工程水文学前世今生

'工程水文学前世今生工程水文学是水文学庞大分支中的一种，主要进行水文计算以及水文预报以及为工程规划设计，施工建设，运行管理提供水文依据的一门科学。其研究对象为各种水体的存在，循环和分布规律，水体的物理化学特征以及水体对环境，生物以至人类的影响。工程水文学基本内容有1水文资料的收集，整理，刊布；2水文分析与推算-推求设计值；3水文预报-预报预见期内发生的水文现象；而在其研究过程中不可缺少的就是水资源，或者说水文学就是研究水资源的一门学科。根据世界气象组织（WMO）和联合国教科文组织（UNESCO）的《INTERNATIONALGLOSSARYOFHYDROLOGY》（国际水文学名词术语，第三版，2012年）中有关水资源的定义，水资源是指可资利用或有可能被利用的水源，这个水源应具有足够的数量和合适的质量，并满足某一地方在一段时间内具体利用的需求。根据全国科学技术名词审定委员会公布的水利科技名词（科学出版社，1997）中有关水资源的定义，水资源是指地球上具有一定数量和可用质量能从自然界获得补充并可资利用的水。在地球上，人类可直接或间接利用的水，是自然资源的一个重要组成部分。天然水资源包括河水径流、地下水、积雪和冰川、湖泊水、沼泽水，海水。按水质划分为淡水和咸水。随着科学技术的发展，被人类所利用的水增多，例如海水淡化，人工催化降水，南极大陆冰的 利用等。由于气候条件变化，各种水资源的时空分布不均，天然水资源量不等于可利用水量，往往采用修筑水库和地下水库来调蓄水源，或采用回收和处理的办法利用工业和生活污水，扩大水资源的利用。与其他自然资源不同，水资源是可再生的资源，可以重复多次使用；并出现年内和年际量的变化，具有一定的周期和规律；储存形式和运动过程受自然地理因素和人类活动所影响。水资源利用存在多向性，水资源是被人类在生产和生活活动中广泛利用的资源，不仅广泛应用于农业、工业和生活，还用于发电、水运、水产、旅游和环境改造等。在各种不同的用途中，有的是消耗用水，有的则是非消耗性或消耗很小的用水，而且对水质的要求各不相同。这是使水资源一水多用、充分发展其综合效益的有利条件。此外，水资源与其他矿产资源相比，另一个最大区别是：水资源具有既可造福于人类，又可危害人类生存的两重性。水资源质、量适宜，且时空分布均匀，将为区域经济发展、自然环境的良性循环和人类社会进步做出巨大贡献。水资源开发利用不当，又可制约国民经济发展，破坏人类的生存环境。如水利工程设计不当、管理不善，可造成垮坝事故，也可引起土壤次生盐碱化。水量过多或过少的季节和地区．往往又产生各种各样的自然灾害。水量过多容易造成洪水泛滥，内涝渍水；水量过少容易形成干旱、盐渍化等自然灾害。适量开采地下水，可为国民经济各部门和居民生活提供水源，满足生产、生活的需求。无节制、不合理地抽取地下水，往往引起水位持续下降、水质恶化、水量减少、地面沉降，不仅影响生产发展，而 且严重威胁人类生存。正是由于水资源利害的双重性质，在水资源的开发利用过程中尤其强调合理利用、有序开发，以达到兴利除害的目的。而水文学这门学科就是研究可用水资源的使用调控，从而达到对人类以及环境产生好的影响的学科。古代其实就存在很多水文学大师比如大禹，李冰，以及明朝有名的水文研究者潘季驯，因为治理黄河，发明了束水冲沙法，以及近代清朝有个陈潢，还是治理黄河，发明了减水坝等等。这里我们介绍其中很有建树的几位古人水文学者。李冰，战国时代著名的水利工程专家。公元前256年—前251年被秦昭王任为蜀郡（今成都一带）太守。期间，他征发民工在岷江流域兴办许多水利工程，其中以他和其子李二郎一同主持修建的都江堰水利工程最为著名。都江堰工程至今仍发挥着巨大的灌溉效益。都江堰是岷江中游的一项大工程。岷江从岷山发源，一路急流而下，到灌县地域又进人了平川地界。这里地形复杂，加之泥沙淤积，使得航行十分困难，而且江水在洪水季节常常泛滥。令人感到奇怪的是，西边遭受洪水肆虐的时候，东边却因缺水而受旱灾之苦。李冰到任后亲临实地考察后不久就开始实施这项规模浩大的工程。近现代的人们所见到的都江堰工程，从上游数起，主要有百丈堤、都江鱼嘴、内外金刚堤、飞沙堰、人字堤、宝瓶口，其中最重要的是都江鱼嘴、飞沙堰与宝瓶口。现在可以肯定这3项主要工程都是李冰所主持修筑的。以今天的科学水平来回顾2000多年前的都江堰工程，仍然可以看到这个工程从规划、施工到最终的效果都是十分科学和正确的。因此，这项 工程能够成功地控制内、外江水量，解决西涝东旱的弊病，把原来的灾害地区变成“天府”粮仓。如果以现代的科技水平来从事这项工程，可能在施工手段、设备材料、工程进度上有所提高，而就最终的效果来说，则差距并不很大。因此，我们不得不由衷地对2000多年前这项杰出的工程与工程的主持人李冰表示钦佩。范仲淹(989-1052),苏州吴县人，北宋杰出的政治家、军事家、文学家。范仲淹出生在一个贫苦农家，两岁丧父。他从小有志，发愤读书。26岁中进士，开始做官。文官至参知政事（副宰相），武官至枢密副使（宋朝军事机关枢密院的副长官），提出“先天下之忧而忧，后天下之乐而乐”的倡言。他在水利方面也作出了不朽业绩。曾在江苏东部海滨修筑捍海大堤——范公堤，恩泽后代。在治理太湖时期，结合自已的治水实践，提出了“浚河、修圩、置闸”三者并重的治水方针，较妥善地解决了蓄与泄、挡与排、水与田之间的矛盾，至今仍具有一定的指导意义。王安石（1021-1086）江西抚州人，北宋政治家、改革家、文学家和思想家。他所主持的变法，在历史上有较大影响。变法期间，他制订了发展农业的各种新法，其中《农田水利约束》是我国第一部比较完整的农田水利法。《农田水利约束》的颁布和实施，大大调动了全国人民兴修水利的积极性。形成了“四方争言农田水利，古堰陂塘，悉务兴复”的喜人景象。许多地方在新法的彭励下，自动组织起来，大兴农田水利，形成了一次水利建设高潮。郭守敬（1231-1316)河北邢台人，元代杰出的科学家，对天文、历法、水利三方面贡献很大。中统三年（1262 年）提出修治燕京附近运道、开发邢台、磁州农田水利及豫北沁河、丹河水利等六项建议，这些建议得到元始祖忽必烈的称赞，并被任命为“提举诸路河渠”，受命负责河流与渠道的整修、管理事务。中统四年（1263年），郭守敬因兴修水利有功，升任副河渠使。1264年在西夏地方行政长官张文谦的支持下，在宁夏等地修复、新建了数十条引黄灌溉渠道，并修建了许多水闸。至今仍在发挥作用的唐徕渠、汉延渠等十几条渠道就是当时重修的。次年郭守敬升任都水少监，协助都水掌管全国的水利事务。回到大都后，郭守敬提出重开金口河，以引浑河（今永定河）之水入大都，兴漕运与灌溉之利。至1266年，全面整修了金口河，使这条旧渠道起到了既能灌溉又能漕运的作用。至元八年（1271年）郭守敬升任都水监，掌管全国水利工作。元十二年（1275年）元朝庭开始修筑京杭大运河，郭守敬奉命勘察了今山东西南的泗水、汶水、御河等主要河流，设计了京杭大运河山东段的河道线路，为运河全面沟通奠定了基础。至元十三年任工部郎中，不久又调至太史局，负责制订新历法。至元十七年完成了我国历史上使用时间最长、最精确的《授时历》。郭守敬还研制成功了近二十种观测天象仪器，组织实施了规模宏大的“四海测”计划。提出了以海平面为地形测量的基点的科学理论及“海拔”的概念。元二十八年复任都水监，修复通惠河工程。至元三十一年任文馆大学士知太史院事。郭守敬是与张衡、祖冲之等人齐名的我国古代八大科学家之一，是十三世纪末登上世界科学高峰的杰出人物。 这些伟大的古人，杰出的水文工作者所作出的贡献提出的方案设想一齐构造了水文学的前身，为现代水文学创建基础和框架。而以现代水文学来看方法相比于以前更加便利，科学，精准和实用，同时依靠更精准的机器辅助为现代水文学建设提供更大的帮助。现代工程水文学在近几年也取得很大成就，如三峡工程，西气东输等等。而三峡工程是近几年几届国家领导人与水文工作者共同奋力建设的一份惠民利民工程。三峡水电站，即长江三峡水利枢纽工程，又称三峡工程。中国湖北省宜昌市境内的长江西陵峡段与下游的葛洲坝水电站构成梯级电站。三峡水电站是世界上规模最大的水电站，也是中国有史以来建设最大型的工程项目。而由它所引发的移民搬迁、环境等诸多问题，使它从开始筹建的那一刻起，便始终与巨大的争议相伴。三峡水电站的功能有十多种，航运、发电、种植等等。三峡水电站1992年获得中国全国人民代表大会批准建设，1994年正式动工兴建，2003年六月一日下午开始蓄水发电，于2009年全部完工。三峡工程主要有三大效益，即防洪、发电和航运，其中防洪被认为是三峡工程最核心的效益。防洪历史上，长江上游河段及其多条支流频繁发生洪水，每次特大洪水时，宜昌以下的长江荆州河段（荆江）都要采取分洪措施，淹没乡村和农田，以保障武汉的安全。在三峡工程建成后，其巨大库容所提供的调蓄能力将能使下游荆江地区抵御百年一遇的特大洪水，也有助于洞庭湖的治理和荆江堤防的全面修补。 发电三峡工程的经济效益主要体现在发电。该工程是中国西电东送工程中线的巨型电源点，所发的电力将主要售予华中电网的湖北省、河南省、湖南省、江西省、重庆市，华东电网的上海市、江苏省、浙江省、安徽省，以及南方电网的广东省，可缓解我国的电力供应紧张局面。截至2012年底，三峡电站历年累计发电量达到6291.4亿千瓦时，相当于减排二氧化碳4.96亿吨，减排二氧化硫595万吨，为节能减排做出了积极贡献。航运三峡蓄水前，川江单向年运输量只有1000万吨，万吨级船舶根本无法到达重庆。三峡工程结束了“自古川江不夜航”的历史，三峡几次蓄水使川江通航条件日益改善。2009年，通过三峡大坝的货运量有7000万吨左右。自2003年三峡船闸通航以来，累计过坝货运量突破3亿吨，超过蓄水前22年的货运量总和。三峡可谓是近代工程水文学的一伟大创举，它将是一个标识成为未来的水文工作者的标杆。由于事物存在两面1三峡工程也带来了负面影响，如环境影响，三峡工程影响环境来自于水库的污染。三峡两岸城镇和游客的排放的污水和生活垃圾，都未经处理直接排入长江。在蓄水后，由于水流静态化，污染物不能及时下泻而蓄积在水库中，因此已经造成了水质恶化和垃圾漂浮，并可能引发传染病，部分城镇已在其他水源采集生活 用水，同时大批移民开垦荒地，也加剧了水体污染，并产生水土流失的现象。对此，当地政府正在大力兴建污水处理厂和垃圾填埋场以期解决污染问题，如果发现污染过于严重，也可能会采取大坝增加下泄流量来实现换水。三峡工程将会对周边生态造成冲击，因为有大坝阻隔，鱼类无法正常通过三峡，它们的生活习性和遗传等会发生变异。三峡完全蓄水后将淹没560多种陆生珍稀植物，但它们中的绝大多数在淹没线以上也有分布，只有疏花水柏枝和荷叶铁线蕨两种完全在淹没线以下，现均已迁植。同时三峡工程也产生一定的人文影响，在水库满蓄水后，三峡的峡谷感将会受到一定程度削弱，同时三峡周边在古代是巴文化和楚文化的交汇地。水库淹没区已探明的文物点有1200多个，从1992年起文物部门便开始进行抢救性发掘，预计可在2009年蓄水完成前抢救、保护完毕。此外，政府还对其中的全国重点文物保护单位和其他重要古建筑文物设立专案、拨给专款予以保护。这两个问题将会是现阶段水文工作者的努力方向。对于未来水文学者，我们将会投身于更大的水文设施建设与保护，在时代的洪流中激荡属于自己的波澜。 '