PVC浮板自由排列下干旱区平原水库防蒸发研究

程阳宇，侍克斌，严新军，韩克武，杨云鹏

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052； 2.吐鲁番市高昌区水利局，新疆 吐鲁番 838000)

1 概 述

已有资料指出，中国水资源问题形势严峻, 潜在危机巨大，解决世纪水资源问题将是国家发展面临的战略任务[1-2]。例如占我国国土总面积1/6的新疆，属于内陆干旱区，多年平均降雨量为100～200 mm，但是全年蒸发量却在1 500～3 000 mm[3]。根据研究成果估算[4]，新疆平原水库的年蒸发量为26.1×108m3，蒸发损失量超过水库总库容的40%，降低了水库的有效利用率。

关于如何减少水面蒸发损失，国内外学者做过不同尝试。通过总结前人的研究成果，分为3类：化学材料防蒸发[5]、水生植物覆盖防蒸发[6]和物理材料覆盖防蒸发。在物理材料覆盖防蒸发方面，西班牙Alvarez[7]用不同颜色的单双层聚乙烯网和单层铝网覆盖水面进行试验，结果表明黑色聚乙烯单层网的节水效果最为显著；国内张晓浩、李存立等[8-9]对浮板覆盖下干旱区平原水库防蒸发节水率进行了研究，节水效果显著。张晓浩、李存立等人是通过尼龙绳等材料连接浮板，使浮板整齐排列在水面上，进行防蒸发试验。当浮板自由排列在水面上，蒸发抑制率不仅与浮板表面的湿润面积有关，还与浮板之间的间隙率有关。本试验从浮板自由排列在水库的角度，研究干旱区平原水库处于静水或风浪较小下浮板的蒸发抑制率，为计算干旱区平原水库处于大风浪下浮板自由排列时的节水率提供理论依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验区概况

试验地位于天山东部博格达山南麓吐鲁番市胜金乡境内的胜金台水库。试验点所处地域属典型的大陆性温暖带干旱荒漠气候，主要特点是干旱、高温、多风。多年平均气温14.1℃，极端最高气温49.6℃，极端最低气温-29.2℃。多年平均降水量16.2 mm，平均蒸发量2 845 mm。多年平均风速为1.5 m/s，最大风速25 m/s。最大冻土深0.8 m。

2.2 试验材料选择

为使浮板拥有良好的防蒸发效果，所选用的试验材料必须满足密度合适、强度足够、憎水、无毒、耐久性强等要求。整个试验选用面积为1 m2的正方形隔热铁皮箱作为蒸发器，其中间隙率试验选用PVC泡沫浮板作为试验浮板，按尺寸分为A、B、C 3组，单块尺寸分别为10 cm×10 cm、5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm，厚度均为3 mm。在不同覆盖率的浮板蒸发抑制率试验中，为方便覆盖蒸发器，选择大尺寸PVC浮板，该浮板也是水库现场实际铺设的浮板，浮板长1.00 m、宽0.5 m、厚0.08 m，密度50 kg/m3。

2.3 试验现场布置与方法

在1.0 m×1.0 m×0.3 m的蒸发器中模拟浮板在水库自由排列的间隙率，选用的浮板分为A、B、C共3组。在相同条件下，每组浮板反复进行投放试验，记录投放的浮板个数，计算浮板覆盖率与间隙率，直至浮板的间隙率稳定在一定范围内，结束试验，3组浮板投放试验见图1～图3。在不同覆盖率的浮板试验中，覆盖率按照0%、50%、75%、100% 分为a、b、c、d共4组，将浮板铺设在蒸发器水面上，见图4～图7。

图1 A组试验图

图2 B组试验图

图3 C组试验图

图4 a组试验图 图5 b组试验图 图6 c组试验图 图7 d组试验图

3 试验原理

影响水面蒸发的主要因素有太阳辐射、温度、空气相对湿度、风速和水气压差等[10-12]。浮板覆盖在水面降低了风速对水面蒸发的影响，使得被覆盖的水面与周边自由水面上空的水汽分子向大气扩散的速率降低，有效减缓水汽向大气的扩散，抑制水面蒸发。

干旱区平原水库处于静水或风浪较小条件下，浮板在水面上是静止的、不会湿润，全覆盖下的浮板蒸发抑制率为100%。当浮板自由排列在水面上，浮板之间存在着间隙率，间隙率与水面蒸发率有关，由此得到浮板蒸发抑制率。在蒸发器中，用缩小一定比例尺的小浮板进行间隙率模拟试验，缩小浮板与蒸发器面积之间的比例，等同于放大蒸发器的面积，更能模拟出水库这种大水体。如C组浮板与蒸发器的面积比例为1∶800，蒸发器面积由1 m2放大至800 m2。浮板的尺寸越小，蒸发器的面积相对越大，模拟得出的浮板在水库自由排列的间隙率更精准。

4 试验结果与分析

4.1 各组浮板自由排列下的覆盖率与间隙率

当浮板自由排列在水面上，浮板之间存在着间隙率，覆盖在水面上的浮板面积占蒸发器水面总表面积的比率为覆盖率，未覆盖的面积占蒸发器水面总表面积的比率为间隙率。

4.1.1 A组浮板

在蒸发器内做该组浮板的投放试验，每次试验直至浮板投放不下，则该次投放试验结束。记录每次投放试验的浮板个数，计算覆盖率，直至覆盖率稳定在一定范围内，则本次试验结束。本次试验总计投放50次，覆盖率见表1。

表1 A组浮板的覆盖率

根据表1可计算浮板间隙率的频率分布，结果见表2。

表2 A组间隙率分布频率表

由表2可知，该组浮板间隙率主要集中在0.24～0.28，该分布范围的频率为0.8。

该组浮板面积为0.01 m2，在投放浮板过程中，由于浮板面积与蒸发器面积比例较大的关系，随着投放的个数越来越来多，浮板与浮板之间相互碰撞，相互靠拢。当浮板投放完毕，发现浮板呈现大部分整齐排列形成一个个集体，部分自由排列；大部分的集体又是整齐排列。浮板排列整体呈现一般程度的自由排列，排列规律不是很明显，需要用面积更小的浮板模拟间隙率试验。

4.1.2 B组浮板

试验方法与上一组试验方法一样，本次试验总计投放50次，覆盖率见表3。

表3 B组浮板的覆盖率

根据表3可计算浮板间隙率的频率分布，结果见表4。

表4 B组间隙率分布频率表

该组浮板面积为0.002 5 m2，浮板投放完毕，发现浮板呈现部分整齐排列形成一个个集体，每个集体又分为整齐排列形成一个大集体和部分集体自由排列两种情况。浮板整体是自由排列的，内部又有大部分整齐排列，部分自由排列，间隙率集中在某一范围内。根据多次试验，由频率确定一个间隙率范围。

由表4可知，该组浮板间隙率主要集中在0.22～0.28，该分布范围的频率为0.82。

4.1.3 C组浮板

C组浮板试验总计投放了50次，覆盖率见表5。

表5 C组浮板的覆盖率

根据表5可计算浮板间隙率的频率分布，结果见表6。

表6 C组间隙率分布频率表

该组浮板面积为0.002 5 m2，浮板投放完毕，浮板整体是自由排列的，内部又有大部分整齐排列，部分自由排列。这种排列规律比B组浮板间隙率模拟试验中的排列规律更清晰明显。

由表6可知，该组浮板间隙率主要集中在0.23～0.27，该分布范围的频率为0.9。

4.2 浮板间隙率分析

通过对比分析3组浮板间隙率分布范围频率表，结合每组浮板的自由排列规律，归纳浮板的间隙率。与另外两组浮板相比，A组浮板面积与蒸发器面积比例最大，浮板排列呈一般程度的自由排列。间隙率的分布范围集中在0.24～0.28，因此A组浮板间隙率相对较大。

B组浮板排列规律比A组更明显，间隙率分布范围主要集中在0.22～0.28，开始向间隙率小的范围集中。其中0.22～0.23、0.23～024、0.24～0.25、0.25～0.26这4个范围的频率和较大，总频率达到0.66，因此B组浮板间隙率范围整体比A组小。

C组浮板整体排列规律比B组更明显，间隙率分布范围主要集中在0.23～0.27，分布范围整体缩小，由B组0.22～0.28缩小到0.23～0.27，间隙率范围整体向中间值0.25集中；且0.24～0.25、0.25～0.26、0.26～0.27这3个范围的频率和较大，总频率达到0.7，比B组浮板在这几个分布范围的总频率更大，因此C组浮板间隙率分布更集中。

随着浮板面积变小，浮板面积与蒸发器的比例变小，间隙率分布范围更集中，更趋近中间值0.25。浮板尺寸越小，蒸发器的面积相对越大，更能模拟出水库这种大水体环境，试验模拟出的浮板在水库中自由排列的间隙率更真实准确。因此，认为浮板在水库中自由排列的间隙率范围为0.23～0.27，平均值是0.25。

4.3 浮板的蒸发抑制率分析

在静水或风浪较小下，干燥的浮板在水面上是静止漂浮的，浮板的蒸发抑制率与覆盖率有关。在不同覆盖率的浮板蒸发抑制率试验中，覆盖率按照0%、50%、75%、100% 分为a、b、c、d共4组，通过所测数据得到4组每10 d的水面蒸发量，共计80 d，见表7。

表7 不同覆盖率下的蒸发量对比

水面蒸发抑制率可由式(1)求得：

式中：I为水面蒸发抑制率，%；Ea为未覆盖下自然状态的蒸发量，mm；Ea′为覆盖浮板的水面蒸发量，mm。

由式(1)可计算b、c、d 3组浮板每10 d的平均蒸发抑制率，未覆盖则蒸发抑制率为零，见表8。

表8 4组浮板的蒸发抑制率

由表8结合浮板在蒸发器内覆盖的实际情况分析可知，静水或风浪较小时，浮板与蒸发器的边壁之间存在接触空隙。在蒸发过程中，水汽分子会通过接触空隙向大气扩散，因此浮板的蒸发抑制率并未与覆盖率完全一致，但很接近。通过对比发现，随着覆盖率逐渐增大，浮板的蒸发抑制率更趋近覆盖率，基本一致。本试验认为当间隙率为0.25，即覆盖率为0.75，蒸发抑制率基本为75%；当全覆盖时，蒸发抑制率基本为100%。

5 结 论

1) 在蒸发器内模拟浮板自由排列漂浮在水库中的间隙率，结果表明矩形板的尺寸对间隙率影响不大，浮板自由排列的间隙率为0.25。

2) 由浮板的覆盖率试验分析得出，蒸发率与间隙率基本一致，蒸发抑制率与覆盖率基本一致。

结合以上结果可知，当干旱区平原水库处于静水或风浪较小下，自由排列的浮板对水库的蒸发抑制率为75%，浮板对水库的节水率为75%。本研究为计算大风浪下自由排列在干旱区平原水库的浮板节水率提供了一定的理论依据。