第一节 我国水利工程发展概述
一、我国水资源分布概况
我国幅员辽阔，但水资源总量并不丰富，人均拥有量仅相当于全球平均数的1／4左右。受气候影响，降水量在时间、空间上分布不均匀，不同地区之间、同一地区年际间及年内汛期和枯水期的水量可能相差很大，水量偏多或偏少往往造成洪涝或干旱等自然灾害。因此，必须认识水资源的变化规律，根据水资源时空分布特点，国民经济各用水部门的用水需求，修建必要的蓄水、引水、提水或跨流域调水工程，以使水资源得到合理开发、综合利用和有效保护。
我国虽然水资源人均拥有量不算多，但从青藏高原到海平面的落差巨大，使得我国可用于发电的水能资源十分丰富。全国水能理论蕴藏量达6．8×108kW，其中可开发的有3．78×108kW，年发电量可达1．91×1012kW·h以上，这些数字均居世界首位。因此，利用我国这一能源优势，大力开发水电资源，对解决我国经济发展中的能源问题以及带动区域经济的快速发展具有决定性意义。
我国水资源现状主要表现在三个方面：①水资源短缺，可利用的水资源越来越少，而需水量逐年增加，人均水资源量少；②水资源在地区间分布不均匀，黄河、淮河、海河、辽河四流域水资源量小，长江、珠江、松花江流域水量大，西北内陆干旱区水量缺少，西南地区水量丰富，水能资源储备量丰富；③废水排放量逐年增加，水资源污染严重，而废水的处理量又少，水资源利用率及废水重复使用率低。
二、我国水利工程简介
（一）我国古代水利工程
水利在中国有着重要的地位和悠久的历史。历代有为的统治者，都把兴修水利作为治国安邦的大计，至春秋战国时期，我国已先后建成一批相当规模的水利工程。
1．芍陂工程（图1－1－1）
春秋时期楚庄王十六年至二十三年（公元前598—前591年）由孙叔敖创建（另一说为战国时楚子思所建），与都江堰、漳河渠、郑国渠并称为我国古代四大水利工程，迄今2500多年一直发挥不同程度的灌溉效益。芍陂工程在安丰城（今安徽省寿县境内）附近，位于大别山的北麓余脉，东、南、西三面地势较高，北面地势低洼，向淮河倾斜。每逢夏秋雨季，山洪暴发，形成涝灾；雨少时又常常出现旱灾。孙叔敖根据当地的地形特点，组织民众将东面的积石山、东南面龙池山和西面六安龙穴山流下来的溪水汇集于低洼的芍陂之中。修建五个水门，以石质闸门控制水量，“水涨则开门以疏之，水消则闭门以蓄之”，不仅天旱有水灌田，又可避免水多成灾。后来又在西南开了一道子午渠，上通淠河，扩大芍陂的灌溉水源，使芍陂达到“灌田万顷”的规模。
图1－1－1 芍陂工程水系示意图
2．郑国渠（图1－1－2）
图1－1－2 郑国渠与汉白渠示意图
郑国渠是最早在陕西省关中地区建设的大型水利工程，战国末年由秦国穿凿，公元前246年由韩国水工郑国主持兴建，约10年后完工。工程位于现在的泾阳县西北25km的泾河北岸。它西引泾水东注洛水，长达150余km（灌溉面积号称4万km2）。
3．都江堰水利工程（图1－1－3）
图1－1－3 都江堰引水枢纽布置图
都江堰位于四川省境内岷江进入成都平原的始段，是一座灌溉成都平原的大型古代水利工程。晋代称都安大堰、湔堋，唐代又名楗尾堰，宋代始称都江堰。都江堰相沿2200多年，是现存世界上历史最长的无坝引水水利工程。主要建筑物组成中，鱼嘴是都江堰的分水工程，因其形如鱼嘴而得名，位于岷江江心，把岷江分成内外两江。西边叫外江，俗称“金马河”，是岷江正流，主要用于排洪；东边沿山脚的叫内江，是人工引水渠道，主要用于灌溉。飞沙堰具有泄洪排沙的显著功能，当内江的水量超过宝瓶口流量上限时，多余的水便从飞沙堰自行溢出。如遇特大洪水的非常情况，它还会自行溃堤，让大量江水回归岷江正流，并且在泄洪的同时起到清淤的作用。宝瓶口起着“节制闸”作用，能自动控制内江进水量，是前山（今名灌口山、玉垒山）伸向岷江的长脊上凿开的一个口子，是人工凿成控制内江进水的咽喉。
4．坎儿井（图1－1－4）
图1－1－4 坎儿井示意图
1—立井；2—暗渠；3—含水层；4—明渠；5—地面；6—绿洲
利用若干竖井的地下渠道引用地下水、实现自流灌溉的一种水利设施，简称坎儿井。坎儿井的做法：先凿竖井探明水脉（含水层），然后沿水脉上游和下游挖掘一长排竖井。竖井间距一般在上游为80～100m，下游每隔10～20m一个。竖井的深度，向下游逐渐减小。各个竖井之间的地层挖通成为高约2m、宽约1m的卵形暗渠，暗渠长度不一，最长可达30km。新疆吐鲁番盆地各县和哈密一带采用较多。坎儿井在吐鲁番、哈密等地的形成具备了三个基本条件：①有丰富的地下水源；②形成一定的坡降；③有防渗透和防坍塌的土质。
近年来，吐鲁番的坎儿井呈衰减之势，目前仅存725条左右。减少的首要原因是吐鲁番地区绿洲外围生态系统的严重破坏。水资源日渐短缺，地下水位不断下降，坎儿井水流量也逐年减少。
图1－1－5 京杭大运河路线示意图
5．京杭大运河（图1－1－5）
京杭大运河是世界上里程最长、工程最大、最古老的人工运河之一。北起涿郡（今北京），南至余杭（今杭州），经北京、天津两市及河北、山东、江苏、浙江四省，贯通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系，全长约1794km，开凿到现在已有2500多年的历史。由人工河道和部分河流、湖泊共同组成，全程可分为七段。京杭大运河是我国仅次于长江的第二条“黄金水道”，价值堪比长城，为历代漕运要道，对南北经济和文化交流发挥着重要作用，成为南水北调的输水通道。
（二）我国现代水利工程
1．三峡工程
三峡工程全称为长江三峡水利枢纽工程。坝址位于湖北省宜昌市三斗坪，在已建成的葛洲坝水利枢纽上游约40km。三峡工程建筑物由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。整个工程包括一座混凝土重力式大坝、泄水闸、一座坝后式水电站、一座永久性通航船闸和一架升船机。三峡工程枢纽平面布置如图1－1－6所示。
坝轴线全长2308m，最大坝高185m，正常蓄水位175m。水电站左岸厂房全长643．6m，安装14台水轮发电机组；右岸厂房全长584．2m，安装12台水轮发电机组，右岸白云山体内安装6台发电机组。全电站32台机组均为单机容量70万kW的混流式水轮发电机组，总装机容量为2240万kW，年平均发电量846．8亿kW·h。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑物为双线五级连续梯级船闸，单级闸室的有效尺寸为280m×34m× 5m（长×宽×坎上水深），可通过万吨级船队。升船机为单线一级垂直提升式，承船厢有效尺寸120m×18m×3．5m，一次可通过3000t级的客货轮。
三峡工程总工期17年，共分三期。一期工程5年（1993—1997年），除准备工程外，主要进行一期围堰填筑，导流明渠开挖。修筑混凝土纵向围堰，以及修建左岸临时船闸（120m高），并开始修建左岸永久船闸、升船机及左岸部分土石坝段的施工。二期工程6年（1998—2003年），工程主要任务是修筑二期围堰，左岸大坝的电站设施建设及机组安装，同时继续进行并完成永久船闸、升船机的施工，2003年11月左岸第一批机组发电。三期工程6年（2003—2009年），本期进行右岸大坝和电站的施工，并继续完成全部机组安装。三峡工程是当今世界最大的水利水电枢纽工程，在防洪、发电、航运等方面具有巨大的综合效益。
图1－1－6 三峡工程枢纽平面布置图
2．小浪底水利枢纽工程
小浪底水利枢纽工程位于河南省洛阳市以北，黄河中游最后一段峡谷的出口处，上距三门峡水利枢纽130km，下距郑州花园口128km，控制流域面积69．42万km2，占黄河流域面积的92．3%，是黄河中下游的控制性骨干工程。其开发目标以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电。
小浪底水利枢纽工程由拦河大坝、泄洪排沙系统和引水发电系统三部分组成，枢纽平面布置如图1－1－7所示。拦河大坝为壤土斜心墙堆石坝，最大坝高154m，坝顶长1667m，坝顶宽15m，最大坝底宽864m。坝体总填筑量5185万m3，其混凝土防渗墙是国内最深、最厚的防渗墙（墙宽1．2m，最深80m）。泄洪排沙系统分进水口、洞群和出口三个部分。引水发电系统由6条引水发电洞、1座地下厂房、1座主变室、1座尾闸室和3条尾水洞组成。主厂房最大开挖高度61．44m、宽26．2m、长251．5m，是目前国内最大的地下厂房之一。
小浪底水利枢纽工程于1991年9月开始前期准备工作，1994年9月主体工程开工，1997年10月28日大河截流，1999年底首台机组发电，2001年12月31日全部竣工，总工期11年。
小浪底水利枢纽工程建设全面推选了业主责任制、招标投标制、建设监理制，与国际工程管理实现了全方位的接轨。该枢纽主体工程建设采用国际招标，以意大利英波基洛公司为责任方的黄河承包商中标承建大坝工程；以德国旭普林公司为责任方的中德意联营体中标承建泄洪工程；以法国杜美兹公司为责任方的小浪底联营体中标承建引水发电设施工程；水轮机由美国福伊特公司中标制造，发电机由哈尔滨电机厂有限责任公司和东方电机股份有限公司联合制造；机电安装工程由水电十四局、水电四局、水电三局组成的FFT联营体中标。
图1－1－7 小浪底水利枢纽平面布置图
3．南水北调工程
南水北调是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程。我国南涝北旱，南水北调工程通过跨流域的水资源合理配置，大大缓解了我国北方水资源严重短缺问题，促进了南北方经济、社会与人口、资源、环境的协调发展，分东线、中线、西线三条调水线。西线工程在最高一级的青藏高原上，地形上可以控制整个西北和华北，因长江上游水量有限，只能为黄河上中游的西北地区和华北部分地区补水；中线工程从长江支流汉江中上游湖北丹江口水库引水，可自流供水（由水电站自然水头来保证供水系统水压的供水方式）给黄淮海平原大部分地区；东线工程位于最东部，因地势低需抽水北送。
（1）东线工程。南水北调东线工程的起点在长江下游的江苏江都区，终点在天津。东线工程供水范围涉及江苏、安徽、山东、河北、天津五省（直辖市），目的是缓解五个省市水资源短缺的状况。东线主体工程由输水工程、蓄水工程、供电工程三部分组成。利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输水线路。东线工程从长江下游扬州抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河道逐级提水北送，并连接起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖。出东平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河；另一路向东，通过胶东地区输水干线经济南输水到烟台、威海。东线工程开工最早，并且有现成输水道。如图1－1－8（a）所示。
图1－1－8 南水北调路线图
（2）中线工程。南水北调中线的源头位于河南省西南部和湖北省西北部交界处，从湖北丹江口大坝加高扩容后的汉江丹江口水库调水，经陶岔渠首（位于引水渠道之首，陶岔被称为中国第一渠首），沿豫西南唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到终点北京。中线工程主要向河南、河北、天津、北京四省（直辖市）沿线的20余座城市供水。中线工程已于2003年12月30日开工，2014年12月正式通水。如图1－1－8（b）所示。
（3）西线工程。在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。西线工程的供水目标主要是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西六省（自治区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。该线工程地处青藏高原，海拔高，地质构造复杂，地震烈度大，且要修建200m左右的高坝和长达100km以上的隧洞，工程技术复杂，耗资巨大，现仍处于可行性研究阶段，还未开工建设。如图1－1－8（c）所示。