输水形式主要有明渠、渡槽、暗涵、管涵、隧洞、倒虹吸等。
经过综合考虑，中线一期工程总干渠的输水形式选择了明渠与局部管道相结合的方式。其中，陶岔至北拒马河段采用明渠方案，北京段则采用PCCP管和暗涵相结合的输水形式，天津干线段采用暗涵输水形式。
总干渠的主要控制点流量规模为：陶岔渠首枢纽设计流量为350立方米每秒，最大流量为420立方米每秒；穿越黄河的设计流量为265立方米每秒，最大流量为320立方米每秒；北拒马河（进入北京市）的设计流量为50立方米每秒，最大流量为60立方米每秒；天津干线渠首的设计流量为50立方米每秒，最大流量为60立方米每秒。
总干渠主要控制点的设计水位分别为：陶岔渠首枢纽（闸下水位）147.38米；黄河南岸118米；黄河北岸108米；北拒马河60.3米；北京团城湖48.57米；天津干线渠首65.27米；天津外环河0米。
总干渠水头分配的总原则是以陶岔渠首枢纽和北京团城湖的设计水位为控制，将总水头在黄河南北两岸的明渠和建筑物上进行分配，力求总投资最省。
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南水北调中线工程总干渠是从河南省淅川县的陶岔渠首枢纽开始的，大部分线路在伏牛山、嵩山、太行山山前、京广铁路以西。路线横跨长江流域、淮河流域、黄河流域、海河流域，一路经过河南、河北、北京、天津四个省（直辖市），全长1432公里，其中陶岔至北拒马河渠段线路长1197公里，北京段长80公里，天津干线长155公里。总的路线是这样的：从陶岔渠首枢纽起，沿伏牛山南麓前岗垅与平原相间的地带向东北行进，经南阳北跨白河后，于方城垭口东八里沟过江淮分水岭进入淮河流域。
鲁山县的沙河往北就是郑州西穿越黄河，然后到了焦作市的东南、新乡的西北、安阳的西边再过漳河，就到了河北省的境内；再经过邯郸市的西边、邢台市的西边，在石家庄的西北方向过石津干渠和滹沱河，到唐县就进入了低山丘陵区和北拒马河冲积扇，过了北拒马河就进入了北京市的境内，最后的终点是团城湖。
天津干线渠首在河北省徐水县西黑山村北，总干渠分水后，渠线会在高村营穿京广铁路，在霸州市任水穿京九铁路，再向东到终点天津市外环河。
