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水 利 学 报

２０２２年 １１月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １１期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１１ － １３１７ － １１

渡槽水体的热交换及水温和含冰率的时空变化

杨开林
（流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８）

摘要：渡槽是一种高架空中的输水建筑物，冰期易于形成产冰场，可能导致下游发生冰塞灾害。考虑渡槽外壁与
大气的热交换，包括太阳辐射、外壁和大气的长波辐射、地表的长波辐射和反射及对流等因素，提出了渡槽外壁
温度及水体与渡槽热交换的计算模型。建立了冰期渡槽水温时空变化的一维数学模型，采用特征线方法得出水温
随时间和离开渡槽进口距离的增加呈指数规律变化的重要结论。在此基础上，导出了渡槽含冰率与负水温成正比
的理论公式。算例表明，如果忽视水体与渡槽的热交换，则可能导致计算冰情远远偏离实际情况的结果。
关键词：渡槽；热交换；水温；含冰率；模型
中图分类号：ＴＶ６７２ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０１８２
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

渡槽是一种输水的混凝土水工建筑物，槽身多为板梁结构，过水断面一般采用矩形和 Ｕ型。渡槽
又称高架渠，通常架设于山谷、洼地、河流之上。与河渠不同，渡槽外表面裸露在大气环境中，除水
面与大气热交换外，水体与内壁的热交换也受外壁与大气热交换的影响。在一般情况下，渡槽过水断
面比连接渠道小得多，所以流速较大，冰期常常不封冻。这些导致寒潮时单位长度渡槽水温比相同过
水能力渠道下降更快，而暖潮时单位长度渡槽水温比相同过水能力渠道上升更快。一旦受到严重寒潮
侵袭，渡槽水温可能很快降低到 ０℃以下，成为产冰场，水体中产生大量冰花，导致渡槽下游渠道发
生严重冰塞灾害，特别是当渡槽长度较大时。以南水北调中线输水工程为例，沿途修建了 ２１座大跨
度渡槽，最长渡槽长 １１９００ｍ，２０１６年 １月 ２１日受到极端寒潮侵袭，最低气温达－ １８．６℃，低温天气
持续了 ３天，漕河渡槽（长 ２３００ｍ）水温下降到 ０℃以下，产生了大量冰花，结果导致下游岗头隧洞前
发生了严重冰塞险情 ［１ － ２］ 。因此，当分析长距离输水工程的冰情时，需要考虑渡槽水体与环境的热
交换。
渡槽水体与环境的热交换包括水面与大气的热交换及水体与槽体的热交换。在水面与大气的热交
［３］
换计算方面，目前一般采用国际著名冰工程专家 Ａｓｈｔｏｎ 和沈洪道 ［４］ 的传统线性化模型，该模型只考
［７］
虑气温和水温的影响，并在工程计算中得以普遍应用 ［５ － ６］ 。在水体与床底的热交换方面，Ｊｏｂｓｏｎ 和
茅泽育等 ［８］ 采用数值求解非稳态热传导偏微分方程的方法，研究了河床对水温的影响。河渠与大气的
热交换非常复杂，仅仅考虑气温和水温的影响，常常不可避免会导致计算结果远远偏离实际情况。以
南水北调中线工程为例，自 ２０１４年全线正式通水以来，在中线工程中进行了连续多年的冰情原型观
测 ［１ － ２，９］ ，除 ２０１５—２０１６年度极端寒潮期冰情严重外，其它冬季以暖冬为主，主要冰情为岸冰、流冰，
未形成持续冰盖，但是采用传统线性化热交换模型的计算结果却是形成连续冰盖及冰盖较厚 ［１０ － １１］ ，与

收稿日期：２０２２ － ０３ － １６；网络首发日期：２０２２ － ０９ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２０９１４．１１３６．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：水利部公益 性 行 业 科 研 专 项 （２０１５０１０２５）； 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 （２０１８ＹＦＣ１５０８４０３）； 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目
（ ５１９７９２９１，５２００９１４４）
作者简介：杨开林（１９５５—），教授级工程师，主要从事冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｋｌｃｉｗｈｒ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
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