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水 利 学 报

２０２４年 ２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０２ － ０１７９ － １２

基于全气象参数的南水北调中线冬季水气热交换模型

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潘佳佳 ，郭新蕾 ，王 涛 ，付 辉 ，陈玉壮 ，李明新 ２
（１．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；
２．中国南水北调集团中线有限公司，北京 １０００３８）
摘要：针对南水北调中线干渠水体表面热交换精细模拟技术欠缺和多气象因素相互作用机理不明等关键问题，考
虑太阳高度角、日照时间、云层遮挡和反照率等因素对太阳辐射的影响，并综合分析水体吸收、反射和发射的净
长波辐射、涵盖水体蒸散发失热、水面温差引起的热传导和降雪引起的失热，建立了基于全气象参数的大型明渠
水气热交换数学模型。结合南水北调中线全线通水后 ５年的冬季水温、气温、相对湿度、气压、风速、太阳辐射
等原型观测资料，重点分析和模拟了典型年北拒马河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸等渠池的净热通量量值及其组分
占比。结果表明，模型能够精细模拟不同渠池水体逐小时吸收的太阳辐射、释放的长波辐射、蒸发失热和水气热
传导。模拟结果和观测资料均显示中线干渠冬季以失热为主，其中太阳辐射对净热通量的贡献最大，其次分别为
长波辐射、蒸散发失热、温差引起的热传导，占比分别为 ４３．１％、３０．９％、１７．２％和 ８．８％。本文量化了中线干渠
冬季热通量组成，为进一步研究中线水温冰情精细模拟和输水能力提升提供了基础。
关键词：热交换；全气象要素；南水北
调中线；冬季输水；数学模型
中图分类号：ＴＶ９１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０２８７

１ 研究背景

南水北调中线工程全长 １４３２ｋｍ，由丹江口水库跨越 ８个纬度向河南、河北、天津、北京等省市
输水。南北显著的纬度差异和众多水工建筑物的布置导致黄河以北的干渠冰情复杂多变、冰水动力与
热力耦合机理复杂、冰期输水精准控制难度高，也使得中线冬季输水效率和安全运行成为制约工程经
济社会效益发挥的重点和挑战 ［１］ 。自 ２０１４年 １２月全线通水以来，工程依据 《南水北调中线总干渠冰
期输水调度方案》 实施 “高水位、低流速、冰盖下输水” 方案。为防止冰塞等事故，京石段干渠冬季
输水流量仅为设计流量的 ３０％～４７％，虽连续 ９年保障了中线冬季输水安全，但也大幅降低了输水能
力并制约了输水效益的发挥。在全球气候变暖、同纬度流域河渠冰凌影响持续减弱和北京天津等特大
城市已将南水作为主力水源而非补充水源的背景下，挖潜提升中线工程冬季输水能力已刻不容缓 ［２ － ４］ 。
如何量化中线干渠水体冬季能量平衡和研发干渠增温、保温技术防冰害成为中线干渠输水能力提升的
关键技术难题，亟需开展干渠水气热交换过程定量分析的基础研究。
中线干渠水体热平衡主要由上游来流和输出水体的能量与局部渠池水体水气热交换组成 ［５］ ，来流
和出流的能量可由水温、流速和水位等观测的水力参数计算，如何量化多气象参数影响的水气热交换
通量成为研究的重点 ［６］ 。受纬度升高的影响中线干渠沿程气温下降，最低气温可降至 － ２１．９℃（２０２１
年 １月），冬季水体沿程失热，易在滹沱河倒虹吸以北的京石段形成岸冰、流冰和局部冰盖，尤其岗

收稿日期：２０２３ － ０５ － １８；网络首发日期：２０２３ － ０９ － １３
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０９１２．１３３４．００３．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目 （２０２２ＹＦＣ３２０２５００）；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （Ｕ２２４３２２１，Ｕ２２４３２３９，５２００９１４４，５１９７９２９１）；
中国水科院科研专项（ ＨＹ０１４５Ｂ０３２０２１，ＨＹ１１０１４５Ｂ００１０２１）
作者简介：潘佳佳（ １９８８ － ），高级工程师，主要从事水力学及河冰动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｐａｎｊｊ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
通信作者：郭新蕾（１９８０ － ），正高级工程师，主要从事水力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｇｕｏｘｉｎｌｅｉ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ

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