干旱区平原水库防蒸发节水控盐及效益分析

韩克武，侍克斌，严新军，杨云鹏，候宗民

(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)

0 引 言

随着社会的快速发展，水资源供需矛盾日益凸显。由于追求短期利益、过度开发水资源以及长期无偿挤占生态用水，导致干旱区生态环境进一步恶化。2012年1月, 国务院发布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》, 确立了实施最严格水资源管理控制的“三条红线”, 即水资源开发利用红线、用水效率控制红线和水功能区限制纳污红线。2017年10月，党的十九大报告明确提出实施国家节水行动，标志着节水从行业管理上升为国家意志和全民行动。

西北干旱区现有的水库绝大多数为平原水库，这些水库均具有水面面积大、水深小、无效蒸发损失严重等特点。如新疆已建的564座水库中绝大多数都为平原水库，这些平原水库总库容约为59.3×108m3，水库水面面积约2 000 km2，平均水深为2.97 m。根据已有研究成果估算，这些水库年蒸发量为26.1×108m3，年渗漏量为8×108m3，合计每年损失水量约34.1×108m3，蒸发水量占总损失量的比例高达77%[1]。可见，新疆水库年蒸发损失水量占有很大的比例。在“节水优先”的新时代背景下，干旱区农田节水已发展到膜下滴灌、渠道节水已发展到管道和暗渠输水、水库防渗已发展到土工膜全库盘防渗，干旱区节水研究目标将会移向水源地(水库)防蒸发节水。自然状态下，干旱区的陆地水资源往往带有一定的矿化度，而平原水库强烈的无效蒸发带走了大量水汽，盐分却依然留在水库中，使得剩余库中水体的矿化度增加。已有研究结果表明[2]，灌区土壤盐分主要来自灌溉用水，平原水库(水源地)水体矿化度的增大将会加剧下游灌区土壤盐渍化程度。

1962年，Robert[3]分别在两个不同地点对0.01 km2的水域进行试验，结果表明分子膜蒸发抑制率分别为43%和42%。2004年，严新军[4]选用聚苯乙烯泡沫塑料板作为水库防蒸发材料，在新疆尉犁县的塔里木二库对材料的不同连接方式及各种形式的抗风浪性能等进行试验测试，结果表明水库防蒸发材料应满足合适密度、合适强度、憎水、无毒、耐久性好等要求；苯板具有一定的抗风浪能力，只要连接方式恰当可以起到防蒸发节水目的。2005年，Craigd等[5]在面积为1.2 km2的水域进行试验，不同试验周期对应的蒸发抑制率为0%～31%。2009年，Al-Hassoun等[6]利用当地盛产的棕榈叶作为防蒸发材料，用方形垫片将棕榈树叶悬浮在水面上空，研究结果显示95%、50%覆盖率分别对应的蒸发抑制率为63%、26%，棕榈叶并未对其覆盖下的水质产生影响。2011年，Shamshad Alam等[7]分别用单双层棕榈叶对A级蒸发器蒸发抑制率进行研究，其中单层棕榈叶对水面的蒸发抑制率为47%，双层棕榈叶对水面的蒸发抑制率为58%。2014年，马艳[8]采用在水面上架设漂浮网格的方式对分子膜抑制水面蒸发率进行了研究，研究表明网格中的分子膜蒸发抑制率为26%～30%，无网格的分子膜蒸发抑制率为7%～12%。2016年张晓浩等[9]对不同覆盖面积下聚乙烯塑料空心板的节水效率进行研究，研究得出一个完整非冰冻期内1、4和8 m2共3个不同覆盖面积对应的节水效率为55.38%、65.97%、80.10%。2016年，李存立等[10]在500水库现场分别对不同厚度、不同覆盖面积下PVC浮板对干旱区平原水库防蒸发节水效率进行试验分析，研究发现当浮板覆盖面积从1 m2增大至16 m2时，平均蒸发抑制率由74%增加到88.3%。

本文在分析干旱区平原水库不同防蒸发材料节水率的基础上，结合各防蒸发材料单价和当地水价对不同防蒸发材料的投资回收期进行分析，并通过试验研究分析了防蒸发节水率和防蒸发控盐率之间的相关性。最后，对干旱平原水库防蒸发节水控盐产生的社会效益和生态环境效益进行分析。

1 材料选择与研究方法

1.1 材料选择

干旱区平原水库所处区域辐射强烈、寒冷干旱、多大风，选择干旱区平原水库防蒸发材料应充分考虑材料在紫外线辐射和冻融循环下的耐久性、风浪环境中的稳定性及在库区的安全运行工况。通过多年研究和室内外试验对不同材料进行定性和定量分选得出，干旱区平原水库防蒸发材料应选取广泛应用于水利、水产行业的聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)材料，该类材料具有无毒、耐久性强等特点。根据前人的防蒸发节水研究成果[1,9-11]，本次评价的防蒸发材料选用直径100 mm、质量40 g的PVC浮球；直径100 mm、质量40 g的均质HDPE浮球；直径100 mm、质量45 g的HDPE加配重浮球；长1 000 mm、宽500 mm、厚80 mm、密度50 kg/m3的PVC浮板；长1 000 mm、宽1 000 mm、厚100 mm、密度145 kg/m3HDPE空心板。

1.2 研究方法

1.2.1 防蒸发节水率研究方法

干旱区平原水库水深小、水面面积大，水面易因风形成波浪，覆盖在水面上的防蒸发材料在随波浪上下起伏过程中会被波浪润湿，而润湿后的材料不能完全起到防蒸发作用。根据已有研究成果[9-10]，将不同风浪润湿材料的面积与材料总覆盖面积之比定义为润湿率。

(1)

板状结构材料(浮板)的蒸发抑制率：

k=1-α

(2)

弧状结构材料(浮球)的蒸发抑制率：

k=1-α(1-α1)-α1

(3)

式中：α为不同风速下防蒸发材料的润湿率；k为不同风速下防蒸发材料的蒸发抑制率；α1为弧状结构材料间孔隙的蒸发率；S1为风浪润湿材料的面积，m2；S0为材料总覆盖面积，m2。

1.2.2 防蒸发节水控盐率研究方法

防蒸发控盐本质上是指通过减小水面无效蒸发来降低水体的矿化度，所以本试验仅研究讨论防蒸发节水率与防蒸发控盐率的关系。关于水面覆盖率与防蒸发节水率的研究已有很多，本文不再赘述。为更接近实际情况，准确反映两者之间的关系，试验在吐鲁番市胜金沟水保三期水库坝顶进行。试验选用口径600 mm、高度300 mm的圆形蒸发器若干，各蒸发器内加入相同质量的库水，同时对若干蒸发器进行不同面积的覆盖。采用称重法对蒸发器内水量变化进行测定，同时使用TDS水质检测仪对各蒸发器内剩余水体的含盐总量检测。每隔2天于20∶00时对各数据进行测定。

含盐量变化率是指水体蒸发后，覆盖水体含盐量的变化量与未覆盖水体含盐量的变化量之比。

(4)

(5)

式中：λ为含盐量变化率；β为控盐率；W0为原始状态下水体含盐量，ppm；W1为未覆盖水体含盐量，ppm；W2为覆盖水体含盐量，ppm。

2 防蒸发节水率分析

对于板状结构的防蒸发材料节水率评价指标主要为不同风浪环境中防蒸发材料的润湿率，而弧状结构(如浮球、浮动圆盘等)的防蒸发材料节水率评价指标主要为不同风浪环境中防蒸发材料的润湿率和材料间未覆盖水域的蒸发率。根据文献[8-10]可知，不同风速下各防蒸发材料的润湿率及各防蒸发材料的蒸发抑制率见表1。

表1 不同风速下不同覆盖材料蒸发抑制率

防蒸发节水量：

(6)

防蒸发节水率计算：

(7)

式中：η为年节水效率，%；E1为不同覆盖材料对应的防蒸发节水量，mm；E0为自然状态下年蒸发量，mm。

由式(7)可知，不同覆盖材料的年节水率为一完整非冰冻期内不同风速出现频率与蒸发抑制率的乘积之和。冰冻期蒸发量和节水量极少，在此不作分析。不同防蒸发材料的年节水率不仅与防蒸发材料的蒸发抑制有关，而且也与该地区的气象因素有关。

以吐鲁番市胜金沟水保三期水库为例，结合当地气象资料，对不同防蒸发材料在吐鲁番地区水库运行时的节水率进行分析。为便于计算，将试验期内的风速情况按天(d)进行统计计算，见表2。

将表1、表2中不同风速下各防蒸发材料的蒸发抑制率和不同风速出现的频率带入式(7)中，即可得出不同防蒸发材料在吐鲁番地区的年节水率，见表3。

表2 吐鲁番地区非冰冻期内不同风速出现天数及频率

表3 不同防蒸发材料的年节水率

3 防蒸发控盐率分析

根据试验所测的各蒸发器中蒸发量和含盐总量，分别计算出各相同时间内各蒸发器内的节水率和控盐率，见表4、图1。

表4 控盐率随节水率的变化

图1 不同防蒸发节水率对应的控盐率变化曲线

由图1可知，控盐率随防蒸发节水率呈线性相关。自然状态时水面无覆盖，防蒸发节水率为零时，控盐率为零；随防蒸发节水率增大，无效蒸发减少，从而抑制了因“水走盐留”造成的水体含盐量增大，控盐率升高；当防蒸发节水率达到100%时，水体蒸发量为零，库水含盐量不变，控盐率达到100%。同时，经水库现场试验观测，防蒸发材料覆盖水面可有效阻止风沙天气时沙尘落入水体，水体悬浮物含量明显低于未覆盖的水体。可见，干旱区平原水库防蒸发一方面可起到减少水面蒸发达到节水目的，另一方面可抑制因水面无效蒸发造成的库水矿化度增大，同时还可减少沙尘和空气中的漂浮物落入水体，从而降低水库淤积和污染。

4 投资回收期

用防蒸发材料的节水效率来评价干旱区平原水库防蒸发节水的经济性，评价中涉及的典型变量是防蒸发材料的成本P(元/m2)、当地水价ω(元/m3)，当地自然水面平均蒸发量E(m/a)以及防蒸发节水效率η。投资回报期RP定义为：

(8)

结合吐鲁番地区自然蒸发量E0、不同防蒸发材料年节水率η、不同防蒸发材料成本价P、当地水价ω(以农业用水水价计)，即求出不同防蒸发材料的投资回收期，见表5。

表5 不同防蒸发材料投资回收期

由表5可知，在吐鲁番地区平原水库中，采用PVC浮球作为防蒸发材料时投资回收期最短，采用HDPE加配重浮球作为防蒸发材料时节水率最高。

5 防蒸发节水控盐效益分析

5.1 节水控盐社会效益分析

5.1.1 对农业的贡献

过去60年，中国西北干旱区气温以0.039℃/a的速度上升，降雨以1 mm/a的速度在增加，成为全球气候变化最敏感的区域之一[12]。气温升高直接影响到作物需水和耗水过程，温度升高导致地表和作物蒸散发增加以及对作物分布和作物生育期产生影响，进而改变作物需水过程。我国用水量中约60%为农业用水，如果不改变耕作制度、提高节水效率，气温升高将明显增加我国的农业需水量[13]。发展干旱区平原水库防蒸发节水控盐可有效提高水资源利用率和农作物产量,从而增加农户收入,促进农村经济发展。

5.1.2 对工业的贡献

水资源作为工业生产必需的投入要素之一,在工业生产中起着举足轻重的作用。干旱区平原水库防蒸发节约的水资源在满足生态、农业需水后，可从利用效率与效益较低的农业向利用效率与效益较高的工业转移,从而增加工业产值,促进社会经济发展。

5.2 节水控盐生态环境效益

随着人口的增加和工农业的迅速发展，挤占生态用水的现象越来越明显。生态水资源匮乏、水污染严重、荒漠化和水土流失等问题影响着我国经济和社会事业的发展，给人民的生活带来了影响。结合“西北干旱区社会经济用水与生态用水宜各占50%”的评价，以及中国工程院对新疆“社会经济用水量不超过500×108m3、灌溉面积不超过8 000万亩”的建议来看，当前新疆生态用水被农业用水挤占的程度是比较严重的[14]。为保证生态用水，近年来政府部门采用多种措施如塔里木河应急调水等。针对目前生态用水现状和“先节水后调水”原则，有研究[15]认为实施节水是保障生态用水的最主要手段。

土壤盐渍化是土地荒漠化和土地退化的主要类型之一，是世界性的资源问题和生态问题。我国干旱区盐渍土总面积达到36.93×104km2。新疆是我国盐渍土集中分布的大区，盐渍土面积几乎占到了全国盐渍土总面积的1/3，约11×104km2[16]。灌区土壤盐分主要来自于灌溉水，灌溉水水质直接决定土壤盐分积累状况。土壤中原有离子与灌溉水中的离子发生化学反应，改变土壤的理化性质[2]。而作为干旱区灌区水源地的平原水库因无效蒸发强烈造成库水矿化度升高，不仅对下游灌区土壤和生态环境造成恶劣影响，而且使后期的土壤盐渍化防治处理成本非常大。因此，采用防蒸发技术从源头上对水体矿化度进行控制，可有效降低下游灌区土壤盐渍化程度，对实现干旱区生态环境持续、稳定、健康发展具有重要的现实指导意义。

干旱区每年3-5月份，风沙较大，空气质量差。而吸附在沙尘表面的有害物质(如工厂废气、农药残留物等)具有在大气中完成长距离迁移的能力，并通过大气沉降进入各种地表水体。平原水库大面积水域会接受大量大气沉降而来的有害物质，因此大气沉降对干旱区平原水库水环境和下游生态环境的改善不容忽视，尤其是在人为排放强烈地区。Gray 等( 2014) 发现，美国Narraguinnep 水库中的汞主要来源于附近火电站的燃煤排放[17]，大气沉降被认为是当地水库中汞的重要来源[18]。有害物质进入水库后，一部分在水库中随水流进入下游灌区; 另一部分随颗粒物沉降到库底形成沉积物。干旱区平原水库防蒸发材料覆盖水面后可有效阻止沙尘落入水库，起到净化水体的作用。

6 结 论

因不同地区气象因素存在差异，同一种防蒸发材料的节水率高低应因地而异。在评价某一种防蒸发材料的节水率，不仅要考虑不同风浪对防蒸发材料的润湿率，还要考虑该地区不同风浪区间出现的频率。

干旱区平原水库防蒸发节水控盐需要大量的投入，投资回收期限较长。但从节水来讲，节约的水资源对于促进干旱区经济发展、缓解生态缺水起到关键作用；从控盐来讲，干旱区土壤盐分主要来自灌溉用水，平原水库防蒸发控盐可以在水源头降低灌溉用水矿化度，进而降低下游灌区土壤盐渍化程度和土壤盐渍化防治的处理成本，对生物多样性增加和生态环境恢复具有一定的现实意义。