程陽宇，侍克斌，嚴(yán)新軍，韓克武，楊云鵬

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.吐魯番市高昌區(qū)水利局，新疆 吐魯番 838000)

1 概 述

已有資料指出，中國(guó)水資源問題形勢(shì)嚴(yán)峻, 潛在危機(jī)巨大，解決世紀(jì)水資源問題將是國(guó)家發(fā)展面臨的戰(zhàn)略任務(wù)[1-2]。例如占我國(guó)國(guó)土總面積1/6的新疆，屬于內(nèi)陸干旱區(qū)，多年平均降雨量為100～200 mm，但是全年蒸發(fā)量卻在1 500～3 000 mm[3]。根據(jù)研究成果估算[4]，新疆平原水庫的年蒸發(fā)量為26.1×108m3，蒸發(fā)損失量超過水庫總庫容的40%，降低了水庫的有效利用率。

關(guān)于如何減少水面蒸發(fā)損失，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做過不同嘗試。通過總結(jié)前人的研究成果，分為3類：化學(xué)材料防蒸發(fā)[5]、水生植物覆蓋防蒸發(fā)[6]和物理材料覆蓋防蒸發(fā)。在物理材料覆蓋防蒸發(fā)方面，西班牙Alvarez[7]用不同顏色的單雙層聚乙烯網(wǎng)和單層鋁網(wǎng)覆蓋水面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明黑色聚乙烯單層網(wǎng)的節(jié)水效果最為顯著；國(guó)內(nèi)張曉浩、李存立等[8-9]對(duì)浮板覆蓋下干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水率進(jìn)行了研究，節(jié)水效果顯著。張曉浩、李存立等人是通過尼龍繩等材料連接浮板，使浮板整齊排列在水面上，進(jìn)行防蒸發(fā)試驗(yàn)。當(dāng)浮板自由排列在水面上，蒸發(fā)抑制率不僅與浮板表面的濕潤(rùn)面積有關(guān)，還與浮板之間的間隙率有關(guān)。本試驗(yàn)從浮板自由排列在水庫的角度，研究干旱區(qū)平原水庫處于靜水或風(fēng)浪較小下浮板的蒸發(fā)抑制率，為計(jì)算干旱區(qū)平原水庫處于大風(fēng)浪下浮板自由排列時(shí)的節(jié)水率提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于天山東部博格達(dá)山南麓吐魯番市勝金鄉(xiāng)境內(nèi)的勝金臺(tái)水庫。試驗(yàn)點(diǎn)所處地域?qū)俚湫偷拇箨懶詼嘏瘞Ц珊祷哪畾夂?，主要特點(diǎn)是干旱、高溫、多風(fēng)。多年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫49.6℃，極端最低氣溫-29.2℃。多年平均降水量16.2 mm，平均蒸發(fā)量2 845 mm。多年平均風(fēng)速為1.5 m/s，最大風(fēng)速25 m/s。最大凍土深0.8 m。

2.2 試驗(yàn)材料選擇

為使浮板擁有良好的防蒸發(fā)效果，所選用的試驗(yàn)材料必須滿足密度合適、強(qiáng)度足夠、憎水、無毒、耐久性強(qiáng)等要求。整個(gè)試驗(yàn)選用面積為1 m2的正方形隔熱鐵皮箱作為蒸發(fā)器，其中間隙率試驗(yàn)選用PVC泡沫浮板作為試驗(yàn)浮板，按尺寸分為A、B、C 3組，單塊尺寸分別為10 cm×10 cm、5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm，厚度均為3 mm。在不同覆蓋率的浮板蒸發(fā)抑制率試驗(yàn)中，為方便覆蓋蒸發(fā)器，選擇大尺寸PVC浮板，該浮板也是水庫現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鋪設(shè)的浮板，浮板長(zhǎng)1.00 m、寬0.5 m、厚0.08 m，密度50 kg/m3。

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置與方法

在1.0 m×1.0 m×0.3 m的蒸發(fā)器中模擬浮板在水庫自由排列的間隙率，選用的浮板分為A、B、C共3組。在相同條件下，每組浮板反復(fù)進(jìn)行投放試驗(yàn)，記錄投放的浮板個(gè)數(shù)，計(jì)算浮板覆蓋率與間隙率，直至浮板的間隙率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，結(jié)束試驗(yàn)，3組浮板投放試驗(yàn)見圖1～圖3。在不同覆蓋率的浮板試驗(yàn)中，覆蓋率按照0%、50%、75%、100% 分為a、b、c、d共4組，將浮板鋪設(shè)在蒸發(fā)器水面上，見圖4～圖7。

圖1 A組試驗(yàn)圖

圖2 B組試驗(yàn)圖

圖3 C組試驗(yàn)圖

圖4 a組試驗(yàn)圖 圖5 b組試驗(yàn)圖 圖6 c組試驗(yàn)圖 圖7 d組試驗(yàn)圖

3 試驗(yàn)原理

影響水面蒸發(fā)的主要因素有太陽輻射、溫度、空氣相對(duì)濕度、風(fēng)速和水氣壓差等[10-12]。浮板覆蓋在水面降低了風(fēng)速對(duì)水面蒸發(fā)的影響，使得被覆蓋的水面與周邊自由水面上空的水汽分子向大氣擴(kuò)散的速率降低，有效減緩水汽向大氣的擴(kuò)散，抑制水面蒸發(fā)。

干旱區(qū)平原水庫處于靜水或風(fēng)浪較小條件下，浮板在水面上是靜止的、不會(huì)濕潤(rùn)，全覆蓋下的浮板蒸發(fā)抑制率為100%。當(dāng)浮板自由排列在水面上，浮板之間存在著間隙率，間隙率與水面蒸發(fā)率有關(guān)，由此得到浮板蒸發(fā)抑制率。在蒸發(fā)器中，用縮小一定比例尺的小浮板進(jìn)行間隙率模擬試驗(yàn)，縮小浮板與蒸發(fā)器面積之間的比例，等同于放大蒸發(fā)器的面積，更能模擬出水庫這種大水體。如C組浮板與蒸發(fā)器的面積比例為1∶800，蒸發(fā)器面積由1 m2放大至800 m2。浮板的尺寸越小，蒸發(fā)器的面積相對(duì)越大，模擬得出的浮板在水庫自由排列的間隙率更精準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 各組浮板自由排列下的覆蓋率與間隙率

當(dāng)浮板自由排列在水面上，浮板之間存在著間隙率，覆蓋在水面上的浮板面積占蒸發(fā)器水面總表面積的比率為覆蓋率，未覆蓋的面積占蒸發(fā)器水面總表面積的比率為間隙率。

4.1.1 A組浮板

在蒸發(fā)器內(nèi)做該組浮板的投放試驗(yàn)，每次試驗(yàn)直至浮板投放不下，則該次投放試驗(yàn)結(jié)束。記錄每次投放試驗(yàn)的浮板個(gè)數(shù)，計(jì)算覆蓋率，直至覆蓋率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，則本次試驗(yàn)結(jié)束。本次試驗(yàn)總計(jì)投放50次，覆蓋率見表1。

表1 A組浮板的覆蓋率

根據(jù)表1可計(jì)算浮板間隙率的頻率分布，結(jié)果見表2。

表2 A組間隙率分布頻率表

由表2可知，該組浮板間隙率主要集中在0.24～0.28，該分布范圍的頻率為0.8。

該組浮板面積為0.01 m2，在投放浮板過程中，由于浮板面積與蒸發(fā)器面積比例較大的關(guān)系，隨著投放的個(gè)數(shù)越來越來多，浮板與浮板之間相互碰撞，相互靠攏。當(dāng)浮板投放完畢，發(fā)現(xiàn)浮板呈現(xiàn)大部分整齊排列形成一個(gè)個(gè)集體，部分自由排列；大部分的集體又是整齊排列。浮板排列整體呈現(xiàn)一般程度的自由排列，排列規(guī)律不是很明顯，需要用面積更小的浮板模擬間隙率試驗(yàn)。

4.1.2 B組浮板

試驗(yàn)方法與上一組試驗(yàn)方法一樣，本次試驗(yàn)總計(jì)投放50次，覆蓋率見表3。

表3 B組浮板的覆蓋率

根據(jù)表3可計(jì)算浮板間隙率的頻率分布，結(jié)果見表4。

表4 B組間隙率分布頻率表

該組浮板面積為0.002 5 m2，浮板投放完畢，發(fā)現(xiàn)浮板呈現(xiàn)部分整齊排列形成一個(gè)個(gè)集體，每個(gè)集體又分為整齊排列形成一個(gè)大集體和部分集體自由排列兩種情況。浮板整體是自由排列的，內(nèi)部又有大部分整齊排列，部分自由排列，間隙率集中在某一范圍內(nèi)。根據(jù)多次試驗(yàn)，由頻率確定一個(gè)間隙率范圍。

由表4可知，該組浮板間隙率主要集中在0.22～0.28，該分布范圍的頻率為0.82。

4.1.3 C組浮板

C組浮板試驗(yàn)總計(jì)投放了50次，覆蓋率見表5。

表5 C組浮板的覆蓋率

根據(jù)表5可計(jì)算浮板間隙率的頻率分布，結(jié)果見表6。

表6 C組間隙率分布頻率表

該組浮板面積為0.002 5 m2，浮板投放完畢，浮板整體是自由排列的，內(nèi)部又有大部分整齊排列，部分自由排列。這種排列規(guī)律比B組浮板間隙率模擬試驗(yàn)中的排列規(guī)律更清晰明顯。

由表6可知，該組浮板間隙率主要集中在0.23～0.27，該分布范圍的頻率為0.9。

4.2 浮板間隙率分析

通過對(duì)比分析3組浮板間隙率分布范圍頻率表，結(jié)合每組浮板的自由排列規(guī)律，歸納浮板的間隙率。與另外兩組浮板相比，A組浮板面積與蒸發(fā)器面積比例最大，浮板排列呈一般程度的自由排列。間隙率的分布范圍集中在0.24～0.28，因此A組浮板間隙率相對(duì)較大。

B組浮板排列規(guī)律比A組更明顯，間隙率分布范圍主要集中在0.22～0.28，開始向間隙率小的范圍集中。其中0.22～0.23、0.23～024、0.24～0.25、0.25～0.26這4個(gè)范圍的頻率和較大，總頻率達(dá)到0.66，因此B組浮板間隙率范圍整體比A組小。

C組浮板整體排列規(guī)律比B組更明顯，間隙率分布范圍主要集中在0.23～0.27，分布范圍整體縮小，由B組0.22～0.28縮小到0.23～0.27，間隙率范圍整體向中間值0.25集中；且0.24～0.25、0.25～0.26、0.26～0.27這3個(gè)范圍的頻率和較大，總頻率達(dá)到0.7，比B組浮板在這幾個(gè)分布范圍的總頻率更大，因此C組浮板間隙率分布更集中。

隨著浮板面積變小，浮板面積與蒸發(fā)器的比例變小，間隙率分布范圍更集中，更趨近中間值0.25。浮板尺寸越小，蒸發(fā)器的面積相對(duì)越大，更能模擬出水庫這種大水體環(huán)境，試驗(yàn)?zāi)M出的浮板在水庫中自由排列的間隙率更真實(shí)準(zhǔn)確。因此，認(rèn)為浮板在水庫中自由排列的間隙率范圍為0.23～0.27，平均值是0.25。

4.3 浮板的蒸發(fā)抑制率分析

在靜水或風(fēng)浪較小下，干燥的浮板在水面上是靜止漂浮的，浮板的蒸發(fā)抑制率與覆蓋率有關(guān)。在不同覆蓋率的浮板蒸發(fā)抑制率試驗(yàn)中，覆蓋率按照0%、50%、75%、100% 分為a、b、c、d共4組，通過所測(cè)數(shù)據(jù)得到4組每10 d的水面蒸發(fā)量，共計(jì)80 d，見表7。

表7 不同覆蓋率下的蒸發(fā)量對(duì)比

水面蒸發(fā)抑制率可由式(1)求得：

式中：I為水面蒸發(fā)抑制率，%；Ea為未覆蓋下自然狀態(tài)的蒸發(fā)量，mm；Ea′為覆蓋浮板的水面蒸發(fā)量，mm。

由式(1)可計(jì)算b、c、d 3組浮板每10 d的平均蒸發(fā)抑制率，未覆蓋則蒸發(fā)抑制率為零，見表8。

表8 4組浮板的蒸發(fā)抑制率

由表8結(jié)合浮板在蒸發(fā)器內(nèi)覆蓋的實(shí)際情況分析可知，靜水或風(fēng)浪較小時(shí)，浮板與蒸發(fā)器的邊壁之間存在接觸空隙。在蒸發(fā)過程中，水汽分子會(huì)通過接觸空隙向大氣擴(kuò)散，因此浮板的蒸發(fā)抑制率并未與覆蓋率完全一致，但很接近。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著覆蓋率逐漸增大，浮板的蒸發(fā)抑制率更趨近覆蓋率，基本一致。本試驗(yàn)認(rèn)為當(dāng)間隙率為0.25，即覆蓋率為0.75，蒸發(fā)抑制率基本為75%；當(dāng)全覆蓋時(shí)，蒸發(fā)抑制率基本為100%。

5 結(jié) 論

1) 在蒸發(fā)器內(nèi)模擬浮板自由排列漂浮在水庫中的間隙率，結(jié)果表明矩形板的尺寸對(duì)間隙率影響不大，浮板自由排列的間隙率為0.25。

2) 由浮板的覆蓋率試驗(yàn)分析得出，蒸發(fā)率與間隙率基本一致，蒸發(fā)抑制率與覆蓋率基本一致。

結(jié)合以上結(jié)果可知，當(dāng)干旱區(qū)平原水庫處于靜水或風(fēng)浪較小下，自由排列的浮板對(duì)水庫的蒸發(fā)抑制率為75%，浮板對(duì)水庫的節(jié)水率為75%。本研究為計(jì)算大風(fēng)浪下自由排列在干旱區(qū)平原水庫的浮板節(jié)水率提供了一定的理論依據(jù)。