第八章

人类的水利工程
饮水要思源。我们能够轻松畅快的享受水的便利，应当感谢那些伟大的水利工程和付出智慧和汗水的劳动者。
 
调节水的妙法——人工降雨
 “人工增雨”与“人工增雪”
水资源的特性决定了水的分布的不平衡，有些地方缺水，有些地方水又太多，而通常这些地方的水的来源都是降水。这样，人们不禁想到，要是能让雨降落在缺水的地方该有多好。古代的时候，人们对老天无可奈何，只好设坛求雨。现如今，科技发达了，人们就可以把这个梦想变成现实了。这就是“人工增雨”。在冬季，也有可能是“人工增雪”。
 人工降雨的好办法
1930年，荷兰科学家维拉尔特首创用干冰作冷冻剂，赢得了人工降雨的头一功。所谓“干冰”，不是由水结成的冰，而是固态的二氧化碳。由于它从形状到颜色都很像冰，因此常给人一个错觉，将干冰与冰混为一谈。
人们用飞机，或者用火箭，把大量微小的干冰颗粒送到天上，播撒在云层中间以后，干冰即迅速汽化，从而吸收大量的热能，使周围的空气倏忽降到-40℃。这时，云层中的水汽大大地超过了饱和状态，过剩的水汽直接凝成冰晶；过冷的水滴也适时地转化为冰晶，于是便在局部地区形成了一个冰晶的世界。冰晶多了，必定相互吞并、不断壮大……最后的结果就是一场喜雨从天上降落下来了。通常，1克干冰在-10℃的云层中，可以酿成上万亿个小冰晶。
干冰造雨，美中不足的是它成冰的效果还不够理想，而且干冰比较“娇气”，储存和运输甚为不便，所以逐渐被碘化银所代替。碘化银的微粒形体酷似云层中的天然冰晶。美国科学家兰米尔在研究表面层理论的时候，就想过用它作假冰晶。兰米尔曾经领着他的学生坐飞机钻入云层做实验。效果非常明显，在碘化银播撒之后，立刻真冰晶便在假冰晶上凝成了雨滴。由于1克的碘化银在-10℃的云层中，可以形成数十万亿、乃至数百万亿个假冰晶，因而它成冰致雨的效果比干冰胜强百倍。
 其他人工降雨的好方法
对付暖云，人工降雨的方法也有两种：
一种是喷撒水滴或吸湿性强的凝结核，如食盐，即使在相对湿度较低的情况下，也能促成水汽结冰；另一种是用土炮轰击云层，或用强大声波、激光射线使小水滴相互碰撞、并吞，形成雨滴。
至于说到激光造雨，那还是1983年兴起的一种高新技术。其基本原理是，激光射线使云层里的小水滴带上正电荷或负电荷，正、负相吸，融成雨滴。
代价昂贵的取水法——海水淡化
海水淡化，就是利用海水脱盐技术生产淡水。这种方法可以实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，而且不受时空和气候影响，水质好、价格渐趋合理，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。
现在所用的海水淡化方法，主要有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法。目前应用反渗透膜的反渗透法，以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场，逐步取代蒸馏法，成为应用最广泛的方法。
海水淡化曾是人类追求了几百年的梦想。早在400多年前，英国王室就曾悬赏征求经济合算的海水淡化方法。
从20世纪50年代以后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展，在已经开发的20多种淡化技术中，蒸馏法、电渗析法、反渗透法都达到了工业规模化生产的水平，并在世界各地广泛应用。
现在世界上有10多个国家的100多个科研机构在进行着海水淡化的研究，有数百种不同结构和不同容量的海水淡化设施在工作。一座现代化的大型海水淡化厂，每天可以生产几千、几万甚至近百万吨淡水。
淡化水的成本在不断地降低，有些国家已经降低到和自来水的价格差不多。某些地区的淡化水量达到了国家和城市的供水规模。
水的处理与再利用
水是一种极其珍贵的资源，同时污水和废水又反过来对环境造成破坏。所以，科学的进行水处理，将这些“废物”变成“宝物”，就成为一个好办法。
常说的水处理包括污水处理和饮用水处理两种。经常用到的水处理药剂有聚合氯化铝、聚合氯化铝铁、碱式氯化铝，聚丙烯酰胺，活性炭及各种滤料等。饮用水包括海水淡化，脱盐，净化等。
污水处理一般来说包含以下三级：
一级处理是通过机械处理，如格栅、沉淀或气浮，去除污水中所含的石块、砂石和脂肪、铁离子、锰离子、油脂等。
二级处理是生物、化学处理，污水中的污染物在微生物的作用下被降解和转化为污泥。
三级处理是污水的深度处理，包括营养物的去除和通过加氯、紫外辐射或臭氧技术对污水进行消毒。
污水处理厂将经过处理后的水进行脱氮、脱磷，用活性炭吸附法或反渗透法、正向渗透法等去除水中的剩余污染物，并用臭氧或氯消毒杀灭细菌和病毒，然后将处理水送入中水道，作为冲洗厕所、喷洒街道、浇灌绿化带、工业用水、防火等水源。
由于社会生产、生活与水密切相关，水饥、水荒、水枯、水污的缠扰，做为“水”的关键点，“水处理”是水家族最最重要的急所重点，因此，水处理领域涉及的应用范围十分广泛，构成了一个庞大的产业应用，有超过“自然水”的趋势。
南水北调工程
 构想与实施
南水北调工程是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程。众所周知，我国的水资源南涝北旱，南水北调工程通过跨流域的水资源合理配置，大大缓解我国北方水资源严重短缺问题，促进南北方经济、社会与人口、资源、环境的协调发展。工程分东线、中线、西线三条调水线。西线工程在最高一级的青藏高原上，地形上可以控制整个西北和华北，因长江上游水量有限，只能为黄河上中游的西北地区和华北部分地区补水；中线工程从第三阶梯西侧通过，从长江支流汉江中上游丹江口水库引水，可自流供水给黄淮海平原大部分地区；东线工程位于第三阶梯东部，因地势低需抽水北送。
自1952年10月30日毛泽东主席提出“南方水多，北方水少，如有可能，借点水来也是可以的”宏伟设想以来，在党中央、国务院的领导和关怀下，广大科技工作者做了大量的野外勘查和测量，在分析比较50多种方案的基础上，形成了南水北调东线、中线和西线调水的基本方案，并获得了一大批富有价值的成果。
南水北调总体规划推荐东线、中线和西线三条调水线路。通过三条调水线路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的总体布局，以利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。截至目前，西线工程还没有开工建设。
 东线工程
东线工程：利用江苏省已有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输水线路。东线工程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，在位山附近经隧洞穿过黄河；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。东线工程开工最早，并且有现成输水道。
 中线工程
中线工程：从丹江口大坝加高后扩容的汉江丹江口水库调水，经陶岔渠首闸（河南淅川县九重镇），沿豫西南唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到终点北京。中线工程主要向河南、河北、天津、北京4省市沿线的20余座城市供水。中线工程已于2003年12月30日开工，计划2013年年底前完成主体工程，2014年汛期后全线通水。
 西线工程
西线工程：在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河的分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。西线工程的供水目标主要是解决涉及青、甘、宁、内蒙古、陕、晋等6省（自治区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。结合兴建黄河干流上的骨干水利枢纽工程，还可以向邻近黄河流域的甘肃河西走廊地区供水，必要时也可以及时向黄河下游补水。截至目前，还没有开工建设。
规划的东线、中线和西线，到2050年调水总规模为448亿立方米，其中东线148亿立方米、中线130亿立方米、西线170亿立方米。整个工程将根据实际情况分期实施。
三峡水电站
 什么是水电站
水电站是将水能转换为电能的综合工程设施，又称水电厂。它包括为利用水能生产电能而兴建的一系列水电站建筑物及装设的各种水电站设备。
利用这些建筑物，集中天然水流的落差形成水头，汇集、调节天然水流的流量，并将它输向水轮机，经水轮机与发电机的联合运转，将集中的水能转换为电能，再经变压器、开关站和输电线路等将电能输入电网。有些水电站除发电所需的建筑物外，还常配置为防洪、灌溉、航运、过鱼等综合利用目的服务的其他建筑物。这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽。
 水库的进展
三峡水电站，又称三峡工程、三峡大坝，位于中国重庆市市区到湖北省宜昌市之间的长江干流上。大坝位于宜昌市上游不远处的三斗坪，俯瞰三峡水电站并和下游的葛洲坝水电站构成梯级电站。它是世界上规模最大的水电站，也是中国有史以来最大的工程项目。
三峡水电站的功能有10多种，包括航运、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年开始蓄水发电，于2009年全部完工。
 水库的效能
三峡水库把陆地变为水体，库区由原来的陆面转化为广阔的水面。由于水体的辐射性质、热容量和导热率都不同于陆地，因此改变了库面与大气间的热交换，使库区附近气温变化趋于和缓。由于库面蒸发的增加，库区附近空气湿度增加，降水量可能增多。水库对河川径流有调节作用。
首先，水库使其下游河段人工渠流化，运用水库来抬高水位，集中落差，并对入库径流在时程上、地区上按用水部门的需要，重新进行分配。这一过程称为水库的调节作用。
其次，水库可削减洪峰流量，改变水库上下河段的水、沙平衡条件，将丰水期多余的水量蓄存起来，以备枯水期使用。
此外，水库又是地下径流的重要补给来源，使库区及周围地区地下水位抬高，在一定区域内造成土壤的沼泽化或盐渍化，进而引起水生植物、湿生植物或耐盐植物的繁殖。
运　河
运河是用以沟通地区或水域间水运的人工水道，通常与自然水道或其他运河相连。除航运外，运河还可用于灌溉、分洪、排涝、给水等。
中国的运河建设历史悠久，秦始皇二十八年（公元前219），为沟通湘江和漓江之间的航运而开挖了灵渠。京杭大运河是世界上最长的运河。美国密西西比河、哈得孙河与五大湖（苏必利尔湖、密歇根湖、休伦湖、伊利湖和安大略湖）间均有运河相通。前苏联将莫斯科河、伏尔加河、顿河以及里海、黑海、亚速海、白海和波罗的海用运河连接起来，组成了航道网。德国美因多瑙运河将使欧洲13个国家的河流连接成网。
按照位置和作用，运河分为以下几种类型：
海运河：位于近海陆地上，沟通内河与海洋，或海洋与海洋，主要行驶海船的运河。如苏伊士运河和巴拿马运河是沟通太平洋和大西洋的著名国际运河，被誉为世界七大工程奇迹之一。巴拿马运河从1881年起开凿，1914年完工。巴拿马运河全长81.3千米，水深13～15米不等，河宽150～304米。
内陆运河：位于内陆地区，供内河船舶通航的运河。如中国京杭大运河，北起北京，南到杭州，纵贯北京、天津两市，流经河北、山东、江苏、浙江四省，沟通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系，全长1794千米，是世界上最长的运河。
跨岭运河：运河跨越分水岭或山丘时，为了减少开挖工程量，常在两侧山坡上建船闸，越过山岭的运河，如苏联的伏尔加-顿运河。
旁支运河：用于沟通厂矿和附近航道而开挖的支航道。
其他分类：按照是否设置有船闸分为设闸运河和无闸运河。设闸运河，运河内设有船闸以克服水面落差大的运河，如巴拿马运河和德国基尔运河；无闸运河，水面落差落差较小，不设船闸的运河，如中国京杭大运河。
 
 
闻名世界的都江堰水利工程
都江堰，位于四川省都江堰市城西，是中国古代建设并使用至今的大型水利工程，被誉为“世界水利文化的鼻祖”，是四川著名的旅游胜地。通常认为，都江堰水利工程是由秦国蜀郡太守李冰及其子率众于前256年左右修建的。它是全世界迄今为止年代最久、唯一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。
秦蜀郡太守李冰建堰初期，都江堰叫“湔堋”。这是因为都江堰旁的玉垒山，秦汉以前叫“湔山”，而那时都江堰周围的主要居住民族是氐羌人，他们把堰叫做“堋”，所以都江堰就叫“湔堋”。
三国蜀汉时期，都江堰地区设置都安县，因县得名，“湔堋”改称“都安堰”，同时又叫“金堤”。这是突出鱼嘴分水堤的作用，用“堤”代“堰”作名称。
唐代，都江堰改称为“楗尾堰”。因为当时用以筑堤的材料和办法，主要是“破竹为笼，圆径三尺，以石实中，累而壅水”，即用竹笼装石，称为“楗尾”。
直到宋代，在《宋史》中，才第一次提到都江堰：“永康军岁治都江堰，笼石蛇决江遏水，以灌数郡田。”
关于“都江”这一名称的来源，《蜀水考》说：“府河，一名成都江，有二源，即郫江，流江也。”流江是检江的另一种称呼，成都平原上的府河即郫江，南河即检江。它们的上游，就是都江堰内江分流的柏条河和走马河。《括地志》说：“都江即成都江”。从宋代开始，把整个都江堰水利系统工程概括起来，叫都江堰，才较为准确地代表了整个水利工程系统，一直沿用至今。
潮汐发电
由于引潮力的作用，使海水不断地涨潮、落潮。涨潮时，大量海水汹涌而来，具有很大的动能；同时，水位逐渐升高，动能转化为势能。落潮时，海水奔腾而归，水位陆续下降，势能又转化为动能。海水在运动时所具有的动能和势能统称为潮汐能。
我国大陆海岸线长，岛屿众多，北起鸭绿江口，南到北仑河口，长达18000多千米，加上5000多个岛屿的海岸线14000多千米，海岸线共长32000多千米，因此潮汐能资源是很丰富的。据不完全统计，全国潮汐能蕴藏量为1.9亿千瓦，年发电量可达2750千瓦时，其中可供开发的约3850万千瓦，年发电量870亿千瓦时，大约相当于40多个新安江水电站。目前我国潮汐电站总装机容量已有1万多千瓦。
潮汐能的主要利用方式是潮汐发电。1913年，德国在北海海岸建立了第一座潮汐发电站。1957年，我国在山东建成了第一座潮汐发电站。1978年8月1日，山东乳山县白沙口潮汐电站开始发电，年发电量230万千瓦时。1980年8月4日，我国第一座“单库双向”式潮汐电站──江厦潮汐试验电站正式发电，装机容量为3000千瓦，年平均发电1070万千瓦时，其规模仅次于法国朗斯潮汐电站（装机容量为24万千瓦，年发电5.4亿千瓦时），是当时世界第二大潮汐发电站。
至于其运转模式，简单地说，潮汐发电就是在海湾或有潮汐的河口建筑一座拦水堤坝，形成水库，并在坝中或坝旁放置水轮发电机组，利用潮汐涨落时海水水位的升降，使海水通过水轮机时推动水轮发电机组发电。从能量的角度说，就是利用海水的势能和动能，通过水轮发电机转化为电能。
  用冰川水为我们“解渴”
由于人们对淡水资源的浪费和污染，地球上可供饮用的淡水资源逐渐减少。因此，科学家们早就想到了将来解决地球水荒的一个办法，那就是去南极或北极拖运冰山。这个办法不可能普遍适用，但对有的地方来说，又是可行之策。
前文已经提到过，地球的淡水资源，有88%在南极和北极的冰川中，只有12%存在于我们居住的大陆之中。所以，如果我们能够开发这88%的冰川水源为我所用，那么至少在短时间内，人类的淡水问题就可以得到解决了。
 可观的淡水资源
如果用最大的轮船来载运南极或北极的冰块作为淡水水源，那是绝对不经济的。因为，一次最多能载运几十万立方米。拖运冰山则可以多多益善。虽然拖运时冰山表面会有融化损失，但是冰山的个体越大，损失就相对越小。举个形象的例子来说，世界上发现的最大冰山的水量就有16万亿立方米，北京市1200万人口加上工农业用水一年消耗的清洁水量约50亿立方米。所以，那座大冰山够北京享用3200年。
 冰山的拖运
冰山怎么拖运呢？冰山的来源可以就地选材。从南、北极天然的几十万座冰山中完全可以来个优选。拖运和保护的方法倒可以加上高新技术的运用。比如，将冰山的前锋切削成流线型，后尾可以安置火箭助推器，运程中用卫星定位系统监测并发布预报，使拖运航线上的船只避让。还有，到港或近港后的淡水（冰）采集方法可以用激光切割，或海上平台加工传输等。真正到了缺水成为严重威胁时，相应的拖运实施办法肯定能更趋完善。
开发海底淡水
 海底也有淡水
随着人口的增长、环境污染的加剧，淡水资源也日趋紧张，于是有些科学家迅速地把目光转向了海洋……他们在海底发现了甘甜的淡水，而且数量大得惊人。
例如，在希腊东南面的爱琴海，海底有一处涌泉，一昼夜流出的淡水竟达100万立方米；在美国佛罗里达州和古巴东北部之间的海区，海水含盐量非常高，但中间有一大片直径为30米的海域却是淡水，颜色、温度、波浪和周围的海水一样，人们称它为“淡水井”；在我国闽南古雷半岛有一个小岛，离岛大约500米的海面上有一片淡水区，人们称它为“玉带泉”……俄罗斯海洋学家现已探明，大洋底部的淡水资源很丰富，其蕴藏量为海水总量的1/5。
 海底淡水的由来
海底的淡水从何而来？各国科学家通过艰辛的探索，提出了不少理论，主要有渗透理论、凝聚理论、岩浆理论、沉降理论等。
渗透理论认为，海底的淡水来自陆地。海洋每年有33万立方千米的海水被蒸腾，化为雨雪降到陆地上之后，一部分渗入地下，遇到不透水的岩层，便形成了蓄水层。如果这蓄水层靠近大海，淡水就有可能渗过海岸而流入海底岩层。
凝聚理论认为，地面上的淡水渗入海底只能到达一定界限，但实际上在这一界限以下仍有淡水，显然这些淡水不是来自陆地。据调查，这些淡水是由那里的水蒸气凝聚而成的。
岩浆理论认为，地球深处存在着放气带，每时每刻都释放出数量很多的气体，其中有大量的氧气和氢气，它们相互结合便形成了所谓的岩浆水（原生水）。据推算，地球内部有140亿立方千米的原生水，约为地球表面水量的10倍。
沉降理论认为，地下水的起源与海底沉积物的沉积过程相关联。海水中携带的大量泥沙，一层层地沉积在海底，下层的沉积物在重力的作用下，把水分挤出来，而被挤出的水又随着沉积物的下降，被带入地层深处，便形成了地下水。
不管哪一种理论更符合实际，但海底有藏量丰富的淡水，这是不争的事实，现在的问题是如何钻探开采。
荷兰阿姆斯特丹自由大学的水文地质学家雅可布·格伦和他的同事们设想，如果能在距离海岸100千米，海底深度100～300米的地方架设钻井，从海底提取地下水，就能用管道输送到陆地。这种从海底提取的地下水含盐量甚微，因此非常容易处理。虽然钻井设施的投资比较高，但比脱盐技术获取淡水的费用还是要便宜30％。
 海底淡水的利用
格伦认为，从海底提取地下水的方法，可以从根本上解决全球水资源短缺的问题。地球上的海岸线非常长，许多国家的主要城市和居民都集中在沿海一带。因此，解决了沿海城市的居民用水，就基本上解决了全球主要人口的水资源短缺问题。以美国纽约市为例，采用海底取出地下水的方法，完全可以解决全市800万人口800年的供水问题。所以，格伦将这一方法比喻为“蓝色的金子”。
现在，格伦的“蓝色的金子”已获得一些国家的认可。泰国“东水公司”正在曼谷沿海进行钻探，一旦获得海底淡水，将成为全球的一个示范工程。
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现代的人工降雨和人工降雪主要通过投放碘化银来完成。常见工具有飞机投放、高炮发射和火箭发射三种方式。
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在西亚的产油国科威特，淡水主要由进口和海水淡化来解决。所以，科威特是一个“水比油贵的国家”。
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以色列是世界上最缺水的国家之一，也是利用水资源最好的国家之一。在很早以前，国家就制定了法规实施农业滴灌。自那以后，农业生产增加了12倍，但消耗的水量没有增加。农学家还提出在农作物不同生长时期根据需要实施精确灌溉，可以使水的利用系数从提高至85～90%。
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开源与节流并重，节流优先，治污为本，科学开源，综合利用。
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经国家防总批准，三峡水库于2011年9月10日零时正式启动第四次175米试验性蓄水，至18日19时，水库水位已达到160.18米。
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世界上最长的运河是中国的京杭大运河。它建于隋朝，至今仍然发挥着通航的作用。连接两个大洲的运河是苏伊士运河和巴拿马运河，是当今世界最重要的海上通道。
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四川5·12大地震中，都江堰的水利工程经受住了考验，没有大的损害，显示了其强大的生命力。
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海洋是人类下一个最重要的能源来源。潮汐以其巨大、清洁的优点，越来越为人们所重视，缺点是初期投入较大。
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两极地区的冰川，是冰河时期遗留下来的。冰川是地球上最大的淡水资源，也是地球上继海洋以后最大的天然水库。