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水利科学

作者:2019注册送白菜网站无需申请农业注册送白菜无需申请  阅读:次  类别:水利卷

    研究水利措施与水及其周围自然和社会经济条件的相互关系、水利工程建设与管理的基本原理及专门技术的科学。也称为水利技术科学。主要内容有两个部分,即水利基础科学和水利应用科学。水利基础科学主要研究水利措施与水及其周围自然条件一河流、土地、地层等的相互关系及其变化规律。其内容包含在以下一些有关的学科中:水文学、水力学、工程力学、土力学、岩石力学、河流动力学、工程地质学、水文地质学等。近年正在发展的水利经济学,侧重研究水利措施与社会经济的关系。水利应用科学着重研究各类水利工程建设与管理的基本原理及专门技术,包括水工结构学、农田水利学、河工学、水能利用学等。

    发展简史 水利科学是在水利事业的实践中建立和发展起来的,它的发展过程,大体上可以划分为三个阶段。

    以注册送白菜网站大全为基础的发展阶段 古代的水利工程建设,依靠人们长期在实践中积累的注册送白菜网站大全。总结这些注册送白菜网站大全,产生了有关古代水利科学的一些记载。例如,写成于公元前475年至前221年间中国战国时期的《管子·度地》和《考工记》,对水源和土地进行了分类,观察了渠道水流冲刷现象,提出了渠道定线和确定纵坡的原则,对土料和水分的关系有所发现,由此提出了修堤的适宜季节。此后,中国有关兴修水利注册送白菜网站大全的记述很多,涉及河流特性、自然界水的循环、治河方略、堤堰修筑、农田灌溉排水技术、航道建设等多方面的内容。北魏时期(公元510年至520年)郦道元作《水经注》,经宋、明、清历代整理校勘,记载了水道变迁,洪水情况,水利工程的勘测、施工、管理等技术资料及其兴废沿革,是中国古代一部详尽的水利科学著作此外,战国末期秦国修建的都江堰、郑国渠以及秦建立统一王朝初期的灵渠等水利工程,在布置上充分利用明渠水流和堰流原理,明代宋应星著的《天工开物》,绘制并论述了水车和水力装置的结构和原理,明代潘季驯基于河道水流挟沙特性,提出治理黄河的“筑堤束水,以水攻沙”和“借清刷黄”的理论主张;在清代雍正年间(公元1730年前后)何梦瑶在《算迪》一书中提出了流量为过水断面上平均流速乘以过水断面积的计算方法等,都反映了中国古代在工程实践、水力学计算和水力机械的使用上有较高的水平。

    在公元前250年左右,希腊的阿基米德(Archimedes)写出了世界上最早的一篇水力学论文《论浮体》。公元15世纪,意大利的达·芬奇(L.Da Vinci)又写出了有关浮游体理论和孔口、河渠的水力学著作,都是水利科学的珍贵历史资料。

    以古典力学为基础的发展阶段从18世纪初开始,由于古典力学中的一些分支,特别是水力学的发展,水利科学开始置于力学的基础之上。瑞士的伯努利(D.Bernoulli)研究了水的流动和阻力,于1738年出版了《水动力学》,提出了液体质点运动时所含能量的伯努利定理,奠定了水力学的基石。同一时期的欧拉(L.Euler)以及19世纪的谢才(A.Chezy),雷诺(O.Reynolds),达西(H.Darcy),裘布衣(J.Dupuit)等人对管道、渠道以及土壤中水的运动的实验研究,充实和发展了水力学。1773年法国的库伦(C.A.Coulamb)发表了土的抗剪强度及古典土压力理论,以后经朗金(W.J.M.Rankine)、摩尔(O.Mohr)、鲍斯纳斯克(J.V.Boussinesg)等人对土的应力应变关系的研究,充实和发展了土力学。早在17世纪欧洲一些国家就对河流定位进行经常的水位记录,1807年在瑞典的维纳恩河(Vänern-Göta)上的韦纳斯堡(Vänesborg)建立了世界上第一个系统的流量记录站,依靠系统的观测资料,对于水在陆地的循环过程及影响这一过程的因素有了进一步的了解,建立和发展了水文学。

    人们依靠水力学对工程的外形和尺寸以及下游的消能设施进行设计,依靠土力学对工程与地基的相互关系进行分析,依靠早先发展起来的工程力学计算工程内部的应力和应变,应用水文学方法来计算河流的洪水,确定各类水利工程的标准。这时,水利科学已不只是定性地总结注册送白菜网站大全,它已形成了较为严密的科学理论,能够定量地分析水的运动特性及其与工程的相互作用,指导经济合理地兴建各类水利工程,这对于18和19世纪近代水利事业的大发展,起到重要的推动作用。

    以现代科学实验和新技术为基础的发展阶段在19世纪末和进入20世纪以来,在现代工业和科学技术迅速发展的推动下,水利科学的发展也进入一个新的阶段。这个阶段有两个显著的特征:一是现代化实验技术的应用,二是和新技术的结合。

    虽然早在19世纪中叶就有了专门的水力学试验室,但将水利工程整体转换为模型置于试验室中进行研究,则起始于德国的恩格斯(H.Engels)。他于1898年建立了世界上第一个水工模型试验室。俄国于1903年在彼德堡的交通工程学院建水工试验室,1925年印度在旁遮普省的拉哈尔(现属巴基斯坦)建灌溉研究所,1929年美国在密西西比的维克斯堡建水道实验站中国于1933年在天津开始筹建第一水工试验所,1935年在南京建立中央水工实验所,1917,德国的太沙基(K.Terzaghi)创立了土工试验室,此后,土工试验就普遍引进了水利科学的领域。20世纪30~40年代,有关材料、结构的实验也逐渐在水利科学试验中开展。现代实验技术的应用,观测和分析了许多野外难以获得的资料和数据,缩短了试验周期,使理论与实践更紧密的结合,提高了水利科学解决复杂工程问题的能力。

    同时,随着社会和经济的发展,对防洪的要求越来越高,对水资源的需求日益增加,水利建设的规模与难度也越来越大,促使加速新技术与水利应用科学的结合。例如,由于在复杂地基上建设高坝的需要,促使岩石力学、工程地质学、水文地质学等学科与水利科学的结合,也促使了水工建设中不断采用新的勘测设备和建筑材料,水工建筑物的形式更加多样化,水工结构学的内容相应更为丰富。由于发展丘陵山区的灌溉、低洼地区的排水和井灌,灌溉排水工程较多地采用机械提水,为了节约用水和节省能源,喷灌和滴灌等新的灌水技术发展起来,农田水利学相应增加了许多新的内容。由于在河道治理中泥沙问题愈益突出,泥沙运动力学的成果不断引入河工学中。同时,适应大规模发展远洋运输的需要,河口治理及港口建设,已成为河工学的重要内容。

    从20世纪60年代以来,由于一些相邻学科的进展和计算机技术、自动化技术以及系统工程的普遍应用,水利基础科学原有的一些学科内容更加充实,水利科学实验的三种手段(理论分析、模型试验与原型观测)的进一步结合,水利科学探索客观规律与解决工程实际问题的能力都达到了新的水平。

    水利科学与水利事业发展的关系 水利科学在水利事业的实践中得到发展,同时,又给予水利事业发展以巨大的推动作用。它们的作用是:①水利事业发展的理论基础。水利事业的发展依赖于正确认识水的循环、运动及其与工程、经济、社会的关系,即水的自然规律与发展水利的经济、社会规律,以较小的代价取得较大的社会效益,否则,不仅达不到这一目的,甚至有可能造成对社会经济不良的影响。②进行建设的前期工作。进行水利工程建设首先需要对水利工程所处的自然环境进行规划及勘测,对兴建水利工程后新的水文性态进行分析,对水利工程的所有结构物进行设计,这些工作,即规划、勘测、水文、设计等,统称为建设的前期工作。这些工作的重要内容与步骤,例如规划的原则与方法,勘测的手段及取得资料的分析与判断,水文资料的整理与分析,建筑物的规模、尺寸及材料的比较与确定等等,都需要用水利科学的手段与方法,有的还需直接依靠水利科学实验。③进行管理的基本手段。水利工程在建设时期需要进行施工的科学组织与管理,并不断对在建的工程进行各种试验以保证施工的进度和质量符合设计的要求,水利工程在建成后的运行,需要依靠科学的手段进行管理,并不断对运行状况进行监测,以保证工程设施处于正常的工况,不断发挥设施效益。同时还要及时采用新的科学技术成果,对工程进行技术改造与更新。④开辟新的发展领域的技术源泉。水利事业要满足人类社会日益增长的对水的需求,还要依靠水利科学技术的进步,不断开拓新的发展领域。

    水利科学与其他学科的关系 水利科学属于综合的科学体系,它的发展与多种学科有关。除了构成水利基础科学的一些学科外,它与力学中一些分支学科,如流体力学、结构力学、材料力学,与地学中的一些分支学科,如工程地质学、水文地质学、土壤学等,在内容与方法上都有紧密的联系。水利应用科学与材料学、电工学、机械工程学以及农作学也有密切关系。水利科学与技术经济学相结合,正在创立和发展一门新的分支——水利经济学。此外,随着现代科学的进展,水利科学还不断从计算机科学、自动化科学、电子学、环境学、生态学等新的学科中获得自己进展所需的方法和信息。

    中华人民共和国成立以来的水利科学事业 1949年以前,中国除几所大学的水利系或土木系设有水力学、土工、材料等实验室外,只有天津和南京两处专门的水工试验所。中华人民共和国建立以后,由于进行大规模水利建设的需要,水利科学事业有了巨大的发展。

    1954年9月,中央人民政府水利部召开了全国第一次水利科学工作会议,决定成立全国综合性的水利科学研究机构——北京水利科学研究院。此后,它与电力工业部的水电科学研究院和中国科学院的水工试验室于1958年合并,成为中国科学院与水利电力部双重领导的水利水电科学研究院。原南京水利实验处也经调整与扩大,成为水利电力部与交通部双重领导的南京水利科学研究院。经过30多年的发展,到1982年底全国已有省级以上的水利水电科学研究院、所、站78个。华东水利学院、武汉水利电力学院、清华大学等高等学校也设有水利水电科研机构。这些专业科研机构从事水文、水资源、水利史、农田水利、水土保持、水力学、河工、港工、泥沙、岩土工程、水工结构、水工材料、抗震工程、水力机械、小水电、热电厂的水冷却、水利水电施工管理及机械、环境水利、劳动保护、自动化技术应用、电算技术应用、水利经济、科学技术情报等多方面的科学研究工作。同时,不少地区、县也设立了水利科研机构,从事小型水利工程的各项研究;许多灌区、泵站和水库设立了溉灌试验站,开展灌排方面的观测研究与技术推广;遍布各条河流的水文站,也结合经常的观测,开展地表水、地下水等多方面的分析研究;许多水利水电设计院和工程局结合建设项目,开展有关规划、勘测、设计和施工中的科研与技术革新等工作,许多水库开展了以保证工程安全,提高经济效益为目标的多种观测研究与技术推广工作。

    1949年以来,在发展水利事业中,水利科学起到如下的主要作用:①分析研究了中国主要河流的水文特征,暴雨洪水和水沙等关系,为江河治理、水土保持等工作提供了对策与标准,为流域规划和重要水利枢纽的建设提供了基本资料。近几年对中国水资源、水能资源数量和分布的研究以及农业水利区划等工作为进一步合理开发利用资源提供了基本依据。②为旧灌区的改造与扩建,丘陵区的灌溉,机电排灌工程,北方开发利用地下水,多沙河流的引水工程及低产田的改良工程以及黄淮海平原、三江平原等大面积治理开发提供了农作物的需水量,灌溉制度和灌溉技术,各类灌排工程建筑物、机电排灌设备、打井工具与工艺等基本方法与手段。③为各类大型水工建筑物的设计与施工提供了枢纽布置、结构形式、施工导流、基础处理、泥沙处理、消能措施、混凝土和土石料的质量控制、机电设备的选型与运用以及抗震防护等关键技术。④为水利建设与管理引进和研究了新技术和新资料,包括电子计算技术、自动化技术、遥感技术、混凝土的掺合材料、高分子材料以及勘测、设计施工中的一些新工艺与新设备。

    水利科学发展展望 当今世界面临的一些重大问题,如人口激增、能源紧张、生态失调、环境恶化等,都和进一步解决水的问题有关。而许多地区都面临水资源数量不足,质量下降的局面,更增加了问题的复杂性。解决这些问题,不仅依赖于技术科学的进展,而且需要更多地吸取自然科学和社会科学的成果。水利科学将纵贯技术、自然和社会三个科学领域进入综合性水利科学体系发展的新阶段。从世界范围来看,水利科学今后将在以下几个方面获得新的进展。①从自然、经济、社会等因素出发,进行水资源系统规划和综合开发。②高效率的工农业节水技术,经济有效的工程与非工程防洪措施,满足环境和生态平衡要求的大面积调水技术。③复杂的自然条件下各类水利工程的建设技术,包括新的勘探手段与方法、新型的水工建筑物、大型施工设备与新的施工方法、新的水工建筑材料等等。④现代化的工程管理技术,包括应用计算机、自动化、以及卫星通讯等技术。⑤现代化的试验室与现场测试技术,以进一步提高试验的真实性与精确度并缩短试验周期等等。

    在中国实现四个现代化的进程中,水利科学面临一系列重大的建设任务:对现有7.2亿亩灌溉面积进行技术改造并建设新的灌溉工程,解决华北工农业发展的用水,建设长江三峡水利枢纽和开发西北西南水能资源,进行南水北调,治理长江、黄河和其他江河,治理水土流失和防治水源污染以及进一步改善生态环境等。中国的水利科学将在解决这些重大生产建设任务中获得更大的进展。