防蒸发浮板覆盖平原水库节水效率研究

张晓浩，侍克斌，严新军，张林林

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐　830052)



防蒸发浮板覆盖平原水库节水效率研究

张晓浩，侍克斌，严新军，张林林

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052)

摘要：内陆干旱区降水稀少，蒸发强烈,为了减少内陆干旱区平原水库的无效蒸发，提高水库的利用率，缓解水资源紧张，进行了塑料空心板覆盖水库水面的试验。通过隔断水面与外界环境的接触，从而抑制水面蒸发。塑料空心板的湿润面积由3部分组成：风浪打湿的面积、板与板之间碰撞挤出的水形成的湿润面积、板与坝坡碰撞挤出的水形成的湿润面积。应用统计学原理，依据现场试验的实测数据，计算在不同气象条件下浮板的湿润面积，统计一个完整的非冰冻期资料；得出不同风速出现的概率及防蒸发系数，计算防蒸发量；对比分析不同面积下防蒸发浮板覆盖水库水面的节水效率。结果表明：现场3个方案试验的节水效率分别为55.38%，65.97%，80.10%，浮板面积越大节水效率越高，板的节水效果和试验布置方式有关，将浮板布置在围栏之内，最大可提高节水效率1.45%；将浮板做成整体时节水效率提高较为明显，最大可提高17.68%。

关键词：干旱区；平原水库；防蒸发；塑料空心板；节水效率

1研究背景

内陆干旱区水资源匮乏，如何更高效地利用有限的水资源是一个急待解决的问题，而其中关键在于节水。田间节水[1]灌溉新技术包括膜下滴灌、波涌灌溉、水平畦地灌溉、化学及生物节水技术等。输水过程的节水有管道输水[2]、渠道防渗等措施。在水库节水方面有土工膜防渗[3]等措施。内陆干旱区有许多平原水库，例如新疆已建的水库中绝大多数都是平原水库[4]，根据已有的研究成果估算，新疆平原水库年蒸发量占水库总库容的40%，其中大多数为无效蒸发，大大降低了水库的有效利用率，用防蒸发材料覆盖水库水面从而抑制水面蒸发是一种有效的途径，可以提高水资源的利用率，是一个十分有意义的研究方向，为内陆干旱区平原水库节水提供了新的思路和方法。

干旱地区抑制水库水面蒸发节水的研究，目前在国内外公开发行的刊物上，能检索到的相关理论研究与实际应用的报道不多。1964年施成熙教授在南京做了16醇和18醇的抑制蒸发试验；1965年联合国教科文组织的干旱带研究计划对单分子薄膜抑制水面蒸发进行了总结，虽然做了一定的试验，但没有详细的成果报道；吴邦信等[5]用乌柏脂作为原材料提取氨基醇酞胺和聚氧乙烯酞胺，用得到的非离子表面的活性剂作为防蒸发材料进行减少水面蒸发的试验；1983年中国科学院新疆地理研究所[6]也做过抑制水面蒸发试验，用蒲草作为防蒸发材料覆盖水面的抑制率为14.2%，蒲草适合生长在水深小于1m的水域；2004年新疆农业大学严新军[7]选用聚苯乙烯泡沫塑料板为主要试验材料，利用其完全不透水的性能，将其覆盖部分水面上以节省覆盖面积下原来蒸发损失的水柱体的研究；2006年Alvarez等[8]研究了不同颜色的聚乙烯浮箱对水库防蒸发效果的影响；2008年甘肃省水利科学研究院[9]和西安理工大学武金慧[10]采用聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯软片和石蜡3种材料抑制水库水面蒸发的方法，研究了3种材料的防蒸发效果和不同材料抑制水面蒸发措施的经济效益；2010年宁夏大学田军仓等[11]研制出1种抑制水面蒸发的轻质混凝土板，通过绳索相互连接，连接绳固定于水池边，所做的试验在室内试验室观测；2012年新疆农业大学张永山等[12]采用塑料空心板作为试验对象，节水效率较高，但其只是用单板做研究未考虑以群板的方式计算防蒸发效果；Assouline[13]从理论上初步探讨了局部覆盖水库抑制水面蒸发的有效性。

基于国内外的研究现状可以看出，抑制水面蒸发的试验很多，但用在水库防蒸发节水方面的少之又少。有些研究只是抑制水面蒸发，而不是针对水库节水方面；还有一部分试验是在室内做的，没有考虑风浪、紫外线等综合因素的作用，在水库防蒸发节水方面试验中，存在着成本过高或是仅仅采用单板节水等不足之处。

2选取材料及试验布置

2.1选取材料

试验中，通过隔断水面与外界环境的接触从而抑制水面蒸发达到节水的目的。影响水体蒸发的因素有很多，其中最主要的是风速、相对湿度、温度[14-15]，为了避免这些因素的影响，采用塑料空心板覆盖水面减少无效蒸发。该材料为聚乙烯材质，具有憎水、柔性、不易分解、密度小、强度高等特点，物理参数符合试验的要求，技术上可行。内陆干旱区有众多的平原水库，为了便于推广，在合理的期限内收回成本也是1个重要的因素，本实验选择的材料单一均质，较为普遍，很多当地企业就能生产，减少跨省运输，降低成本，根据当地水价，可以在一定年限内收回成本，经济上合理。综合考虑聚乙烯塑料空心板在技术上和经济上的合理性，采用该材料覆盖水面能有效抑制水面的无效蒸发，故其作为防蒸发材料较为理想。

2.2试验布置

试验地点位于新疆阜康市某水库，试验采用塑料空心板的几何参数长×宽×高为130 cm×110 cm×12 cm，密度为145 kg/m3，水面以上的高度接近10 cm。试验选取的地点为开阔水域，水深较大，在选取的地点布置试验材料，分别以1块、4块、8块塑料空心板为研究对象，试验方案见表1。

表1　试验方案材料参数Table 1　Material parameters of test plans

塑料空心板4个角均有预留孔，孔径为2 cm，用直径为1 cm的细绳相互连接，使得板与板之间为柔性连接，塑料空心板可以随着波浪上下摆动，可防止脆性破坏；用直径2 cm的细绳将其固定在坝坡附近，便于观察取得试验数据，3个方案的试验布置如图1所示。

图1　试验现场布置

3试验数据采集、分析及节水效率计算

3.1数据采集

采用型号为VICTOR816B的风速计记录风速，现场观测3个方案试验的完全湿润及部分湿润时的风速大小，统计1个完整非冰冻期各个风速出现的概率，塑料空心板湿润时的风速大小见表2。

表2　不同风速下3个方案试验中的湿润率Table 2　Rate of plate wetness in the presence of different wind speed in three test groups

注：实际试验过程中，风速在1.1 m/s以下时库区水面均视为静水状态，浮板的湿润面积接近于0。

3.2数据分析

统计试验区1个完整的非冰冻期(4—10月份)的气象资料，计算出使塑料空心板湿润的风速范围及出现的天数，统计结果见表3。

表3　出现天数及频率Table 3　Duration (days) and frequency of wind speed which makes the plastic plate wet

在现场试验中，如果防蒸发浮板表面湿润，则湿润的部分起不到节水的效果，根据表2的数据可以得到3个方案试验的防蒸发系数k，即

(1)

将数据代入式(1)中得到不同风速范围下，3个方案试验的防蒸发系数如表4所示。

表4　不同风速范围下3个方案试验的防蒸发系数Table 4　Coefficient of evaporation reduction in the presence of different wind speed in three test groups

湿润率和防蒸发系数的和等于1，试验过程中浮板的面积是由湿润面积和干燥的面积2部分组成，在静水条件下浮板露出水面以上的面积全部干燥，防蒸发系数为1，而湿润率为0，在有风浪的时候，湿润率变大，防蒸发系数变小，它们的总和始终等于1。

3.3防蒸发量及节水效率

根据非冰冻期的平均蒸发量、防蒸发系数、不同风速出现的概率，可计算出3个方案试验的节水效率，典型年份的蒸发总量E=1 556.30 mm，计算结果见表5。

节水效率　。　(2) 表5　不同风速范围下3个方案试验的防蒸发量Table 5　Amount of evaporation reduction in the presence of different wind speed in three test groups

将数据代入式(2)中得到3个方案试验的节水效率见表6。

表6　节水效率Table 6　Rate of water saving　%

4讨论

塑料空心板的湿润面积由风浪打湿的面积、板与板之间碰撞挤出的水形成的湿润面、板与坝坡碰撞挤出的水形成的湿润面积3部分组成，合理地规避这些因素是提高节水效率的关键。

(1) 风浪湿润的面积受自然条件的影响较大，不易规避，试验过程中浮板与水面的接触是面与面的关系，合理改变浮板的形状可减少接触面积，如将浮板做成具有一定坡度，且浸入水下的部分类似圆弧形的形状，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，能有效减小板的湿润面积；浮板的顶部需采用较缓的坡度，使浮板上湿润的水能快速地回流到水库中，雨天也能有助于雨水汇流到水库，而且还可以节省材料。

(2) 板与板之间碰撞挤出的水形成的湿润面积，可以通过将浮板的面积做大解决，这样可以减少不必要的接缝，避免水从对接的缝隙中挤出，风速达到一定程度时，风浪打湿的面积和板之间互相碰撞挤出的水有重叠的面积，在实际过程中重叠的部分为湿润面积，则去掉挤出的水之后的湿润面积不包括重叠的部分，在相同的试验条件下如将2#和3#方案的浮板做成整体，防蒸发量见表7。

表7　浮板为整体时的防蒸发量Table 7　Amount of evaporation reduction when the plates are integrate

依据表7中的防蒸发量和式(2)可以计算出2#，3#方案的节水效率分别为83.65%，91.42%，较以板之间有挤兑时的节水效率分别提高了17.68%，11.32%。

(3) 平原水库水深相对较浅，可以在水库中放置浮箱，将浮板置于浮箱内的围栏之中，防止与坝坡碰撞加剧浮板破坏，避免碰撞挤出一部分水，使湿润面积增大降低节水效率，而且浮箱可以随着水位的变化而变化，在试验过程中只有在较大风浪条件下才会发生此类情况，去掉因风浪打湿、板之间碰撞的湿润面积中重叠部分，除去与坝坡碰撞挤出水时的防蒸发量见表8。

表8　浮板置于围栏之内时的防蒸发量Table 8　Amount of evaporation reduction when the plastic plates are enclosed in the fence

根据表8的防蒸发量和式(2)可以分别计算出1#，2#，3#方案实验的节水效率是56.83%，66.88%，80.34%，较固定在坝坡周围时提高了1.45%，0.91%，0.24%，同时可以有效避免浮板与坝坡碰撞造成破坏，延长试验材料的使用年限。

5结论

(1) 在相同的气象条件，节水效率和浮板的铺设面积有关。3个方案试验的节水效率分别为55.38%，65.97%，80.10%，面积越大，节水效率越高，反之越低。

(2) 浮板的节水效果和试验的布置方式有关，在坝坡附近容易与坝相撞，挤出一部分水，增大湿润面积，降低节水效率，布置在围栏之内，可提高节水效率，3个方案试验在坝坡附近时的节水效率为56.83%，66.88%，80.34%，在围栏之内时节水效率分别提高1.45%，0.91%，0.24%。

(3) 将浮板做成整体时节水效率提高较为明显， 2#，3#方案的节水效率分别为83.65%，91.42%，较以板之间有挤兑时的节水效率分别提高了17.68%，11.32%。

(4) 通过改变浮板的面积与在围栏之内的节水效率进行比较，增大浮板的面积能使节水效率较大幅度提高。

参考文献：

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(编辑：占学军)

收稿日期：2015-01-30； 修回日期：2015-03-02

基金项目：新疆科技支撑项目(201233132)；新疆水利水电工程重点学科基金资助项目(xjzdxk-2010-02-12)

作者简介：张晓浩(1988-)，男，山西神池人，助理工程师，硕士，主要从事干旱区平原水库节水及周边土壤次生盐渍化防治研究，(电话) 13999280244 (电子信箱)82523734@qq.com。 通讯作者：侍克斌(1957-)，男，新疆石河子人，教授，博士生导师，主要从事水利工程学科的教学与科研工作,(电话)13609917743 (电子信箱)xndsg@sina.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150108

中图分类号：TV41

文献标志码：A

文章编号：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