南水北調(diào)中線總干渠水熱環(huán)境分析-論文.pdf

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1、第45卷第6期人民長江Vo1．45．No．62014年3月YangtzeRiverMar．。2014文章編號：1001—4179(2014)06—0046—04南水北調(diào)中線總干渠水熱環(huán)境分析閏弈博，黃會勇，冷星火，王長德(1．長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院規(guī)劃處，湖北武漢430010；2．武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢430072)摘要：水體熱量總收支的確定是水渠冰情數(shù)值模擬的關(guān)鍵，根據(jù)熱力守恒方程建立了河渠敞流期熱量收支方程。以南水北調(diào)中線湯河一惠南莊段干渠為例，通過對干渠沿線6個氣象站1986—2005共20a資料的統(tǒng)計分析，計算了太陽輻射水一氣溫差、風(fēng)速等水熱環(huán)境因素對典型輸水渠道水體熱量收支

2、的影響。指出太陽凈輻射量、氣溫、風(fēng)速、相對濕度是明渠冬季熱力學(xué)及冰情模擬必需要考慮的氣象環(huán)境資料。而總云量影響相對較小。．關(guān)鍵詞：冰情；水熱環(huán)境；太陽輻射；熱量收支；南水北調(diào)中線工程中圖法分類號：TV67文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A我國傳統(tǒng)意義的冬季從立冬開始，到立春結(jié)束，從圣勞倫斯河易洛魁水電站大壩至Moses—Saunders水氣候?qū)W上講，平均氣溫連續(xù)5d低于10~(2算作冬季?。電站大壩之間45km長河段的冰蓋生消變化情況，模冬季河渠在運行過程中，水溫降低可能產(chǎn)生冰情。型計算值與4個冰厚站的實測數(shù)據(jù)比較吻合。南水北調(diào)中線總干渠包括引漢總干渠和天津干渠國內(nèi)學(xué)者們也對冰情與同氣溫等氣象因素之間的兩部分，

3、陶岔渠首至北京惠南莊的明渠水流為漸變流，關(guān)系做了大量研究。劉羨芝根據(jù)黃河惠民河段的多年自由水面和流量控制較復(fù)雜，且作為長距離輸水渠道，觀測數(shù)據(jù)，提出了根據(jù)累計負(fù)氣溫、流凌狀況及流量進(jìn)沿線氣溫、風(fēng)速、云量、相對濕度、河床溫度等環(huán)境因素行封河預(yù)報的經(jīng)驗方法。張遂業(yè)等采用后寧蒙河差異較明顯。在進(jìn)行水溫、冰情預(yù)測時，數(shù)值模型中輸段水文、氣象等方面的實際觀測資料，以熱量平衡、水人的氣象數(shù)據(jù)的代表性及差異性造成的影響顯著，需量平衡原理為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計多元線性回歸的分要仔細(xì)加以分析。析方法，建立了黃河上游河段封凍預(yù)報統(tǒng)計模型。冰期預(yù)報業(yè)務(wù)最早出現(xiàn)在海冰領(lǐng)域，1952年Rod—1水體熱量收支方程推導(dǎo)he

4、假設(shè)熱量交換與水面一大氣溫差成簡單比例關(guān)系，提出了波羅的海日平均氣溫同生冰之間的迭代關(guān)開展渠道冬季冰情分析需要解決的關(guān)鍵問題包系。Maykut和Untersteiner考慮太陽輻射穿透造成括：用以確定封凍時間的敞流期水溫模擬、封凍期水熱的內(nèi)部加熱、冰體咸度及雪蓋影響，建立了一個海冰冰環(huán)境對冰蓋生消影響、用以確定融冰時間的融冰期冰蓋厚度模型[33。Wake和Rumer為北美伊利湖開發(fā)了蓋下水溫模擬，進(jìn)行數(shù)值分析的核心是建立水溫模型。一個二維熱力對流一擴散數(shù)值模型，該模型考慮了冰在冰花產(chǎn)生之前，根據(jù)熱力守恒方程可以建立敞一氣界面和冰一水界面的能量交換。HongtaoShen流明渠水溫的一維對流擴

5、散方程與Li—AnnChiang開發(fā)了有冰蓋河流的熱力一冰情數(shù)值模型，該模型將河流視作一個大氣一冰體一水體0(pACT)+殺(pQcT)=一河床耦合系統(tǒng)，考慮了所有界面之間的熱量交換，其(pAC，E)((1)中冰蓋中的熱傳導(dǎo)過程采用一維、準(zhǔn)穩(wěn)定近似，水體溫度分布采用縱向擴散方程模擬。該模型被應(yīng)用于模擬式中，P為水體密度，kg／m；Tw為水溫，cI=；A為斷面收稿日期：2014—0l一29作者簡介：閏弈博，男，工程師，博士，主要從事長距離輸水渠道水力學(xué)及自動控制方面的研究。E—mail：edwwhu@gmail．corn第6期閏弈博，等：南水北調(diào)中線總干渠水熱環(huán)境分析47面積，m；C，為水的比

6、熱容，J／(kg·℃)；Q為流量，小，選取了南水北調(diào)中線總干渠黃河以北段的6個國m／s；E為縱向擴散系數(shù)；咖與分別為暢流水體家基本(基準(zhǔn))氣象站(見表1)資料進(jìn)行分析，確定冬的熱量收、支項，MJ／m。季不同時間、不同地點的影響因素差異，即這種差異對由于是在分水口及水力條件變化的節(jié)點之間對輸熱量收支的影響。水明渠建立方程，故可以認(rèn)為流量無變化，則式(1)可表1氣象臺站信息簡化為+=cO一c2￡、x(p爿C)式中，為斷面流速，m／s；H為斷面水深，m。若假定水流充分混合，忽略縱向的摻混系數(shù)，則式(2)可以進(jìn)一步化簡為水溫的全微分方程，即Lagrang-ian形式：2熱量收支影響因素分析D：((3

7、)tACP、、由(1)一(4)式可知，水體的熱量收支主要受水一其中，(一咖)表示敞流明渠水體的熱量總收支，氣溫差、云量、相對濕度、風(fēng)速以及太陽短波輻射量的是明渠水溫過程的決定因素?！绊?。下文在分析某項因素對熱量收支的影響時，其明渠水體的熱量收支來源及去向都比較復(fù)雜，其他因素固定，按6個氣象站氣象參數(shù)的平均值取值。中長波輻射、傳導(dǎo)熱和蒸凝熱的影響在氣、水溫度條件2．1熱量收支同太陽輻射的關(guān)系發(fā)生變化時還可能正