干旱区平原水库防蒸发技术研究现状及展望

张凯　侍克斌　严新军　李存立

摘要：西北干旱地区可利用水资源严重缺乏是制约地区经济发展的重要原因。干旱区平原水库水量蒸发损失十分严重，防蒸发技术是一种应用在平原水库上的高效节水技术。在介绍国内外防蒸发技术研究现状的基础上，提出了今后防蒸发技术的研究发展方向：①防蒸发装置最佳的设计方案；②准确计算水面蒸发量的方法；③防蒸发技术与光伏发电技术相结合的系统；④防蒸发技术的应用标准和技术规范等相关准则的制定。

关键词：防蒸发技术；研究现状；展望；平原水库；干旱区

我国干旱区主要分布在西北地区，约占国土面积的1/4。干旱区的水资源总量仅占全国水资源总量的5.84%，可利用的水资源量更少，水资源缺乏是制约西北地区经济发展的重要因素。为了解决水资源不足的问题，西北干旱区主要采取输送节水和田问节水两种方式。输送节水包括不同形式的防渗明渠、暗渠和管道节水技术；田间节水包括喷灌、滴灌、膜下灌和化学生物节水技术。虽然这两种方式大大减少了输水和用水过程中的水量损失，但是在水源源头上因蒸发产生的巨大水量损失问题并没有解决。以新疆为例，目前已建成547座平原水库，总库容为59.3亿m3，但是每年可以正常使用的水量只有25.2亿m3，只占总库容的42.5%；而蒸发水量约为26.1亿m3，占总库容的比例高达44.0%。在当前西北地区年平均气温随全球变暖呈上升的趋势下和西北地区连接丝绸之路经济带的时代背景下，干旱区平原水库防蒸发技术的研究显得尤为重要。目前我国对防蒸发技术的研究刚刚起步，在实际工程中尚未大规模使用防蒸发技术，而该技术在国外已有不少成功实践的案例，如2015年美国加利福尼亚州西尔玛水库运用浮球防止水量蒸发（见图1）。本文在介绍防蒸发技术国内外研究现状的基础上，提出防蒸发技术未来的研究方向。

1防蒸发技术的研究现状

1.1蒸发量模型

目前国内外用来估算蒸发量的方法主要有经验公式法、热量平衡法、气候模型计算法、水量平衡法、流体力学计算法等。英国物理学家道尔顿提出了著名的道尔顿模型，拉开了探索水面蒸发量计算方法的序幕，该模型是在对器皿蒸发研究的基础上建立的，使用范围仅局限于拥有长期观测蒸发量数据的地区。波文在能量平衡方程研究基础上建立了水面蒸发能量平衡模型，该模型在一般条件下计算精度较高，但是在天气干燥、早晚时刻、下垫面潮湿或平流逆温条件下计算精度较低。桑恩韦特借助近地面边界层相似理论，提出用于水面蒸发量计算的空气动力学模型，该模型假设边界层内的水汽传输系数、热量、动量相等，当下垫面均匀时计算水面蒸发量较为准确，当下垫面粗糙时计算水面蒸发量有较大误差。彭曼将热量平衡与质量转移理论结合，得出计算蒸发量的组合公式，得到联合国粮食及农业组织（FAO）的认定，但是该模型依据海洋性气候条件对空气干燥力和水面辐射平衡值进行取值和计算，不同地区需要对相关参数进行修订。Bouchet首次提出区域实际蒸发量与蒸发能力呈互补关系的假设，为区域蒸发量的计算开辟了新的路径。濮培民利用质量守恒原理建立了水面蒸发公式。该公式在风速小于5 m/s时计算陆地蒸发池和漂浮水面蒸发量精度较好，但当风速大于5 m/s时计算蒸发量会出现系统偏差，而且公式过于复杂，尤其是需要气压资料。施成熙等根据试验环境参数可控的回流式低速风洞系统中获取的水面蒸发试验资料，建立了包括风速、水气温度差等参数在内的水面蒸发计算公式，该公式能全面反映强迫对流和自由对流共同作用对水面蒸发的影响，因而得到了广泛应用，但是该公式没有对不同风速段强迫对流对于水面蒸发作用差异性而采取不同的系数，从而导致较大风速情况下计算的水面蒸发量结果偏大。

1.2化学防蒸发技术

W.W.Mansfield通过在小水池用16碳醇进行试验，发现化学分子膜在一定程度上有防止水面蒸發的作用。在此基础上，吴邦信等对化学单分子膜覆盖水面防蒸发技术的环境影响进行了研究，提出了绿色化学单分子膜应用的必要性。马艳等采用漂浮网格的方法有效消减了风浪对高链脂肪醇分子薄膜的破坏，一定程度上提高了该分子薄膜的蒸发抑制率。化学防蒸发技术虽然在一定程度上减少了水量蒸发，但是所使用的化学物质具有缓慢挥发性，防蒸发效果不稳定。另外，化学防蒸发技术会对环境造成严重污染。首先，化学物质完全阻断水面空气，影响水汽输送，不利于水中生物生存；其次，当水面干涸之后，残留的化学物质渗透到地下，会对地下水造成污染。

1.3生物防蒸发技术

王积强等利用水库做了蒲草和水蓼蒸发试验，发现水库蒸发只与水面温度有关，而和水下温度无关，并且通过计算得出了各个时间段的蒸发量。杨方清等利用油麻藤等藤本植物在蓄水池里作了蓄水保水试验，防蒸发效果明显，该方法在罗江县得到了推广应用。丁成在甘肃陇南水文站进行了水生植物对水面蒸发抑制效率研究，发现水生植物在生长旺季将会增加水面的蒸发量。生物防蒸发技术的效果不太稳定，所使用的水生植物少了起不到防蒸发效果、多了不利于水中的生态平衡，而且水生植物的生长受环境因素影响较大，尤其是西北干旱区冬季气候寒冷，水生植物无法在冬季存活。

1.4物理防蒸发技术

严新军等提出用苯板覆盖部分水面以减少水体蒸发量的设想，并在塔里木二库做了现场试验（见图2），防蒸发效果显著。武金慧通过对聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯软片和石蜡抑制水面蒸发效果进行对比试验，发现聚苯乙烯泡沫塑料板抑制水面蒸发的效果最好，石蜡抑制水面蒸发的效果最差，聚乙烯软片的效果介于两者之间。S.Assouline等在小型池塘的底部覆盖防渗布料，水面上铺设了一层飞碟形塑料浮板，精确地测出了水面的蒸发量。张永山、宋兴亮等对防蒸发浮板材料进行研究，探索了不同材料浮板的力学性能和防蒸发效果。张晓浩等利用防蒸发浮板进行试验，建立了气温和水面蒸发量的回归方程，得出了浮板在不同温度、风速条件下的防蒸发系数。物理防蒸发技术应用效果显著，能重复回收使用，降低工程成本，既不受地区环境因素的制约，又不对生态环境造成污染，符合绿色可持续发展理念，是未来防蒸发技术主要研究和发展方向。

2防蒸发技术展望

（1）物理防蒸发装置最佳设计方案。设计方案包括防蒸发装置的外形、结构和材料。防蒸发装置外形设计原则有两点：较好的防蒸发效果和良好的稳定性。防蒸发装置外形设计内容包括形状和大小。目前常见的防蒸发装置有矩形浮板和浮球，浮板和浮球各有特点，浮板覆盖水面的面积比浮球大，但是结构强度没有浮球好，在大风大浪环境中容易折断。目前没有证据表明浮板和浮球哪个防蒸发效果更好。防蒸发装置外形的设计不应仅仅局限在矩形浮板和浮球，还需要通过大量试验和数值模拟对不同外形的防蒸发装置的效果和稳定性进行对比研究，寻找出最佳外形设计方案。

防蒸发装置结构设计以应力分析为基础，要计算出防蒸发装置在大风大浪等极端天气下所受的最大应力，以此为依据对防蒸发装置结构进行强化和优化。针对防蒸发矩形浮板在大风大浪的环境中容易折断的问题，侍克斌等利用波浪模型、弹塑性力学等建立了浮板的计算模型，对浮板在一定环境下所受应力进行了计算，为浮板结构的设计提供了依据。防蒸发浮球虽然结构不容易破坏，但是在水面上遇风浪时会发生翻转，增加了浮球的湿润面积，降低了浮球的防蒸发效果。如果利用“不倒翁”原理優化浮球结构，遇到风浪时就既不会发生翻转，又不会增加太多湿润面积，可以较好地提高浮球的防蒸发效果。

防蒸发装置材料设计主要从材料的强度、耐久性、成本三个方面考虑。第一，防蒸发装置材料必须具有一定强度，以保证在大风大浪环境下结构不容易破坏。例如张永山用EPs轻质混凝土作为防蒸发浮板材料，大大提高了防蒸发浮板的结构强度。第二，防蒸发装置材料必须具有一定耐久性。西北干旱区昼夜温差大，经常会有气温骤降骤升等极端天气出现。为避免防蒸发装置材料受气温影响而损坏，需要从高温、低温、高低温交替等方面对防蒸发装置材料进行试验研究，寻找出耐久性好的材料。第三，防蒸发装置材料必须成本低廉。防蒸发装置材料的成本直接决定整个水库防蒸发工程的成本，在材料满足一定强度和耐久性的前提下，其成本也是一个需要重点考虑的问题。

（2）探索准确计算水面蒸发量的方法。提高水面蒸发量计算精度有利于水库规划和调度管理，对于干旱区水资源优化配置具有重要意义。水面蒸发量计算模型的建立涉及水文学、气象学等多种学科，是一个非常复杂的问题。一直以来，众多学者通过不断改进水面蒸发量计算模型来提高精度，但仍然存在两大问题有待解决：一是模型敏感性、灵活性、确定性不高，关于环境变化导致蒸发量变化的考虑不足，同时待定系数过多限制了模型在不同地区的应用：二是关于自由对流、不同风速段强迫对流对水面蒸发影响的研究还不充分。

随着科学技术的快速发展，一些新技术的出现为水面蒸发量的计算提供了新的途径。遥感和地理信息系统相结合能够快速收集研究对象的特征信息，并对大量信息数据储存、处理和分析，从而使相关数据得到很好的表达和应用。建立水面蒸发量遥感水文耦合模型将有助于提高水面蒸发量的计算精度。胡海英等通过质谱仪测量水蒸发过程中氢和氧同位素含量的细微变化来计算水面蒸发量，但该技术的研究尚处于起步阶段，需要在以下方面进行深入研究：一是同位素分馏因子和蒸发机理之问的相互联系，二是不同地区、不同气象条件下蒸发量的时空分布规律。

（3）防蒸发技术与光伏发电技术相结合的深入研究。毛海涛等对防蒸发技术与光伏发电技术相结合进行了可行性分析，为今后对该系统进行深入研究提供了借鉴。防蒸发技术与光伏发电技术相结合是在防蒸发装置上安装太阳能电池板。各防蒸发装置通过电线连接形成发电系统，通过电池板把光能转化成电能，电能通过汇流箱、配电器、变压器进入到电网。该系统有防蒸发、环保、发电、不占用土地等优点。未来需要对水中电池板的设计、系统在极端天气下运行的稳定性、光电转化效率等一系列关键技术问题进行大量深入研究。

（4）防蒸发技术的应用标准和技术规范等相关准则的制定。为了使防蒸发技术在实际工程中得到广泛推广和应用，必须及时制定和完善相关准则。

3结语

本文在分析总结目前国内外防蒸发技术发展研究现状的基础上，提出了防蒸发技术未来的研究方向。水库防蒸发技术对于减少水库蒸发产生的巨大水量损失、高效节约水资源意义重大，对于严重缺水的西北干旱区平原尤为重要。因此，应加强水库防蒸发技术的研究并逐步在实际工程中推广应用，同时应进一步研究采用防蒸发技术对于地区生态环境和社会经济的影响。