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  桃園臺地為古石門溪所沖積而成的沖積扇平原。但在古石門溪上游發生河川襲奪後,桃園臺地的河流多荒溪型河流,而缺乏穩定供應的水源。因此清代墾民在入墾桃園臺地後,多以興建埤塘來供應灌溉所需的水源,但仍無法完全掙脫「看天田」的困境。  清代桃園臺地的水利事業多為墾民自己修築。如乾隆13年(1748年),霄里社通事知母六曾和漢人墾戶薛奇隆共同修築霄裡大圳來灌溉今日龍潭一地,其後又修築靈潭埤(今龍潭大池),蓄水灌溉龍潭一地。  到了道光21年(1841年),曹謹任臺灣府淡水撫民同知。曹謹任鳳山縣知縣時,曾修建曹公圳灌溉鳳山地區。在任淡水撫民同知後,即研議引大漢溪水修築水圳以灌溉桃園臺地,此為官方主導水利興建之始。但因墾民之間的分類意識,而無法實踐。  其後在大正5年(1916年),八田與一和狩野三郎引大漢溪溪水,以官民合資的方式,人工開鑿桃園大圳,並於大正13年(1924年)竣工。竣工後,八田與一繼續研究在石門峽谷建壩蓄水之可行性,並在昭和4年(1929年)發表「昭和水利事業計劃」,並開始著手對大漢溪進行水文調查和地質探勘。但因戰爭隨即爆發,未付諸實施。  民國三十四年(1945年),陳誠來臺時曾赴石門遊覽。有了興建水庫之意。因戰爭影響延至1950年後才開始從事地質、水文、農業經濟之調查,並工程成本之估計。  民國四十四年(1955年)年政府核准石門水庫工程定案計劃,開始動工。

  1955年7月,石門水庫建設籌備委員會成立,以中華民國副總統陳誠為主任委員,臺灣大學教授徐世大受聘為總工程師、顧文魁兼任副總工程師。石門水庫主壩原規劃為混凝土拱壩,然基於壩基承載力考量設計時修正為土石壩。水庫排洪設施原僅規劃建置有溢洪道,1956年7月開始興建。  1964年6月14日,興建歷時8年,石門水庫正式竣工。參與建設人員七千餘人,建設經費約達新臺幣32億元,其中包含美援資助。水庫建設完畢之後,具有灌溉、發電、給水、防洪、觀光等效益。主要工程可分為大壩、溢洪道、排洪隧道、電廠、後池及後池堰、石門大圳及桃園大圳進水口等結構物。1963年由於葛樂禮臺風引發超大洪水,經重新檢討後於1979年在大壩右岸山脊增設排洪隧道,排洪能力由原設計之每秒11400立方米提升到每秒13800立方米。

  原建庫主要標的為灌溉與防洪,目前其調節供應公共給水之功能愈形重要;其公共給水除下游鳶山堰攔引送板新淨水場外,另於大壩上游取水經石門大圳送平鎮、龍潭、石門淨水廠,及於後池堰取水經桃園大圳送大湳淨水廠,每日平均由水庫調蓄之供水量約250萬立方米,合計下游未控流量及三峽河抽水站者,總供水量最大可達300萬立方米,主要供應新北市、桃園市及新竹縣湖口鄉之公共享水。

  石門水庫大壩壩高達133.1米,是全臺灣高度最高的土石壩,站在壩頂上可俯瞰後池堰及龍潭、大溪、三坑等地區,而每當大雨來臨時,石門大壩溢洪道洩洪更吸引許多遊客至此欣賞洩洪的壯觀景象。

  

  石門發電廠位於石門水庫大壩下游左側,為塔式進水口,直徑4.57米之壓力鋼管,長318.8米,採戶外式鋼筋混凝土廠房,廠內設有45,000千伏安容量之水輪發電機兩組,154千伏輪電線。長12.9公里。  義興電廠則於1983年與榮華壩配套興建完成,於義興壩下游處左岸設定發電廠,而發電進水口則設於榮華大壩上游左岸。義興電廠由石門電廠遙控操作,其型別為川流式發電機組,裝置水輪發電機一組,容量40仟瓦。

  後池堰位於石門大壩下游約1.4公里處,可調節石門電廠發電尾水及溢洪道與排洪隧道之洪水。後池堰分溢洪段及土石段,溢洪段為鋼筋混凝土結構,上面建有後池大橋,總長317.5米。後池堰蓄水形成的後池,位於石門大壩下游至後池堰之間,容量約220萬立方米,後池堰左岸旁設有沖刷道閘門,後池堰右堰座則設有溪洲圳閘門。

  石門大圳進水口設於石門水庫內,系一直立塔形結構,最大進水量為每秒18.4立方米,下接閘門室、壓力隧道及消力池後進入渠道系統。

  桃園大圳原本的進水口位於依山閣,石門水庫完工後桃園大圳進水口遷建於後池堰之左岸,為一箱形鋼筋混凝上結構,最大進水量為每秒16.8立方米,下接平水池後以新建之連線隧道與舊有系統相接。

  1966年興建義興防砂壩,壩高25米,1973年完成壩體加高工程,以處理水庫沙土淤積問題。

  1977年興建巴陵防砂壩,壩高38米,壩長80米。經長期侵蝕,巴陵壩壩基已被大自然掏空衝出裂縫,2007年9月韋帕颱風狂風暴雨挾帶上游崩落土石,鑿成壩基掏空、壩體潰壩。

  榮華大壩於1983年興建完成,壩址位於義興壩及巴陵壩間,壩高82米,壩長160米。

  1963年葛樂禮臺風引發超大洪水,重新檢討水文後,於大壩右岸山脊增設排洪隧道兩條,於1978年完工。排洪隧道每秒1,200立方米之排洪隧道兩條,各長680米,其進口頂部較已有溢洪道堰頂低15米。隧道進口端直徑為9米,漸變為底寬7米高、10米之自由流水馬蹄型隧道。

  石門水庫排砂隧道設於石門大壩溢洪道左岸,總長約377.6米,主要功用為解決颱風期間取水問題以及維持石門水庫庫容,第一期工程將既有石門發電廠第2號壓力鋼管改建為排砂鋼管以增加排砂功能,降低石門水庫淤積速率以延長水庫壽命,第二期工程則是維持電廠之功能,將原電廠第1號發電鋼管改建為#1A、#1B發電鋼管,排砂隧道於2012年12月完工,2013年7月蘇力颱風期間首次啟用,每年約可清除水庫淤泥100萬立方米。

  2004年8月24日艾莉颱風來襲,於石門水庫集水區降下累計超過900毫米之平均雨量,使上游集水區產生大規模土石坍塌,洪水挾帶大量泥砂流入水庫,增加水庫淤積量達2,788萬立方米,並導致石門大圳取用之水庫下層原水高度混濁,導致桃園地區民生用水無法正常供應。經水質檢測分析發現,水庫上層(標高約202米)原水濁度受泥沙淤積影響程度較小,因此在石門水庫壩頂堅實巖盤上架設抽水機組共19部及集水槽,並沿壩體邊坡道路設定輸水管線,將水庫上層原水抽送至臺灣自來水公司淨水廠使用,以解除桃園地區停水問題。壩頂抽水設施完成後,歷經海棠颱風、馬莎颱風及泰利颱風顯示緊急抽水工程可有效穩定桃園地區供水狀況。石門水庫為長期穩定供應颱風時期供水,於大壩左岸增設分層取水設施,2009年底完成測試及供水,緊急抽水設施功成身退予以拆除,壩頂恢復通車。  分層取水工程增設於石門水庫左壩座,是臺灣首座將營運中的舊水庫進行取水工改建,分別於標高220米、228 米、236米新增分層取水口,以利汛期時可取用水庫上層低濁度原水,取代原標高195米高濁度之石門大圳底層取水口,每日引取140萬噸水庫原水,工程經費約新臺幣12億元。

  水庫有放養青魚(學名:"Mylopharyngodon piceus")和大頭鰱(學名:"Aristichthys nobilis")等魚類,另外尚有臺灣蜆(學名:"Corbicula fluminea formosa")、圓蚌(學名:"Anodonta woodiana")和河殼菜蛤(學名:"Limnoperna fortunei")等雙殼貝及腹足類的臺灣椎實螺(學名:"Radix swinhoei")。其中河殼菜蛤為入侵物種,2002年水庫水位降低才發現其龐大族群。目前已擴散至桃園大圳部分圳路以及下游的鳶山堰。目前僅有特有生物保育中心和北區水資源局有進行河殼菜蛤的相關研究。
石門水庫是臺灣北部的主要水庫之一,位於桃園市大溪區、龍潭區、復興區與新竹縣關西鎮之間的石門峽谷。石門水庫曾經是遠東最大的水庫,採土石堤岸型壩體,攔截大漢溪溪水蓄水而成,是臺灣第一座多功能水庫。