基于全氣象參數的南水北調中線冬季水氣熱交換模型

潘佳佳，郭新蕾，王 濤，付 輝，陳玉壯，李明新

(1.流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.中國南水北調集團中線有限公司，北京 100038)

1 研究背景

南水北調中線工程全長1432 km，由丹江口水庫跨越8個緯度向河南、河北、天津、北京等省市輸水。南北顯著的緯度差異和眾多水工建筑物的布置導致黃河以北的干渠冰情復雜多變、冰水動力與熱力耦合機理復雜、冰期輸水精準控制難度高，也使得中線冬季輸水效率和安全運行成為制約工程經濟社會效益發揮的重點和挑戰[1]。自2014年12月全線通水以來，工程依據《南水北調中線總干渠冰期輸水調度方案》實施“高水位、低流速、冰蓋下輸水”方案。為防止冰塞等事故，京石段干渠冬季輸水流量僅為設計流量的30%～47%，雖連續9年保障了中線冬季輸水安全，但也大幅降低了輸水能力并制約了輸水效益的發揮。在全球氣候變暖、同緯度流域河渠冰凌影響持續減弱和北京天津等特大城市已將南水作為主力水源而非補充水源的背景下，挖潛提升中線工程冬季輸水能力已刻不容緩[2-4]。如何量化中線干渠水體冬季能量平衡和研發干渠增溫、保溫技術防冰害成為中線干渠輸水能力提升的關鍵技術難題，亟需開展干渠水氣熱交換過程定量分析的基礎研究。

中線干渠水體熱平衡主要由上游來流和輸出水體的能量與局部渠池水體水氣熱交換組成[5]，來流和出流的能量可由水溫、流速和水位等觀測的水力參數計算，如何量化多氣象參數影響的水氣熱交換通量成為研究的重點[6]。受緯度升高的影響中線干渠沿程氣溫下降，最低氣溫可降至-21.9 ℃(2021年1月)，冬季水體沿程失熱，易在滹沱河倒虹吸以北的京石段形成岸冰、流冰和局部冰蓋，尤其崗頭-北拒馬閘85 km是冰蓋多發渠段。冬季水體失熱包括四方面：其一為水溫與氣溫溫差引起的熱傳導失熱，與水溫、氣溫、風速等因素有關[7]；其二，渠池水體蒸發會導致顯著的熱量損失，在冬季大風影響下甚至能導致水溫顯著下降，因此，蒸發失熱也是中線干渠水體熱交換的重要組成部分[8-9]；其三，干渠水體在吸收外界長波輻射的同時會向周圍發射長波，因冬季水溫較環境溫度高，水體釋放的長波輻射減去吸收的長波輻射為正值，也表現為失熱，且長波輻射是河渠水體失熱最重要的形式[10]；其四，冬季降雨和降雪也能引起河渠水體失熱，但其占比一般較小，相比其它的熱通量可忽略[11-12]。此外，干渠水體也從外界吸收熱量，其中最重要的是白天日照時間內的太陽輻射[13]，這也是中線干渠岸冰和冰蓋日間消融的重要因素。

針對河渠水體冬季失熱和總能量平衡過程，已有研究提出水氣熱交換模型和水溫計算方法[14-15]。加拿大學者結合馬尼托巴的多芬河2019年6個寒潮過程觀測的太陽輻射、長波輻射、氣溫、水溫、相對濕度、風速、氣壓等資料，詳細分析了該河道10月至11月的水氣熱通量組成及組分占比，強調了白天太陽輻射和水體凈長波輻射對水溫變化的影響，推薦綜合考慮風速、水面溫差和局部蒸汽壓的經驗公式[16]。以上基于經驗參數的熱通量計算方法依賴于研究區域相關氣象資料的詳細監測和參數的率定，不適合大范圍、少資料區河道水溫和能量平衡過程分析[17]。最近有學者采用不確定性的概率分析和基于深度學習算法的人工智能模型相結合的方法分析大尺度陸地與大氣的熱交換，給出了依靠衛星遙感反演獲得的全球感熱通量和輻射通量變化，為熱量平衡分析提供了新視角和技術手段[18-19]，但缺少關于河道或者大型輸水渠道尺度的場景應用研究。郭新蕾等[20]針對長距離輸水明渠水體失熱引起的冰水情變化，基于水溫與氣溫溫差的線性化熱通量計算公式，建立了類似于南水北調工程明渠-閘門-泵站的長距離明渠系統冬季輸水冰情數值模擬平臺，模擬了京密引水渠典型測站冬季水溫變化過程，并與實測資料開展了對比驗證。該簡化的水氣熱交換模型部分揭示長距離輸水明渠水體失熱引起的河冰問題，但不能精細模擬水氣熱交換的各個組成部分[21-22]。楊開林[23]結合南水北調中線長期的冰情觀測資料，提出基于水面溫差的輸水明渠水體與大氣熱交換線性化模型和非線性模型，考慮了太陽輻射及水體表面不同反照率的影響、渡槽不同混凝土襯砌對熱傳導的影響[24-25]，建立了北方河渠不結冰長度與流量、氣溫、進口水溫、地溫和太陽輻射間的相關關系，豐富了水氣熱交換模型[26]。這些研究為水體凈熱通量分析提供了有效的技術手段，但尚缺乏綜合考慮各氣象要素的河渠水氣熱交換模型，不能充分滿足中線干渠冬季水體失熱的精細模擬需求。

本文目的是，基于中線干渠詳細的氣象觀測資料，提出一個新的南水北調中線水氣熱交換模型，考慮包括太陽入射角、出射角、高度角和云層遮擋系數影響的太陽輻射、水體吸收、反射和發射的長波輻射、風速影響下的水體蒸發失熱、水面溫差引起的熱傳導等計算方法，并應用于北拒馬河、漕河渡槽、滹沱河倒虹吸等典型渠池的凈熱通量分析，以定量明晰水體熱交換和熱通量的量值、影響因子，為支撐中線工程冬季輸水能力提升提供基礎。

2 水氣熱交換模型

南水北調中線干渠水體與外界的熱交換包括太陽輻射、水體釋放的長波輻射、蒸散發失熱、溫差引起的熱傳導和降雪引起的失熱等，其中太陽輻射向水體提供熱量，其它熱傳導項均為水體失熱，詳細的水體表面熱交換示意見圖1。本文考慮太陽高度角、日照時長、河渠岸坡影響下的日出入射角、日落出射角、斷面經緯度、水面高程、反照率、時間、氣溫、水溫、氣壓、云量、風速、相對濕度、蒸氣壓、水體蒸發、降雪等要素對水體冬季失熱的影響，基于全氣象參數建立南水北調中線干渠水氣熱交換模型，其控制方程如下

圖1 河渠冬季水體熱交換過程示意圖

φwt=φsw-φb-φe-φh-φs

(1)

式中：φwt為水體表面熱交換通量，正值代表水體吸收熱量，否則為釋放熱量；φsw為進入水體的凈太陽輻射；φb為水體凈長波輻射；φe為水體蒸散發失熱；φh為水體與空氣間的熱傳導；φs為降雪引起的失熱通量。以下分項研究水體熱通量計算方法及其涉及的氣象和水力因子。

2.1 太陽輻射河渠水面接受的太陽輻射與太陽高度角、斷面經緯度和高程、大氣層厚度、大氣水蒸氣與顆粒物含量、云層遮擋等因素有關。水面太陽輻射一般包括兩部分：一是垂直于太陽方向的直接太陽輻射，二是部分太陽輻射受大氣層散射向地球表面傳播，間接輻射到水面上，又稱為太陽散射輻射。本文考慮描述直接太陽輻射的計算模型，太陽散射輻射不在本模型中考慮。

無云層遮擋條件下南水北調中線長距離輸水明渠水面接受的瞬時太陽輻射為[27-29]

φsr=I0E0(ωssinδsinL+sinωscosδcosL)

(2)

式中：φsr為瞬時太陽輻射；I0為太陽輻射常數，一般取值為1367 W/m2[30]；E0為太陽與地球距離的修正參數；ωs為太陽輻射小時角，單位為弧度；δ為太陽傾斜角，單位為弧度；L為計算位置緯度對應的弧度角，北緯時其取值為正，否則為負[31]。實際應用中一般計算t1至t2時間段內水面所受的平均太陽輻射，計算公式為

(3)

式中：φs0為水面平均太陽輻射；t1為計算太陽輻射的起始時間，h；t2為計算太陽輻射的終止時間，h。式(3)中太陽輻射起始時間t對應的太陽輻射小時角為

ωs=(180-15t)π/180

(4)

太陽輻射小時角早上為正值，正午時間為0，下午為負值。結合式(3)和式(4)，水面平均太陽輻射也可由下式計算

(5)

式中：ω1為t1對應的太陽輻射小時角，即ω1=(180-15t1)π/180；ω2為t2對應的太陽輻射小時角。此外，太陽與地球距離的修正參數可采用下式計算[32-33]

(6)

式中dn為當年1月1日起的天數，其中二月天數固定為28 d，因此12月31日對應dn=365。

式(5)中太陽傾斜角為太陽光與地球赤道面的夾角，隨時間和計算的位置變化，其計算公式為

δ=arcsin{sinεsin[360(dn+284)/365]}

(7)

式中ε為黃道與赤道面的夾角，一般可取為23.44°或0.13π。dn=284對應一年中日照輻射時間最短的日子。中線干渠給定位置日出和日落時間為

tsr=12-12ωh/π+αsr/15

(8)

tss=12+12ωh/π-(180-αss)/15

(9)

式中：tsr為日出時間，h；tss為日落時間，h；αsr為日出入射角；αss為日落出射角；ωh為太陽日照時長對應的弧度值，計算公式為

ωh=arccos(-tanδtanL)

(10)

采用式(5)可計算南水北調中線任意渠池給定斷面水面接受的平均太陽輻射值，但忽略了云層遮擋和大氣吸收的影響。無云層遮擋條件下大氣層吸收后剩余的太陽輻射為

φcl=(0.99-0.17em)φs0

(11)

式中：φcl為考慮大氣層吸收后的凈太陽輻射值；em為計算位置大氣質量修正系數，其計算公式為

em=e0pa/p0

(12)

式中：pa為計算位置當地的氣壓；p0為海平面的標準大氣壓，取值為1013.25 hPa；e0為海平面標準的大氣質量修正系數，可由以下經驗公式估算

e0=1/[sinαs+0.15(αs+3.885)-1.253]

(13)

αs=arcsin(sinδsinL+cosδcosLcosωs)

(14)

式中αs為計算位置太陽高度角。

云層遮擋下的太陽輻射強度與云量密切相關，假設云層遮擋系數為C，完全無云時C=0，太陽被烏云完全遮擋時C=10，則云層遮擋影響下的水面太陽輻射為

φri=(1-0.0065C2)φcl

(15)

式中φri為云層遮擋下到達水面的太陽輻射。受水面反射的影響，到達水面的太陽輻射部分被反射到大氣，部分太陽輻射被水體吸收。除去水面反射的太陽輻射，凈進入水體的太陽輻射值為

φsw=(1-er)φri

(16)

式中：φsw為進入水體的凈太陽輻射；er為水面反照率，與太陽高度角、水體顏色和表面波動狀況等因素有關，典型水體反照率為0.03～0.20，也可以由相關經驗公式估算[32]。

2.2 長波輻射自然河渠水體會向外輻射波長為3～100 μm的長波，同時也會吸收大氣、周圍植被及建筑物輻射的電磁波。南水北調中線渠池水體凈向外輻射的長波可采用Stefan-Boltzmann公式計算[34]

(17)

式中：φb為水體凈長波輻射，包括水體向外界釋放的電磁波和水面反射后從外界向水體輻射的長波；σ為Stefan-Boltzmann常數，取值為5.67×10-8Wm-2K-4；Tw為水體溫度，K；Ta為空氣溫度，K；εa為大氣發射率；ek為考慮云層影響的系數，本研究采用ek=0.0017。大氣發射率采用下式計算[35]

(18)

式中ea為南水北調中線渠池水面局部蒸氣壓，mbar。ea與相對濕度和氣溫等因素有關，其計算式為

ea=etRh/100

(19)

(20)

式中：et為相對濕度為100%時對應的蒸氣壓；Rh為相對濕度百分數；Ts為水體表面溫度，K。

2.3 蒸散發熱交換南水北調中線渠池水體表面的蒸散發不僅存在水體質量損失，也存在水體與大氣間的熱量傳遞，主要體現在水體蒸發潛熱引起的水溫變化。水體蒸散發引起的熱交換計算式為[33]

φe=0.4844(1.56Kn+6.08va)(et-ea)

(21)

Kn=8+0.35(Ts-Ta)

(22)

式中：φe為水體蒸散發失熱；Kn為與溫差相關的經驗參數；va為水面上2 m處的風速。

2.4 溫差引起的熱傳導由于水體表面溫度與氣溫存在溫差，冬季干渠水體還會通過熱擴散向空氣傳遞熱量?；跍夭畹乃畾鉄峤粨Q可采用下式計算[33]

φh=0.4844(Kn+3.9va)(Ts-Ta)

(23)

式中φh為水體與空氣間的熱傳導，正值代表失熱，負值為吸熱。南水北調中線干渠水體與空氣間的熱傳導與溫差成正比，夏季水體從空氣吸收熱量，冬季水體向空氣釋放熱量。此外，水氣熱交換與風速和表面遮擋情況密切相關。風速越大，冬季水體失熱速率越大。

2.5 降雪引起的水體失熱冬季極端降雪能引起河渠水體快速失熱，大量雪花落在水體表面會吸收水體熱量，且部分雪花融化時需要吸收大量熱量，又稱為融化潛熱。降雪引起的水體失熱計算公式為[33]

φs=As[Li+Cp(Tw-Ta)]

(24)

式中：φs為降雪引起的失熱通量；As為單位時間單位面積水體上的降雪質量，kg/(m2s)；Li為雪的融化潛熱，取值為334 840 J/kg；Cp為水體比熱容，一般取為4185.5 J/(kg℃)。

表1總結了各熱交換通量關鍵的計算公式和主要物理參數。其中，太陽輻射主要與太陽高度角、云層遮擋系數和水體表面反照率有關，而太陽高度角與經緯度和時間有關，云層遮擋系數受天氣狀況和空氣顆粒物含量的影響，表面反照率與水質條件有關。水體向外發射的長波輻射與大氣發射率和云層遮擋系數有關，如霧霾對長波輻射的影響較大。熱傳導與風速和水溫有關。降雪失熱主要與降雪量有關，因中線干渠冬季整體降雪較小，且進入渠池的雪量少，目前中線干渠降雪對水溫的影響可忽略。

表1 水氣熱交換模型實用公式選擇

3 南水北調中線干渠熱交換實例

3.1 中線干渠概況南水北調中線干渠全長1432 km，由丹江口水庫向河南、河北、天津和北京等省市輸水。全線建有64座節制閘、102座倒虹吸、27個渡槽、1個泵站、97個分水口門、54個退水閘、1238座公路橋梁，并橫穿51條鐵路線。陶岔渠首設計流量350 m3/s，加大流量420 m3/s。中線干渠高度落差約100 m，全線自流。

中國南水北調集團中線有限公司等單位從2011年至2022年連續開展了11個冬季中線干渠的冰情原型觀測，累計獲取水文數據82.5萬余條。中線冰情觀測一般始于12月1日，止于次年2月28日，主要觀測典型渠池的氣象、水力和冰情資料。研究選取2017—2018年中線干渠典型渠池為代表案例，重點分析了全線通水后水體熱交換通量隨時間的變化規律。

3.2 中線工程典型渠池冬季水體熱交換針對南水北調中線干渠冬季水體失熱的特征，選取北拒馬河、漕河渡槽和安陽河倒虹吸作為典型測站，分析了2017—2018年冬季3個月的水體失熱通量。

3.2.1 太陽輻射 圖2顯示了北拒馬河站2017年12月、2018年1月、2月及冬季3個月模擬的太陽輻射與實測值。結果顯示，北拒馬河日間最大太陽輻射在300～800 W/m2間波動，極值出現在每天11∶00—13∶00之間，計算值與實測資料吻合良好。12月1—29日平均太陽輻射(24 h平均)為115.3 W/m2，晴朗天氣峰值輻射約600 W/m2。圖2(b)中1月1—29日平均太陽輻射為107.5 W/m2，較12月份下降約7%，且太陽輻射峰值下降約200 W/m2。圖2(c)中2月1—29日平均太陽輻射為147.7 W/m2，較1月份太陽輻射回升約40%。1月氣溫最低時太陽輻射最小，對應的水溫下降到最低，冰厚達到最大。

圖2 2017—2018年冬季北拒馬河樁號1197.490km斷面計算與實測太陽輻射的對比

圖3給出了漕河渡槽2017—2018年冬季三個月模擬的太陽輻射與實測值的對比，計算結果與實測值總體吻合。最大太陽輻射為400～500 W/m2，12月日平均太陽輻射為79.6 W/m2，1月日平均太陽輻射為75.8 W/m2，2月日平均太陽輻射為108.3 W/m2。北拒馬河測站與漕河渡槽緯度相差僅0.48°，但后者的日平均太陽輻射較前者小30%，這與兩測站所處的地理環境、氣象條件有關。

圖3 2017—2018年冬季漕河渡槽樁號1109.067 km斷面計算與實測太陽輻射的對比

圖4進一步分析了2017—2018年冬季安陽河倒虹吸模擬的太陽輻射與實測資料。結果顯示，該測站日間最大太陽輻射為200～700 W/m2，其中12月日平均太陽輻射為108.2 W/m2，1月日平均太陽輻射為87.6 W/m2，2月平均太陽輻射為143.6 W/m2。安陽河倒虹吸日平均太陽輻射與北拒馬站相近，但該站點緯度偏南3.5°。對比圖2—4可知，三個測站中漕河渡槽冬季平均太陽輻射最小，但漕河渡槽太陽輻射的日間波動也更小，平均太陽輻射時間均為9 h。

圖4 2017—2018年冬季安陽河倒虹吸樁號717.127 km斷面計算與實測太陽輻射的對比

3.2.2 長波輻射 南水北調干渠受冰凌影響的渠段主要是京石段，即滹沱河倒虹吸(樁號977.787 km，北緯38.146°)以北的渠池，因此2017—2018年冬季冰情觀測只觀測了滹沱河倒虹吸、漕河渡槽和北拒馬河的水溫，本研究采用觀測的氣溫、水溫和相對濕度資料分析了三個典型測站冬季三個月逐小時的長波輻射，具體結果見圖5。三個觀測站冬季長波輻射波動范圍為20～120 W/m2，平均長波輻射值為72.8 W/m2，日間波動范圍超過60%。其中，北拒馬河冬季月平均長波輻射為76.7 W/m2，漕河渡槽月平均長波輻射為71.7 W/m2，滹沱河倒虹吸長波輻射為70.0 W/m2，三個測站的月平均長波輻射和日間波動一致，相差約9%。

圖5 中線干渠北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸2017—2018年冬季長波輻射圖

3.2.3 蒸發失熱 水體的蒸發失熱與水體溫度、空氣溫度和風速密切相關，中線干渠滹沱河倒虹吸2017—2018年冬季最大風速達9.2 m/s，且日間的風速變化范圍較大，因此中線干渠水體蒸發失熱波動范圍較大，幅值為220 W/m2。圖6顯示了北拒馬河、漕河渡槽、滹沱河倒虹吸2017—2018年冬季逐小時的蒸發失熱。北拒馬河冬季的平均蒸發失熱為42.1 W/m2，漕河渡槽的冬季平均蒸發失熱為52.8 W/m2，而滹沱河倒虹吸的值為45.0 W/m2。整體而言，三個測站的蒸發失熱較長波輻射失熱少36%，但其波動范圍較后者大。

圖6 中線干渠北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸2017—2018年冬季蒸發失熱

3.2.4 水面溫差引起的熱傳導 圖7進一步顯示了三個測站2017年12月至2018年2月逐小時因水面溫差引起的感熱通量變化，其中正值為失熱，負值為吸熱。三個測站12月因水面溫差引起的熱傳導率為19.1 W/m2，1月的平均熱傳導率為25.2 W/m2，2月的溫差失熱下降為8.1 W/m2，冬季平均熱傳導率為17.5 W/m2。三個測站冬季總體以失熱為主，日間氣溫回升高于水溫時出現短暫的吸熱，且一月份因溫差引起的失熱最大，二月份氣溫回升后的溫差失熱最小，這與氣溫的變化規律一致。

圖7 中線干渠北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸2017—2018年冬季水面溫差引起的熱傳導

4 中線干渠凈熱通量分析

基于典型測站氣溫、風速、氣壓和相對濕度等代表性氣象資料，結合中線干渠北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸計算的太陽輻射、長波輻射、蒸發失熱和水面熱傳導，分析了京石段水體凈熱通量與其組成部分，研究干渠水體失熱的主要因子。

4.1 北拒馬河氣象觀測數據南水北調中線水氣熱交換模型需要計算渠池詳細的氣象數據，包括氣溫、風速、氣壓和相對濕度等。圖8顯示了中線干渠典型渠段北拒馬河2017—2018年冬季觀測的數據。北拒馬河冬季平均氣溫為-1.2℃，波動范圍為-14.4～11.3 ℃；冬季平均風速為1.0 m/s，最大風速達7.7 m/s，常風向為西風和西北風；冬季平均氣壓為1022 hPa，波動范圍為1000～1037 hPa；冬季的平均相對濕度為41.6%。

圖8 北拒馬河2017—2018年冬季觀測的氣溫、風速、氣壓和相對濕度等氣象資料

4.2 中線干渠典型渠池凈熱通量選取北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸為典型代表，按式(1)計算了水體表面凈熱交換通量。圖9顯示了北拒馬河2017—2018年冬季日均凈熱通量、日均太陽輻射、日均長波輻射、日均蒸發失熱和日均水面溫差引起的熱傳導。12月和1月以凈失熱為主，2月氣溫回升后水體以吸熱為主。凈熱通量中太陽輻射的貢獻最大，占比為46.6%；長波輻射對水體失熱貢獻占比最大，占凈熱通量的29.1%；蒸發失熱在凈熱通量中的占比為16.0%；水面與氣溫溫差引起的熱傳導在凈熱通量的貢獻最小，占比為8.3%。

圖9 2017—2018年冬季北拒馬河日均凈熱通量及其組成部分

圖10顯示了漕河渡槽2017—2018年冬季日均凈熱通量和相應的分量。冬季的凈熱通量分別為-55.4、-63.6和-25.7 W/m2。太陽輻射對凈熱通量的貢獻為39.0%，長波輻射占比為31.8%，蒸發失熱和溫差引起的熱傳導占比分別為23.6%和5.6%。相比北拒馬河站，漕河渡槽所受的太陽輻射更小，長波輻射和蒸發失熱的占比更大，這與漕河渡槽所在的位置和風速等因素有關。

圖10 2017—2018年冬季漕河渡槽日均凈熱通量及其組成部分

圖11進一步展示了2017—2018年冬季滹沱河倒虹吸冬季日均凈熱通量及其組成部分，其中1月18日至2月3日實測的太陽輻射資料缺失，因此沒有計算該時間段的凈熱通量。與前面分析的結果一致，冬季太陽輻射對凈熱通量的貢獻最大，占比達47.9%；其次分別是長波輻射、蒸發失熱和溫差引起的熱傳導，占比為27.2%、17.5%和7.4%。

圖11 2017—2018年冬季滹沱河倒虹吸日均凈熱通量及其組成部分

將本文模型進一步應用于2016—2021年京石段干渠水體冬季失熱分析，綜合考慮中線干渠北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸連續五個冬季的凈熱通量及其組成部分，得出水氣熱交換各組成部分對凈熱通量的貢獻率，具體結果見圖12。

圖12 2016—2021年冬季滹沱河至北拒馬河中線干渠熱通量在凈熱通量中的占比

研究表明，中線干渠冬季水體以失熱為主，冬季平均熱通量約為-24.6 W/m2，水體失熱通量比水體吸熱通量高13.8%。水體吸收能量以太陽輻射為主，占總能量的43.1%，而水體失熱包括長波輻射、蒸發失熱和溫差熱傳導，其中長波輻射對失熱影響最大。2016—2021年的結果均顯示水體熱通量貢獻大小排序為太陽輻射、長波輻射、蒸發失熱和溫差熱傳導，與以往研究結果一致[34]。

5 結論

南水北調中線冬季水體失熱引起的冰凌風險是制約冬季輸水能力提升的關鍵。本文初步建立了基于全氣象參數的南水北調中線水氣熱交換模型，結合北拒馬河、漕河渡槽和滹沱河倒虹吸等實測的氣溫、水溫、相對濕度、氣壓、風速和太陽輻射資料，分析了中線干渠典型渠池2016—2021年連續五個冬季水氣熱交換通量及其組成部分，并采用逐小時的太陽輻射資料驗證了模型的準確性，量化了中線干渠冬季水體凈熱通量及各組分占比。結果顯示，太陽輻射引起的吸熱在凈熱通量中占比約43.1%，但中線干渠水體冬季以失熱為主，水體失熱中占比最大的是水體向外界釋放的凈長波輻射，其次分別為蒸發失熱和水面溫差引起的熱傳導。中線干渠京石明渠段冬季日均太陽輻射約112.1 W/m2，水體凈長波輻射失熱為72.6 W/m2，水體蒸發引起的失熱為46.6 W/m2，水面熱傳導引起的失熱為17.5 W/m2。新的南水北調中線水氣熱交換模型考慮了測站經緯度引起的太陽高度角、云層遮擋、日照時間、水體反照率、相對濕度、氣壓、水蒸氣等全氣象參數對水體失熱的影響，能準確精細模擬水氣熱交換的組成部分，可為中線干渠增溫和保溫技術的研發提供有效的技術支撐。

南水北調中線干渠冬季水體熱交換受工程布置、輸水調度、氣象變化和人為干擾等綜合影響，未來仍需改進水氣熱交換模型對各氣象參數的依賴性，進一步滾動率定模型中云層遮擋系數和水氣熱交換系數等參數?；谌珰庀笠貙λw失熱的影響，下一步將考慮水氣熱交換過程及其定量量值對水溫和冰凌生消變化的影響，研究南水北調中線冬季大流量非冰蓋輸水水量-水溫-水力協同調度技術。