，总装机容量为1820万kW，年平均发电量847亿kW·h。后又在右岸大坝山体内建地下电站，设6台70万kW的水轮发电机，年发电量可达1000亿kW·h。公开数据显示，截至2009年年底，三峡工程已累计完成投资1849亿元。

二、水利水电工程特点与分类

水利水电工程是实现水利规划目标的主要手段，其主要作用是控制和调配地面水和地下水，达到兴利、除害的目的。自然界中水的运动存在偶然性，并与其他环境要素互相影响，水利工程的工作条件十分复杂。大型水利工程的投资大、工期长，对社会、经济和环境都有很大影响，既有利也有弊，需要进行必要的经济风险评估。随着社会生产力的发展和人民生活水平的提高，水利建设日益成为社会文明和经济繁荣的重要支柱。

水利水电工程与其他工程相比，具有如下特点。

（1）影响面广。水利水电工程规划是流域规划或地区水利规划的组成部分，而一项水利工程的兴建，对其周围地区的环境将产生很大的影响，既有兴利除害有利的一面，又有淹没、浸没、移民、迁建等不利的一面。为此，制定水利水电工程规划，必须从流域或地区的全局出发，统筹兼顾，以期减免不利影响，收到经济、社会和环境的最佳效果。

（2）施工建造艰巨。水利水电工程与陆地上的土木工程相比施工更为困难，条件更为复杂。主要考虑水的因素，水对挡水建筑物有静水压力，随挡水高度的加大而剧增，为此工程必须具有足够稳定性。另外建筑物及地基内的渗流也威胁工程安全。施工导流复杂，施工进度往往与洪水“赛跑”，加大了工程建造的复杂性。

（3）失事后果严重。水利水电工程一般规模大，投资多，工期较长，工程失事将会产生严重后果，如果拦河坝溃决，则会给下游带来灾难性及至毁灭性的后果，这在国内外都不乏惨重实例。

水利水电工程学科按服务对象划分如下。

（1）防洪。研究洪水规律及其灾害防治的学科。

（2）城镇供水和排水。研究按水质、水量、水压标准向城镇供给生活用水和工业用水，以及使废水在达到规定水质要求的情况下顺利排放或重复使用的学科。

（3）灌溉和排水，又称农田水利。研究通过工程措施对农业水资源进行拦蓄、调控、分配和按质量标准适时适量地将水输送到农田、草场、林地，并将田地内多余的水适时排泄，以利植物生长的学科。

（4）水力发电。研究将水能转换为电能的工程技术、经济和管理的学科。

（5）航道和港口。研究船舶及排、筏安全航行的线路和设施，以及研究供船舶停泊、避风、供应燃料及物资、进行维修和客货转载作业的场所的学科。

（6）水土保持。防治水土流失，保护、改良与合理利用山丘区或风沙区水土资源的学科。

（7）海洋工程。研究海洋资源开发、海洋空间利用、海洋能利用和海岸防护的学科。

（8）环境水利。研究环境与水利的相互关系和相互作用的学科。

（9）水利渔业。研究利用水利工程进行水产养殖和发展捕捞业的学科。

水利科学按水利工程的工作程序可分为水利勘测、水利规划、水工建筑物设计、水利工程施工、水利管理等。综合性分支学科包括水利史、水利经济学和水资源学等。此外，水利科学的基础学科有水文学和水资源学、水力学、固体力学、土力学、岩石力学、河流动力学、水文地质学、工程测量学及建筑材料等。

三、水力发电简介

水力发电作为水利水电工程的主要内容，其在社会经济发展中的地位也越来越重要，下面将就水力发电的概念作出单独介绍。

水力发电是一种将天然水流蕴藏的势能与动能转换成电能的发电方式，是水能利用的主要形式。在自然状态下，河川水流的这种潜在能量以克服摩擦、冲刷河床、挟带泥沙等形式消耗掉，而兴建水电站可利用这部分能量，将其转化为服务于大众的电力资源。1878年法国建成世界上第一座水电站，1880年冲击式水轮机诞生，1918年研制了轴流式转桨水轮机，1957年造出了斜流式水轮机，并开始出现可逆式抽水蓄能机组。随着机械制造业和超高压输电技术的发展，世界各国的水力资源得到大力开发。至20世纪90年代中期最大的水轮发电机的单机容量已超过70万kW，最大的水电站装机容量已达1260万kW（见伊泰普水电站）。

水力发电突出的优点是以水为能源，水可周而复始地循环供应，是一种可持续发展的清洁能源。更重要的是相对于火力发电，水力发电对自然环境的危害较小，运行成本也要低得多，能大大改善能源结构。世界各国都提倡尽可能多地开发本国的水能资源。我国的水能资源储藏量居世界首位，然而地区分布却不均匀：西南地区的水能蕴藏量最多，主要分布在长江上游金沙江、通天河及长江支流嘉陵江、岷江、乌江等，西藏的雅鲁藏布江，云南的怒江、澜沧江等。西部地区水能蕴藏量仅次于西南，主要分布在长江及其支流，洞庭湖水系的湘、资、沅、澧等河流，汉江、赣江及珠江等。华东地区水能蕴藏量主要集中在闽、浙两省，也可向潮汐电站发展。东北地区已开发的水能资源比较多，主要在松花江、嫩江、鸭绿江和镜泊湖等，华北地区多为平原河流，水能蕴藏量不多，主要在滦河和海河水系中。