第1章 水利工程中的力学问题
1.1 水利工程概述
“水利”一词最早见于《吕氏春秋·孝行览·长攻》（公元前240年）。到西汉武帝时，司马迁考察了许多河流和治河、引水等工程之后写成中国第一部水利通史——《史记·河渠书》（公元前104年），给水利下了比较完整的定义。书中写道，“甚哉，水之为利害也。”关于水利的内容，书中提到的有：“穿渠”，即开挖灌、排水沟渠及运河；“溉田”，即灌溉农田；“堵口”，即修复被洪水毁坏的堤防。这是在中国历史上首次给予“水利”一词以兴利除害的完整概念。1933年，中国水利工程学会在第三届年会的决议上提出“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”。随着社会经济的发展，水利包含的内容不断丰富，现代对水利的认识更加完整，它包括了防洪、排水、灌溉、供水、水力发电、航运、水土保持以及水产、旅游和改善生态环境等方面的建设。
在欧、美国家，一般使用Hydraulic Engineering（水利工程）或Water Conservancy（水利），20世纪60年代之后，又称作Water Resources（水资源），其含义已引申到水资源的开发与管理。
水利在人类发展史上占有显著的地位。众所周知，水是人类生存和发展不可须臾或缺的物质。人类在漫长的历史中，经历过从适应自然，改造自然到综合利用自然为人类造福的各个阶段。古代的人类主要依靠自然的赐予，以渔牧为主，逐水草而居，避水害，择丘陵而处；到农业生产和定居的出现后，人类才开始了主动取水和排水，趋水利避水害，出现了初期的农田水利工程（如灌溉、排水沟渠，有坝引水工程等）、防洪工程（如修堤防洪、分洪泄水等）以及航运工程（如开凿运河等）。工业化社会的到来以及兴水利除水害多目标的近代水利建设技术的采用，掀起了较大范围、较大规模水利工程建设的热潮，开创了将水能转变为电能的水电事业，人类开始步入大力开发、利用水资源的阶段。20世纪中叶以来，现代水利建设大发展，全世界的灌、排面积和水力发电总装机容量均成倍增加，水利建设规模的扩大更是惊人。如坝高已从19世纪的30～50m增高到300m级，人类已不局限于除水害和兴水利，还着眼于保护水源、调配水量、防治水源污染以及避免水土流失等，提出了建设高标准水利工程和实施多目标综合利用的要求，并以取得经济、社会、生态等诸方面的效益，长期造福于人类为水利建设的目标。
水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程。其发展历程及目的如下。
（1）古代水利工程：与自然斗争，主要用于农田灌溉、军事等。
（2）近现代水利工程：兴利除害，主要用于防洪兴利、发电造福、改善生态、养殖致富、改善通航、改善生活（调水工程）等。
（3）将来的水利工程：可持续性，主要用于创建节水型社会、协调环境、实现可持续发展等。
1.1.1 水利工程的类型
1.1.1.1 按目标或服务对象分类
（1）防洪工程——防止洪水灾害。修建水库拦蓄洪水、挖河筑堤宣泄洪水等，防止洪水灾害，保障人们生活生产正常进行，见图1.1。
图1.1 典型堤防工程
（2）农业水利工程——为农业生产服务，防止旱、涝、渍灾。或称其为灌溉和排水工程，包括灌溉、排水、除涝和防治盐、渍灾害等工程，见图1.2。
（3）水力发电工程——将水能转化为电能。
1）昆明附近的石龙坝水电站，是中国历史上第一座水电站，官商合办，聘德国工程师建造，购德国设备。1910年7月开工，1912年4月发电，最初装机容量为480kW，耗资50余万元，现在还在发电，见图1.3。
图1.2 农业水利工程
2）丰满水电站。1937年日本人开始修建该坝，1943年日本撤退时大坝尚未完成，有些坝段还没有按设计断面浇完，而且坝基断层未经处理，已浇的混凝土质量很差，廊道里漏水严重，坝面冻融剥蚀成蜂窝状，大坝处于危险状态。后在苏联援建下建成。大坝高90多米，为当时亚洲第一高坝，见图1.4。
图1.3 石龙坝水电站
图1.4 丰满水电站
丰满水电站被称为“中国水电的摇篮”“中国水电之母”，先后为中国培养、输送了2000多名专业人才和技术骨干。2008年3月13日我国第一座水电专业博物馆在丰满水电站建成。
3）坝工建设——标志性工程系列。
胡佛水坝位于美国亚利桑那州的西北部，距拉斯维加斯约48km，建在高山峡谷之间，工程庞大，建成后对工农业发展起着巨大的作用。该坝为混凝土拱坝，坝高约221.4m，见图1.5。1931年1月动工，1936年3月竣工完成，使用260万m3混凝土。水电站发电机组年发电40亿kW·h。
图1.5 美国胡佛水坝
20世纪50年代建成的新安江水电站，混凝土宽缝重力坝，坝高102m，是中华人民共和国成立后中国自行设计、自制设备、自主建设的第一座大型水力发电站，见图1.6。
图1.6 新安江水电站
60年代建成的刘家峡水电站（图1.7），混凝土重力坝，坝高147m，是我国第一座高坝，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，主坝设防烈度为Ⅸ度。
图1.7 刘家峡水电站
阿斯旺水坝距埃及的阿斯旺城约10km，主坝全长3600m。大坝为黏土心墙堆石坝，见图1.8，最大坝高为111m，当最高蓄水位183m时，水库总库容1689亿m3，电站总装机容量210万kW，设计年发电量100亿kW·h。工程始于1960年，工期10年，耗资10亿美元。大坝控制尼罗河水流量。形成的纳赛尔湖为埃及合理利用水源提供了保障，供应了埃及一半的电力需求，并阻止了尼罗河每年的泛滥。
图1.8 埃及阿斯旺水坝
70年代建成的乌江渡水电站，见图1.9，建于石灰岩岩溶区，重力拱坝坝高165m。革新成果791项，其中有9项达到国内先进水平，成功地解决了岩溶地区建设水电站的水库防渗、大坝基础稳定、泄洪及施工后期导流等重大技术难题。
图1.9 乌江渡水电站
伊泰普水坝位于巴西西南部与巴拉圭和阿根廷的交界处，为混凝土双支墩空腹重力坝，见图1.10。坝长7744m，最大坝高为196m。该坝于1975年10月开始建造，1991年5月建成，耗资183亿美元，共20台发电机组(每台70万kW)，总装机1400万kW，年发电量900亿kW·h，总库容290亿m3。电站不仅能满足巴拉圭全部用电需求，而且能供应巴西全国30%以上的用电量。
图1.10 巴西伊泰普水坝
80年代建成的葛洲坝水利枢纽，是我国万里长江上建设的第一座大坝，耗时18年，装机21台，大江截流流量达4400～4800m3/s，年均发电量141亿kW·h，见图1.11。
图1.11 葛洲坝水利枢纽
21世纪初建成的三峡水电站，是世界上规模最大的水电站，多项指标（如库容、发电量、混凝土工程量、船闸等）居世界第一，见图1.12。
图1.12 三峡工程
二滩水电站是我国第一个全面实行国际竞争性招标的水电建设项目，拱坝最大坝高240m，中国第一座超过200m的高坝。地下厂房洞室群巨大，总装机330万kW，见图1.13。
图1.13 二滩水电站
小浪底水利枢纽是治理开发黄河的关键性工程，拦河坝采用斜心墙堆石坝，最大坝高154m，在面积约1km2的单薄山体中集中布置了各类洞室100多条，见图1.14。
图1.14 小浪底水利枢纽
（4）航道和港口工程——改善和创建航运条件。疏浚天然航道、人工开挖运河、修建港口码头等，见图1.15。
图1.15 航道和港口工程
（5）城镇供水和排水工程——为工业和生活用水服务，主要处理和排除污水和雨水；水体生态修复（图1.16和图1.17）。
图1.16（一） 韩国良才川水质生物-生态修复设施
图1.16（二） 韩国良才川水质生物-生态修复设施
图1.17 河流生物浮岛净化
（6）水土保持工程和环境水利工程——防治水土流失和水质污染，维护生态平衡；防止泥石流（图1.18），减少地质灾害。
（7）渔业水利工程——保护和增进渔业生产，见图1.19。
（8）海涂围垦工程——围海造田，满足工农业生产或交通运输需要等。
一项水利工程同时为防洪、灌溉、发电、航运等多种目标服务的，称为综合利用水利工程。
1.1.1.2 按直接目的分类
（1）蓄水工程：水库和塘坝。
（2）引水工程：从河道、湖泊等地表水体自流引水的工程。
图1.18 泥石流灾害
图1.19 水库水产渔业
（3）提水工程：利用扬水泵站从河道、湖泊等地表水体提水的工程。
（4）调水工程：水资源一级区或独立流域之间的跨流域调水工程。2400年前我国开凿大运河；公元前2400年前古埃及从尼罗河引水灌溉至埃塞俄比亚高原南部；公元前486年我国引长江水入淮河的邗沟工程；美国前后花了近80年在西部修建中央河谷、加州调水、科罗拉多水道和洛杉矶水道等长距离调水工程；中华人民共和国成立后我国的调水工程：江苏江都江水北调工程，广东东深引水工程，河北与天津引滦入津工程，山东引黄济青工程，甘肃引大入秦工程等。
我国现今的南水北调工程包括以下3部分。
1）东线工程：利用江苏已有的江水北调工程，扩大调水规模、延长输水线路（图1.20）。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，穿过黄河后自流到天津；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。
图1.20 我国南水北调东线线路图
2）中线工程：水源区工程为丹江口水利枢纽后期续建和汉江中下游补偿工程；输水工程即引汉总干渠和天津干渠（图1.21）。
图1.21 我国南水北调中线取水丹江口加高工程与穿黄工程示意图
3）规划中的西线取水：在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库（高200m左右）（图1.22），开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞（长100km以上），调长江水入黄河上游。目标是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等6省（自治区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。还可向甘肃河西走廊地区供水，及向黄河下游补水。
图1.22 我国南水北调西线取水区域
（5）地下水源工程：利用地下水的水井工程。
1.1.2 水利工程的组成
水工建筑物（Hydraulic Structure）是为开发、利用和保护水资源，减免水害而修建的承受水作用的建筑物。
水工建筑物种类较多，主要有挡水建筑物、泄水建筑物、输水建筑物、水电站厂房、排灌泵站、水闸、堤防、渠道及渠系建筑物等，建筑材料主要有混凝土、钢筋混凝土以及土、砂、堆石或砌石等当地材料。
水利工程由各种水工建筑物组成，包括挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物和输水建筑物等。还有为某一目的服务的专门水工建筑物，如专为河道整治、通航、过鱼、过木、水力发电、污水处理等服务的具有特殊功能的水工建筑物。水工建筑物以多种形式组合成不同类型的水利工程，称水利枢纽。
（1）挡水建筑物——用来拦截江河、挡水蓄水、抬高水位、形成水库的建筑物，如坝、闸、堤防等。其中，坝按筑坝材料分为土石坝、混凝土坝、砌石坝、橡胶坝等，见图1.23；按坝的构造特征分为重力坝、拱坝、支墩坝等，见图1.24；拦河闸是一种低水头水工建筑物，常用于平原丘陵地区的航运枢纽、取水枢纽等，见图1.25。
图1.23 挡水建筑物
图1.24 坝
图1.25 水闸
（2）泄水建筑物——宣泄多余洪水，如溢洪道、泄流孔等，见图1.26。
图1.26 泄水建筑物
（3）取水、输水建筑物包括渠道、隧洞、涵管等，见图1.27。
图1.27 取水建筑物
（4）水电站建筑物包括水电站厂房、压力前池、调压井等，见图1.28和图1.29。
图1.28（一） 水电站建筑物
图1.28（二） 水电站建筑物
图1.29 水电站建筑物剖面
（5）专门用途水工建筑物包括船闸、升船机、鱼道、过木道、筏道、丁坝、顺坝等，见图1.30。
图1.30 水电站专门用途建筑物
1.1.3 水利工程的复杂性
水利工程的复杂性体现在以下几个方面。
（1）技术问题的复杂性。工程建设涉及基础岩土、上部结构、流体等方面的技术问题，且相互影响。
（2）非技术问题的复杂性。工程建设涉及经济、环境、社会影响甚至国际影响，有些因素甚至制约工程建设。
（3）功能效益的复杂性。工程的效益主要有防洪、发电、灌溉、航运、养殖等，有些效益之间相互矛盾。
我国西部和重要河流在建或将要修建若干大型水电站和水利控制工程，地质条件复杂，地基处理难度大，坝高库大，如小湾、溪洛渡、锦屏水电站，坝高都达300m级高度，库容为百亿立方米以上。要确保水利工程在正常运用条件下的安全性，并有效担负起挡水、输水或其他功能，在遭遇难以预见的意外荷载作用下，具有必要的超载潜力，必须解决好水利工程涉及的大量复杂的科学问题和技术问题。如溪洛渡水电站，设计洪水达43700m3/s，最大坝高278m，泄洪功率近100000MW，泄洪能量集中，消能难度大；多数坝址处于强震区，地震强度高，如小湾水电站（按6000年概率设计）地震强度为0.308g，溪洛渡水电站为0.321g，故需要研究强震对高坝的影响；地下厂房装机容量大，如溪洛渡水电站为12600MW，小湾水电站为4200MW，均存在大跨度地下厂房设计、施工及围岩稳定（地应力高）等问题。
水利工程建设与水资源开发利用涉及众多学科领域，除数学等基础学科以外，还与水力学、水文学、工程力学、土力学、岩石力学、工程地质、建筑材料以及水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理等密切相关。研究方法主要有理论分析、数值计算、试验研究、原型观测和工程类比等。
从以下两个典型案例也可展现水利工程的复杂性。
【案例1】 重力坝设计
在河流上设计一座用于防洪、发电、灌溉等具有综合功能、效益的大坝，如图1.31所示，需要考虑多方面的技术、非技术和其他因素，对当地的地形、地质、筑坝材料、水文气象、施工条件等进行深入的分析，才能完成各方利益不一致的众多功能建筑物的综合设计。其设计内容除了完成坝轴线选择及坝型选择、调洪演算、挡水建筑物设计、泄水建筑物设计、地基处理等（图1.32），还包括细部结构设计、安全监测设计、水土保持和环境影响评价等。
1.确定工程等别和设计安全标准
（1）工程等别及主要建筑物级别。依据GB 50201—2014《防洪标准》和DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》确定工程等别、建筑物级别、防洪标准及设计标准。
（2）洪水标准。依据GB 50201—2014《防洪标准》和DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，确定主要水工建筑物的洪水设计标准。
（3）抗震设防标准。依据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》、中国水利水电科学研究院完成的《工程场地地震安全性评价和水库诱发地震评价报告》、DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》，进行抗震设计。
图1.31 长江三峡水利枢纽工程全貌
图1.32 重力坝设计流程
2.枢纽布置
坝址、坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，三者相互联系，不同的坝址可以选择不同的坝型和枢纽布置方案。
（1）坝轴线选择。依据《水利工程地质》《水利水能规划》《工程水文》等并结合相关实际地质资料确定坝轴线。
（2）坝型选择。依据《水利工程地质》《水利水能规划》《工程水文》《水工建筑物》等确定坝型。
（3）枢纽布置。依据《水利工程地质》《水利水能规划》《工程水文》《水工建筑物》等并结合实际工程需求确定枢纽布置。
3.调洪演算
依据《工程水文》《水利水能规划》等进行调洪演算。
4.挡水建筑物设计
依据《材料力学》《水工建筑物》、SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》、DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》，确定挡水建筑物的剖面，进行荷载计算、抗滑稳定分析、应力分析与计算。
5.泄水建筑物设计
依据《材料力学》《水力学》《水工建筑物》、SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》、DL 5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》、DL/T 5166—2002《溢洪道设计规范》、SL 265—2001《水闸设计规范》、JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》《水工钢结构》，确定泄水建筑物的剖面及消能方式，进行荷载计算、抗滑稳定分析、应力分析与计算。
6.地基处理
依据《水利工程地质》《水工建筑物》、SL 319—2005《混凝土重力坝设计规范》进行地基处理。
【案例2】 土石坝碾压的施工组织与设计问题
土石坝是指采用当地的土料、石料或混合料，经过抛填、碾压方法堆筑成的挡水坝。随着大型运输车和碾压设备的改进，使得碾压式土石坝的工期缩短、成本降低。在建设过程中，土石填料填筑压实得越密实，其整体抗剪强度、抗渗性能、抗压缩性就越好，因不均匀沉降引起裂缝的可能性就越小，坝体的稳定性和安全性也越高，但造价高，技术要求也高。因此，结合筑坝材料的性质、筑坝地区的气候条件、施工条件以及坝体不同部位的具体要求，制定适宜的土石料填筑压实方案，既可获得设计期望的稳定性和安全性，又可降低工程造价。
对某特定的土石坝选择最合适的填筑压实方案，见图1.33和图1.34，涉及下列需要解决的子问题。
（1）确定土石填料在施工和运行过程中的物理力学参数与渗透参数变化。涉及《建筑材料》《土力学》《水力学》等。
图1.33 土石坝施工现场
图1.34 土石坝碾压填筑压实方案确定过程
（2）校核土石坝设计基本剖面的受力情况与稳定情况。涉及《水工建筑物》《土力学》《材料力学》等。
（3）确定不同坝段的基础承载能力和沉降，合理确定不同坝段的碾压方案。涉及《水工基础工程》《水利工程施工》《水利工程地质》等。
（4）解决不同碾压填筑方案的质量与经济相互矛盾问题。涉及《工程造价》《水利工程经济》等。
（5）确定适用于设计剖面和设计材料的施工方案，给出具体方案的施工组织设计图，保障大坝的安全和经济施工。涉及《水利工程施工》《工程制图》等。
（6）在施工过程中，需要进行施工放样和沉降监测。涉及《测量学》《大坝安全监测》等。
在解决上述子问题时，需要用到一系列的国家和行业标准，包括DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》、SL 303—2004《水利水电工程施工组织设计规范》、DL/T 5348—2006《水电水利工程水工建筑制图标准》等。
1.1.4 水利工程的影响与新问题
1.1.4.1 水利工程建设带来的影响
水利工程建设可以兴利，但同时也会带来一些不同程度的负面影响，常见的有如下几点。
（1）移民问题：水库移民涉及人的生存权和居住权的调整，是世界性难题。中华人民共和国成立以来，我国修建水库移民人数超过2000多万，三峡工程建设涉及移民118万。
（2）对泥沙和河道的影响：水流条件的改变，引发泥沙对河势、河床、河口和整个河道的影响，导致河道的流态、上下游和河口的水文特征发生改变。
（3）对大气的影响：南美洲的阿根廷、巴西、委内瑞拉等国，北美洲及俄罗斯的西伯利亚，一些大型水电站的水库淹没了大片森林，水库蓄水前，没有砍伐清库，林木长期浸泡在水中，腐烂后产生有害气体，对大气造成污染。修建水库导致水汽、水雾增多等。
（4）水体变化带来的影响：库水相对静止，影响航运；水库水温变化影响水质，易发生水华、水污染。
（5）对鱼类和生物物种的影响：对动物（如洄游鱼类）、植物和微生物造成影响。
（6）对文物和景观的影响。
（7）地质灾害问题：修建大坝后可能会触发地震、崩岸、滑坡、消落带等不良地质灾害。
（8）溃坝：由于大坝运行不当、工程质量问题、遇超标准负荷、战争等可能引起溃坝等重大灾害。
以阿斯旺水坝为例说明水利工程建设带来的影响。由于设计大坝的时候，人们对环境保护的认识不足，阿斯旺水坝建成后在对埃及的经济起了巨大推动作用的同时也对生态环境造成了一定的破坏：①大坝工程造成了沿河流域可耕地的土质肥力持续下降；②修建大坝后沿尼罗河两岸出现了土壤盐碱化；③库区及水库下游的尼罗河水水质恶化，以河水为生活水源的居民的健康受到危害；④河水性质的改变使水生植物及藻类蔓延，不仅蒸发掉大量河水，还堵塞河道灌渠等等；⑤尼罗河下游的河床遭受严重侵蚀，尼罗河出海口处海岸线内退。
水利工程对环境、生态的影响日益受到重视，不仅需要发展传统的分析方法，还需要通过与生物、生态和环境等进行学科交叉，建立环境友好的水工设计理论，克服水利工程自身对水生态环境带来的不利影响，促进水利工程水生态环境功能的开发和利用。
1.1.4.2 气候不断变化对水利工程的影响
气候变化必然影响水循环，水利基础设施是管理水资源的重要手段，在气候变化条件下，既发挥了越来越重要的作用，同时也会带来一些不利影响。
气候变化对水利工程的影响主要表现在：①极端低温使得工程材料的抗冻融指标出现不足，从而引发严重的破坏；②持续干旱高温导致水利工程的应力变化和趋势性变形；③江河径流量减少和海平面上升导致的沿海和河口地区水体盐度及导电率增加，大气中二氧化硫等酸性气体含量增高等对水利工程的腐蚀破坏。
在气候变化背景下，水利工程的设计和运行管理中需要考虑以下一些问题［3］。
（1）气候变化引起流域降雨和径流的变化，将影响流域的设计暴雨和设计洪水，即需要调整水利工程防洪的设计标准。
（2）气候变化将可能加剧干旱发生的频率、范围和程度，进而影响到水利工程的供水保证率。
（3）暴雨强度和暴雨次数的增加，可能引发地质灾害的发生和加大泥沙冲淤对水利工程安全和寿命的影响。
（4）气候变化和变异将可能增加极端水文气候事件发生的频次和强度，对已建工程的运行规则和规程需要作相应的必要调整，以保障水利工程的安全和洪水资源化。
（5）由于极端气象灾害发生的频率和强度有进一步增强的趋势，在运行管理中要重视水情信息的监测和预报，加强防洪抗旱应急预案的编制和执行。
如美国加州奥罗维尔大坝溢洪道失事。美国最高大坝加利福尼亚州奥罗维尔（Oroville）大坝，高230m，比胡佛大坝还要高8.6m，是世界上著名的土石坝工程。工程的主要用途为供水、发电、防洪、旅游和养殖，于1967年完建。溢洪道装有8扇宽5.4m、高10.1m的弧形闸门，泄槽为衬砌式陡槽，最大泄量为7100m3/s。除此主溢洪道之外，工程还设置了非常溢洪道，为无闸门控制的反弧堰，堰顶长570m，但非常溢洪道自1967年完建后从未使用。2017年降雨量在90天内连续超过正常水平，首次启用非常溢洪道，2月7日，在泄洪时出现了一个长60m、深9m的大洞，属于典型的渗流冲蚀破坏，基础为土质山坡，底板混凝土存在缺陷，见图1.35。当地至少18.8万民众被疏散。
图1.35 美国Oroville大坝溢洪道失事
这个事件使人们认识到，对于老坝：①要对运行状况密切加强巡查监管；②对隐蔽部位进行监测，要随时检查已埋设仪器的工作性态和数据可靠性，适时增添新型观测仪器，实现全方位实时监控；③要在风险源分析的基础上建立切实可行的应急抢险预案。
1.1.4.3 人类社会发展带来的水利工程新问题
1.城市内涝
随着全球气候变化和城镇化快速发展，城市降雨特性、产汇流规律发生着急剧的变化，极端天气明显增多，局地遭遇强降雨频发，城区排水能力偏低，承担城市排涝的河道排水能力不足，城市洪涝问题越来越突出。随之带来许多水利工程新问题，如城市防洪除涝标准与设计方法、城市洪涝调控与雨洪综合利用、城市洪涝灾害防控应急管理等。
如2016年，湖北武汉、湖南益阳、福建闽清县等地方内涝严重，见图1.36~图1.38。武汉6月30日20时至7月6日15时周降雨量突破历史记录最高值，累计雨量574.1mm，突破1991年7月5日至11日7天内降下542.8mm的记录，大水围城，多处溃堤，上万人转移，全部学校停课，火车站多处出口临时封闭，长江隧道、三环线江岸段封闭，多个地铁站点被雨水倒灌。
图1.36 湖北武汉内涝（2016年）
图1.37 湖南益阳内涝（2016年）
图1.38 福建闽清县溪口大桥被洪水冲塌（2016年）
为了解决城市内涝问题，日本东京建设地下巨大蓄水分洪设施。1988年，在东京神田川环状7号线公路建造了一个巨大的地下隧道，位于地下40多m深的混凝土隧道直径为12.5m，长约4.5km，蓄水能力约达54万m3，见图1.39。自1997年该地下隧道部分投入使用到2013年，神田川地下调节池在发生暴雨和台风时共引流34次，对减轻该流域洪灾起到了明显作用。截至2014年年底，东京都建设局在流经东京的11条河流附近已建设了30个调节池。河流附近的低地公园在突发暴雨河流涨水时，也可被作为城市分洪设施使用，一定程度上降低河流水位。计划到2025年将东京的调节池容量进一步提高。这种地下蓄水分洪设施适合在河流比较小、人口又比较密集的地区采用，应对大江大河汛情则需要结合当地实际情况寻求对策。
图1.39 日本东京地下蓄水分洪隧道
2.节水与可持续发展
水资源有限的情况下，要保证工农业生产用水、居民生活用水和良好的水环境，必须建立节水型社会。包括合理开发利用水资源，大力提高农业用水和城市生活用水的利用率。
全面准确掌握自然生态格局，限定人类经济行为空间和规模，并加以立法，使人口、资源、环境协调发展。规划人类对水的需求：以供定需，以水定人口，以水定规模，以水定发展；重视水源涵养、雨水蓄存、水质保护、节水治污、地下水回灌和洪水资源化等实施措施。
3.生态问题
受自然和人类活动双重影响，有些流域出现草地沙化、冰川后退、湖泊萎缩、湿地减少等生态环境问题。需要研究河道（河口）生态修复、河道（水库）水质控制、水利工程生态环境功能设计、感潮河道水环境改善、成潮分析与应对、水库蓝藻控制、水污染处理技术等问题。如通过限定电站下泄生态流量，以解决环境用水，生态需水问题；采取宣传、法规、监督执法、退牧还草、监测等综合措施，有效控制水土流失；对受污染的江河湖库水体进行修复，对氮磷等营养物和有机物污染，湖泊水库蓝藻及赤潮等，采取培育生物、接种微生物，转移、转化及降解污染物等措施，恢复水体质量。
1.1.4.4 水利科学技术新问题
水利科学与工程技术问题来源于人类社会生存和发展的需要,其目标是认识自然规律并通过多种技术和工程措施,对自然界的水和水域进行人为的控制和调配,以防治水旱灾害,开发利用和保护水资源。目前，我国水安全和水利科技热点与前沿，涉及水资源短缺严重、水污染问题突出、水灾害威胁加重、水生态退化严重等方面,以及超强地震、超标洪水及特大地质灾害等因素的潜在影响［4］。
（1）在水资源安全保障方面：未来气候变化影响下水资源供需预测、水资源的跨流域时空调配以及以节水、治污、开源、调配为核心的最严格水资源管理技术。
（2）在流域水沙-环境生态方面：在工农业发展、城镇化、大规模水利工程建设条件下，未来河流水沙与生态环境变化趋势预测，河流水沙与生态环境的物质通量的相互作用以及河流系统水动力、地貌与生物多样性等要素的平衡与调控问题。
（3）在水电能源开发与长效安全运行保障方面：重点研究极端致灾因子如超强地震、超标洪水与复杂地质条件下水电站高坝枢纽群的灾害链风险问题。
（4）在洪旱灾害防御方面：重点研究极端气象条件与人类活动影响下的江河洪水、城市洪涝、山洪泥石流、风暴潮与干旱的灾害机理与风险控制问题。