水利工程

水壩與堤防

分洪道

防波石可以防止河岸沖刷流失

水壩建造是土木工程的重要項目之一（圖為美國胡佛水壩）

水利工程（英語：Hydraulic engineering）是土木工程的一个分支，主要研究流体（特别是水和污水）的流动与输送。这些系统的一个显著特征是广泛利用重力作为流体运动的驱动力。该领域与桥梁、水坝、河道、运河以及堤防的设计与施工密切相关，也涉及公共卫生与环境工程等用水相关的生态环境范畴。水利工程是流体力学原理在水的收集、储存、控制、输送、调节、测量和利用等实际问题中的应用。

基本原理

水利工程的基础是流体力学原理。

流体静力学

流体静力学研究静止状态下的流体。在静止流体中，存在一种作用于流体周围的作用力——压力。压力随深度增加而增大，满足关系式 $p=\rho gy$，其中 $\rho$ 为水的密度，$g$ 为重力加速度，$y$ 为水深。常见的压力测量装置包括测压管、压力计和波登管压力表。

实际流体行为

理想流体为不可压缩且无黏性，但实际流体均具有黏性。黏性流体在剪切力作用下会持续变形。流动状态可分为层流和湍流，由雷诺数决定。1904年，路德维希·普朗特提出了边界层概念，将低黏性流体的流场划分为固体表面附近的薄黏性层和远离边界的无黏性外层，这一概念解释了诸多古典流体力学中的矛盾。

伯努利方程

对于理想流体，沿流线满足伯努利方程：${\frac {p}{\rho g}}+{\frac {u^{2}}{2g}}={\text{常数}}$，其中 $p$ 为压力，$u$ 为流速。

主要分支

• 防洪工程
• 水利枢纽工程
• 水利水电工程
• 航道整治工程
• 跨流域开发工程
• 农田水利工程
• 港口工程
• 水土保持工程
• 给水工程
• 排水工程

应用

水利工程师的常见设计对象包括水坝、堤防、给水管网（包括生活用水和消防用水）、集水管网、污水收集管网、雨洪管理、泥沙输移等。相关分支包括水文学和流变学，相关应用包括水力模拟、洪水制图、集水区洪水管理规划、海岸防护和防洪减灾。现代水利工程师使用计算机辅助设计（CAD）工具和计算流体力学（CFD）来精确预测流动特性，利用全球定位系统（GPS）测绘辅助选址，并使用激光测量工具辅助实际施工。

历史

水利工程的起源可以追溯到古代文明的灌溉系统。美索不达米亚和古埃及最早利用沟渠引水灌溉农田。水钟作为最早的水力机械之一，出现于公元前2千纪。古代波斯人发展了坎儿井系统，利用重力从地下引水；中国新疆的坎儿井与其原理相似。在中国古代，水利工程高度发达，孙叔敖被认为是中国最早的水利工程师，西门豹在战国时期开创了大规模渠灌工程。古希腊的欧帕里诺斯于公元前6世纪在萨摩斯岛修建了欧帕里诺斯隧道，是早期水利工程的杰作。罗马帝国时期，水利工程广泛应用于输水引水渠的建设和维护，以及洪积采矿中的洗矿工艺。

在伊斯兰黄金时代（8至16世纪），不同地区的灌溉技术被整合为一套完整的“水管理技术复合体”，包括坎儿井、戽水车、螺杆泵和风车等。

进入近现代，莱昂纳多·达芬奇对波浪和射流进行了实验研究，艾萨克·牛顿的运动定律和黏性定律为流体力学奠定了数学基础。19世纪末，无量纲数与湍流的关系得到认识，量纲分析诞生。1904年普朗特的边界层理论为现代流体力学奠定了基础。20世纪，大型水利工程如威廉·穆赫兰设计的洛杉矶引水渠和田纳西河流域管理局的综合开发项目，通过建设水坝发电、控制洪水和发展航运，深刻改变了区域发展格局。现代水利工程已全面进入计算机辅助设计和数值模拟时代。