Page 16 - 2024年第55卷第4期

力提升亟需解决的关键问题。
在长距离河渠水温冰情方面，已有学者开展了相关研究 ［７ － １０］ 。如针对河渠水温季节性变化，Ｗｅｂｂ
等 ［１１］ 在英国德文郡 ４条河流开展了流量、水深、水温、气温、风速、相对湿度、蒸发量和太阳辐射等
要素连续 １２个月的原型观测，分析了水体夏季吸热和冬季失热引起的河道水温年内变化规律，揭示
太阳辐射和水体内摩擦产生的热能是水体的主要热源，水体向外的长波辐射、蒸发失热和热交换是水
温降低的驱 动 力。Ｂｅｌｔａｏｓ等 ［１２］ 针 对 河 渠 冰 凌 资 料 匮 乏 的 问 题，收 集 整 理 了 加 拿 大 １９６个 水 文 站
１９９４—２０１５年共 ２１个冬季的观测记录、７３０００个水力要素和多篇文献数据，建立加拿大河流冰情数
据库，包括不同河流封河日期、极端冰塞事故、开河日期、冰厚时空分布、开河水位流量关系、水温
时空分布，为寒区河流冰凌生消演变研究提供了良好的数据支撑。郭新蕾等 ［１３］ 围绕 “水体失热－ 产冰－
封河－ 消融－ 开河” 过程，从水热循环机理、流冰形成输移扩散、锚冰岸冰形成发展、封河冰塞机理、
开河冰坝机理、水工建筑物冰塞过程、水冰沙互馈作用等 ７个方面综述了河渠冰水力学理论的发展，
总结了多要素冰情在线观测设备进展，提出封河冰塞和开河冰坝的破除、爆破防凌、加热融冰等技
术 ［１４ － １６］ 。针对复杂输水渠道非恒定流、河冰热力生消和冰动力的相互作用，研究建立了树状系统大型
长距离调水工程冬季输水冰情数值模拟平台 ［１７］ ，模拟了不同流量、气温下中线干渠水温和冰盖分布，
推荐工程达效前冰期运行流量控制为设计值的 ３０％，平铺上溯弗劳德数控制在 ０．０５５ ［１８ － １９］ 更偏于安全。
杨开林等 ［２０ － ２３］ 通过分析水体与空气间的热交换过程，提出水温分布与输水流量、气温的计算公式，论
证了中线干渠输水流量越大、冬季气温越高，对应沿程水温下降速率越小，不结冰的输水渠长越长。
针对冰盖引起的输水阻力增加和水位壅高，穆祥鹏等 ［２４］ 总结了国内外结冰期控制流冰下潜的临界弗劳
德数和冰盖糙率变化，提出中线干渠冬季控制流速小于 ０．６ｍ?ｓ。针对南水北调中线工程冬季水温冰情
问题，段文刚等 ［２５ － ２７］ 开展了安阳河以北中线干渠的冰凌观测，总结了长距离输水明渠防凌输水的水力
控制参数即流量和气温。李程喜等 ［２７］ 采用统计回归方法建立下游渠池水温与上游渠池历史水温和气温
的回归预测模型，预测结果与北拒马河段实测的水温过程吻合较好。上述研究为复杂河渠水温冰情观
测、模拟和预报提供了有效技术手段 ［２８ － ２９］ ，但尚缺乏考虑中线干渠长时间运行的冰水情时空分布规律
研究，不能满足工程冬季输水的精细化动态调度与输水能力提升的科技支撑需求。
本文目的是，基于南水北调中线 ２０１１—２０２３年连续 １２个冬季观测的气象、水力和冰情资料，探
明其干渠 １２月—次年 ２月的气温、水温、冰情本底，分析中线干渠水温冰情时空分布及特征规律，
明晰中线岸冰、流冰和冰盖形成的水温条件，进而针对性提出中线工程冬季输水能力提升的相关应对
策略，支撑破解中线工程冬季输水能力提升的关键卡口。

２ 中线工程冬季水温冰情原型观测

受京石段应急供水、干渠冰情认识变化和冰水情采集仪器迭代等因素的影响，南水北调中线冬季
原型观测分为三个阶段：第一阶段为 ２０１１—２０１５年，主要开展放水河渡槽气象、流量、水位、流速
和水温等参数的观测，初步识别应急输水和全线通水初期典型渠段冰情特征；第二阶段为 ２０１５—２０１９
年，冰情观测范围扩大为安阳河倒虹吸至北拒马河暗渠约 ５００ｋｍ的干渠，集成气象站、水温测量、
冰情远程视频监测和静冰压力采集系统，开展多渠池气象、水力、冰情监测与数据自动化采集；第三
阶段为 ２０１９年 １２月以后，细化中线干渠冰情影响渠段为七里河倒虹吸至北拒马河 ３６３ｋｍ渠段，开展
５个典型渠池气象、冰水情要素的自动化采集，结合人工巡测记录重点区域水温、岸冰、流冰和冰盖
分布 ［２６］ 。安阳河以北典型测站如图 １所示。
参照 《河流冰情观测规范》 《地面气象观测规范》 等水文气象行业标准和规范，南水北调中线冬季
原型观测采用 ＰＣ － ５型超声波气象站自动化观测气象参数，其中气温精度±０．１℃，相对湿度精度±５％，
风速精度±０．３ｍ?ｓ，风向精度±２°，太阳辐射精度 ５％，大气压力精度±０．３ｈＰａ，地温精度±０．１℃ ［３０ － ３２］ 。
采用压力传感器和水尺测量渠池水位，精度 ０．００１ｍ。采用 ＡＤＣＰ声学多普勒流速剖面仪测量流速和
流量，精度 ０．００１ｍ?ｓ。采用 ３１个分布式 Ｔ６３２５Ｄ铂电阻温度计测量不同断面、水深处的水温，测量精

０
— ３ ９ —