第一章 緒論

第一節(jié) 水利水電工程簡介

水是一切生命的源泉，是人類生活和生產(chǎn)活動中必不可少的物質(zhì)。在人類社會的生存和發(fā)展中，需要不斷地適應(yīng)、利用、改造和保護水環(huán)境。水利事業(yè)隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展而不斷發(fā)展，并逐步成為人類社會文明和經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱。

人類社會為了生存和發(fā)展的需要，會對自然界的水和水域進行控制和調(diào)配，以達到興利除害、開發(fā)利用和保護水資源的目的。在研究自然界水的特性、存在方式和運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究水的控制、開發(fā)、利用、管理和保護的知識體系稱為水利科學(xué)。用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，消除水害和開發(fā)利用水資源而修建的工程稱為水利水電工程。

一、水利水電工程發(fā)展簡史

水利一詞最早見于戰(zhàn)國末期問世的《呂氏春秋》中的《孝行覽·慎人》篇，其中的“取水利”系指捕魚之利。西漢史學(xué)家司馬遷所著《史記》中的《河渠書》首次賦予該詞以防洪、灌溉、航運等興利除害的含義。水利的發(fā)展歷史大致可分為古代、近代和現(xiàn)代3個時期。古代水利是指18世紀產(chǎn)業(yè)革命前的時期，水利建設(shè)主要憑經(jīng)驗進行，多使用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧希萌肆π罅秃唵螜C械施工。人類的水利活動可以追溯至遠古：公元前4000年埃及人已經(jīng)利用尼羅河水漫灌；南美洲的秘魯在公元前1000年已有灌溉；而中國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現(xiàn)存最古老的無壩引水樞紐。中國古代水利經(jīng)歷了秦漢、隋唐宋和元明清的3次統(tǒng)一與和平時期，帶來了3次水利的大發(fā)展和人口的大增長。近代水利是指18世紀開始的產(chǎn)業(yè)革命到第二次世界大戰(zhàn)期間，一些國家進入以工業(yè)生產(chǎn)為主的社會，水利進入一個新的階段。但中國從1840年鴉片戰(zhàn)爭后，卻淪為半殖民地半封建社會，水利建設(shè)趨于停滯。這時期水利的基礎(chǔ)科學(xué)開始建立，從而推動了水利應(yīng)用科學(xué)在19世紀中葉之后的長足進步，工業(yè)發(fā)達國家在水利建設(shè)上取得了重大突破，并使水利形成獨立學(xué)科。1878年法國建成世界上第一座水電站；1936年美國建成高221m的胡佛壩，并創(chuàng)造性地發(fā)展了筑壩技術(shù)。現(xiàn)代水利是指第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束之后的時期，隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用，試驗手段、計算技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，機械制造能力的提高，大型施工機械的使用和新材料的出現(xiàn)，水利水電工程數(shù)量急劇增加，規(guī)模日益擴大，新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，高壩和大型水庫大量興建，從而帶來了巨大的經(jīng)濟效益：1949年中華人民共和國建立后，水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了巨大成就；1986年世界灌溉面積為2.33億hm2，占耕地總面積的17%，其糧食產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的40%；中國在20世紀80年代灌溉面積為0.48億hm2，居世界之首；1986年全世界高15m以上的大壩共登記3.66萬座，其中中國有1.88萬座。截至2014年6月，中國最高的水壩是坐落在四川省境內(nèi)的錦屏一級水電站大壩，屬雙曲拱壩，高305m，也是世界第一高水壩。中國最高的土石壩是云南省境內(nèi)的糯扎渡大壩，高261m。中國最高的重力壩是位于廣西壯族自治區(qū)的龍灘水電站大壩，高216.2m。湖北省境內(nèi)還擁有世界上最高的混凝土面板堆石壩：高233m的水布埡水電站大壩。四川省境內(nèi)正在建設(shè)的雙江口大壩預(yù)計高度將達到312m，建成后將成為新的世界第一高壩。位于我國湖北省宜昌市的三峽水利樞紐工程是世界上最大的水利水電工程。三峽工程建筑由大壩、水電站廠房和通航建筑物三大部分組成，大壩為混凝土重力壩，壩頂總長3035m，壩高185m，設(shè)計正常蓄水位枯水期為175m（豐水期為145m），總庫容393億m3，其中防洪庫容221.5億m3。水電站左岸設(shè)14臺機組，右岸12臺機組，總共26臺機組，水輪機采用混流式機組，單機容量均為70萬kW，總裝機容量為1820萬kW，年平均發(fā)電量847億kW·h。后又在右岸大壩山體內(nèi)建地下電站，設(shè)6臺70萬kW的水輪發(fā)電機，年發(fā)電量可達1000億kW·h。公開數(shù)據(jù)顯示，截至2009年年底，三峽工程已累計完成投資1849億元。

二、水利水電工程特點與分類

水利水電工程是實現(xiàn)水利規(guī)劃目標的主要手段，其主要作用是控制和調(diào)配地面水和地下水，達到興利、除害的目的。自然界中水的運動存在偶然性，并與其他環(huán)境要素互相影響，水利工程的工作條件十分復(fù)雜。大型水利工程的投資大、工期長，對社會、經(jīng)濟和環(huán)境都有很大影響，既有利也有弊，需要進行必要的經(jīng)濟風(fēng)險評估。隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活水平的提高，水利建設(shè)日益成為社會文明和經(jīng)濟繁榮的重要支柱。

水利水電工程與其他工程相比，具有如下特點。

（1）影響面廣。水利水電工程規(guī)劃是流域規(guī)劃或地區(qū)水利規(guī)劃的組成部分，而一項水利工程的興建，對其周圍地區(qū)的環(huán)境將產(chǎn)生很大的影響，既有興利除害有利的一面，又有淹沒、浸沒、移民、遷建等不利的一面。為此，制定水利水電工程規(guī)劃，必須從流域或地區(qū)的全局出發(fā)，統(tǒng)籌兼顧，以期減免不利影響，收到經(jīng)濟、社會和環(huán)境的最佳效果。

（2）施工建造艱巨。水利水電工程與陸地上的土木工程相比施工更為困難，條件更為復(fù)雜。主要考慮水的因素，水對擋水建筑物有靜水壓力，隨擋水高度的加大而劇增，為此工程必須具有足夠穩(wěn)定性。另外建筑物及地基內(nèi)的滲流也威脅工程安全。施工導(dǎo)流復(fù)雜，施工進度往往與洪水“賽跑”，加大了工程建造的復(fù)雜性。

（3）失事后果嚴重。水利水電工程一般規(guī)模大，投資多，工期較長，工程失事將會產(chǎn)生嚴重后果，如果攔河壩潰決，則會給下游帶來災(zāi)難性及至毀滅性的后果，這在國內(nèi)外都不乏慘重實例。

水利水電工程學(xué)科按服務(wù)對象劃分如下。

（1）防洪。研究洪水規(guī)律及其災(zāi)害防治的學(xué)科。

（2）城鎮(zhèn)供水和排水。研究按水質(zhì)、水量、水壓標準向城鎮(zhèn)供給生活用水和工業(yè)用水，以及使廢水在達到規(guī)定水質(zhì)要求的情況下順利排放或重復(fù)使用的學(xué)科。

（3）灌溉和排水，又稱農(nóng)田水利。研究通過工程措施對農(nóng)業(yè)水資源進行攔蓄、調(diào)控、分配和按質(zhì)量標準適時適量地將水輸送到農(nóng)田、草場、林地，并將田地內(nèi)多余的水適時排泄，以利植物生長的學(xué)科。

（4）水力發(fā)電。研究將水能轉(zhuǎn)換為電能的工程技術(shù)、經(jīng)濟和管理的學(xué)科。

（5）航道和港口。研究船舶及排、筏安全航行的線路和設(shè)施，以及研究供船舶停泊、避風(fēng)、供應(yīng)燃料及物資、進行維修和客貨轉(zhuǎn)載作業(yè)的場所的學(xué)科。

（6）水土保持。防治水土流失，保護、改良與合理利用山丘區(qū)或風(fēng)沙區(qū)水土資源的學(xué)科。

（7）海洋工程。研究海洋資源開發(fā)、海洋空間利用、海洋能利用和海岸防護的學(xué)科。

（8）環(huán)境水利。研究環(huán)境與水利的相互關(guān)系和相互作用的學(xué)科。

（9）水利漁業(yè)。研究利用水利工程進行水產(chǎn)養(yǎng)殖和發(fā)展捕撈業(yè)的學(xué)科。

水利科學(xué)按水利工程的工作程序可分為水利勘測、水利規(guī)劃、水工建筑物設(shè)計、水利工程施工、水利管理等。綜合性分支學(xué)科包括水利史、水利經(jīng)濟學(xué)和水資源學(xué)等。此外，水利科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科有水文學(xué)和水資源學(xué)、水力學(xué)、固體力學(xué)、土力學(xué)、巖石力學(xué)、河流動力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、工程測量學(xué)及建筑材料等。

三、水力發(fā)電簡介

水力發(fā)電作為水利水電工程的主要內(nèi)容，其在社會經(jīng)濟發(fā)展中的地位也越來越重要，下面將就水力發(fā)電的概念作出單獨介紹。

水力發(fā)電是一種將天然水流蘊藏的勢能與動能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方式，是水能利用的主要形式。在自然狀態(tài)下，河川水流的這種潛在能量以克服摩擦、沖刷河床、挾帶泥沙等形式消耗掉，而興建水電站可利用這部分能量，將其轉(zhuǎn)化為服務(wù)于大眾的電力資源。1878年法國建成世界上第一座水電站，1880年沖擊式水輪機誕生，1918年研制了軸流式轉(zhuǎn)槳水輪機，1957年造出了斜流式水輪機，并開始出現(xiàn)可逆式抽水蓄能機組。隨著機械制造業(yè)和超高壓輸電技術(shù)的發(fā)展，世界各國的水力資源得到大力開發(fā)。至20世紀90年代中期最大的水輪發(fā)電機的單機容量已超過70萬kW，最大的水電站裝機容量已達1260萬kW（見伊泰普水電站）。

水力發(fā)電突出的優(yōu)點是以水為能源，水可周而復(fù)始地循環(huán)供應(yīng)，是一種可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。更重要的是相對于火力發(fā)電，水力發(fā)電對自然環(huán)境的危害較小，運行成本也要低得多，能大大改善能源結(jié)構(gòu)。世界各國都提倡盡可能多地開發(fā)本國的水能資源。我國的水能資源儲藏量居世界首位，然而地區(qū)分布卻不均勻：西南地區(qū)的水能蘊藏量最多，主要分布在長江上游金沙江、通天河及長江支流嘉陵江、岷江、烏江等，西藏的雅魯藏布江，云南的怒江、瀾滄江等。西部地區(qū)水能蘊藏量僅次于西南，主要分布在長江及其支流，洞庭湖水系的湘、資、沅、澧等河流，漢江、贛江及珠江等。華東地區(qū)水能蘊藏量主要集中在閩、浙兩省，也可向潮汐電站發(fā)展。東北地區(qū)已開發(fā)的水能資源比較多，主要在松花江、嫩江、鴨綠江和鏡泊湖等，華北地區(qū)多為平原河流，水能蘊藏量不多，主要在灤河和海河水系中。