水利工程博士論文范文

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第1篇

歷史和現實啟示，必須加強水文生態的研究和人才培養。1992年，作者指導的博士生馮國章同志，以“水事活動對區域水文生態系統的影響”為博士論文選題開展研究，該論文2000年獲全國百篇優秀博士論文獎，說明專家學者們對這方面研究的支持。作者積極建議開展干旱半干旱地區水文生態與水安全研究和人才培養，值得高興的是教育部和國務院外國專家局批準了“111”引智計劃———“干旱半干旱地區水文生態與水安全學科創新引智基地”項目，經過3年多的研究，作者對水文生態有了進一步的認識。

關于水文生態（學）的科學界定與學科內涵

在馮國章教授的論文中，對水文生態作了這樣的界定：“所謂水文生態，實際上就是水文生態系統，它是由水文系統和生態系統復合而成的，集水文循環與生態進化及其共同的自然環境、人工環境于一體的，具有耗散結構和遠離平衡態的、開放的、動態的、非線性的復雜巨系統”［2］。具體的水文系統是指由一定的地理空間內的各種水體及其形成、運移和賦存環境（自然的、人工的或復合的）所構成的地理、地質、生物（包括人類）等環境功能系統整體，是一個開放的復雜巨系統，同時又是一個動態的非線性系統。生態系統的定義是人們比較熟知的，它是生物群落及其生存環境共同組成的動態平衡系統；具體的生態系統是在一定的地理空間和地質系統內，生物和非生物成分通過物質循環、能量傳輸和信息交換而相互作用，相互依存所形成的生態學功能單元。由于水是生命之源，是萬事萬物之本，是生態環境的基本要素，因此，生態要素中包括著水，水文系統必然影響生態系統，生態系統的變化———如退耕還林、修造梯田，也必然影響水文系統，2個系統相互影響，具有明顯的關聯性和協同性，應當是一個統一的水文生態功能整體，如圖1所示。因此，隨著自然的和人類認識的發展以及生產實踐的需要，把水文系統和生態系統作為一個整體———水文生態系統而加以看待和研究是科學發展的必然，具有十分重大的理論意義和實用價值！在水文系統和生態系統都很脆弱敏感的干旱半干旱地區尤其如此。正因為這樣，我們把教育部和國務院外國專家局下達的項目“干旱半干旱地區水文生態與水安全學科創新引智基地建設”，看作一項時代的需求加以對待，通過向世界引智，向全國合作加以實現［3］。從圖1可以看出，水文生態系統有大有小，人們也可以把地球看成一個大的水文生態系統，一條大江大河也會構成水文生態系統，而在其內的小江小河和中、小河流域也可以構成相應的水文生態系統。因此，水文生態系統是具有層次性的。水文生態系統的組成因子可以概括為“水－土－光－熱－氣－植－動（物）和人類”。再具體一些可列成圖2。

水文生態系統的實例舉示

水文生態系統可能是天然形成的，也可能是人工的，也可能是人工參與雕琢的。水文生態系統滿目皆是，這里舉示幾個最具代表性的水文生態系統———灌區、梯田和綠洲。

1灌區水文生態系統如圖3所示，所謂灌區水文系統是人為地修筑引、輸、配水渠（管）道系統，將河水或井水引至田間，澆灌農田的灌溉工程。依靠灌溉工程保證作物、林果茁壯成長所需水分，配合光、熱、氣、土壤資源和生物資源的組合，形成具有良好農業生產條件的新的生態系統———灌區水文生態系統。

2梯田水文生態系統梯田是在易于產生水土流失的坡地上，分段沿等高線建造的階梯式農田。梯田是治理坡耕地，保持水土、蓄雨納滲的重要工程措施，梯田的最大作用是蓄積降水截流納滲，結合土壤改良和窯窖等工程措施，消除徑流，從而形成能夠保持水土、有利農耕的水文生態系統，圖4顯示了這種系統及其功能。

3綠洲水文生態系統綠洲是指在荒漠地區比較平坦的地方，由于來自山區的地表水的滋潤或地下水的抬升岀溢，使當地出現生長茂盛的生物群落，呈現較大面積的綠色景觀，如圖5所示。綠洲的出現充分體現了水的生態功能。綠洲的出現仰賴于水的滋潤，如果補給水源遭到截取，則綠洲陷入萎縮消亡。因此，要保護和恢復綠洲生態系統，就必須保護和復壯水文系統，要破解綠洲生態的興衰問題，其要害也在于抓住水文生態系統的動態變化。

第2篇

治水興國，任重道遠

說到水文，這是一個古老的學科，因為人類治水已經有數千年歷史。可以說，一部人類文明史就是一部人與水打交道的歷史。李冰的都江堰，讓原本蠻荒的四川盆地變成了千萬畝良田；舉世聞名的京杭大運河更是便利了南北交通并鞏固中央政權在全國的統治。水文學科的核心是討論水如何循環的問題。而其派生出的水資源工程學科，它的出發點是遵循水文循環的原理，并以此來為實際工程中的水資源合理配置提供技術支持。水文及水資源工程專業就是這兩門學科共同組成的。

課程充實，重視實踐

用科目繁多形容水文與水資源工程專業的課程，一點不為過。但這種繁多并不是混亂地堆砌在一起，而是注重課程與課程之間一環套一環的銜接，構建起立體的知識體系。

高等數學、線性代數、概率統計、大學物理、VB編程設計等是基礎課。高等數學的思想方法將滲透在日后的每門專業課中，比如微積分，雖然很簡單，卻是探究科學世界最有力的工具，水力學中的靜水壓力、三維流體運動，氣象學的壓高公式、風的運動，水文學中的土壤下滲公式、匯流卷積公式等等都與此密不可分。概率統計在匯流理論、洪水頻率計算中是不可或缺的理論工具。另外是計算機編程，水文專業非常需要計算機建模的能力，學到蓄滿產流模型、單位線方法、馬斯京根法演算這幾個模型方法時，如果可以自己編程運算，不僅提高效率，而且可以得到巨大的成就感。

說到專業課，不得不提到其中最精彩的部分――課程設計。老師會下發一個任務書，要求學生運用所學的原理，自己編程計算，并分析結果，給出論證。通常，上專業課更多的是對眾多知識點進行識記，而如何靈活運用這門課所教的理論去解決實際問題，則在課程設計中體現。一門課程設計通常需要花費一周甚至更多的時間，每到這時，你會看到自習室里擺滿了筆記本，大家都在加班加點地編程或者調試程序。然后，筆耕不輟地寫上幾大頁紙，等到一份完整的課設報告出爐后，才能舒一口氣。其實在以后工作中，常常需要做一個項目的算稿，要給出工程所用到的具體計算方法和詳細計算結果，當結果通過總工程師的審查后，才能將其寫在最終報告上。而這種算稿，和大學時期做的課程設計相類似，因此現在的課程設計是為以后的工作打下良好的基礎。

另外，水文屬于自然科學和工程科學，因此這門學科的學習中少不了野外實習。以我所在的學校為例，我們需要進行自然地理實習、氣象實習、水利工程實習、水文綜合實習、水文測驗實習，實地參觀大壩、抽水站、水文站、污水處理廠等，并與專家進行交流。實習的魅力之一就在于它將書本上的理論鮮活地展示在眼前。自然地理實習在宜興的丘陵，大家就著書本認識了各種巖石、植被形態、河谷地貌；氣象學實習在北極閣的江蘇省氣象臺預報中心，在那里我們了解了天氣預報制作的全過程；水利工程實習，參觀了江都水利樞紐，在水電站機組的轟鳴聲中，感受著南水北調這一宏大工程的脈動；水文綜合實習，在污水處理廠，我們使黑臭的污水變成了涓涓清流。最有意思的水文測驗實習，泛舟于宣州水陽江上，同學們通過各種方法對江水的流速和流量等進行分析。然后回到水文站里進行資料整編和制圖，在實習老師的指導下，以前上課提到的幾個理論問題全都在這里得到了解決。就是這樣，帶著好奇帶著疑問，在領略一路風景之余，既系統復習了課堂上的知識又學到了很多課堂以外的內容，真是收獲頗豐！

就業或深造，我走我的路

學完了理論，進行了實踐，就該到了大家最關心的就業問題了。作為連續兩年的“綠牌”專業，水文與水資源工程專業就業完全沒有壓力。而且除了就業率高外，對口也是我們專業就業的一大特點。具體說來，水文與水資源專業培養方向大致可分為以下五類：一是民生水利方向，側重于培養學生小水利、小水電、農村飲水工程及灌溉工程設計、施工、監理能力，就業可去各級水利局及其下屬的設計院所；二是水土保持方向，側重于培養學生水土保持設計、管理能力，就業可去各級水保局及水保站；三是水文測驗方向，側重于培養基礎水文部門技術人員，就業可去各級水文局、站，如省水文局、流域委員會水文局等；四是水庫水電站運行方向，側重于培養學生水庫水電站調度運行管理能力，就業可去各類水電開發企業、梯調中心；五是水文地質方向，側重培養學生工程水文地質調查能力，就業可去各類水文地質單位。此外，一些大型民營企業在招聘會上也吸引了不少同學的眼球，比較有名的有北京江河瑞通、北京清流科技、福建四創等等，學水文的主要從事水文儀器、防洪預報系統、水庫調度系統的研發。還可以去電力口子的單位，如南瑞集團、國電南京自動化股份有限公司，從事水利水電自動化方面的工作。

第3篇

[關鍵詞]水利工程；3D GIS；建模

中圖分類號：TV221.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）12-0347-01

從GIS角度，水利工程是一種復雜的地理對象，主要表現在既有靜態工程建筑，又有動態工程運行管理。動態如水庫庫容、面積隨著水庫蓄水位而變化；水閘工程運行有開閘、關閘，開閘又有閘門的開閉度。不同的水閘有不同的運行

狀態，影響水閘上下游水位與過閘流量，如此等等。水利工程與水密切相關，而水隨時間、空間而變化，這決定了水利工程動態屬性的復雜多變。

水利工程3D GIS中的地形3D建模主要借助地形DEM技術，將水利工程所處的地形進行3D表達。地形3D表達本身即是水利工程3D GIS的重要組成部分，同時它作為水利工程3D GIS中其它對象和環境的載體而存在。

1.水利工程及水利工程對象分析

在水的靜力或動力作用下工作，并與水發生相互影響的各種建筑物即水工建筑物。對于開發河川水資源來說，常須在河流適當地段集中修建幾種不同類型與功能的水工建筑物，以控制水流并便于協調運行和管理，這一多種水工建筑物組成的綜合體就稱為水利樞紐。因自然因素、開發目標以及技術經濟條件不同，各水利樞紐的組成建筑物可以是各式各樣的。例如黃河干流上以發電為主，兼有防洪、灌溉等綜合利用效益的龍羊峽水力發電樞紐，就包含了如下主要建筑物：攔河壩，由重力拱壩（主壩）、左右重力墩（即重力壩）以及左右岸副壩組成；溢洪道，位于右岸；左泄水中孔，與溢洪道共同承擔主要泄洪任務；右泄水深孔和底孔；壩后式水電站。

水利工程并不總是以集中興建于一處的若干建筑物組成的水利樞紐來體現的。有時僅指一個單項水工建筑物，有時又可包括沿一條河流很長范圍內或甚至很大面積區域內的許多水工建筑物。即使就河川水利樞紐而言，在不同河流以及河流不同部位所建的樞紐，其組成建筑物也千差萬別。通常可按功用分類：

（1）擋水建筑物。攔截或約束水流，并可承受一定水頭作用的建筑物。如蓄水或奎水的各N攔河壩，修筑于江河兩岸以抗洪的堤防，施工圍堰等。

（2）泄水建筑物。排泄水庫、湖泊、河渠等多余水量，以保證擋水建筑物和其它建筑物安全，或為必要時降低庫水位乃至放空水庫而設置的建筑物。如設于河床的溢流壩、泄水閘、泄水孔，設于河岸的溢洪道、泄水隧洞等。

（3）輸水建筑物。這些是為灌溉、發電、城市或工業給水等需要，將水自水源或某處送至另一處或用戶的建筑物。其中直接自水源輸水的也稱引水建筑物。如引水隧洞、引水涵管、渠道、渡槽、倒虹吸管、輸水涵洞等。

（4）取水建筑物。它是引水建筑物的上游首部建筑物。如取水口、進水閘、揚水站等。

上述分析可見水利工程無論規模大小，大到水利樞紐，小到水工建筑物的部件均是獨立的水利工程對象。獨立的地理對象同時又是工程總體中的一部分。

2.水利工程對象屬性分析

水利工程對象無論是建筑物單元，還是水利樞紐，均可視為一個地理對象。各對象具有如下的屬性：

（1）水利工程建筑物具有幾何可分解等概化特征。與2D地圖符號的抽象性不同，3D模型可表達與工程實體相同或相似的工程形體。復雜的水利工程建筑物可分解為許多形態相對規則的工程單元體。工程概化是將分解后規則的單元體用一個個可進行數學計算與分析的幾何體來表示；

（2）水利工程基本單元各自有其幾何體屬性。如梯形、柱體、長方體、圓柱體等。而概化類型相同的幾何體還有不同尺寸大小等屬性：

（3）工程對象具有方位屬性。如建筑物的X， y，：坐標，建筑物面的朝向等；

（4）水利工程對象之間有著緊密的空間關系。對一個具體的水利工程而言，其各部分工程組件之間的空間關系是確定的，其上、下、左、右不可相互取代；

（5）水利工程建筑物之間具有嚴格的邏輯關系。每個水利工程建筑物的組成部分都屬于該工程，而不屬于其它工程。如溢洪道的水閘和船閘的水閘，同是水閘，但是屬于不同建筑系統；

（6）工程對象可視化屬性。不同工程對象其材質、表面形態不盡相同。3D建模可充分反應工程對象表面信息和內在透視信息；

（7）水利工程建筑物屬性。不同工程單元屬于不同的水利工程建筑物，其屬性是進行區分的最重要標志；

3.水利工程3D GIS建模流程

水利工程建筑物單元體是水利工程3D GIS建模的最基

本元素。對應于水利工程的屬性分析，分別賦予其概化特征、幾何屬性、方位屬性、空間關系、邏輯關系、可視化屬性和水工建筑物屬性。以它為水利工程GIS基本元素，形成更復雜的GIS對象，如水利工程建筑物、水利工程、水利樞紐。在此過程中形成的復雜GIS對象會被賦予新的屬性信息，這點完全符合水利工程的內涵。

3D建模部分在對水利工程概化的基礎上，用幾何概化體來表達實際水利工程：在以上步驟完成的基礎上，建立水利工程3D GIS數據模型：最后，實現水利工程3D GIS空間數據結構，建立4級水利工程3D GIS對象數據表結構，并對其進行存儲管理。

4.水利工程建筑物模型與地形模型的匹配

在實際3D場景的構建中，如果地物沒有與地形相融合，就會造成諸如地物飄在空中或鉆入地下的情景。對雙方模型匹配的處理是較為復雜的問題，原因在于：

（1）地物、地形模型往往是通過不同的建模軟件生成的，雙方的數據結構和組織方式有很大差別（如地形模型常用規則格網表示，而地物模型常用三角網表示）；

（2）地物模型如何同地形模型準確匹配。在真實世界中，地物的位置是任意的、不受任何限制的；而在視景仿真中，地形是起伏的，而地物的基準面往往是水平的，會出現地物所覆蓋的區域跨在2個或多個高度不同的地形三角形面片上；

（3）不同的視景調度、顯示技術對匹配技術的要求不同：如加速遮擋面處理的優先級法不允許一個地物跨越2個或多個地形面片；而地物的LOD受地形LOD的牽制，當地形從一個LOD層次向另一個LOD層次過渡時，地形面片的分割將發生變化，地物的數據也必須改變，而不考慮地物的數據是否需要更新。

在地物與地形匹配方面有以下一些策略：

（1）首先在地形模型的選擇上，根據應用需要選擇規則格網或三角網。兩種數據結構各有優缺點，這里不再詳述，比較成熟的結論是：在中小比例尺條件下，采用規則格網結構描述DEM，因為其結構簡單，處理負擔均衡，磁盤存儲易管理，有利于LOD的自動生成，另外有利于兩者分開建模以及實現地物與地形的自適應匹配；在目視比例尺條件下采用三角網數據結構，它可以精細地刻畫地表形態；

（2）地物與地形的匹配常用兩種策略：直接將地物放置在地形表面上。這一方法最簡單和實用，MultiGen即采用這一方法。這一方法的缺陷在于視景顯示時，會出現“爭奪Z值”的現象，即同一個Z值上可能有多個面；首先生成地形的TIN網絡，然后逐漸加入地物模型，與地形整合在一起。

5.結語

本文研究水利工程3D GIS問題，重點研究了水利工程3D GIS建模與數據結構，最后得出水利工程建筑物模型與地形模型的匹配的一些策略。

參考文獻