Page 29 - 2023年第54卷第4期

水 利 学 报

２０２３年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０４ － ０４０５ － ０９

输水隧洞水温模型

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：输水隧洞是长距离渠系输水工程的重要组成，北方输水隧洞水温的变化严重影响下游渠道冰情的发展。研
究了输水隧洞水体的热交换，包括无压隧洞气体与洞壁和水面的热交换，提出了计算水体热交换的参数化方程和
水温模型，并分析有压隧洞和无压隧洞水温的时空变化规律。结果表明：有压和无压隧洞水温均随着时间或者离
开隧洞进口距离的增加呈指数规律变化，分别逐渐趋近于一个大于 ０℃的定值，其大小与围岩恒温层温度、水温
及隧洞结构和热力学参数有关。
关键词：输水；有压隧洞；无压隧洞；热交换；水温
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０６０２
中图分类号：ＴＶ６７２
１ 研究背景

长距离渠系输水工程，除了通过明渠和渡槽输水外，还依靠隧洞和倒虹吸等水工建筑物输水。以
南水北调中线干渠工程为例，总长约 １２７７ｋｍ，其中很多地段采用隧洞输水：穿黄隧洞，长 ３４５０ｍ，
最大埋深 ３５ｍ，最小埋深 ２３ｍ；雾山隧洞，全长 ２５０９ｍ；吴庄隧洞，洞身长 ２２０７ｍ；岗头隧洞，全
长 １８００ｍ等。由于隧洞和倒虹吸为深埋地下的水道，从而使得长距离渠系输水工程的冰情与天然河
道显著不同。
南水北调中线干渠工程自 ２０１４年全线正式通水以来，进行了连续多年的冰情原型观测 ［１ － ３］ ，除
２０１５—２０１６年度极端寒潮期冰情严重外，其它冬季以暖冬为主，例如 ２０１９—２０２０年冬季，日平均气
温－ ０．５～ － ２．７℃，最低气温－ ７．３～ － １４．７℃，水温变化范围 ０．８２～８．５℃，各测站断面平均水温 ２．９７～
５．３４℃，实测最低水温 ０．８２～４．２４℃；主要冰情为岸冰、流冰，未形成持续冰盖，但是，采用河道冰
水力学理论模型数值模拟的计算结果是会形成连续冰盖及冰盖较厚 ［４ － ５］ 。这就提出了一个急待解决的
科学问题：产生这种理论与实际偏差较大的主要原因是什么。
［６］
在过去的冰水力学计算分析中，一般采用 Ａｓｈｔｏｎ 和沈洪道 ［７］ 的传统线性热交换模型分析冰情，
并且忽略了水体和河床之间的热交换。为了解南水北调中线工程理论计算与实际产生较大偏差的原
因，杨开林研究了冰期明渠和渡槽水体与大气及床底的热交换 ［８］ ，考虑了太阳辐射和反照率、地面与
大气的长波辐射、水面蒸发和对流及地面反射的热交换 ［９ － １１］ ，并分析了这些因素对水温和产生冰花时
断面含冰率的时空变化规律 ［１２］ ，结果表明：（１）正确考虑水面与大气热交换各因素的影响是提高冰情
预测准确性的发展方向；（ ２）水体与渠床和渡槽的热交换必须考虑，否则不能正确地确定水温。目前
存在的问题是，在冰水力学研究方面缺乏描述输水隧洞水温时空变化规律的数学模型。输水隧洞可划
分为有压隧洞和无压隧洞。水体通过有压隧洞时只与洞壁发生热交换，水温取决于洞壁围岩的地温；

收稿日期：２０２２ － ０７ － ２９；网络首发日期：２０２３ － ０２ － ２６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０２２３．１７２５．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目 （２０２２ＹＦＣ３２０２５０３）；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （Ｕ２２４３２２１，Ｕ２２４３２３９，５１９７９２９１，５２００９１４４）；
中国水科院科研专项（ ＨＹ０１４５Ｂ０３２０２１）；水利部公益性行业科研专项（２１１５０１０２５）
作者简介：杨开林（１９５５—），教授级高级工程师，主要从事冰水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｋｌｃｉｗｈｒ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ
— ４ ０ ５ —