水利与水利学概论

自然辩证法论文1——《水利与水利学概论》姓名：唐灿学号：2012213064398·1·水利与水利学概论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。水是国民生活所必需，开发的目的，是去除水患、增进农业、发展航运，与促进工业，对国家之经济发展影响重大。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，并成为人类社会文明和经济发展的重要支柱。原始社会生产力低下，人类没有改变自然环境的能力。人们逐水草而居，择丘陵而处，靠渔猎、采集和游牧为生，对自然界的水只能趋利避害，消极适应。进入奴隶社会和封建社会后，随着铁器工具的发展，人们在江河两岸发展农业，建设村庄和城镇，遂产生了防洪、排涝、灌溉、航运和城镇供水的需要，从而开创和发展了水利事业。一、概论18世纪开始的产业革命，带来了科学和技术的发展。一些国家开始进入以工业生产为主的社会。水文学、水力学、应用力学等基础学科的长足进步，各种新型建筑材料、设备、技术，如水泥、钢材、动力机械、电气设备和爆破技术等的发明和应用，使人类改造自然的能力大为提高。而人口的大量增长，城市的迅速发展，也对水利提出了新的要求。19世纪末，人们开始建造水电站和大型水库以及综合利用的水利枢纽，水利建设向着大规模、高速度和多目标开发的方向发展。二次世界大战以后，随着各国经济的恢复和发展，以及系统论、控制论、信息论等新理论和电子计算机、遥感、微波通信等新技术的出现，水利事业进入蓬勃发展的新时期。但是在某些地方由于对水土资源的过量开发，或未能有效地进行保护，已造成恶果。例如：大量侵占江河湖泊水域，降低了防洪能力；滥伐滥垦森林草原，加剧了水土流失；工矿排放有毒废水，污染了水源；超量开采地下水，造成了水源危机等。因此，水利又面临许多新的课题。水利工程学又称水资源工程学，指用人为方法控驭或利用地面水或地下水之科学。而所称地面水，指流动或停止于地面以上的水（海洋、河川、湖泊）自然辩证法论文1——《水利与水利学概论》姓名：唐灿学号：2012213064398·2·山地下水指流动或停止于地面以下的水。换言之，所谓水资源工程学，即用各种水工结构物对水资源加以控制与利用之科学。水利工程曾包括在土木工程学科之内，与道路、桥梁、公用民用建筑并列。水利工程具有下列特点：水工建筑物受水作用，工作条件复杂；施工难度大；各地的水文、气象、地形、地质等自然条件有差异，水文、气象状况存在或然性，因此大型水利工程的设计，总是各有特点，难于划一；大型水利工程投资大、工期较长,对社会、经济和环境有很大影响，既可有显著效益，但若严重失误或失事，又会造成巨大的损失或灾害。由于水利工程具有自身的特点，以及社会各部门对水利事业日益提出更多和更高的要求，促使水利学科在20世纪上半叶逐渐形成为独立的科学。按照区域划分，由于世界上不同地区因受自然地理和气象条件的制约，降雨和径流量有很大差异，因而产生不同的水利问题。非洲是高温干旱的大陆。水资源按面积平均在各大洲中为最少，不及亚洲或北美洲之半，并集中在西部的扎伊尔河等流域。除沿赤道两侧雨量较多外，大部分地区少雨，沙漠面积占陆地的三分之一。解决缺水问题，为非洲多数国家的首要任务。非洲有世界上最长的河流──尼罗河。尼罗河的水资源哺育了埃及的古文明，至今仍与埃及经济息息相关。亚洲面积大、人口多的大陆，雨量分布很不均匀。东南亚及沿海地区受湿润季风影响，水量较多，但因季节和年际变化雨量差异甚大，汛期的连续暴雨常造成江河泛滥。如中国的长江、黄河，印度的恒河等都常为沿岸人民带来灾难。防洪问题成为这些地区的沉重负担。中亚、西亚及内陆地区干旱少雨，以致无灌溉即无农业，必须采取各种措施开辟水源。北美洲雨量自东南向西北递减，大部分地区雨量均匀，只有加拿大的中部、美国的西部内陆高原及墨西哥的北部为干旱地区。密西西比河为该洲的第一大河，洪涝灾害比较严重，美国曾投入巨大的力量整治这一水系，并建成沟通湖海的干支流航道网。在美国西部的干旱地区，修建了大规模的水利工程，对江河径流进行调节，并跨流域调水，保证了工农业的用水需要。在加拿大和美国境内，自然辩证法论文1——《水利与水利学概论》姓名：唐灿学号：2012213064398·3·水能资源丰富，开发程度也较高。南美洲以湿润大陆著称，径流模数为亚洲或北美洲的两倍有余，水量丰沛。北部的亚马孙河是世界第一大河，流域面积及径流量均为世界各河之冠，水能资源也较丰富，但流域内人烟较少，水资源有待开发。其他各河水量也较充裕，修建在巴拉那河上的伊泰普水电站，装机容量为1260万kW。欧洲绝大部分地区具有温和湿润的气候，年际与季节降雨量分配比较均衡，水量丰富，河网稠密。欧洲人利用优越的自然条件，发展农业、开发水电、沟通航运，使欧洲的经济有较快的发展。通观历史，人类与水一直存在着既适应又矛盾的关系。随着人类社会的不断发展，人与水的矛盾也在不断变化，需要不断地采取水利措施加以解决，而每一次大规模的成功的水利实践，都会进一步提高水利在人类发展过程中的重要地位。二、世界水利发展史地球上的水量是丰富的，但是淡水量仅占2.5%，而参与全球水循环的动态水量又仅为淡水量的1.6%，约为577万亿立方米。其中降落在陆地上以径流为主要形式的水量，多年平均为47万亿立方米。这部分水量逐年循环再生，是人类开发利用的主要对象。然而这部分水量中约有三分之二是以暴雨和洪水形式出现，不仅难以大量利用，且常带来严重的水灾。古代的埃及、巴比伦和印度的水利事业可上溯到公元前四五千年。美洲的玛雅文明和印加文明的水利遗迹距今也有两三千年以上。埃及和巴比伦的水利技术以后传播到希腊和罗马。文艺复兴以后传遍欧美各国。公元前3世纪的阿基米德对水的浮力理论，和后来文艺复兴时期的达·芬奇对水流理论都作出了贡献。1824年，英国人J.阿斯普丁发明了硅酸盐水泥,从而带动了混凝土结构的发展,使土木工程进入到一个新的发展阶段。19世纪下半叶出现了钢筋混凝土，这进一步推动了轻型混凝土建筑物的发展。19世纪70年代,出现了水电站。进入20世纪以后,许多新兴科学技术已开始在水利工程中得到广泛应用。例如，利用电子计算机对技术经济方案进行评估；用系统分析方法全面安排施工进度和评自然辩证法论文1——《水利与水利学概论》姓名：唐灿学号：2012213064398·4·价区域性水资源；利用光弹模型分析和设计水工结构；利用喷灌、滴灌和渗灌等节省灌溉用水；利用遥感、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等。在工程建设中，20世纪的水利工程越来越具有大型化、综合化、跨流域、多目标等特点。（一）灌溉人类很早就利用河水发展灌溉。四大文明古国都出现在大河流域，以灌溉为古代文明的基础。一般来说，早期的灌溉都是引洪淤灌，以后发展为引水灌溉或建造水库、调洪灌溉。世界灌溉事业近200年来发展很快。1800年左右,全世界有灌溉面积800万公顷。20世纪初提高到4800万公顷。1949年达到9200万公顷，60年代末超过2亿公顷。突出的节水新技术有喷灌、滴灌等。（二）排水早期农业是在河流沿岸发展起来的，需要排干沼泽，进行土地垦殖。公元前5世纪中叶,希腊历史学家希罗多德曾记载了尼罗河谷的排水工程。世界上许多早期的城市都有完备的排水系统。荷兰的排水在世界上享有盛名，它是与围海造田联系在一起的。公元4世纪，这一带就开始出现人工海堤。法国在1620年首先使用瓦管排水。英国于1724年首先使用鼠道式暗渠。在东欧、波兰从13世纪起就开始排水，罗马尼亚的排水历史甚至比灌溉历史还要早。希腊的排水工程则主要是为了防洪。截至20世纪60年代末，全世界（除中国外）有人工排水设施的土地总面积约1亿公顷。其中美国占3700万公顷，苏联为811万公顷。此外,加拿大、印度、匈牙利、波兰、日本和意大利等国有人工排水设施的土地面积也相当大。（三）防洪水直接影响人类的生存和社会的发展。在发展水利的同时，人类必须与水害作斗争。自古以来，世界上最普遍的防洪措施就是沿河流两岸修建堤防。公元前2000年左右，美索不达米亚地区已有了比较完整的保护土地的堤防。公元前3400年左右，埃及人就修建了尼罗河左岸大堤，以保护城市和农田。波兰的系统堤防建于公元12世纪。美国防洪工程始于1717年。在多数国家，由国家直接组织的现代化防洪工程是在20世纪才出现的。50年代以来，防洪工程措施以外的洪泛区管理、洪水预报警报系统、洪灾的预防计划等已在世界自然辩证法论文1——《水利与水利学概论》姓名：唐灿学号：2012213064398·5·范围内受到重视。（四）运河工程运河是人工开挖的通航河道。古埃及已有记载，中世纪以后在欧洲得到大发展。19世纪以后在全世界进一步推广，规模也越来越大。世界上最早的通航运河是公元前1887～前1849年，古埃及塞劳斯内特三世时期建成的绕道尼罗河及其支流，经苦湖沟通地中海与红海的古苏伊士运河。在欧洲，罗马人由于军事运输的需要，曾修建了许多运河。公元67年开联接莱茵河与马斯河的运河，长37km，可以避开北海沿岸的风暴。12世纪，运河随贸易的发展而复苏，荷兰、卢森堡、比利时等地势低洼的国家有85％的运输依靠内河航道。16～18世纪是欧洲运河大发展的时期。19世纪以后，世界各地开挖的运河迅速增加。19～20世纪最重要的运河工程是基尔运河、苏伊士运河和巴拿马运河。（五）水能利用在埃及和美索不达米亚等古文明发源地，利用水力冲动简单固定桨叶水轮来进行农产品加工、灌水和排水等，至少在公元前1000年已经出现。欧洲至中世纪已应用得很广泛。一直到近代，许多地区仍在使用，纵观水能利用方式的发展趋势，可分为以下几个阶段：1、近代水轮：近代直接驱动机械为灌溉、排水、供水服务的水轮有卧式、立式两大类。19世纪不断改进装置和性能，提高效率，在北美、南非、南欧、北欧仍大量使用，直到20世纪初才逐渐被淘汰。2、水轮机：1827年法国人B.富尔内隆制造出第一台水轮机,只有6马力。到1832年造出了50马力的水轮机。由水轮发展成水轮机是一个大进步。稍后美国人J.B.弗朗西斯及其他工程师陆续创造出适应不同水流情况的水轮机，为水力发电提供了必要条件。3、水力发电：限于电工学发展的水平，水轮机用于发电在初期进展很慢，直到19世纪后期解决了远距离输电之后才出现了水电站。1878年法国建成了世界上第一座水电站。1882年美国威斯康星州建成美国第一座水电站。此后在全世界迅速发展。1950年后进展更快，趋势是河流梯级开发，电站和机组向大容量发展，潮汐电站和抽水蓄能电站等也有发展。到1980年，全世界已建和在建的设计装机100万kW以上的水电站已达120座。目前世界上最大的水电站自然辩证法论文1——《水利与水利学概论》姓名：唐灿学号：2012213064398·6·是巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站，装机1260万kW。4、城市水利：一般来说,当城市发展到一定规模时,就必须采用工程措施来解决供水和排水问题及城市防洪问题。早在公元前2900年前后，埃及就出现了为孟斐斯城供水的工程。公元前6世纪,希腊人建造了向萨摩斯城供水的隧道，最先采用了青铜管或加固木管制的虹吸管。公元2世纪为雅典城修建的一些蓄水工程一直使用到现在。古代罗马人的城市供排水工程在水利史上占有很重要的地位。维也纳在公元前1世纪时已有了城市排水系统。巴黎的第一个重要输水系统建于12世纪，并一直使用到17世纪。在美洲，墨西哥城于15世纪末已初具规模，街道与运河交错，运河上设有调节水量的闸门。伦敦在1582年开始使用活塞泵供水。日本水户的笠原高架水渠建于1663年，直到现在还在使用。随着城市规模的日益扩大，城镇供水和排水系统也日趋完善。由于水资源的不断开发，因而使得输水渠道越来越长。现在的输水管道长达一百公里以至数百公里已很普遍。三、中国水利发展史在中国，大规模开展除害兴利的治水活动已有四千年之久。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，但它所讲的取水利系指捕鱼之利。第一部中国水利史则始创于公元前100年前后。历史学家司马迁在他