水利
编辑基本信息
采取各种人工措施对地球表层水和地下水进行控制、调节、治导、开发、管理和保护,以减轻和免除水旱灾害,并利用水资源,适应人类生产和生活需要的活动。水利要通过工程措施和非工程措施发挥效能,水利的工程措施包括堤、坝、水闸、涵洞、渡槽、沟渠、井、泵站、管道、鱼道、码头、电厂、河道整治、水土保持、污水处理以及水产养殖、旅游和环境保护中与水利有关的工程设施;水利的非工程措施特别是防洪的非工程措施,包括洪泛区管理、灾前准备及应急计划、洪水预防和警报、灾害救援、防汛抢险、洪水保险等,可提高人类对洪水的适应能力,减轻洪水灾害损失。从事水利活动的各项工作称为水利事业,主要包括:防洪、排水、灌溉、供水、水力发电、航运、水土保持、水资源保护以及水产、旅游和改善生态环境等。水利的历史是随着人类社会的发展而发展,随着人类社会的进步而进步,现代水利事业的发展趋势是运用当代科学技术,加强水利管理,充分发挥水利工程的经济效益、社会效益和环境效益,实现水资源可持续利用。
水利一词的来源
“水利”一词,中国最早见于《吕氏春秋·孝行览·慎人》(公元前240年)中叙及舜的事迹:“以其徒属堀地财,取水利,编蒲苇,结罘网,手足胼胝不居,然后免于冻馁之患。”但这里的“取水利”,仅指捕鱼之利。西汉武帝时,司马迁考察了许多河流和治河、引水等工程,总结了当时黄河瓠子决口和堵口的经验教训,在公元前109年或稍后作《史记·河渠书》,其中写道:“甚哉,水之为利害也”,“自是之后,用事者争言水利”。该书提到的水利内容有:“穿渠”,即开挖灌溉排水沟渠及运河;“溉田”,即灌溉农田;“堵口”,即修复遭洪水毁坏的堤防。司马迁指出了水与人类生存之间的关系,分析了水的有利与为害的两个方面,在中国历史上首次给予“水利”一词以兴利除害的完整概念。从此,中国便沿用“水利”这一术语。1933年,中国水利工程学会第3届年会的决议提出:“水利范围应包括防洪、排水、灌溉、水力、水道、给水、污渠、港工八种工程在内。”这是近代中国对水利一词所含内容的概括,随着社会经济的发展,生活质量的提高,现代水利包含的内容不断丰富,增加了水利经济、环境水利、水资源保护、海洋工程等,水利一词的概念愈益完整。
水利的历史
按照人类社会的发展历史,水利的发展一般可分为古代、近代和现代3个阶段。在世界范围内,从人类有史以来到18世纪中期,为水利的古代发展阶段;18世纪后期和19世纪,乃至20世纪40年代前后,水利处于近代发展阶段;20世纪40年代以后,水利进入现代发展阶段。各国因社会经济发展不平衡,自然条件差别很大,进入上述3个阶段的时期与其表现特征均不尽相同。
古代水利
奴隶社会与封建社会的水利,限于当时生产力与科学技术水平,主要是适应水的特性,趋利避害,并以经验为指导,使用人力、畜力和天然材料,兴建单目标的简单工程。中国、埃及、叙利亚、伊拉克和印度是古代水利发展最早的一批国家。
据现有考古资料,公元前3400多年古埃及美尼斯王朝已在尼罗河河谷平原开发引洪淤灌,一直使用到19世纪中叶,才开始兴建控制工程并转向常年的灌溉。尼罗河河谷平原的淤灌,使灌溉土壤肥力经久不衰,促进了古埃及的经济繁荣及文明的发展。
分属叙利亚和伊拉克的幼发拉底河及底格里斯河流域,原为干旱荒漠,没有灌溉就不能生长农作物。约在公元前2200~前1000年,古代巴比伦王国在这一流域的美索不达米亚平原,大规模引水灌溉,使之成为干旱的中东地区最富饶的农业区,从而创造了历史上灿烂的巴比伦文明。但是,由于长期灌溉,缺乏排水设施,致使地下水位上升,土地大面积沼泽化和盐碱化,加以中央政权的多次更迭,水利工程管理维护不善,土地弃耕,灌区废弛,这一平原的繁荣曾一度湮灭。
分属印度和巴基斯坦的印度河流域及分属印度和孟加拉的恒河流域,约在公元前3000年也出现了水利事业。公元前1500~前1200年的
此外,欧洲的希腊、西班牙、意大利,北非的突尼斯、阿尔及利亚,北美洲的墨西哥等,也都是世界上水利发展较早的国家。
中国古代水利
中国的水利始于公元前2000年或更早一些的年代。河南省渑池县仰韶村、山西省夏县阴村、陕西省西安市半坡村、浙江省余姚市河姆渡等遗址中,都先后发现人类主动取水或排水的遗迹。河南省登封市王城岗考古发掘的龙山文化,证明公元前2800~前2000年,已有了凿井技术,在发掘中,还发现了陶制排水管道。传说中的大禹治水,也是在公元前2000年前后发生的。有关水利的文字记载,是公元前1600~前1100年,商代实行的井田制度。井田即为井字形的9个田块,是由开挖的沟洫而分开的。沟洫既是井田田块的分界,又是灌溉排水系统。
公元前1000年后,西周时代已有更多的关于水利事业的历史记载,如《周礼·稻人》中有“以潴蓄水,以防止水”记述,说明当时已有蓄水、灌溉、排水、防洪等多种水利事业;《通典》有“魏文侯使李悝作尽地力之教”记载,表明春秋战国时期,已设专门负责水利的官员。当时,黄河下游沿河诸侯竞相修筑防洪大堤,既为保护本国土地,又是以邻为壑,水利纠纷增多。公元前221年秦始皇统一中国,于公元前215年东临碣石,刻石载录:“堕(隳)坏城郭,决通川防,夷去险阻。”意谓统一堤防,清除障碍。
中国古代水旱频繁,由于发展水利,人民得以安居乐业,因此,历代多重视水利,视水利为治国安邦的重要条件,先后修建了许多伟大的工程。著名的如:公元前613~前591年楚庄王时,楚国令尹孙叔敖在今安徽省金寨县和河南省固始县修建的芍陂、期思雩娄陂塘灌区;公元前421年邺(今河北磁县、临漳一带)令西门豹受魏文侯之命后,主持修筑有坝引水工程(低滚水坝)——引漳十二渠;公元前256~前251年秦昭襄王时,李冰在今四川省都江堰市修建都江堰灌区;韩国水工郑国于秦王政元年(公元前246年),在秦国的关中地区修建从泾河引水的郑国渠;史禄受秦始皇之命,于公元前219年在今广西壮族自治区兴安县动工修建灵渠航运工程;还有起源于公元前500年前春秋时期的黄河大堤和大运河工程,以及开创于东汉(公元25~220年)的浙江海塘等。自西汉至清末,黄河的治理,南北运河的开通,经济中心地区的农田水利以及水力利用等,都是历代水利建设的重点。
近代水利
18世纪后期,欧洲、北美洲的一些国家已进入资本主义社会,兴起的工业需要大批各类原料,城市人口增加要求供应大量的农产品,促进农业耕作的改革以及大规模开垦荒地,因而水利有新的发展。随着水力学、结构力学、土力学等学科的创立和发展,近代的水利工程便逐步建立在科学的基础上;加以新的建筑材料的出现,从而有可能建设较大规模与较复杂的工程。在灌溉方面,1821年英国工程技术人员开始在印度河及其支流上,改建和新建一批大型水闸,改无坝引水为有坝引水,将过去只在洪水时才能引水灌溉的系统,改造为常年或定期的灌溉系统。1825年英国人为在埃及发展棉花、甘蔗等经济作物,于尼罗河三角洲修建大型拦河枢纽和渠系工程,改淤灌为常年灌溉。苏联为在中亚细亚发展棉花生产,修建灌溉和排水工程,改良盐碱化土地;西班牙、意大利的西西里岛、法国南部,发展了果树及葡萄园的灌溉事业;德国、奥地利等国开始对莱茵河、多瑙河的河道及航道进行大规模的整治,并在河口及低洼地开展沼泽地排水工程;荷兰在须德海岸进行围海造田,修建城镇和农田排水工程。15世纪开始的风力排水,逐步为蒸汽机、内燃机以至电动机带动水泵排水所代替。美国从19世纪后期,开始大规模地向干旱的中西部移民垦殖,建设了一批蓄水和灌溉工程。日本的稻田灌溉在这一时期也有很大的发展。1880~1890年,欧洲建成世界上第1批水力发电站,开创了将水能转变成电能的水电事业。
1800年,全世界灌溉面积不过800万hm2,到1900年,全世界灌溉面积达到4 000万hm2,100年间,灌溉面积增长了4倍,其他各类水利事业也相应有巨大发展。水利工程的规模发展很快,例如19世纪中叶,全世界很少有超过15m高度的大坝;20世纪初,超过15m高度的大坝有190座;到20世纪20年代,这种规模的大坝已达930座;到20世纪90年代末期,全世界在册登记的、超过15m高度的大坝已有4万多座。因此,19世纪是世界范围内水利事业大规模进展的时期。这对于发展社会生产力,促进产业革命,起到重要作用。
中国近代水利
中国直到19世纪末,才引进近代技术用于水利事业,开始兴建一些近代的水利工程。如1888年用小铁路运料,用电灯照明,采用水泥等工程材料;1902年黄河山东河防开始用电报报汛;1912年在云南省昆明市郊区建成中国大陆第1座水力发电站——石龙坝水电站;1931年,在内蒙古建成的民生渠,是采用近代工程技术修建的第1座从黄河无坝引水的灌区,到1936年该灌区灌溉面积达1万hm2;1932年建成陕西泾惠渠灌区,是中国第1座近代有坝引水灌溉工程,到1934年灌溉面积达3.8万hm2。在同一时期,华北海河水系的治理,江苏省北部滨海地区的开垦和淮河下游及大运河整治,都采用了近代水利技术,修建钢筋混凝土的涵洞、水闸和船闸。
当世界上许多国家大规模发展水利的时候,中国正值晚清和中华民国初期的政治动荡阶段,由于政治上的腐败和经济上的贫穷,以及帝国主义列强的入侵,使得大量古老的水利工程年久失修,新的水利建设甚少而且断断续续。到1949年,中国的灌溉面积仅1 600万hm2,机电排灌动力72mW,水力发电总装机容量360MW,建成的大中型水库20多座,年水资源开发利用量约1 000亿m3。
现代水利
第二次世界大战以后,世界上许多国家都面临尽快医治战争创伤、恢复和发展生产的巨大任务,由于总人口和城市人口的急剧增加,商品粮和各类经济作物产品以及畜产品的需求量大,钢铁、水泥、木材、化工、机械等工业发展很快,为水利建设提供了材料和施工机械、提水、发电设备等条件,加上水利科学技术的进展,电子计算机的推广应用和信息技术的开发,从而提高了水利工程规划、设计、施工和管理的能力和效力。在世界范围内,水利再次进入大规模发展时期,到1994年,全世界灌溉面积达到2.45亿hm2,排水面积达到1.6亿hm2,比第二次世界大战前增加2倍多。1998年水力发电总装机容量达到746GW。防洪工程特别是城市防洪有了很大发展,现代化的技术手段,如预报、预警和遥感、遥控技术在防洪等水利工程中得到广泛应用。水利工程结合开发水运、水产、旅游、土地开垦及海岸带利用等事业,也都相应有较大发展,水资源综合开发与利用的程度越来越高。
现代水利的发展和人类的生产与生活息息相关,到了20世纪90年代初,全世界每年工农业生产及生活用水达到3.6万亿m3,世界总人口的80%直接依靠水利设施解决生活用水。灌溉面积虽然只占全世界总耕地面积的16%,但生产的农产品的产值占世界农产品总值的34%。90年代末期,世界防洪及排水设施防护面积150万km2,保护着6亿多人口的安全。世界上大部分重要工业城市临近河流和海岸,依靠河道防洪工程及海岸防护工程抵御洪水及海潮的侵袭。1998年世界水电的发电量2.64万亿kW·h,占世界总发电量的20%。
世界上现代水利事业发达的国家除中国外,还有印度、美国、俄罗斯、巴基斯坦、埃及、荷兰、加拿大、日本、巴西等国。印度1994年的灌溉面积4 750万hm2,防洪工程保护面积1 130万hm2。美国1994年的灌溉面积2 065万hm2,农业人口的人均灌溉面积3 hm2,占世界第1位;1998年水电装机94.42GW,年发电量3 088亿kW·h,分别居世界第1位和第2位;全年工业用水总量超过2 000亿m3,是世界上工业用水最多的国家。巴基斯坦1994年有灌溉面积1 720万hm2,全国总人口13 500万,按人口平均每人0.13 hm2,为世界上人均灌溉面积最多的国家。埃及1994年的耕地280万hm2,全部依靠灌溉,是世界上灌溉面积占耕地比重最大的国家。荷兰全国总土地面积4.1万km2,一半国土依靠堤防与海塘工程来保护,是世界上依靠堤防保护国土比重最大的国家。加拿大1998年水电装机为65.72GW,年发电量3 500亿kW·h,分别为世界第2位和第1位。日本1994年灌溉面积324万hm2,其中水稻面积267万hm2,全部为现代化的人工灌溉设施;1998年水电装机45.34 GW,为世界第5位。巴西是20世纪70年代崛起开发水电的国家,1998年装机56.48GW,居世界第4位。
和19世纪相比,20世纪的单项水利工程建设也达到了很大规模。19世纪,最大的水库库容仅1亿m3,最大坝高为30~50m,灌区规模最大10万hm2左右,最大水电站装机容量10mW。20世纪80年代,世界上水库库容超过600亿m3的已有12座,其中最大的是尼罗河的欧文瀑布水库,总库容达到2 048亿m3;已建成的最高水坝为塔吉克斯坦的罗贡坝,坝高达335m;居于世界前列的巴基斯坦印度河下游的苏库尔灌区,总引水量1 355m3/s,灌溉面积267万hm2;世界上装机容量大于4 GW的水电站已超过10座,巴西和巴拉圭共同建设的伊泰普水电站装机达到12.6GW。根据世界大坝委员会的统计,到20世纪90年代,全世界公认的坝高超过150m或水库容量巨大的高坝,已经累计达到300座。按已建大坝数排序,中国、美国、俄罗斯、日本、印度、加拿大和巴西等国位于前列。90年代每年平均兴建大坝260座。
中国现代水利
1949年中华人民共和国成立以后,水利事业进入了新的发展时期。中国当时大部分国土旱涝频繁,各主要江河都存在洪水威胁,黄河、永定河等河水含沙量很高,河床淤积,更加重了洪水危害。1953年以前,为了恢复生产,国家集中力量整修加固江河堤防和原有灌排工程,并开展了农田水利工程建设。1953年以后,由于发展工农业生产的迫切需要,开展了大规模的水利建设。到2000年底,全国共整修各类堤防27万km;疏浚整治了各级河道,增辟了海河、淮河等河流洪水出路;修建各类水库8.5万座,总库容达到5 183亿m3,其中库容1亿m3以上的大型水库420座;建设万亩以上的灌区5 683处,全国有效灌溉面积达到5 500万hm2。此外,建设机电井398万眼,机电排灌动力为7 748万kW;水电装机容量为7 679万kW。这些水利工程发挥了重大作用:①提高了江河防御洪水的能力,基本保障了河流中下游平原的安全。中国的许多重要城市,如武汉、九江、合肥、南京、上海、开封、济南、天津、北京、广州、南宁、哈尔滨、长春以及主要农业生产基地,如黄淮海平原、长江中下游平原、松辽平原、珠江三角洲、东南沿海等平原中的3 330万hm2高产农田,主要依靠江河的堤防以及水库防御洪水。保护的总面积虽不到全国总面积的10%,但其中的耕地占全国耕地的30%以上,农业产值占全国总产值的60%以上。②为农业增产创造了条件。水田、水浇地约占全国耕地总面积的40%,却生产了全国2/3的粮食,生产了全国60%以上的各类经济作物。③基本满足社会经济发展对水的需求。2000年为各业发展提供水量5 530亿m3,还为边远山区、牧区和沿海岛屿解决2.1亿人口和1.3亿头牲畜的饮水困难。④发展水电、水产、航运等综合利用事业。2000年水电年发电量为2398亿kW·h。建成653个农村水电初级电气化县,使居住在贫困山区、边远地区的9 300万人民用上了电。全国的水库提供了发展水产的水面面积200万hm2。全国内河通航里程近11万km。⑤对部分水土流失地区进行了治理。全国水土流失地区水蚀面积为167万km2,到2000年经过工程和生物措施,初步治理的面积有81万km2。⑥节水取得了一定的进展。20世纪90年代全国工业用水重复利用率比80年代初提高了40%以上,万元产值取用水量则减少了五成。在农业节水方面,全国建设了300多个节水增产重点县和200多个高标准节水增效示范区。到2000年底,全国节水灌溉工程面积达1 639万hm2,其中喷灌和微灌(微喷灌、滴灌)面积达228万hm2,管道输水灌溉面积357万hm2。
中国现代水利在建设水平上有很大提高。含沙量居世界大河之冠的黄河,历史上三年两决口,1949年至今未发生伏秋大汛决口事故。1949年以前,库容超过20亿m3的水库只有2座,没有超过100m高度的大坝,超过百万亩面积的灌区也仅有2处。20世纪末,库容超过100亿m3的水库已有11座,其中位于浙江省的新安江水库总库容220亿m3,位于青海省的龙羊峡水库总库容247亿m3,正在兴建的长江三峡水利枢纽总库容393亿m3。超过100m的高坝已达47座,最高的是位于四川省的二滩拱坝,坝高达240m;其次为正在兴建的长江三峡重力坝,坝高181m;龙羊峡重力拱坝和位于贵州省的天生桥一级面板堆石坝,坝高均为178m;小浪底土质斜墙堆石坝坝高154m。水电站装机超过100万kW的有17座,其中最大的是位于四川省的二滩水电站,装机容量330万kW;在建的长江三峡水电站,设计装机容量为1 820万kW。全国超过百万亩灌溉面积的灌区已达31处,其中四川省都江堰灌区、安徽省淠史杭灌区和内蒙古自治区河套灌区的灌溉面积20世纪末分别达到66.7万、57.3万和57.3万hm2,新疆石河子垦区改良荒漠盐碱地33.3万hm2。江苏省江都排灌站总提水能力为400m3/s;甘肃省的景泰川电力提灌站第一、二期工程,总扬程分别为445m和602m;西北盐环定提灌站中最大扬程达651m。港口建设、内河航运以及城市供水都有很大发展,20世纪末,建成的跨流域调水工程主要有引滦入津、引黄济青、引大入秦、引碧入连、引松入长、引黄入卫和江苏江水北调等工程。
20世纪80年代以来,中国已经制定了《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》、《中华人民共和国水土保持法》、《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水污染防治法》等与水有关的法律,水利法制建设和水资源统一管理体制逐步形成,为科学管理水资源、合理利用水资源,提供了有力的保证。
水利事业展望
水利发展各阶段的共同目标,是处理好水与人的关系。在古代,人们只能举办单目标的工程和采用简易措施,趋水利避水害。到近代,人们已能够兴建多目标的复杂工程系统,适应人类生产和生活的需要,兴水利除水害。
20世纪中叶以来,世界水利发展的总趋势是越来越多的水利工作者注意到:现代化生产的迅速发展,不仅能使一个区域水的数量和质量发生重大变化,而且有可能影响水的依存领域,如河床、湖盆以及地层等,已不局限于除水害(如洪涝灾害)和兴水利(如灌溉、发电、航运等),还必须保护水源、调配水量、改善生态环境、防治水源污染以及避免人为的水土流失、盲目围垦、过量提取地下水。因此,要正确处理水及于人和人及于水两个方面的关系,采取现代化技术,建设现代化水利,实行多目标工程与综合性措施的进一步结合,以取得经济、社会、生态等多方面的效益,为经济社会可持续发展创造条件。
中国水利事业面临的任务主要是:①随着国民经济的发展,水利不仅要继续为农业服务,也要为工业、城乡供水、交通和环境等各部门全面服务,确保整个国家社会经济的持续发展。②不断提高江河防御洪水的能力,减少洪水风险和灾害损失,使国民经济和社会发展有相对的安全保障。③统一规划和配置全国水资源,特别要制定节约用水政策和措施,提高水的利用效率,开辟新的水源,兴建南水北调等跨流域调水工程,缓解北方广大地区和沿海城市严重缺水的状况。④现有水利工程需进行配套和技术改造,巩固建设成果,发挥工程效益。⑤加强水土保持工作,保护水源,防止污染,改善生态环境。为了完成这些任务,要加强水利事业的行业管理,全面推进依法治水,加强科学技术的研究和应用,正确部署重大工程项目,不断提高工程的经济效益、社会效益和环境效益。