南水北调中线总干渠水热环境分析-论文.pdf

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1、第45卷第6期人民长江Vo1．45．No．62014年3月YangtzeRiverMar．。2014文章编号：1001—4179(2014)06—0046—04南水北调中线总干渠水热环境分析闰弈博，黄会勇，冷星火，王长德(1．长江勘测规划设计研究院规划处，湖北武汉430010；2．武汉大学水利水电学院，湖北武汉430072)摘要：水体热量总收支的确定是水渠冰情数值模拟的关键，根据热力守恒方程建立了河渠敞流期热量收支方程。以南水北调中线汤河一惠南庄段干渠为例，通过对干渠沿线6个气象站1986—2005共20a资料的统计分析，计算了太阳辐射水一气温差、风速等水热环境因素对典型输水渠道水体热量收支

2、的影响。指出太阳净辐射量、气温、风速、相对湿度是明渠冬季热力学及冰情模拟必需要考虑的气象环境资料。而总云量影响相对较小。．关键词：冰情；水热环境；太阳辐射；热量收支；南水北调中线工程中图法分类号：TV67文献标志码：A我国传统意义的冬季从立冬开始，到立春结束，从圣劳伦斯河易洛魁水电站大坝至Moses—Saunders水气候学上讲，平均气温连续5d低于10~(2算作冬季⋯。电站大坝之间45km长河段的冰盖生消变化情况，模冬季河渠在运行过程中，水温降低可能产生冰情。型计算值与4个冰厚站的实测数据比较吻合。南水北调中线总干渠包括引汉总干渠和天津干渠国内学者们也对冰情与同气温等气象因素之间的两部分，

3、陶岔渠首至北京惠南庄的明渠水流为渐变流，关系做了大量研究。刘羡芝根据黄河惠民河段的多年自由水面和流量控制较复杂，且作为长距离输水渠道，观测数据，提出了根据累计负气温、流凌状况及流量进沿线气温、风速、云量、相对湿度、河床温度等环境因素行封河预报的经验方法。张遂业等采用后宁蒙河差异较明显。在进行水温、冰情预测时，数值模型中输段水文、气象等方面的实际观测资料，以热量平衡、水人的气象数据的代表性及差异性造成的影响显著，需量平衡原理为基础，采用数理统计多元线性回归的分要仔细加以分析。析方法，建立了黄河上游河段封冻预报统计模型。冰期预报业务最早出现在海冰领域，1952年Rod—1水体热量收支方程推导he

4、假设热量交换与水面一大气温差成简单比例关系，提出了波罗的海日平均气温同生冰之间的迭代关开展渠道冬季冰情分析需要解决的关键问题包系。Maykut和Untersteiner考虑太阳辐射穿透造成括：用以确定封冻时间的敞流期水温模拟、封冻期水热的内部加热、冰体咸度及雪盖影响，建立了一个海冰冰环境对冰盖生消影响、用以确定融冰时间的融冰期冰盖厚度模型[33。Wake和Rumer为北美伊利湖开发了盖下水温模拟，进行数值分析的核心是建立水温模型。一个二维热力对流一扩散数值模型，该模型考虑了冰在冰花产生之前，根据热力守恒方程可以建立敞一气界面和冰一水界面的能量交换。HongtaoShen流明渠水温的一维对流扩

5、散方程与Li—AnnChiang开发了有冰盖河流的热力一冰情数值模型，该模型将河流视作一个大气一冰体一水体0(pACT)+杀(pQcT)=一河床耦合系统，考虑了所有界面之间的热量交换，其(pAC，E)((1)中冰盖中的热传导过程采用一维、准稳定近似，水体温度分布采用纵向扩散方程模拟。该模型被应用于模拟式中，P为水体密度，kg／m；Tw为水温，cI=；A为断面收稿日期：2014—0l一29作者简介：闰弈博，男，工程师，博士，主要从事长距离输水渠道水力学及自动控制方面的研究。E—mail：edwwhu@gmail．corn第6期闰弈博，等：南水北调中线总干渠水热环境分析47面积，m；C，为水的比

6、热容，J／(kg·℃)；Q为流量，小，选取了南水北调中线总干渠黄河以北段的6个国m／s；E为纵向扩散系数；咖与分别为畅流水体家基本(基准)气象站(见表1)资料进行分析，确定冬的热量收、支项，MJ／m。季不同时间、不同地点的影响因素差异，即这种差异对由于是在分水口及水力条件变化的节点之间对输热量收支的影响。水明渠建立方程，故可以认为流量无变化，则式(1)可表1气象台站信息简化为+=cO一c2￡、x(p爿C)式中，为断面流速，m／s；H为断面水深，m。若假定水流充分混合，忽略纵向的掺混系数，则式(2)可以进一步化简为水温的全微分方程，即Lagrang-ian形式：2热量收支影响因素分析D：((3

7、)tACP、、由(1)一(4)式可知，水体的热量收支主要受水一其中，(一咖)表示敞流明渠水体的热量总收支，气温差、云量、相对湿度、风速以及太阳短波辐射量的是明渠水温过程的决定因素。’影响。下文在分析某项因素对热量收支的影响时，其明渠水体的热量收支来源及去向都比较复杂，其他因素固定，按6个气象站气象参数的平均值取值。中长波辐射、传导热和蒸凝热的影响在气、水温度条件2．1热量收支同太阳辐射的关系发生变化时还可能正