李存立，嚴新軍，侍克斌

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

不同配重的浮球覆蓋下干旱區(qū)平原水庫的節(jié)水效率對比分析

李存立，嚴新軍，侍克斌

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

為達到抑制干旱區(qū)平原水庫水分蒸發(fā)的目的，采用PVC浮球為試驗材料，通過室內(nèi)、外試驗觀測并分析無配重浮球在不同風速下的運動情況，探究浮球產(chǎn)生不規(guī)則旋轉和翻滾運動的原因，并采取增加配重的辦法對此問題加以解決。通過對比不同配重的浮球在不同氣象條件下的濕潤率并對其在試驗期內(nèi)的蒸發(fā)抑制率進行評價，結果表明：負載配重后的浮球比無配重的浮球的防蒸發(fā)節(jié)水效果更加顯著，其水面綜合蒸發(fā)抑制率最大可提高24%。研究成果為干旱區(qū)平原水庫的節(jié)水措施提供了新思路。

干旱區(qū)平原水庫；節(jié)水效率；配重；浮球覆蓋；蒸發(fā)抑制率

1 研究背景

近年來，淡水資源短缺的問題日益突出，干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水的理念愈加受到國內(nèi)外工程界和學術界的密切關注[1-3]。

綜合已公開發(fā)表的一些防蒸發(fā)文獻和研究成果[4-7]可知，物理浮球覆蓋是目前較為成熟和被大規(guī)模運用的防蒸發(fā)技術。2015年8月美國加利福利亞州的西爾瑪水庫運用浮球作為水面防蒸發(fā)覆蓋材料，浮球主要材質為聚乙烯，直徑約為10 cm,黑色的質地可以達到反射紫外線的目的。運用浮球作為防蒸發(fā)材料優(yōu)點突出：接觸性能好，圓弧形狀可以緩沖球與岸坡之間、球與球之間的撞擊力，避免浮球破損；浮球下部的弧形形狀能減小與水面直接接觸的有效面積，可以減小水面之上的浮球表面積被風浪潤濕的可能性。單體浮球滾動的特性，可以使浮球在庫區(qū)水位降低時相互重疊，覆蓋更加嚴密結實。但是通過室內(nèi)外試驗發(fā)現(xiàn)浮球穩(wěn)定性能較差，在較大風浪情況下浮球自身容易產(chǎn)生不規(guī)則旋轉，將潤濕部分的表面暴露在自然環(huán)境中，隨著風浪的增大浮球會隨著波浪浮動，嚴重時會產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象，以上2種現(xiàn)象的發(fā)生嚴重降低了浮球的蒸發(fā)抑制率。

本試驗采用PVC浮球作為試驗材料，針對浮球在風浪下不規(guī)則旋轉和翻滾的問題，通過觀察并分析無配重浮球(即負載為0)在不同風速下的運動情況，探究浮球產(chǎn)生不規(guī)則旋轉和翻滾運動的原因，并通過增加配重的辦法對此問題加以解決。以期望早日在干旱區(qū)平原水庫實現(xiàn)降低水分蒸發(fā)的工程措施。

2 試驗原理

影響水面蒸發(fā)的主要因素包括太陽輻射、風速、水汽壓力差與溫度等[8-10]，分析以上主要因素發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)的主要場所為水體的表面，所以通過浮球覆蓋水體的表面抑制水分的蒸發(fā)在實際工程中是可行的。通過浮球覆蓋水面隔斷水分子對太陽輻射能量的吸收，從而降低了水溫，減緩蒸發(fā)速率；浮球弧形的結構可以使?jié)櫇癫糠值乃w流入水庫，從而在最大程度上達到抑制水體蒸發(fā)的目的。

當負載配重的浮球在靜止的水面工作時，自身的重力與水體對浮球和配重共同體的浮力作用，2個作用力大小相等、方向相反，且作用在同一條直線上，配重與浮球共同體就基本保持平衡狀態(tài)。當負載配重的浮球的重心位置在球心和配重重心之間時，在一定的風浪力作用下，浮球和配重共同體在慣性力作用下會失去穩(wěn)定性，此時重心的位置會高于其在平衡狀態(tài)的位置，但在重力力矩作用下浮球與配重共同體會始終保持抵抗外力干擾，保持平衡的狀態(tài)。通過添加配重可實現(xiàn)浮球抵抗外力干擾保持平衡的能力，從而在最大程度上達到降低水體蒸發(fā)的目的。

3 試驗方案

試驗方案包括室內(nèi)試驗和室外試驗，試驗照片如圖1所示。

圖1 室內(nèi)、室外試驗照片F(xiàn)ig.1 Photos of indoor and outdoor tests

3.1 室內(nèi)試驗

試驗地點為新疆農(nóng)業(yè)大學實驗室的防蒸發(fā)試驗池，其面積為3 m×4 m，平均水深為0.4 m。選取試驗所需儀器和材料：直徑為0.1 m的PVC浮球若干個,每個質量為0.1 kg；風速儀；風扇(可調(diào)節(jié)風速大小)。將浮球置于水面待其穩(wěn)定后，在其正上方，用紅色碳素筆，繪制一個直徑約為1 cm的紅點，以方便觀測浮球是否旋轉，打開電風扇，提供一定的風速，并且通過造波板模擬波浪，用風速儀記錄此時的風速，同時觀察不同負載的浮球在水面的運行情況，并且通過調(diào)節(jié)風速大小以及造波板的速度來模擬浮球在不同風浪下的運行情況。

通過觀測發(fā)現(xiàn)：風速越大浮球在風力方向運動越快且?guī)в修D動現(xiàn)象，但是無配重浮球是不規(guī)則旋轉且?guī)в袛[動現(xiàn)象；負載不同配重的浮球以紅點正下方的直徑為定軸旋轉且在風浪中帶有擺動現(xiàn)象；持續(xù)約30 min后關閉風扇、停止造波，發(fā)現(xiàn)無配重浮球的紅點移向側邊，且所有紅點所處位置不同，而負載不同配重的浮球在風浪停止后，紅點停留在原來位置。此現(xiàn)象說明了無配重浮球在水面工作時不穩(wěn)定，浮球無規(guī)則的旋轉，將濕潤面帶向浮球的正上方，降低其作為防蒸發(fā)材料的作用，但是考慮到室內(nèi)試驗與室外試驗的差距，如風速大小和風向的隨機性以及小型區(qū)域波浪與室外波浪的差異，需要進一步在室外試驗證明其規(guī)律性。室內(nèi)試驗照片如圖1(a)所示。

3.2 室外試驗

室外試驗地點為新疆天山北坡的某座平原水庫，選擇一段合適的水域為試驗區(qū)(水域面積約為2 000 m2,長邊為200 m，短邊為10 m)。根據(jù)試驗需要稱取不同質量的配重，依組次劃分為：無配重(第1組次)、2 g(第2組次)、5 g(第3組次)、10 g(第4組次)、50 g(第5組次)，共5個組次，每組次有3個浮球。將不同的配重用膠帶固定于浮球之下，并且置于試驗區(qū)內(nèi)使其自由漂浮，用風速儀觀測試并測量試驗時的風速。通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)：無配重浮球在室外風浪作用下的不規(guī)則旋轉現(xiàn)象更加明顯，且在靠近岸坡邊緣會發(fā)生翻滾旋轉現(xiàn)象，受波浪沖擊到岸坡后，會翻滾到水庫內(nèi)，致使浮球表面全部濕潤，大風浪情況下會持續(xù)發(fā)生這種現(xiàn)象；負載不同配重的浮球在風浪中會順著波浪的方面前后搖擺，浮球不會產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象，但是在大風浪沖擊到岸坡后小配重浮球依然會發(fā)生翻滾現(xiàn)象，此外，在風浪作用下配重較輕或無配重浮球更加容易被配重較大浮球擠向岸邊，室外試驗照片如圖1(b)所示。

通過室內(nèi)外試驗發(fā)現(xiàn)：無配重浮球在風浪作用下自身容易旋轉翻滾以及沿著波浪前進的方向擺動，二者疊加嚴重地增加了浮球表面的濕潤面積，降低浮球的蒸發(fā)抑制率；在對浮球增加配重后，浮球旋轉翻滾現(xiàn)象得到解決。

4 節(jié)水效率分析

4.1 數(shù)據(jù)整理

4.1.1 風速整理

試驗時間為8月中旬至9月末期，風速分為由風速儀所測得的試驗現(xiàn)場風速和由水庫管理處氣象站獲得的風速，由風速儀所測得的風速為實測風速，當?shù)貧庀笳撅L速可根據(jù)所測風速的地理位置和《碾壓式土石壩設計規(guī)范》所規(guī)定的值乘以修正系數(shù)1.1[11]所得。為便于計算，本論文在以試驗區(qū)的實測數(shù)據(jù)和水庫管理處獲得的數(shù)據(jù)為基礎的情況下，將試驗期內(nèi)的風速持續(xù)情況歸結為天數(shù)(d)進行統(tǒng)計計算，見表1。

由表1可知：試驗期內(nèi)主要風級為0～2級，風速范圍為0～3.3 m/s，其概率約占試驗期的71%，又由試驗區(qū)的歷年資料知年平均風速為2.2 m/s，證明了本試驗獲得數(shù)據(jù)的準確性。

4.1.2 濕潤面積整理

浮球在不同風速下的濕潤面積(浮球處于靜止狀態(tài)下，水平面以上潤濕的部分)是本試驗重點觀測的內(nèi)容。用黑色碳素將浮球的表面劃分為面積相等的若干部分，統(tǒng)計不同小部分的濕潤面積之和求得總濕潤面積；浮球濕潤部分的面積與浮球可濕潤面積(浮球處于靜止狀態(tài)下，水平面以上的部分)之比即為浮球表面的潤濕率，見表2所示。

表1 試驗期內(nèi)風速情況Table 1 Wind speed in test period

表2 不同配重的浮球在不同風速下的潤濕率Table 2 Wetting rates of floating balls of different weights in presence of varying wind speed

如表2所示，無配重浮球在0～1.5 m/s內(nèi)風速時，濕潤率最高可達30%，其原因是浮球無規(guī)則的旋轉，將濕潤部分的浮球表面帶向水平面以上，以及在靠近岸坡附近輕微的翻滾旋轉導致；當風速達到4.4 m/s時，在浮球自身的旋轉以及波浪拍擊擺動下，浮球的表面全部潤濕。負載不同配重的浮球在0～1.5 m/s內(nèi)風速時，風浪只能輕微潤濕浮球的下半部分；當風浪持續(xù)增大之后浮球在波浪擺動的過程中潤濕浮球全部表面。

4.2 最大蒸發(fā)抑制率計算

通過室內(nèi)分析和現(xiàn)場試驗觀察浮球在限定的小區(qū)域范圍內(nèi)自由漂浮的情況，發(fā)現(xiàn)浮球基本呈3球接觸擠壓狀態(tài)，對于其最大蒸發(fā)抑制率的計算可以根據(jù)一定數(shù)量的浮球在靜水工作時的排列狀態(tài)來計算影響面積。其中選取一個浮球為基準，以單個浮球最大直徑所對應的面積與其周圍所影響的空隙的面積之和為有效影響面積，如圖2所示。

圖2 浮球水面工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working of floating balls on water surface

由現(xiàn)場觀測可知：大面積覆蓋下浮球呈現(xiàn)3球接觸狀態(tài)，基準浮球與每2個浮球有一個空隙面積，故該浮球的有效影響面積為浮球最大直徑面面積與2個空隙的面積之和，由此可以求出浮球的最大蒸發(fā)抑制率，即

(1)

式中:ηmax為浮球的最大蒸發(fā)抑制率(%)；SB為單個浮球最大直徑面所占的面積(m2)；S為單個浮球有效影響面積(m2)；I為防蒸發(fā)系數(shù)。

經(jīng)計算浮球的最大蒸發(fā)抑制率約為91%，即在其覆蓋范圍內(nèi)有9%的水域處于無覆蓋狀態(tài)，且同樣數(shù)量的浮球最大蒸發(fā)抑制率與浮球的直徑大小無關，只與浮球的接觸類型相關。

4.3 綜合蒸發(fā)抑制率計算

對于自然條件下影響水體蒸發(fā)的因素有許多種，但在浮球有效覆蓋下的水體，就如加了許多小蓋子一樣可以阻隔蒸發(fā)的路徑和水分子蒸發(fā)所需要能量的來源，只有在風浪作用下濕潤部分的面積才會如自然狀態(tài)下的水體正常蒸發(fā)。故本試驗主要考慮風速對蒸發(fā)抑制率的影響，以浮球的最大可濕潤表面積為定量，以受風速影響的浮球的濕潤面積為變量，試驗期內(nèi)的綜合蒸發(fā)抑制效率為

(2)

式中：ηT為不同配重的浮球在試驗期內(nèi)的綜合蒸發(fā)抑制率(%)；N為試驗期的總天數(shù)(d)；n為不同風速范圍的天數(shù)(d)；α為不同配重的浮球在試驗期內(nèi)的濕潤率(%)。

將表1和表2中的數(shù)據(jù)代入式(2)，可得不同配重的浮球在試驗期內(nèi)蒸發(fā)抑制率，見表3所示。

表3 不同配重的浮球在試驗期內(nèi)蒸發(fā)抑制率Table 3 Coefficients of evaporation reduction of floating balls of different weights in test period

由表3可知無配重浮球在試驗期內(nèi)的平均防蒸發(fā)系數(shù)為0.44；在添加配重后其防蒸發(fā)系數(shù)明顯增加，隨著配重的增加，蒸發(fā)抑制率增加值分別為16%，21%，24%，14%，當配重為10 g時，其蒸發(fā)抑制率達到68%。由此可見，對浮球增加配重可以明顯提高浮球的防蒸發(fā)系數(shù)，浮球的配重越大，浮球的重心越低、穩(wěn)定性越好。但是配重并非越大越好，配重增大后浮球的慣性越大，受波浪沖擊后，濺起的水體會更加容易潤濕浮球表面，影響其蒸發(fā)抑制率；此外，當大規(guī)模投入生產(chǎn)使用時，會增加額外的經(jīng)濟負擔。配重若是太輕，就起不到降低重心穩(wěn)定浮球的作用。配重的選擇主要取決于當?shù)氐臍庀笄闆r以及浮球本身的直徑、密度和重量，當實驗區(qū)平均風速較大時應適當增加配重避免浮球被吹離庫外，但要求浮球露出水面的高度應大于浮球的半徑。結合本試驗的數(shù)據(jù)建議浮球配重的質量占浮球質量的2%～10%。

5 結 語

通過室內(nèi)外對比試驗證明了浮球在作為防蒸發(fā)節(jié)水材料時具有一定的可改進空間，即通過添加配重的方法對浮球在風浪作用下容易翻滾、不規(guī)則旋轉的問題得到解決。最后結果證明：對浮球施加合適的負載后，其水面綜合蒸發(fā)抑制率最大可提高24%，這些水量的節(jié)約對于干旱區(qū)有著巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。此外，本試驗對于下一步負載配重浮球的研發(fā)提供了參照依據(jù)，為早日在干旱區(qū)平原水庫實現(xiàn)節(jié)約用水提供了新的思路。

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(編輯：姜小蘭)

Comparative Analysis of Water Saving Efficiency of Floating Balls withDifferent Load Weights Covering Plain Reservoirs in Arid Area

LI Cun-li, YAN Xin-jun, SHI Ke-bin

(School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052，China)

In the aim of restraining invalid evaporation of plain reservoir in arid area, the efficiency of PVC lightweight balls covering the water surface of reservoir in reducing surface evaporation was evaluated. The movement of lightweight balls in the presence of difference wind speeds was observed and analyzed through indoor and outdoor tests. The causes of irregular rotation and rolling of balls were investigated, and additional load weights were added to the balls to solve this problem. Furthermore, the wetting rates and anti-evaporation coefficients of balls with different load weights under different climate conditions were calculated and compared. Results suggest that floating balls with additional load weights have better effect of reducing evaporation than balls with no additional load weight. The comprehensive rate of reducing surface evaporation could improve by 24% to the maximum.

plain reservoir in arid area; water saving efficiency; load weight; floating ball cover; rate of evaporation reduction

2016-01-05；

2016-02-01

新疆科技支撐計劃項目(201233132)；新疆自治區(qū)地方公派出國留學成套項目

李存立(1989-)，男，河南濮陽人，碩士研究生，主要從事水工優(yōu)化設計，(電話)13565932113(電子信箱)960460500@qq.com。

侍克斌(1957-)，男，新疆石河子人，教授，博士生導師，主要從事水利工程學科的教學與科研工作，(電話)13609917743(電子信箱)xndsg@sina.com。

10.11988/ckyyb.20160005

2017,34(5):14-17

TV697

A

1001-5485(2017)05-0014-04