水源水库热调节缓解南水北调中线工程冬季输水低温制约的潜力

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Potential of source-reservoir thermal regulation to alleviate low-temperature constraints on winter water conveyance in the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project

　　

研究区域：中国南水北调中线工程主干渠，是世界上最大的长距离跨流域调水系统之一。

研究重点：冬季低温和冰害制约了长距离输水渠道的冬季输水能力，然而水源水库在调节下游热状况方面的作用仍不清楚。研究人员开发并验证了主干渠冬季水温模型，均方根误差（RMSE）低于0.6°C，决定系数（R²）高于0.9。开展了情景实验，以评估水源水库水位上升和引水流量增加如何影响纵向热输运和渠尾低温约束。

区域新水文认知：丹江口水库扮演着主动热调节节点的角色，而不仅仅是供水边界。引水流量增加增强了热输运效率，使纵向温度梯度降低19%，并使14°C等温线北移404.8 km。水库水位上升强化了渠首热边界，主要改善了近源河段的热状况。在适宜的流量下，水库产生的热量增益可到达下游约1200 km的渠尾。联合调节使BJM断面0–4°C低温天数减少12%–24%，表明其具有缓解低温约束并支持进一步评估冬季输水能力的潜力。

《Journal of Hydrology: Regional Studies》刊载了题为“水源水库热调节缓解南水北调中线工程冬季输水低温制约的潜力”的研究。全球气候变化加剧和水资源时空分布不均促使大型跨流域调水工程成为重塑区域水资源格局的重要举措。南水北调中线工程（MRSNWD）自丹江口水库经陶岔渠首向华北平原输水，总长1432 km，其中明渠段约1198 km，设计流量350 m³/s，已调水约700亿m³，惠及超1亿人口。然而冬季北方低温导致长距离明渠输水过程中水温持续下降，安阳以北断面面临岸冰、水内冰、冰盖及冰塞等冰害风险。为规避冰害，工程在冰期采用“高水位、低流速、低流量”运行模式，输水流量仅约为设计流量的40%，显著制约了冬季输水能力。以往研究多集中于渠道内水温模拟、冰情预报和闸门控制，但鲜有将渠首热输入视为可通过水源水库运行主动调节的变量。丹江口水库冬季蓄热量可观，但水库热调节能否在长距离输水过程中对渠尾产生稳定热增益，尚不明确。因此，研究者提出从“水源水库—输水渠道”一体化的角度，探索通过水库水位和引水流量协同优化缓解渠尾低温约束的潜力。

本研究以MRSNWD陶岔渠首至北拒马河（BJM）河段为对象，构建并验证了一维水温模型，并设置了6种情景，系统模拟不同水库运行水位（164 m和170 m）和引水流量（设计流量的51%至94%）组合下的冬季水温时空演变。结果显示，丹江口水库可充当主动热调节节点，而非仅作为供水边界。增加引水流量可使热输运效率显著提升，纵向温度梯度降低19%，12月14°C等温线北移404.8 km；提高水库水位则强化渠首热边界，主要提升近源河段水温。在合适流量配合下，水库热增益可传播至下游约1200 km的渠尾，使BJM断面0–4°C低温天数减少12%–24%。该研究表明，水源水库热调节是缓解长距离调水工程冬季低温约束的有效途径，并为评估冬季输水能力提供了新思路。

在技术方法上，研究人员基于一维RICEN框架建立水温模型，耦合非恒定流方程与热输运方程，采用Pan等（2024）的气象综合参数模型计算水面热交换通量。模型率定期为2024年12月至2025年2月，验证期为2018年12月至2019年2月，率定和验证中典型断面的均方根误差（RMSE）均低于0.6°C，决定系数（R²）高于0.9。情景边界条件中，流量和水温数据来自陶岔渠首实测，下游边界采用BJM闸前水位，气象数据来自沿线8个气象站，区间值通过距离插值获得。研究还利用小波相干分析识别渠首热环境容量与BJM水温的响应关系。

结果部分：3.1 模型率定与验证：研究人员利用2024-2025年冬季实测数据率定模型，参数保持不变后独立验证于2018-2019年冬季（强冷冬）。各代表性断面模拟水温RMSE均低于0.6°C，R²高于0.9，表明模型可靠地再现了主渠纵向热输运和水温变化。3.2 冬季水温沿MRSNWD主渠的时空分布：所有情景下，水温自南向北递减，冬季平均水温从渠首的12.0–12.8°C降至BJM的3.9–5.8°C，纵向温度梯度为0.5–0.7°C/100 km。时间上呈先降温后升温的态势，2月各断面温差收敛。增加引水流量（C2–C4）使纵向降温幅度在12月和1月显著减小；在相同流量下，水库水位从164 m升至170 m（C5、C6）则使12月和1月的纵向降温幅度比对应低水位情景增加0.3–0.5°C，表明两种措施对纵向水温格局的影响存在空间互补性。3.3 特征等温线分布演变：增加流量使高水温等温线明显北移。12月1日，14°C等温线距渠首的距离从C1的522.2 km延伸至C4的927 km，北移404.8 km；4°C等温线前沿逐步向BJM推进，且最早出现4°C的时间从12月11日推迟至12月27日。提高水库水位使14°C等温线覆盖范围扩大，其出现时间滞后约6–7天，主要改善了渠首及近源河段的热稳定性，而增加流量则增强了中下游河段的热储备。

讨论部分：研究表明，增加流量和提升水位分属两种不同的热调节路径：前者通过提高流速减小热量耗散时间尺度，即热输运效率；后者通过提高渠首水温增强热源强度。小波相干分析显示，在较高流量下（C4），BJM水温对渠首热环境容量变化存在4–8天的主响应周期，相位差约为π，说明水库热信号