Page 94 - 水利学报2025年第56卷第4期

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测量数据难以用于研究单一渠系建筑物的失温特性。段文刚等 根据 8 个冬季的实测数据，得到了南
水北调中线工程 2014—2022 年岗头节制闸至北拒马河节制闸的百公里冬季水温变化为 0.92 ~ 1.69 ℃，但
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是上述数据是含明渠、倒虹吸、渡槽、隧洞等多种渠系建筑物的综合失温。温世亿等 给出了 2014—
2015 年冰期坟庄河倒虹吸先降后升的水温变化规律。戴盼伟 ［10］ 分析了南水北调中线总干渠沿线典型闸
站的水温变化过程。高精度的水温模拟预测可为中线工程的冬季动态调度提供关键参数，Shen 等 ［11］ 首
次提出包含水温计算模块的一维河冰模型，认为河流热交换的主导是河面失热，因此河冰模型中水温计
算模块的相关参数集中于太阳辐射、反射、蒸发热交换、传导热交换和降水热交换等 5 个，并考虑到实
际应用中部分参数实测数据难以获取，采用水温、热交换系数和冰点水温等 3 个参数将水温计算模型线
性化。此后，河冰模拟中水温计算多采用上述线性公式 ［12-14］ 。Dugdale 等 ［15］ 认为各热交换随河流变化很
大，在有很好实测数据的河流上，水温计算的均方根误差可以达到 1 ℃，缺乏实测数据会导致计算精度
大幅降低。杨开林 ［16-18］ 系统研究了南水北调中线明渠、隧洞和渡槽的水体热交换模型，认为中线工程中
沿程众多的输水隧洞、渡槽等建筑物对水温影响的相关研究十分匮乏，降低了水温的预测精度。
总体来看，现有的南水北调中线原型观测成果由于测量间隔与水体流经渠系建筑物的时间不
匹配，难以支撑单一渠系建筑物失温特性的相关分析，特别是倒虹吸、隧洞等建筑物究竟是失温
还是升温一直以来有较大争议，相关精细化原型观测缺乏；目前河冰模型中水温计算的相关研究
集中于天然河流，人工输水渠道由明渠、倒虹吸、渡槽、隧洞等多种渠系建筑物组成，各渠系建
筑物的边界条件、水气热交换、渠床热交换过程等复杂多变，与天然河道差别较大，相关计算模型
受制于实测数据缺乏和模型简化较多，与实测值间存在一定偏差。为此，本文以南水北调中线干渠京
石段为对象，采用高精度水温传感器对典型的倒虹吸、渡槽、隧洞和明渠开展失温精细观测，取得了
上述建筑物的失温速率，并进行对比分析。研究结果不仅有助于明确南水北调中线典型建筑物的失温
特性，也可用于提升中线工程及类似输水工程水温预报模型的精度，助力冬季输水能力的提升。

2 观测方法和布置

2.1 观测位置 南水北调京石段是冰塞发生的高风险渠段，渠段内设计有倒虹吸 16 座、隧洞 7 座、渡
槽 3 座，选取其中 7 个典型建筑物为原型观测对象，设置观测断面 14 个，包括倒虹吸 2 座（滹沱河和瀑
河倒虹吸），隧洞 2 座（吴庄和岗头隧洞），渡槽 1 座（漕河渡槽），明渠 2 段（滹沱河倒虹吸至磁河倒虹
吸、釜山隧洞至瀑河倒虹吸），观测渠段始末点总长度约 159 km，约占京石段总长度的 50%。选择这些
典型建筑物进行观测的原因是：滹沱河和瀑河倒虹吸分别位于京石段的起点和中部，且长度处于前列；
岗头隧洞曾于 2015—2016 年冰期出现过冰塞险情；漕河渡槽是京石段最长的渡槽；明渠段则选择与倒
虹吸、隧洞和渡槽相邻的渠段以方便观测。观测建筑物的位置和主要设计参数分别如图 1 和表 1 所示。
2.2 水温测量设备 水温测量采用加拿大 RBR 公司
生产的 RBRsolo 水温传感器，该传感器的水温测量范
围为-5 ~ 35 ℃，测量精度为±0.002 ℃，分辨率小于
0.000 05 ℃，采样间隔 0.1 ~ 15 s 可调，本次原型观测
水温采样间隔为 10 s。
虽然本次测量采用同一型号的水温传感器，但

是考虑到倒虹吸、隧洞、渡槽等建筑物进出口温差
较低，需要精细测量，为消除不同设备间的测量差
异，采用 3 个温度传感器同时测量同一水体的方式，
对传感器的一致性进行校准。测量结果如图 2 所示，
测量时间 150 s，采样间隔 10 s。经对比，传感器 2 相
比传感器 1 测得的平均水温低 0.0029 ℃，传感器 3 相 图 1 观测建筑物位置

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