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头－ 北拒马闸 ８５ｋｍ是冰盖多发渠段。冬季水体失热包括四方面：其一为水温与气温温差引起的热传
导失热，与水温、气温、风速等因素有关 ［７］ ；其二，渠池水体蒸发会导致显著的热量损失，在冬季大
风影响下甚至能导致水温显著下降，因此，蒸发失热也是中线干渠水体热交换的重要组成部分 ［８ － ９］ ；
其三，干渠水体在吸收外界长波辐射的同时会向周围发射长波，因冬季水温较环境温度高，水体释放
的长波辐射减 去吸 收的 长波辐 射为 正值，也表现 为 失 热，且 长 波 辐 射 是 河 渠 水 体 失 热 最 重 要 的 形
式 ［１０］ ；其四，冬季降雨和降雪也能引起河渠水体失热，但其占比一般较小，相比其它的热通量可忽
略 ［１１ － １２］ 。此外，干渠水体也从外界吸收热量，其中最重要的是白天日照时间内的太阳辐射 ［１３］ ，这也
是中线干渠岸冰和冰盖日间消融的重要因素。
针对河渠水体冬季失热和总能量平衡过程，已有研究提出水气热交换模型和水温计算方法 ［１４ － １５］ 。
加拿大学者结合马尼托巴的多芬河 ２０１９年 ６个寒潮过程观测的太阳辐射、长波辐射、气温、水温、相
对湿度、风速、气压等资料，详细分析了该河道 １０月至 １１月的水气热通量组成及组分占比，强调了
白天太阳辐射和水体净长波辐射对水温变化的影响，推荐综合考虑风速、水面温差和局部蒸汽压的经
验公式 ［１６］ 。以上基于经验参数的热通量计算方法依赖于研究区域相关气象资料的详细监测和参数的率
定，不适合大范围、少资料区河道水温和能量平衡过程分析 ［１７］ 。最近有学者采用不确定性的概率分析
和基于深度学习算法的人工智能模型相结合的方法分析大尺度陆地与大气的热交换，给出了依靠卫星
遥感反演获得的全球感热通量和辐射通量变化，为热量平衡分析提供了新视角和技术手段 ［１８ － １９］ ，但缺
少关于河道或者大型输水渠道尺度的场景应用研究。郭新蕾等 ［２０］ 针对长距离输水明渠水体失热引起的
冰水情变化，基于水温与气温温差的线性化热通量计算公式，建立了类似于南水北调工程明渠－ 闸门－
泵站的长距离明渠系统冬季输水冰情数值模拟平台，模拟了京密引水渠典型测站冬季水温变化过程，
并与实测资料开展了对比验证。该简化的水气热交换模型部分揭示长距离输水明渠水体失热引起的河
冰问题，但不能精细模拟水气热交换的各个组成部分 ［２１ － ２２］ 。杨开林 ［２３］ 结合南水北调中线长期的冰情
观测资料，提出基于水面温差的输水明渠水体与大气热交换线性化模型和非线性模型，考虑了太阳辐
射及水体表面不同反照率的影响、渡槽不同混凝土衬砌对热传导的影响 ［２４ － ２５］ ，建立了北方河渠不结冰
长度与流量、气温、进口水温、地温和太阳辐射间的相关关系，丰富了水气热交换模型 ［２６］ 。这些研究
为水体净热通量分析提供了有效的技术手段，但尚缺乏综合考虑各气象要素的河渠水气热交换模型，
不能充分满足中线干渠冬季水体失热的精细模拟需求。
本文目的是，基于中线干渠详细的气象观测资料，提出一个新的南水北调中线水气热交换模型，
考虑包括太阳入射角、出射角、高度角和云层遮挡系数影响的太阳辐射、水体吸收、反射和发射的长
波辐射、风速影响下的水体蒸发失热、水面温差引起的热传导等计算方法，并应用于北拒马河、漕河
渡槽、滹沱河倒虹吸等典型渠池的净热通量分析，以定量明晰水体热交换和热通量的量值、影响因
子，为支撑中线工程冬季输水能力提升提供基础。

２ 水气热交换模型

南水北调中线干渠水体与外界的热交换包括太阳
辐射、水体释放的长波辐射、蒸散发失热、温差引起
的热传导和降雪引起的失热等，其中太阳辐射向水体
提供热量，其它热传导项均为水体失热，详细的水体
表面热交换示意见图 １。本 文 考 虑 太 阳 高 度 角、日 照
时长、河渠岸坡 影响 下 的日 出 入 射 角、日 落 出 射 角、
断面经 纬 度、 水 面 高 程、 反 照 率、 时 间、 气 温、 水
温、气压、云量、风速、相对湿度、蒸气压、水体蒸
发、降雪等要素对水体冬季失热的影响，基于全气象
参数建立南水北调中线干渠水气热交换模型，其控制 图 １ 河渠冬季水体热交换过程示意图

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