張曉浩，侍克斌，嚴(yán)新軍，張林林

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊　830052)

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防蒸發(fā)浮板覆蓋平原水庫節(jié)水效率研究

張曉浩，侍克斌，嚴(yán)新軍，張林林

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052)

摘要：內(nèi)陸干旱區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈,為了減少內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫的無效蒸發(fā)，提高水庫的利用率，緩解水資源緊張，進(jìn)行了塑料空心板覆蓋水庫水面的試驗。通過隔斷水面與外界環(huán)境的接觸，從而抑制水面蒸發(fā)。塑料空心板的濕潤面積由3部分組成：風(fēng)浪打濕的面積、板與板之間碰撞擠出的水形成的濕潤面積、板與壩坡碰撞擠出的水形成的濕潤面積。應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)原理，依據(jù)現(xiàn)場試驗的實測數(shù)據(jù)，計算在不同氣象條件下浮板的濕潤面積，統(tǒng)計一個完整的非冰凍期資料；得出不同風(fēng)速出現(xiàn)的概率及防蒸發(fā)系數(shù)，計算防蒸發(fā)量；對比分析不同面積下防蒸發(fā)浮板覆蓋水庫水面的節(jié)水效率。結(jié)果表明：現(xiàn)場3個方案試驗的節(jié)水效率分別為55.38%，65.97%，80.10%，浮板面積越大節(jié)水效率越高，板的節(jié)水效果和試驗布置方式有關(guān)，將浮板布置在圍欄之內(nèi)，最大可提高節(jié)水效率1.45%；將浮板做成整體時節(jié)水效率提高較為明顯，最大可提高17.68%。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；平原水庫；防蒸發(fā)；塑料空心板；節(jié)水效率

1研究背景

內(nèi)陸干旱區(qū)水資源匱乏，如何更高效地利用有限的水資源是一個急待解決的問題，而其中關(guān)鍵在于節(jié)水。田間節(jié)水[1]灌溉新技術(shù)包括膜下滴灌、波涌灌溉、水平畦地灌溉、化學(xué)及生物節(jié)水技術(shù)等。輸水過程的節(jié)水有管道輸水[2]、渠道防滲等措施。在水庫節(jié)水方面有土工膜防滲[3]等措施。內(nèi)陸干旱區(qū)有許多平原水庫，例如新疆已建的水庫中絕大多數(shù)都是平原水庫[4]，根據(jù)已有的研究成果估算，新疆平原水庫年蒸發(fā)量占水庫總庫容的40%，其中大多數(shù)為無效蒸發(fā)，大大降低了水庫的有效利用率，用防蒸發(fā)材料覆蓋水庫水面從而抑制水面蒸發(fā)是一種有效的途徑，可以提高水資源的利用率，是一個十分有意義的研究方向，為內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫節(jié)水提供了新的思路和方法。

干旱地區(qū)抑制水庫水面蒸發(fā)節(jié)水的研究，目前在國內(nèi)外公開發(fā)行的刊物上，能檢索到的相關(guān)理論研究與實際應(yīng)用的報道不多。1964年施成熙教授在南京做了16醇和18醇的抑制蒸發(fā)試驗；1965年聯(lián)合國教科文組織的干旱帶研究計劃對單分子薄膜抑制水面蒸發(fā)進(jìn)行了總結(jié)，雖然做了一定的試驗，但沒有詳細(xì)的成果報道；吳邦信等[5]用烏柏脂作為原材料提取氨基醇酞胺和聚氧乙烯酞胺，用得到的非離子表面的活性劑作為防蒸發(fā)材料進(jìn)行減少水面蒸發(fā)的試驗；1983年中國科學(xué)院新疆地理研究所[6]也做過抑制水面蒸發(fā)試驗，用蒲草作為防蒸發(fā)材料覆蓋水面的抑制率為14.2%，蒲草適合生長在水深小于1m的水域；2004年新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)新軍[7]選用聚苯乙烯泡沫塑料板為主要試驗材料，利用其完全不透水的性能，將其覆蓋部分水面上以節(jié)省覆蓋面積下原來蒸發(fā)損失的水柱體的研究；2006年Alvarez等[8]研究了不同顏色的聚乙烯浮箱對水庫防蒸發(fā)效果的影響；2008年甘肅省水利科學(xué)研究院[9]和西安理工大學(xué)武金慧[10]采用聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯軟片和石蠟3種材料抑制水庫水面蒸發(fā)的方法，研究了3種材料的防蒸發(fā)效果和不同材料抑制水面蒸發(fā)措施的經(jīng)濟(jì)效益；2010年寧夏大學(xué)田軍倉等[11]研制出1種抑制水面蒸發(fā)的輕質(zhì)混凝土板，通過繩索相互連接，連接繩固定于水池邊，所做的試驗在室內(nèi)試驗室觀測；2012年新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)張永山等[12]采用塑料空心板作為試驗對象，節(jié)水效率較高，但其只是用單板做研究未考慮以群板的方式計算防蒸發(fā)效果；Assouline[13]從理論上初步探討了局部覆蓋水庫抑制水面蒸發(fā)的有效性。

基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，抑制水面蒸發(fā)的試驗很多，但用在水庫防蒸發(fā)節(jié)水方面的少之又少。有些研究只是抑制水面蒸發(fā)，而不是針對水庫節(jié)水方面；還有一部分試驗是在室內(nèi)做的，沒有考慮風(fēng)浪、紫外線等綜合因素的作用，在水庫防蒸發(fā)節(jié)水方面試驗中，存在著成本過高或是僅僅采用單板節(jié)水等不足之處。

2選取材料及試驗布置

2.1選取材料

試驗中，通過隔斷水面與外界環(huán)境的接觸從而抑制水面蒸發(fā)達(dá)到節(jié)水的目的。影響水體蒸發(fā)的因素有很多，其中最主要的是風(fēng)速、相對濕度、溫度[14-15]，為了避免這些因素的影響，采用塑料空心板覆蓋水面減少無效蒸發(fā)。該材料為聚乙烯材質(zhì)，具有憎水、柔性、不易分解、密度小、強(qiáng)度高等特點，物理參數(shù)符合試驗的要求，技術(shù)上可行。內(nèi)陸干旱區(qū)有眾多的平原水庫，為了便于推廣，在合理的期限內(nèi)收回成本也是1個重要的因素，本實驗選擇的材料單一均質(zhì)，較為普遍，很多當(dāng)?shù)仄髽I(yè)就能生產(chǎn)，減少跨省運輸，降低成本，根據(jù)當(dāng)?shù)厮畠r，可以在一定年限內(nèi)收回成本，經(jīng)濟(jì)上合理。綜合考慮聚乙烯塑料空心板在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的合理性，采用該材料覆蓋水面能有效抑制水面的無效蒸發(fā)，故其作為防蒸發(fā)材料較為理想。

2.2試驗布置

試驗地點位于新疆阜康市某水庫，試驗采用塑料空心板的幾何參數(shù)長×寬×高為130 cm×110 cm×12 cm，密度為145 kg/m3，水面以上的高度接近10 cm。試驗選取的地點為開闊水域，水深較大，在選取的地點布置試驗材料，分別以1塊、4塊、8塊塑料空心板為研究對象，試驗方案見表1。

表1　試驗方案材料參數(shù)Table 1　Material parameters of test plans

塑料空心板4個角均有預(yù)留孔，孔徑為2 cm，用直徑為1 cm的細(xì)繩相互連接，使得板與板之間為柔性連接，塑料空心板可以隨著波浪上下擺動，可防止脆性破壞；用直徑2 cm的細(xì)繩將其固定在壩坡附近，便于觀察取得試驗數(shù)據(jù)，3個方案的試驗布置如圖1所示。

圖1　試驗現(xiàn)場布置

3試驗數(shù)據(jù)采集、分析及節(jié)水效率計算

3.1數(shù)據(jù)采集

采用型號為VICTOR816B的風(fēng)速計記錄風(fēng)速，現(xiàn)場觀測3個方案試驗的完全濕潤及部分濕潤時的風(fēng)速大小，統(tǒng)計1個完整非冰凍期各個風(fēng)速出現(xiàn)的概率，塑料空心板濕潤時的風(fēng)速大小見表2。

表2　不同風(fēng)速下3個方案試驗中的濕潤率Table 2　Rate of plate wetness in the presence of different wind speed in three test groups

注：實際試驗過程中，風(fēng)速在1.1 m/s以下時庫區(qū)水面均視為靜水狀態(tài)，浮板的濕潤面積接近于0。

3.2數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計試驗區(qū)1個完整的非冰凍期(4—10月份)的氣象資料，計算出使塑料空心板濕潤的風(fēng)速范圍及出現(xiàn)的天數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3　出現(xiàn)天數(shù)及頻率Table 3　Duration (days) and frequency of wind speed which makes the plastic plate wet

在現(xiàn)場試驗中，如果防蒸發(fā)浮板表面濕潤，則濕潤的部分起不到節(jié)水的效果，根據(jù)表2的數(shù)據(jù)可以得到3個方案試驗的防蒸發(fā)系數(shù)k，即

(1)

將數(shù)據(jù)代入式(1)中得到不同風(fēng)速范圍下，3個方案試驗的防蒸發(fā)系數(shù)如表4所示。

表4　不同風(fēng)速范圍下3個方案試驗的防蒸發(fā)系數(shù)Table 4　Coefficient of evaporation reduction in the presence of different wind speed in three test groups

濕潤率和防蒸發(fā)系數(shù)的和等于1，試驗過程中浮板的面積是由濕潤面積和干燥的面積2部分組成，在靜水條件下浮板露出水面以上的面積全部干燥，防蒸發(fā)系數(shù)為1，而濕潤率為0，在有風(fēng)浪的時候，濕潤率變大，防蒸發(fā)系數(shù)變小，它們的總和始終等于1。

3.3防蒸發(fā)量及節(jié)水效率

根據(jù)非冰凍期的平均蒸發(fā)量、防蒸發(fā)系數(shù)、不同風(fēng)速出現(xiàn)的概率，可計算出3個方案試驗的節(jié)水效率，典型年份的蒸發(fā)總量E=1 556.30 mm，計算結(jié)果見表5。

節(jié)水效率　?！?2) 表5　不同風(fēng)速范圍下3個方案試驗的防蒸發(fā)量Table 5　Amount of evaporation reduction in the presence of different wind speed in three test groups

將數(shù)據(jù)代入式(2)中得到3個方案試驗的節(jié)水效率見表6。

表6　節(jié)水效率Table 6　Rate of water saving　%

4討論

塑料空心板的濕潤面積由風(fēng)浪打濕的面積、板與板之間碰撞擠出的水形成的濕潤面、板與壩坡碰撞擠出的水形成的濕潤面積3部分組成，合理地規(guī)避這些因素是提高節(jié)水效率的關(guān)鍵。

(1) 風(fēng)浪濕潤的面積受自然條件的影響較大，不易規(guī)避，試驗過程中浮板與水面的接觸是面與面的關(guān)系，合理改變浮板的形狀可減少接觸面積，如將浮板做成具有一定坡度，且浸入水下的部分類似圓弧形的形狀，可增加露出水面的高度，浮板前沿的部分又能起到消浪的作用，能有效減小板的濕潤面積；浮板的頂部需采用較緩的坡度，使浮板上濕潤的水能快速地回流到水庫中，雨天也能有助于雨水匯流到水庫，而且還可以節(jié)省材料。

(2) 板與板之間碰撞擠出的水形成的濕潤面積，可以通過將浮板的面積做大解決，這樣可以減少不必要的接縫，避免水從對接的縫隙中擠出，風(fēng)速達(dá)到一定程度時，風(fēng)浪打濕的面積和板之間互相碰撞擠出的水有重疊的面積，在實際過程中重疊的部分為濕潤面積，則去掉擠出的水之后的濕潤面積不包括重疊的部分，在相同的試驗條件下如將2#和3#方案的浮板做成整體，防蒸發(fā)量見表7。

表7　浮板為整體時的防蒸發(fā)量Table 7　Amount of evaporation reduction when the plates are integrate

依據(jù)表7中的防蒸發(fā)量和式(2)可以計算出2#，3#方案的節(jié)水效率分別為83.65%，91.42%，較以板之間有擠兌時的節(jié)水效率分別提高了17.68%，11.32%。

(3) 平原水庫水深相對較淺，可以在水庫中放置浮箱，將浮板置于浮箱內(nèi)的圍欄之中，防止與壩坡碰撞加劇浮板破壞，避免碰撞擠出一部分水，使?jié)駶櫭娣e增大降低節(jié)水效率，而且浮箱可以隨著水位的變化而變化，在試驗過程中只有在較大風(fēng)浪條件下才會發(fā)生此類情況，去掉因風(fēng)浪打濕、板之間碰撞的濕潤面積中重疊部分，除去與壩坡碰撞擠出水時的防蒸發(fā)量見表8。

表8　浮板置于圍欄之內(nèi)時的防蒸發(fā)量Table 8　Amount of evaporation reduction when the plastic plates are enclosed in the fence

根據(jù)表8的防蒸發(fā)量和式(2)可以分別計算出1#，2#，3#方案實驗的節(jié)水效率是56.83%，66.88%，80.34%，較固定在壩坡周圍時提高了1.45%，0.91%，0.24%，同時可以有效避免浮板與壩坡碰撞造成破壞，延長試驗材料的使用年限。

5結(jié)論

(1) 在相同的氣象條件，節(jié)水效率和浮板的鋪設(shè)面積有關(guān)。3個方案試驗的節(jié)水效率分別為55.38%，65.97%，80.10%，面積越大，節(jié)水效率越高，反之越低。

(2) 浮板的節(jié)水效果和試驗的布置方式有關(guān)，在壩坡附近容易與壩相撞，擠出一部分水，增大濕潤面積，降低節(jié)水效率，布置在圍欄之內(nèi)，可提高節(jié)水效率，3個方案試驗在壩坡附近時的節(jié)水效率為56.83%，66.88%，80.34%，在圍欄之內(nèi)時節(jié)水效率分別提高1.45%，0.91%，0.24%。

(3) 將浮板做成整體時節(jié)水效率提高較為明顯， 2#，3#方案的節(jié)水效率分別為83.65%，91.42%，較以板之間有擠兌時的節(jié)水效率分別提高了17.68%，11.32%。

(4) 通過改變浮板的面積與在圍欄之內(nèi)的節(jié)水效率進(jìn)行比較，增大浮板的面積能使節(jié)水效率較大幅度提高。

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(編輯：占學(xué)軍)

收稿日期：2015-01-30； 修回日期：2015-03-02

基金項目：新疆科技支撐項目(201233132)；新疆水利水電工程重點學(xué)科基金資助項目(xjzdxk-2010-02-12)

作者簡介：張曉浩(1988-)，男，山西神池人，助理工程師，碩士，主要從事干旱區(qū)平原水庫節(jié)水及周邊土壤次生鹽漬化防治研究，(電話) 13999280244 (電子信箱)82523734@qq.com。 通訊作者：侍克斌(1957-)，男，新疆石河子人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水利工程學(xué)科的教學(xué)與科研工作,(電話)13609917743 (電子信箱)xndsg@sina.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150108

中圖分類號：TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)04-0006-05

Efficiency of Plastic Plate in Reducing Evaporation fromReservoir Waters in Arid Plain Area

ZHANG Xiao-hao, SHI Ke-bin, YAN Xin-jun, ZHANG Lin-lin

(School of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi830052, China)

Abstract:In the aim of reducing ineffective evaporation from reservoir waters in inland arid plain area, we conducted tests on plastic hollow plate covering the reservoir water surface. By preventing the water surface from external environment, the plates could suppress water surface evaporation, hence alleviating water shortage and improving the utilization rate of reservoirs. The wet area of plastic hollow plate consists of three parts: area wetted by wind waves, area wetted by the collision between plates, and area wetted by the collision between plates and dam slope. According to observed data we calculated the wet area in different meteorological conditions. And through statistical analysis on the probability of wind speed and corresponding evaporation reduction coefficient in a complete non-frozen period, we calculated the evaporation reduction amount and compared the water-saving efficiency in the presence of different cover area. According to results we obtained three different values of water saving efficiency: 55.38%, 65.97%, and 80.10% in three different test conditions. The results suggest when the plate area gets larger, the water-saving efficiency is higher. Moreover, the water-saving effect is related with test arrangement: when the plates are enclosed in a fence to avoid collision, the water-saving efficiency improves by 1.45% to the maximum; and when the plates are made integrate, the water-saving efficiency can be increased by 17.68%.

Key words:arid area; reservoir in plain area; evaporation reduction; plastic hollow plate; water-saving efficiency

2016,33(04):6-10