中国学科发展战略·水利科学与工程

第一章 / 水文学——变化环境下流域水循环演变与工程水文

第一节概述
水利科学与工程是一门主要研究水的保护和利用、水面及水下工程结构物的设计、建造及其安全运行的技术科学。水利是人类社会为了生存和发展的需要，采取各种措施，对自然界的水和水域进行控制和调配，以防治水旱灾害，开发利用和保护水资源。研究这类活动及其对象的理论和方法的知识体系称为水利科学，用于控制和调配自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利目的而修建的工程称为水利工程。
根据学科的研究范畴，水利科学与工程的研究领域划分如下：
水文学与水资源。水文学一方面揭示地球上水的形成、循环和时空分布规律，水的物理和化学性质，以及水与地球环境的相互关系，包括对人类活动的响应；另一方面将上述水循环的知识应用于水利、农业、林业、国土整治、城市、交通、生态环境保护等经济社会各部门，提供全方位的技术服务与支撑。水资源研究主要包括对水资源进行动态评价、合理配置、高效综合开发和合理利用与科学保护，协调水资源开发利用与经济社会发展和生态环境保护的关系，以水资源的可持续管理支撑经济社会的可持续发展。
农田水利学。农田水利学是以农业增产为目的，通过水利工程技术措施，改善水土自然条件，调配水情，为农作物提供适宜的水、土环境。针对我国水资源紧缺、洪涝灾害频繁、水污染严重、水土环境恶化等制约我国农业乃至整个国民经济可持续发展的瓶颈，农田水利学重点研究农业水资源持续高效利用的理论与技术、现代排水理论与技术、农业水环境和农业水生态、灌溉和排水中的重大工程技术问题，为现代农业的可持续发展提供理论基础和技术支持。
河流泥沙与河流动力学。本学科以挟沙水流自然现象和生产应用中的各种泥沙运动作为研究对象，包括泥沙运动力学、河床演变与整治、河流模拟的理论与方法、工程泥沙、航道与港口治理、水土流失与治理等多方面的内容。在细观尺度上，研究泥沙颗粒在流体作用下的输移和沉降过程；在宏观尺度上，则研究泥沙运动所导致的地貌发育和环境演变；在更大的时空尺度上，还研究泥沙运动导致的固体物质从山区搬向平原和海洋、形成冲积平原和三角洲，以及海洋环境中的沉积等过程。作为学科研究的应用方面，主要面向水利、水电工程中的泥沙问题。未来，河流泥沙与生态、环境方面的相互作用及其影响将日益凸显。
环境水利学。环境水利学是研究水资源开发利用与河流系统生态环境质量演变相互作用以及和谐发展的一门交叉学科。环境水利学的研究涉及水利工程、水生态、水环境等多个学科交叉的内容，从多个时空尺度通过观测、机理分析和数值模拟，研究物质在水体中的输移转化规律、河湖水文情势和栖息环境演变等，认识河湖生态环境系统的自然规律及人类活动对河湖生态环境的影响，确定合理的开发方式，为制定合理可行的工程运行调度规则提供理论依据。环境水利学研究涵盖水利工程学、以水生物种群生活繁衍环境为内涵的水生态学以及环境科学的研究范畴，同时又与湿地学、湖沼学、海洋学、沉积学和环境工程等学科密切相关，是一个典型的多学科交叉与相互融合的复合型学科。
水旱灾害与防灾减灾。水旱灾害与防灾减灾是研究人类活动与环境演变交互作用下的水旱灾害诱因、成灾机制、演变趋势与防治对策的综合性交叉学科，旨在构建更为完善的防洪抗旱减灾安全保障体系，寻求人与自然和谐的可持续发展模式。在基础科学层面，研究在自然与人类社会交互作用下水旱灾害的成因、后果与影响，探索变化环境下水旱灾害风险的构成及其时空分布规律。在应用科学层面，研究如何预防灾害，在灾害发生时如何减少损失，以及在灾后如何尽快地恢复重建。在应用技术层面，涉及增强人类理性调控洪水、抗御干旱与增强自适应能力的新技术、新设备、新材料、新工艺及其适用条件等。
水能科学与工程。水能科学与工程是关于水能资源合理规划开发、综合高效利用、优化运行管理以及水机电磁安全高效转换的综合性学科，主要研究内容包括流域及跨流域水能资源规划与开发、水能资源综合利用，复杂条件下水电能源系统与防洪、供水、航运、生态等综合调度与优化运行，水能资源与其他能源的联合补偿运行，基于安全和风险约束的水火电系统协调理论，市场竞争条件下水电能源均衡博弈理论与方法，新型蓄能与综合储能技术等。该学科新的发展方向是为其他可再生能源的开发利用提供支撑及相互间的补偿，并以此促进风能、太阳能及海洋能的开发利用。
海岸工程学。海岸工程学研究在自然现象和人类活动的双重作用下近岸海域内各类动力过程（包括波浪、泥沙、环境生态物质等要素）及其相互作用的基本规律，包括它们和海岸自然环境及海岸工程建筑物之间的相互影响。海岸工程学应用广泛，是沿岸港口航道的建设和维护、入海河口的综合治理、沿岸灾害的防范和减损、沿岸土地资源的开发和利用、沿岸景观和岸滩资源的保护和利用、沿岸环境及生态系统的调控等多类工程的规划、设计、施工、运行、维护，并确保其安全性、经济性和环境友好性的技术基础学科。海岸工程学的主要研究内容有海岸水动力学、海岸泥沙运动学、海岸水环境学、海岸工程建筑学等。
工程水力学。工程水力学是研究水利工程中水的平衡和运动规律及其应用的一门科学，包括水工水力学、施工水力学、电站水力学、通航水力学、溃坝水力学等。工程水力学服务于水利工程设计、运用、维护等实践环节，为工程安全、高效运行提供理论基础，重点研究内容包括河道水流特性、高速水流特性与泄洪消能、洪水演进特征与长距离输水等。
水工建筑学、水工材料及施工技术。水工建筑学、水工材料及施工技术是指以各类水利水电工程，包括江河治理、防洪、农田水利、水力发电、内河航运、跨流域调水等用途的水工建筑物为对象，研究其设计、施工建造、长期安全高效运行管理的理论、技术和方法的一门工程技术学科。由于水利水电工程对生态环境的影响日益凸显，环境生态友好型水工建筑物的规划设计与运行受到重视；水工建筑与信息科学的交叉，数字大坝、智能大坝的理念与实践正在形成；此外，水工新材料、新的施工技术以及广泛运用现代科学计算技术、数值模型和先进测试、试验技术与原体监测手段，也是学科发展的重要方向。
岩土力学与工程。岩土力学与工程是由力学、地学与工程和环境学科交叉形成，由土力学、岩石力学、工程地质及相应的工程技术组成的学科。岩土力学运用连续与非连续介质的基本概念、模型和方法，研究岩、土体的应力、强度、变形、破坏及流体热化学传输等物理力学特性。岩土工程以岩土力学为基础，运用工程技术手段和方法，合理地利用和改造岩土体的工程性质，解决工程岩土体变形、强度和稳定性问题。主要研究方向包括岩土体本构关系与数值模拟、岩土体试验及现场观测与分析、软基与岩土体加固和处理、岩土体渗流及环境效应、岩土体应力变形与灾害防治等。
水力机械动力学。水力机械动力学是研究水能与机械能相互转换的多学科交叉的综合性学科，水力机械学科以水泵、水轮机、可逆式水力机械等设备的水力特性、动力特性及结构特性为主要研究对象，以确保水力机械系统高效稳定运行为主要任务，研究各种因素对水力机械能量特性、空化特性和运行稳定性的影响。内容包括水力机械设计理论与方法，流动理论与流场分析方法，流固耦合机理及瞬变流动，空蚀、磨蚀和多相流理论与分析方法，水力机械结构动力学与稳定性分析技术，水力机械过渡过程及调控，故障诊断及运行监控，新型水力机械研究等。
水利工程管理学与移民工程。水利工程管理属于工程管理学的范畴，以水利工程项目为对象，是用工程手段对水资源进行开发、利用、节约、保护过程中，对工程的建设运营、维护实施科学管理的一门新学科。水利移民工程是研究水利水电工程建设占用与淹没土地及其导致的各类人口的物质、经济、社会的影响、迁移、安置和社会经济系统重建活动的基本规律、理论、方法及其应用的一门综合性学科。主要内容包括从移民系统工程角度研究移民系统演变的机理、规律和移民系统活动全过程的分析预测、规划设计、评价决策、建设管理、监测控制的理论和方法，从移民活动周期角度看，主要为移民规划设计、移民安置实施、移民管理三方面。
水利科学与工程学科是一个多学科交叉的综合性学科。与之相关的学科领域包括力学、机械、海洋、地质、材料、土木、管理、经济、生态与环境、信息与电子等，其发展受多个学科发展的促进和制约，同时也对其他学科的发展起到促进作用。在学科发展过程中，新的学科增长点不断出现，学科研究领域逐步扩展，并与相关学科交叉融合。从科学与技术层面来看，仍面临许多重大瓶颈科技问题需要突破。坚持以人为本，发挥水利科技引领作用，依靠科技进步，保障国家水安全，推动水利科技创新是“水利科学与工程”学科发展战略研究的目标。