HDPE浮球覆盖率对消减水面蒸发及水质的影响

徐思远 严新军 王步之 侍克斌

摘要：

为探究物理材料覆盖水面消减水面蒸发和对水体水质的影响，采用直径为10 cm的HDPE黑色浮球作为覆盖材料，5个直径和高度均为1 m的塑胶桶作为蒸发器，对浮球不同覆盖率下的防蒸发效果及水面微气候和水质的变化情况进行研究，采集试验数据并用SPSS软件进行相关性分析。结果表明：抑制蒸发率与浮球覆盖率成二次曲线关系，控盐率与节水率成正比且满足线性关系。浮球覆盖水面虽有稍微增加水温的负面效果，但能改变水面微气候，当覆盖率为73%时，水气间传质系数减小56.3%，近水面湿度增加12.9%。浮球覆盖水面后，减缓了水体矿化度、pH值、电导率、悬浮物含量等指标的增加速率。水面覆盖浮球能达到较好的节水效果，且对水体水质的恶化起到一定延缓作用。

关 键 词：

水面蒸发； HDPE浮球； 灌溉节水； 微气候；水质

中图法分类号： TV697

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.016

0 引 言

中国西北干旱区气候干燥、降雨量少、蒸发强烈［1-2］。该地区农田必须依靠灌溉来补给作物生长所需水分。以新疆为例，大部分灌区分布在平原地区，2019年农业灌溉用水占该地区经济社会用水的92.3%［3］。为了满足灌溉需求，新疆已建了400多座农业水库。这些水库在农业灌溉和当地生活供水上发挥着重要的作用。由于气候原因，每年蒸发量占水库蓄水量的40%［4］。蒸发不仅极大降低了库水的利用率和存储率，而且会导致水体矿化物浓度增大，影响灌溉作物生长环境和生长能力［5］。因此，减少水库蒸发损失在提高库水利用率与灌溉效率上有重要意义。

为减缓水库水体的蒸发损失，前人开发了各种节水技术。其中，物理覆盖法由于其高抑制率、低成本、无毒无害等优点得到了广泛应用。西班牙的Benzaghta［6］采用不同颜色的单层、双层聚乙烯网和单层铝网覆盖进行水面蒸发的对比试验。Al-Hassoun［7］采用棕榈叶编制的席垫覆盖水面来减少蒸发。2015年，美国洛杉矶政府花巨资在西尔玛水库投入9 600万个遮阳球，以减缓蒸发和改善水质［8］。国内最早在2004年，严新军［9］采用聚苯乙烯泡沫塑料板覆盖部分库区水面以减少无效蒸发损失量，从而提高水库的有效利用率。韩克武等［10］分别研究了均匀球和平衡球在风浪环境中的稳定性和节水效率。潘建旭［11］分析了防蒸发浮球在规则波作用下的运动，通过建模模拟了不同波高和周期波浪下防蒸发浮球的波动，同时讨论了不同波高和周期对浮球运动速度及升沉位移的影响。石兴鹏［12］结合水上太阳能电池板漂浮覆盖水面，对其覆盖下的气象规律与节水效率进行试验，得出非冰期的节水率为29.37%。

前人的成果绝大部分是从节水效益出发进行研究，对浮球覆盖下的蒸发过程微气象影响因素（传质系数、近水面湿度、水温分层）以及水体水质变化的研究鲜有报道。为了减缓库水蒸发以提高水资源的存储率和利用率，需要改善水质使其满足农作物的灌溉需求，达到高效节水与灌溉的目的。采用浮球覆盖水面，通过理论、试验与建模相结合，探讨不同浮球覆盖率、节水率与控盐率之间的关系，并率先提出控盐率与节水率在该研究区所满足的关系式，探讨浮球覆盖后对水体水质变化的积极影响。研究成果可为干旱半干旱蒸发强烈地区节水与灌溉水体水质改善等提供理论参考。

1 研究区概况、试验材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于新疆吐鲁番市胜金乡胜金台水库水土保持二期空地处，地理坐标为42°56′N，89°35′E。该地区属于典型的大陆性温暖带干旱沙漠气候。盆地内年平均降雨量为16.6 mm，最大降水量为48.4 mm，年平均蒸发量为2 845 mm［13］。试验期间为2022年2～5月，期间试验区多风少雨、日气温高且湿度低，风速 1.6～4.0 m/s的天数占试验期的75%，有且仅在3月降雨5.33 mm。5月某典型晴天日最高气温可达40 ℃，湿度低至10%，特殊气候导致水面蒸发强烈，使水体矿化物浓度增大。胜金台水库水体矿化度数值处于1～3 g/L，属于微咸水。

1.2 材料选择

物理覆盖抑制水面蒸发的材料应该满足一定的密度和强度要求，且具备憎水、无毒无害、耐用、成本低等特点［14］。经对比筛选，试验材料选择HDPE（高密度聚乙烯）材质、直径100 mm、重量約40 g、密度合适且均质的黑色浮球。

1.3 试验原理

水面的自然蒸发与诸多因素有关，如辐射、气温、湿度、水汽压差、水温、风速［15］。总的来说，影响蒸发的因素主要是辐射和风速。水面吸收短波辐射，导致水温上升。风改变了水体表面与上空的水汽压差，加强了水蒸气层与干湿空气层的交换速率，而后近水层与上方空气层重新建立水汽压差梯度，如此循环往复。浮球覆盖水面后，吸收一部分辐射的同时减小了水汽通量。

1.4 试验布置

试验选定在相同的环境下，选择5个直径为1 m，高度为1 m的蒸发器。将4个蒸发器开口面积均分为四等份，并在蒸发器25%、50%、75%、100%的开口面积内放置直径为10 cm高密度聚乙烯浮球。每个蒸发器加入相同量的库水，蒸发器外部包裹棉质材料，下方铺设厚度一致的聚苯乙烯塑料板，减小侧壁及周围与外界的热量交换。每日20：00用水位探针记录各蒸发器水位，用TDS水质检测笔监测水质参数pH、矿化度、电导率，水体悬浮物含量用重量法确定，每日不同时段不同水层（0，20，40 cm和80 cm）处温度用温度杆测量，同时用温度感应器测量球体温度。在试验期间，NK5500气象站记录试验点完整的日气温、相对湿度、大气压、风速等气象数据。

2 理论与计算

2.1 节水率计算

3 试验结果及分析

3.1 浮球覆盖率、蒸发量与节水率

在蒸发器25%，50%，75%和100%的开口面积内放置浮球，浮球总面积与蒸发器面积之比即为浮球在水面的覆盖率，节水率通过式（1）计算，各个覆盖率下的蒸发量与节水率如表1所列。

如表1所列，浮球覆盖率分别为18%，39%，58%和73%时，抑制蒸发率（节水率）为13.3%，30.1%，48.4%和62.1%。在试验期内无覆盖蒸发器蒸发量达到775 mm，73%覆盖时蒸发量为294 mm。在相同的气象条件下，蒸发量随着覆盖率的增加而降低。抑制蒸发率随着覆盖率的增加而增加。如图1所示，节水率与覆盖率之间存在非线性正相关关系，也验证了水面蒸发是一个非线性的物理过程。

3.2 控盐率

根据5个覆盖率下的含盐总量，用式（2）可分别算出每个覆盖率下的控盐率，如表2所列。

由表2可知，当浮球覆盖下节水率为13.3%，30.1%，48.4%和62.1%时，对应的控盐率分别达到了20.0%，39.1%，69.0%和88.9%。使用SPSS 26进行相关性分析，得出节水率与控盐率的关系式和相关性分析如图2和表3所示。

由图2可知，浮球覆盖水体之后的控盐率与节水率呈正比，控盐率随着节水率的增加而增加。控盐率y与节水率x满足线性关系式y=1.4286x，经皮尔逊相关性检验可知（表3），节水率与控盐率的相关系数为0.997，且相关性在0.01上是显著的。

3.3 物理覆盖对微气候的影响

3.3.1 水温和球温分析

太阳短波辐射是水体水汽化所需的最主要能量来源之一，体现在气温、水温和球体表面温度的变化。在典型晴天每隔2 h对不同水深的水温和球温进行测量，结果如图3所示。

从图3可看出，从凌晨02：00至24：00，随着气温的先降低后升高，球温和球体覆盖下的表面水温，以及对照组表面水温都呈现相同的变化趋势。夜间无辐射时，球温主要受气温与水温的影响，此时段球温与气温大致相同。08：00左右，太阳辐射开始增加，球温和气温随辐射量的增加急剧增大。到16：00，气温与球温达到极值，分别为41 ℃和55 ℃。16：00过后，辐射开始减小，球温的减小速率明显快于气温与表面水温。表面水温的变化趋势与气温相似，不同的是，表面水温变化速率更缓慢，最大水温26.7 ℃出现在18：00左右，滞后于气温峰值2 h。这是由于水体比热容较大，水体吸热与放热的过程较慢所致。

对5种覆盖率下的0，20，40，60 cm和80 cm处不同深度的水温进行监测，典型日变化如图4所示。由图可知，各蒸发器水体水层平均温度从上至下呈减小趋势，18%覆盖组与对照组水温变化相似，水层间温度变化不明显，最大温差为0.2 ℃。随着覆盖率的增加，各层水温稍有增加。覆盖率为73%时，水面温度比对照组高2.4 ℃，这是由于球温升高导致。随着覆盖率的增加，水温分层更加明显，最大可达2.4 ℃。当浮球覆盖率为18%～58%时，0～20 cm水深处水温稍高于对照组，在20 cm以下的水层温度皆小于对照组。说明黑色浮球覆盖水体使浅层水体水温增加，但物理覆盖阻挡部分太阳辐射，减缓了深层水体与浅层水体的热量交换。

3.3.2 相对湿度分析

各蒸发器近水面与大气湿度日变化如图5所示，近水面湿度平均高于大气湿度约5.8%。从日变化折线图看出，0：00～24：00期间表现为先增大后减小再增大。16：00时气温达到最高，此时湿度最低。随着覆盖度的增加，湿度有不同程度的加大。18%覆盖组的近水面湿度与对照组差别不大。覆盖率增加到39%时，湿度平均增加5%左右。浮球覆盖率为73%时，湿度增加较为明显，平均增加12.9%。因此，浮球覆盖水面可增加近水面湿度，覆盖率越大，效果越明显。

3.3.3 传质系数分析

每隔15 d对此时段的气象数据（包括平均湿度、平均气温以及5个覆盖率下的蒸发量）进行处理与计算。结合式（3）～（5），得出每一时段的水气间传质系数变化，如图6所示。由图可知，不同浮球覆盖率下水面与大气间的传质系数变化较大，且变化趋势一致。随着覆盖率的增加，传质系数逐渐减小。相对于未覆盖水体，浮球覆盖率为18%，39%，58%和73%时，传质系数平均减小12.5%，23.4%，43.8%和56.3%。

3.4 覆盖浮球对水质的影响

3.4.1 水体矿化度分析

水面蒸发会导致水体无机盐的浓度增大［18］。对于滴灌和喷灌的灌溉模式，长期灌溉含盐量高的水体会使喷頭或者滴头处堵塞，降低灌溉质量与效率。对于耕地，高盐度的水溶质在土壤表面析出，使土壤板结，抑制植物的根系发育。由节3.2得出的结果可知，浮球覆盖水面抑制蒸发的同时也减缓了水体盐浓度的增加，能减缓“水走盐留”带来的负面效应。

3.4.2 水体电导率分析

蒸发器不同覆盖率下的水体电导率变化如图7所示。由图7可知，电导率随着覆盖率的增加而减小，无覆盖的蒸发器内水体矿化度最高，为3 376 μs/cm。浮球覆盖率为18%，39%，58%和73%时，水体电导率分别减小了13.1%，19.3%，24.8%和31.2%。

3.4.3 水体pH值分析

不同覆盖度下的pH值变化如图8所示。5个蒸发器内水体的初始pH值有细微的偏差。总体上，水体pH值是随着蒸发的进行逐渐增大的，4月5日由于加水处理，蒸发器内水体pH值降低。无覆盖水体的pH值增加速率较快，最大值达到了10.7。同时也可以看出，浮球覆盖率39%以上可以明显降低水体pH值的增加速率。

3.4.4 水体悬浮物含量分析

悬浮物是造成水浑浊的主要原因。新疆是以干旱气候为主，风沙天气较多。浮球覆盖水面可避免空气中的沙尘以及微粒进入水体，有效改善水质。图9显示，浮球覆盖率越大，悬浮物含量增加越缓慢。当浮球覆盖率为18%，39%，58%和73%时，悬浮物含量分别减小了22.0%，46.4%，59.2%和68.4%。

4 结 论

本文通过改变浮球在水面上的覆盖率，对其节水效果及其对水面微气候和水质的影响进行研究，得出主要结论如下。

（1） 浮球覆盖能有效减缓水面蒸发和水体盐度的增加速率。覆盖率与节水率成非线性正相关。控盐率与节水率成正比，满足线性关系式y=1.4286x。

（2） 浮球覆盖下的球温和水温与气温变化趋势一致，球温随气温的变化速率快，水温的变化速率缓慢。且覆盖率越大，水温分层越明显。

（3） 浮球覆盖水面能有效加大近水面的湿度，减小水气间传质系数。当浮球覆盖率为73%时，湿度平均增加约12.9%。相对于自然水面，覆盖率为18%，39%，58%和73%时，水气间传质系数平均减小12.5%，23.4%，43.8%和56.3%。

（4） 浮球覆盖水面能降低水体矿化度、水体pH值、电导率和悬浮物含量增加速率。覆盖率为18%，39%，58%和73%时，水体矿化度分别减小了20.0%，39.1%，69%，88.9%；电导率分别减小了13.1%，19.3%，24.8%和31.2%；悬浮物含量减小了22.0%，46.4%，59.2%和68.4%。

本课题组在多年使用浮球的过程中，并未发现材料本身对水体水质有副作用的影响。但对于较大的覆盖率来说，浮球覆盖会对水体中的溶解氧含量、水生微生物或者藻类等水生植物产生影响。鉴于节水与水环境保护的综合考量，还需要得出一个最优覆盖率的区间范围。而且，当浮球应用于有航运、水产养殖、旅游景观要求的水体时，需要对抗风浪的稳定性问题、布置结构与方式和覆盖范围等具体情况进行全面分析。

参考文献：

［1］ 陈伟涛，孙自永，王焰新，等.论内陆干旱区依赖地下水的植被生态需水量研究关键科学问题［J］.地球科学，2014，39（9）：1340-1348.

［2］ 邓铭江，石泉.内陆干旱区水资源管理调控模式［J］.地球科学进展，2014，29（9）：1046-1054.

［3］ 李会芳，朱艳芬，蔡倒录.新疆农业用水及主要农作物用水特征问题研究［J］.农业与技术，2021，41（21）：40-43.

［4］ 陈亮亮.内陆干旱区平原水库防渗节水及对下游土壤次生盐渍化影响研究［D］.乌鲁木齐：新疆農业大学，2017.

［5］ 唐凯，何新林，姜海波，等.不同苯板覆盖率对水面蒸发影响的试验研究［J］.干旱区研究，2016，33（6）：1189-1194.

［6］ BENZAGHTA M A，MOHAMMED T A.Testing of evaporation reduction methods in humid climates［J］.Water Management，2012，166（4）：207-216.

［7］ AL-HASSOUN S A，MOHAMMED T A，NURDIN.Evaporation reduction from impounding reservoirs in arid areas using palm leaves［J］.Research Journal of Applied Sciences，2009，4（4）：247-250.

［8］ HAGHIGI E，MADANI K，HOEKSTRA，A Y，The water footprint of water conservation using shade balls in California［J］.Nature Sustainability.2018（1）：358-360.

［9］ 严新军.内陆干旱区平原水库防蒸发节水试验研究［D］.乌鲁木齐：新疆农业大学，2004.

［10］ 韩克武，侍克斌，严新军，等.PE浮球覆盖下干旱区平原水库防蒸发节水效率分析［J］.应用基础与工程科学学报，2020，28（2）：376-385.

［11］ 潘建旭.防蒸发浮球在规则波作用下的运动响应分析［J］.陕西水利，2021（6）：15-18.

［12］ 石兴鹏.干旱区水上光伏发电单元体防蒸发节水效率研究［J］.水利科技与经济，2022，28（7）：55-59.

［13］ 张晓浩，侍克斌，严新军，等.群板覆盖下内陆干旱区平原水库节水效率研究［J］.人民长江，2015，46（8）：23-26.

［14］ 童新，刘廷玺，杨大文，等.半干旱沙地-草甸区水面蒸发模拟及其影响因子辨识［J］.干旱区地理，2015，38（1）：10-17.

［15］ GALLEGO-ELVIRA B，BAILIE A，MARTIN-GORRIZ B，et al.Energy balance and evaporation loss of an agricultural reservoir in a semi-arid climate（south-eastern Spain）［J］.Hydrological Processes，2010，24（6）：758-766.

［16］ 曹丽青，葛朝霞.气象学和气候学的课程［M］.北京：中国水利水电出版社，2009：124-125.

［17］ ASMAR BN，ERGENZINGER P.Estimation of evaporation from Dead Sea［J］.Hydrological Processes，1999，13（3）：2743-2750.

［18］ 赵钰，王正红，张艳，等.FFH100 型自动蒸发系统在长清水文站的应用分析［J］.水利水电快报，2021，42（7）：14-16.

（编辑：李 慧）

Abstract：

In order to explore the influence of physical material covering the water surface to reduce water surface evaporation and the influence on the water body and water quality，we used HDPE black floating ball with a diameter of 10 cm as the covering material，and five plastic buckets with a diameter and height of 1 m as the evaporator，and carried out a relevant study on the effect of the floats on preventing evaporation，changes in microclimate and water quality on the water surface under different coverage rate.The study collected the relevant experimental data and used SPSS software for correlation analysis.The results showed that the evaporation inhibiting rate was in a quadratic curvilinear relationship with the float coverage rate and the salt control rate was proportional to the water saving rate.Although the negative effect of float coverage on the water surface was to slightly increase the water temperature，it could change the micro-climate of the water surface.At 73% coverage，the air-to-air mass transfer coefficient decreased by 563% and the humidity near the water surface increased by 129%.Covering the water surface with floats would slow down the increasing rate of indicators such as mineralization，pH，conductivity and suspended solids content of the water.It is concluded that covering the water surface with floats can achieve good water saving effect and slow down the deterioration of water quality.

Key words：

water surface evaporation；HDPE floating ball；irrigation water saving；micro-climate；water quality