《Journal of Hydrology》：Winter heat storage and thermal transport in the source reservoir of water diversion project
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本研究以南水北调中线工程丹江口水库为对象，采用三维EFDC水热耦合模型揭示冬季热力演变规律，分析汉江主库与丹江支库的热预算差异及热交换机制，提出基于水位调控与入库流量优化的水热协同调控策略，使桃超枢纽取水温度提升1.1℃。研究成果为寒区跨流域调水工程冬季热力调控提供理论支撑。
刘立进|涂有才|郭新雷|邓云|王俊
四川大学水利与山地河流工程国家重点实验室，中国成都610065
摘要
跨流域调水工程深刻改变了源水库的热边界条件，重塑了热量的空间分布以及热量储存和释放的季节性动态。有效利用水库的热能潜力有助于缓解高纬度地区长距离输水系统中的冬季结冰风险。以南水北调中线工程的源头水库——丹江口水库为例，本研究采用三维EFDC水动力-热耦合模型模拟了冬季热条件的时空演变。模型性能通过与观测温度记录的对比进行了评估，结果显示一致性良好，可靠性高，均方根误差（RMSE）为0.53°C，奈曼熵（NSE）为0.97。在此基础上，分析重点关注主水库（汉江水库）与支流水库（丹江口水库）之间的热量收支差异、热量传递过程，以及不同运行情景下陶岔枢纽进水口温度的响应，旨在制定一种“水-热”协同调控策略。结果表明，由于汉江水库的河流形态、上游梯级水流以及较高的进水温度，其热量保持能力较强，冬季热量含量比丹江口水库高约20.5×10^13千焦，持续提供补偿热量。冬季热量传递受进水引起的流体力学效应驱动，分层强度决定了传输路径，而流动过程则调节了补偿通量。热量传递效率同时受到水位和分层的影响：在低水位条件下，单位进水温度升高等效系数（ε）为0.6°C（100 m^3 s^-1）^-1，而在高水位条件下降至0.4°C（100 m^3 s^-1）^-1。进水流量和水位的共同作用控制了冬季热量传递的过程和规模。提出了一个协调的运行框架：高水位用于热量储存，高进水流量用于增强传递效果，低出流量用于减少热量损失。在该策略下，陶岔枢纽进水口温度上升了约1.1°C，展示了水库显著的冬季热量供应潜力。研究结果揭示了源水库在寒冷季节同时作为水源和热源的双重作用，为寒冷地区跨流域调水项目的冬季热调节和安全运行提供了科学依据。
引言
全球气候变化的加速以及水资源时空分布的不平衡已成为区域可持续发展的主要制约因素（Anderson等人，2022年；Guo等人，2022年；Scaff等人，2024年）。在此背景下，跨流域调水工程成为缓解区域水资源短缺和增强水资源安全的重要战略措施（Cheng等人，2024年）。美国加州州水资源项目和中央山谷项目、加拿大的魁北克调水工程、巴基斯坦的西水东调工程以及中国的南水北调工程等大规模项目，都深刻改变了区域水文和资源分配模式（Hashemy Shahdany等人，2018年；Kattel等人，2019年；Langford等人，2015年；Long等人，2020年）。其中，中国的南水北调中线工程（MRSNWDP）具有跨流域、跨气候和跨省份的特点，是世界上规模最大、最复杂的跨流域调水系统（Cui等人，2025年；Zhao等人，2023年）。该工程从丹江口水库（DJK）通过陶岔枢纽引水，主要通过开放渠道将水流从低纬度输送到高纬度地区，途经多样的气候和地貌区域，因此表现出明显的气候梯度和能量差异（Y. Wang等人，2023年）。表1。
自2014年12月正式运行以来，截至2025年，MRSNWDP已向华北平原输送了近700亿立方米的水，惠及超过1亿人。该项目有效缓解了地下水枯竭问题，改善了生态状况，并增强了区域水资源安全（Long等人，2020年）。然而，由于北部和南部地区之间的气候差异显著，该项目面临严重的热力学挑战：冬季输送过程中存在严重的热量损失（Xu等人，2023年），需要采取保守的运行策略——维持高水位、低流速和减少流量，以防止结冰和堵塞（Fu等人，无日期；Xu等人，2023年）。虽然这种模式确保了水力安全，但显著限制了输送能力，仅达到设计流量的约40%（Liu等人，2025年），增加了干旱季节北部地区的供水压力，形成了“冰控安全”与“供水可靠性”之间的关键权衡。
近年来，通过数值模拟和现场监测，人们努力提高MRSNWDP的冬季输送能力。这些研究揭示了沿输送路线的水温和冰形成的时空动态，发现安阳以北尤其是北朱马河段存在较高的冰风险（Duan等人，2023年）。诸如倒置虹吸管等子结构具有显著的热量保持效果（Fu等人，2025年），并提出了几种应对冰堵塞事件的应急响应策略（Xu等人，2023年）。综合气象和水文数据集还促进了实时空气-水温预报系统的开发，用于短期冰情监测和预警（Liu等人，2025年；Xu等人，2024年）。一些研究进一步结合了气温、水温和流量动态，表明丹江口水库出流的热特性对下游冰情具有主导作用。MRSNWDP的冬季结冰程度受陶岔枢纽进水口温度（TCIT）和流量的共同影响。提高枢纽处的“热环境容量”（定义为水温和流量的乘积）可以显著延缓冰的形成，超过某个临界阈值后甚至可以防止连续结冰（Liu等人，2025年；Guo等人，2024年）。
值得注意的是，2013年大坝加高完成后，丹江口水库的表面积和储水量均显著增加。基于遥感反演和现场观测的研究显示，加高后的温度分布存在明显的空间异质性（Guo等人，2024年；Wang等人，2024年）。水库增强的热量保持能力和热惯性在温暖季节加剧了下游冷水的影响（Chen等人，2016年）。随着MRSNWDP的持续运行，水库出流边界和水动力条件的变化重塑了丹江口水库内部的热交换机制和热传输路径（Liu等人，2025年），导致其热状态出现复杂的时空变化（Zhao等人，2020年）。然而，大多数现有研究主要关注温暖季节水库的分层动态及其对下游自然河流的热影响。关于复杂运行条件下水库内冬季热量传递过程的定量研究及其对大规模调水系统热输送潜力的影响仍有限。这一知识空白限制了水库热管理的精细化调整，从而阻碍了对丹江口水库作为寒冷地区调水热源功能的全面评估。
数学建模已成为探索水库热演化和进水口温度动态的主要方法（Hosseini-Sadabadi等人，2023年；X. Yang等人，2021年）。当前的基于过程的数值模型能够模拟水库温度的大规模和长期时空变化（Y. Yang等人，2021年）。这些模型已成功应用于多个大型水库，阐明了特定边界条件下的热量传输机制（例如西卢杜水库（H. Wang等人，2023年）），并评估了热量分布不均的负面影响。其中，三维模型在捕捉复杂地形对水动力和温度的影响方面具有明显优势，能够准确表示流动场和热场之间的耦合相互作用。这类模型使研究人员能够更全面地研究水库热状态的空间演变（Shi等人，2020年；Xu等人，2022年）。
基于此基础，本研究以MRSNWDP的源头水库丹江口水库为研究对象，旨在阐明其冬季热量传递机制，并评估其作为寒冷地区调水热源的潜力。与以往主要关注水量调节的研究不同，本研究采用“热-水文双重功能”的综合视角。在热过程动态的指导下，采用三维EFDC水动力-热耦合模型（Hosseini-Sadabadi等人，2023年；Liu等人，2024年）来：（1）描述丹江口水库冬季热状态的时空演变；（2）识别水库内部的热量储存和收支差异；（3）明确热量传输路径，并量化其对MRSNWDP冬季热量供应的贡献。研究结果有望加深对深水库冬季热过程的理解，为寒冷地区热调节机制提供理论支持，协助大型跨流域调水项目的协调调度和冰风险管理，并为分析水质参数的冬季响应提供参考框架。
研究地点和水库管理
丹江口水库（北纬32°36′–33°48′；东经110°59′–111°49′）位于北亚热带季风气候区，年平均气温约为15°C。降水量年际变化较大，80%的降水发生在5月至9月之间。该水库位于长江的主要支流汉江上，接收多条支流（包括丹江）的来水。周边地形呈树枝状分支结构。
模型校准和验证
模型验证使用了2023年10月和2024年3月获得的两组现场观测数据。采样位置在温度剖面图（图3b）上方标出。进行了参数敏感性分析，以确定影响模型热动态的关键因素。图3a展示了不同参数设置下水库垂直温度结构的变化。
冬季的热量传输路径和机制
随着南水北调中线工程的运行，丹江口水库的出流状态改变了水库内的水动力和热传输模式。冬季时，汉江水库与丹江口水库之间存在明显的热量不平衡，汉江水库的平均水温高于丹江口水库（第3.2节）。根据第3.3节的热量守恒分析，
结论
利用三维EFDC水动力-热耦合模型，本研究系统揭示了MRSNWDP运行条件下丹江口水库的冬季热演化特征和调节路径。主要结论如下：
（1）模型性能和适用性。
模型使用2023年10月和2024年3月的观测温度剖面进行了验证。模拟结果准确再现了
视角
提出的“水-热”协同调控框架强调了水库作为跨流域调水系统中活跃热源的关键作用。通过水位控制实现热量储存，并通过进水口调节实现定向热量传输，可以有效利用水库的冬季热量传递潜力。更广泛地说，这一概念框架可以扩展到其他面临冬季热量供应挑战的调水项目。
未引用参考文献
Fu等人，无日期；Guo等人，2024年；Liu等人，2025年；Wang等人，2023年；Yang等人，2021年。
CRediT作者贡献声明
刘立进：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，软件开发，资源准备，方法论研究，数据分析，概念构建。涂有才：撰写 – 审稿与编辑，软件开发，数据采集，资金争取，概念构建。郭新雷：撰写 – 审稿与编辑，监督工作，数据采集，概念构建。邓云：撰写 – 审稿与编辑，监督工作，软件开发，方法论研究，
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2022YFC3202500）的支持。
