研究防止水患、開發水利資源的方法及選擇和建設各項工程設施的科學技術。主要是通過工程建設，控制或調整天然水在空間和時間的分佈，防止或減少旱澇洪水災害，合理開發和充分利用水利資源，為工農業生產和人民生活提供良好的環境和物質條件。水利工程包括排水灌溉工程(又稱農田水利工程)、水土保持工程、治河工程、防洪工程、跨流域的調水工程、水力發電工程和內河航道工程等。其他如養殖工程、給水和排水工程、海岸工程等，雖和水利工程有關，但現常被列為土木工程的其他分支或其他專門性的工工程學科。水利工程原是土木工程的一個分支。由於水利工程本身的發展，逐漸具有自己的特點，以及在國民經濟中的地位日益重要，已成為一門相對獨立的技術學科，但仍和土木工程的許多分支保持著密切的聯系。
中國水利事業 中國水利工程建設具有悠久的歷史。傳說中的大禹治水，就是治理黃河水患。縱貫中國南北的京杭運河，全長1794公裡，始鑿於公元前5世紀（春秋末期），後經7世紀（隋）和13世紀（元）兩次大規模擴展，利用天然河道加以疏浚修鑿連接而成，是古代偉大水利工程。公元前3世紀（戰國時期）李冰父子主持修建的四川都江堰灌溉工程一直沿用至今，規模之宏大，規劃之周密，技術之合理，為前所未有。1949年以後，中國水利事業突飛猛進。50～60年代先後治理瞭淮河、海河水系，基本上控制瞭這兩個流域的水情。經過長期綜合考察和勘測，已制訂瞭長江、黃河的全面治理和開發計劃。長江中遊的荊江分洪工程已發揮作用；保衛武漢的長江大堤，經受過1954、1981和1983年幾次特大洪水的考驗；長江第一壩──葛洲壩水利樞紐工程第一期工程已投入運營，第二期工程正在施工；開發長江三峽的工作也在積極準備。黃河的前期治理開發工程，如劉傢峽、八盤峽、鹽鍋峽、青銅峽、天橋、三門峽等水利樞紐工程以及黃河下遊兩岸的堤防加固和分洪工程已初見成效，基本上控制瞭黃河水害，大體上穩定瞭河道，灌溉和電力事業得到發展。其他如東北的遼河水系、華南的珠江水系以及西南的怒江、瀾滄江水系，有的已經部分進行開發治理，有的正在規劃和制訂全面的開發方案。1983年竣工的引灤入津工程，全長234公裡，是目前中國輸水距離最長、流量最大的城市引水工程。京杭運河的部分河段拓寬加深，裁彎取直，增建船閘，並建江都、淮安水利樞紐，使其成為“南水北調”東線的通道。在中國960萬平方公裡的領土面積范圍內，平均年徑流總量約為2.6萬億米3，可以開發利用的水電資源約有3.8億千瓦，但迄今已控制和利用的僅其中極小部分。到1980年為止，全國已有灌溉面積約0.47億公頃，已修建的各類水庫達84000餘座，總庫容約為4000億米3，已建大中小型水電站約9萬座，總裝機容量2000多萬千瓦。
世界水利事業 地球上大陸總面積為1.49億平方公裡，長度大於5000公裡的河流有7條，地面平均年徑流量為47萬億米3。世界耕地面積約為15.01億公頃。據聯合國糧農組織統計，至1975年，灌溉面積達2.27億公頃，排水面積1.47億公頃。為解決各地區水量分配不均現象，很多地方修建瞭大規模的調水工程，如巴基斯坦引用印度河河水的西水東調工程是世界迄今已建成的規模最大的調水工程，引用流量每秒614米3，年引水量148億米3，輸水路程長達663公裡，灌溉面積約153萬公頃。全世界可能開發的水電資源約有22.6億千瓦，其中亞洲、非洲和拉丁美洲發展中國傢的水電資源占世界儲量的61.5％，但已開發利用的僅約4％。到1980年止，全世界已開發的水電總裝機數約為4.6億千瓦，其中美國為7665萬千瓦，蘇聯5230萬千瓦，加拿大4777萬千瓦，裝機大於2000萬千瓦的國傢還有日本、巴西和中國。目前，世界上已建和在建裝機大於300萬千瓦的水電站共21座，巴西和巴拉圭合建的伊泰普水電站，裝機1260萬千瓦，是在建的最大水電站。巴西水電資源十分豐富，僅次於中國居世界第二位，但已開發的不多，近20年來發展很快。當前世界水利工程向高、大發展，現有高於200米的大壩共25座，蘇聯羅貢土石壩壩高325米，為目前世界最高的。庫容300億米3以上的水庫共28座，烏幹達歐文瀑佈水庫庫容2048億米3。
水利工程規劃 水利工程規劃的目的是全面考慮、合理安排地面和地下水資源的控制、開發和使用方式，最大限度地做到安全、經濟、高效。水利工程規劃要解決的問題大體有以下幾個方面：根據需要和可能確定各種治理和開發目標，按照當地的自然、經濟和社會條件選擇合理的工程規模，制定安全、經濟、運用管理方便的工程佈置方案。因此，應首先做好被治理或開發河流流域的水文和水文地質方面的調查研究工作，掌握水資源的分佈狀況。
中國水資源在地理上和時間上的分佈很不均勻。就地理上分佈而言，長江和珠江的流域面積占全國領土面積的23％，而入海水量約占全國總水量的51％；黃河、海河、淮河的流域面積占全國領土面積的12％，入海水量卻不到全國總水量的4％；就時間上分佈而言，也很集中，如華北等幹旱缺水地區，降水量集中在七、八月份，占全年水量的一半以上，而冬春旱季，每月降水量隻有全年的3～5％。因此，解決水量在時間上和空間上的分配不均，以滿足工農業和城市建設等方面的需要，是修建水利工程的重要目標之一。
黃河泥沙的淤積沖刷是造成其下遊災害的重要因素。黃河中遊每立方米水流中的含沙量最大竟達1500公斤以上（無定河白傢川測站），在世界上絕無僅有。其他不少河流也有程度不同的泥沙問題。因此，流域的產沙和輸沙規律以及河床演變等也是水利工程規劃中需要研究的重要課題。
工程地質資料是水利工程規劃中必須先行研究的又一重要內容，以判別修建工程的可能性和為水工建築物選擇有利的地基條件並研究必要的補強措施。
水庫是治理河流和開發水資源中普遍應用的工程形式。在深山狹谷或丘陵地帶，可利用天然地形構成的盆地儲存多餘的或暫時不用的水，供需要時引用。因此，水庫的作用主要是調節徑流分配，提高水位，集中水面落差，以便為防洪、發電、灌溉、供水、養殖和改善下遊通航創造條件。為此，在規劃階段，須沿河道選擇適當的位置或盆地的喉部，修建擋水的攔河大壩以及向下遊宣泄河水的水工建築物。在多泥沙河流，常因泥沙淤積使水庫容積逐年減少，因此還要估計水庫壽命或配備專門的沖沙、排沙設施。
現代大型水利工程，很多具有綜合開發治理的特點，故常稱“綜合利用水利樞紐工程”。它往往兼顧瞭所在流域的防洪、灌溉、發電、通航、河道治理和跨流域的引水或調水，有時甚至還包括養殖、給水或其它開發目標。然而，要制止水患開發水利，除建設大型骨幹工程外，還要依靠大量的中小型水利工程，從面上控制水情並保證大型工程得以發揮骨幹效用。防止對周圍環境的污染，保持生態平衡，也是水利工程規劃中必須研究的重要課題。由此可見，水利工程不僅是一門綜合性很強的科學技術，而且還受到社會、經濟甚至政治因素的制約。
水工建築物 無論是治理水害或開發水利，都需要通過一定數量的水工建築物來實現。按照功用，水工建築物大體分為三類：①擋水建築物；②泄水建築物；③專門水工建築物。由若幹座水工建築物組成的集合體稱水利樞紐。
擋水建築物 阻擋或攔束水流、擁高或調節上遊水位的建築物，一般橫跨河道者稱為壩，沿水流方向在河道兩側修築者稱為堤。
壩是形成水庫的關鍵性工程。近代修建的壩，大多數采用當地土石料填築的土石壩或用混凝土灌築的重力壩，它依靠壩體自身的重量維持壩的穩定。當河谷狹窄時，可采用平面上呈弧線的拱壩。在缺乏足夠築壩材料時，可采用鋼筋混凝土的輕型壩（俗稱支墩壩），但它抵抗地震作用的能力和耐久性都較差。砌石壩是一種古老的壩，不易機械化施工，目前主要用於中小型工程。
大壩設計中要解決的主要問題是壩體抵抗滑動或傾覆的穩定性、防止壩體自身的破裂和滲漏。土石壩或砂、土地基，防止滲流引起的土顆粒移動破壞（即所謂“管湧”和“流土”）占有更重要的地位。在地震區建壩時，還要註意壩體或地基中浸水飽和的無粘性砂料、在地震時發生強度突然消失而引起滑動的可能性，即所謂“液化現象”（見砂土液化）。
泄水建築物 能從水庫安全可靠地放泄多餘或需要水量的建築物。歷史上曾有不少土石壩，因洪水超過水庫容量而漫頂造成潰壩。為保證土石壩的安全，必須在水利樞紐中設河岸溢洪道，一旦水庫水位超過規定水位，多餘水量將經由溢洪道泄出。混凝土壩有較強的抗沖刷能力，可利用壩體過水泄洪，稱溢流壩。溢洪道或溢流壩均具流線形溢流堰坎，它們的泄流能力較大，每秒可過水數千甚至數萬立方米。
水閘是兼具擋水和泄水兩種功能的水工建築物，由能控制泄流量的閘門部分構成瞭這種建築物的主體。
泄水隧道或壩身泄水孔多數是指進水口淹沒在水下的深水式建築物，根據進水口的位置高程，可在不同或變化的水位下向下遊泄水。由於整個建築物處在較高的水壓力下工作，條件比較復雜，因此，泄流能力受到一定限制。到目前為止，單洞或單孔每秒最大隻能通過數千立方米。
修建泄水建築物，關鍵是要解決好消能和防蝕、抗磨問題。泄出的水流一般具有較大的動能和沖刷力，為保證下遊安全，常利用水流內部的撞擊和摩擦消除能量，如水躍或挑流消能等。當流速大於每秒10～15米時，泄水建築物中行水部分的某些不規則地段可能出現所謂空蝕破壞，即由高速水流在臨近邊壁處出現的真空穴所造成的破壞。防止空蝕的主要方法是盡量采用流線形體形，提高壓力或降低流速，采用高強材料以及向局部地區通氣等。多泥沙河流或當水中夾帶有石渣時，還必須解決抵抗磨損的問題。
專門水工建築物 除上述兩類常見的一般性建築物外，為某一專門目的或為完成某一特定任務所設的建築物。
渠道是輸水建築物，多數用於灌溉和引水工程。當遇高山擋路，可盤山繞行或開鑿輸水隧洞穿過（見水工隧洞）；如與河、溝相交，則需設渡槽或倒虹吸，此外還有同橋梁、涵洞等交叉的建築物。
水力發電站樞紐按其廠房位置和引水方式有河床式、壩後式、引水道式和地下式等。水電站建築物主要有集中水位落差的引水系統，防止突然停車時產生過大水擊壓力的調壓系統，水電站廠房以及尾水系統等。通過水電站建築物的流速一般較小，但這些建築物往往承受著較大的水壓力，因此，許多部位要用鋼結構。
水庫建成後大壩阻攔瞭船隻、木筏、竹筏以及魚類回遊等的原有通路，對航運和養殖的影響較大。為此，應專門修建過船、過筏、過魚的船閘、筏道和魚道。這些建築物具有較強的地方性，修建前要作專門研究。
閘、閥及水力機械 水工建築物常用的附屬設備或設施，或某些水利工程的專用機械設備。
閘門 泄水建築物和水閘的重要組成部分，由兩側閘墩支承。閘門的作用是擋水和控制泄水流量。最常見的閘門型式有平面閘門和弧形閘門。前者迎水面為一平板，水壓力通過閘門兩側滾輪或滑塊傳至閘墩門槽。後者迎水面為平軸圓弧形，水壓力經由支腿集中通過圓弧中心處的支鉸傳至閘墩，這種閘門整體性強，啟閉靈活、運用方便。目前，絕大多數閘門采用鋼結構，也有少數為鋼筋混凝土或木結構。按工作條件，閘門又可分為露頂式和深水式。前者最大工作水深和閘門高相同；後者則隨進水口位置的高程而變，最大工作水深達100～200米。一般以作用在閘門上的水壓力大小作為衡量閘門規模和工藝水平的指標。目前，世界上最大的閘門水壓力為5000～10000噸級，閘門的啟閉通過專門的機械、電器設備操作運轉。
閥 調節泄水流量的又一種控制設施，適用於高水頭壓力管道。因此，常在水電站建築物的引水系統中使用。高流速泄水建築物用閥控制流量的也很多，常見的型式有蝴蝶閥、空註閥和錐形閥等。
水輪機和水泵 水輪機是水力發電站的關鍵性動力設備，它把水的勢能轉化為旋轉的機械能；水泵的作用是提高系統中水的位能，主要用於排水或抽水灌溉站。這兩種水力機械的機械結構和工作原理基本相同，但行水方向相反。正因如此，近代修建瞭不少專用於調節高峰負荷的水電站，電站的水輪機同時又是水泵，當電力系統中電力有富裕時，即抽水入水庫蓄能；一旦高峰負荷來臨，則又轉為泄水發電，這樣的水電站稱為抽水蓄能電站。
為提高水輪機的工作效率，應根據工作的水位落差（水頭）大小選擇機型。軸流式水輪機，適用於3～5.5米水頭；當水頭在30～450米之間時，宜選用混流式水輪機；而當水頭超過400米時，則應選用沖擊式水輪機。目前，世界上以美國大古力第三水電站的水輪機出力最大，單機出力為71.6萬千瓦；以奧地利賴瑟克水電站機組工作水頭最大，為1771米。中國東北白山水電站使用的水輪發電機組單機出力為30萬千瓦，工作水頭110米，是中國目前最大的水輪機。
施工和營運管理 水利工程的施工有許多地方和其它土木工程類同。導流問題是水利工程施工中的重要環節，常常控制著工程進度。在寬闊河道，一般采用分段圍堰的方法，先在河道一側圍出基坑進行這一段攔河閘壩的施工，河水由另一側通過。這一側完工後，便轉移至另一側施工，河水從已建的部分建築物通過。用圍堰攔截水流強令其轉移至已建工程通過，稱為截流。此外，還有采用河岸泄水隧洞或壩身底孔導流，這些洞和孔有時專為施工期的導流而設，但也可在施工完畢後留作永久泄水設施。
水利工程的施工周期一般都較長，短則1～2年，長則5～10年。
水利工程的安危常關系到國計民生，工程建成後如不妥善管理，不僅不能積極發揮應有的效用，而且會帶來不幸和災難。運營管理工作中最主要的是監測、維修和科學地使用。為此，每個水利工程一般都設有專門的運營管理機構，它是管理單位，又是生產單位。一個大型綜合利用水利樞紐工程，往往和國民經濟中的若幹部門有關。為更有效地發揮工程作用和充分經濟、合理、安全地利用水力資源，必需加強協調和統一指揮。