不同配重的浮球覆盖下干旱区平原水库的节水效率对比分析

李存立，严新军，侍克斌

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052)

不同配重的浮球覆盖下干旱区平原水库的节水效率对比分析

李存立，严新军，侍克斌

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830052)

为达到抑制干旱区平原水库水分蒸发的目的，采用PVC浮球为试验材料，通过室内、外试验观测并分析无配重浮球在不同风速下的运动情况，探究浮球产生不规则旋转和翻滚运动的原因，并采取增加配重的办法对此问题加以解决。通过对比不同配重的浮球在不同气象条件下的湿润率并对其在试验期内的蒸发抑制率进行评价，结果表明：负载配重后的浮球比无配重的浮球的防蒸发节水效果更加显著，其水面综合蒸发抑制率最大可提高24%。研究成果为干旱区平原水库的节水措施提供了新思路。

干旱区平原水库；节水效率；配重；浮球覆盖；蒸发抑制率

1 研究背景

近年来，淡水资源短缺的问题日益突出，干旱区平原水库防蒸发节水的理念愈加受到国内外工程界和学术界的密切关注[1-3]。

综合已公开发表的一些防蒸发文献和研究成果[4-7]可知，物理浮球覆盖是目前较为成熟和被大规模运用的防蒸发技术。2015年8月美国加利福利亚州的西尔玛水库运用浮球作为水面防蒸发覆盖材料，浮球主要材质为聚乙烯，直径约为10 cm,黑色的质地可以达到反射紫外线的目的。运用浮球作为防蒸发材料优点突出：接触性能好，圆弧形状可以缓冲球与岸坡之间、球与球之间的撞击力，避免浮球破损；浮球下部的弧形形状能减小与水面直接接触的有效面积，可以减小水面之上的浮球表面积被风浪润湿的可能性。单体浮球滚动的特性，可以使浮球在库区水位降低时相互重叠，覆盖更加严密结实。但是通过室内外试验发现浮球稳定性能较差，在较大风浪情况下浮球自身容易产生不规则旋转，将润湿部分的表面暴露在自然环境中，随着风浪的增大浮球会随着波浪浮动，严重时会产生翻滚现象，以上2种现象的发生严重降低了浮球的蒸发抑制率。

本试验采用PVC浮球作为试验材料，针对浮球在风浪下不规则旋转和翻滚的问题，通过观察并分析无配重浮球(即负载为0)在不同风速下的运动情况，探究浮球产生不规则旋转和翻滚运动的原因，并通过增加配重的办法对此问题加以解决。以期望早日在干旱区平原水库实现降低水分蒸发的工程措施。

2 试验原理

影响水面蒸发的主要因素包括太阳辐射、风速、水汽压力差与温度等[8-10]，分析以上主要因素发现，蒸发的主要场所为水体的表面，所以通过浮球覆盖水体的表面抑制水分的蒸发在实际工程中是可行的。通过浮球覆盖水面隔断水分子对太阳辐射能量的吸收，从而降低了水温，减缓蒸发速率；浮球弧形的结构可以使润湿部分的水体流入水库，从而在最大程度上达到抑制水体蒸发的目的。

当负载配重的浮球在静止的水面工作时，自身的重力与水体对浮球和配重共同体的浮力作用，2个作用力大小相等、方向相反，且作用在同一条直线上，配重与浮球共同体就基本保持平衡状态。当负载配重的浮球的重心位置在球心和配重重心之间时，在一定的风浪力作用下，浮球和配重共同体在惯性力作用下会失去稳定性，此时重心的位置会高于其在平衡状态的位置，但在重力力矩作用下浮球与配重共同体会始终保持抵抗外力干扰，保持平衡的状态。通过添加配重可实现浮球抵抗外力干扰保持平衡的能力，从而在最大程度上达到降低水体蒸发的目的。

3 试验方案

试验方案包括室内试验和室外试验，试验照片如图1所示。

图1 室内、室外试验照片Fig.1 Photos of indoor and outdoor tests

3.1 室内试验

试验地点为新疆农业大学实验室的防蒸发试验池，其面积为3 m×4 m，平均水深为0.4 m。选取试验所需仪器和材料：直径为0.1 m的PVC浮球若干个,每个质量为0.1 kg；风速仪；风扇(可调节风速大小)。将浮球置于水面待其稳定后，在其正上方，用红色碳素笔，绘制一个直径约为1 cm的红点，以方便观测浮球是否旋转，打开电风扇，提供一定的风速，并且通过造波板模拟波浪，用风速仪记录此时的风速，同时观察不同负载的浮球在水面的运行情况，并且通过调节风速大小以及造波板的速度来模拟浮球在不同风浪下的运行情况。

通过观测发现：风速越大浮球在风力方向运动越快且带有转动现象，但是无配重浮球是不规则旋转且带有摆动现象；负载不同配重的浮球以红点正下方的直径为定轴旋转且在风浪中带有摆动现象；持续约30 min后关闭风扇、停止造波，发现无配重浮球的红点移向侧边，且所有红点所处位置不同，而负载不同配重的浮球在风浪停止后，红点停留在原来位置。此现象说明了无配重浮球在水面工作时不稳定，浮球无规则的旋转，将湿润面带向浮球的正上方，降低其作为防蒸发材料的作用，但是考虑到室内试验与室外试验的差距，如风速大小和风向的随机性以及小型区域波浪与室外波浪的差异，需要进一步在室外试验证明其规律性。室内试验照片如图1(a)所示。

3.2 室外试验

室外试验地点为新疆天山北坡的某座平原水库，选择一段合适的水域为试验区(水域面积约为2 000 m2,长边为200 m，短边为10 m)。根据试验需要称取不同质量的配重，依组次划分为：无配重(第1组次)、2 g(第2组次)、5 g(第3组次)、10 g(第4组次)、50 g(第5组次)，共5个组次，每组次有3个浮球。将不同的配重用胶带固定于浮球之下，并且置于试验区内使其自由漂浮，用风速仪观测试并测量试验时的风速。通过现场试验发现：无配重浮球在室外风浪作用下的不规则旋转现象更加明显，且在靠近岸坡边缘会发生翻滚旋转现象，受波浪冲击到岸坡后，会翻滚到水库内，致使浮球表面全部湿润，大风浪情况下会持续发生这种现象；负载不同配重的浮球在风浪中会顺着波浪的方面前后摇摆，浮球不会产生翻滚现象，但是在大风浪冲击到岸坡后小配重浮球依然会发生翻滚现象，此外，在风浪作用下配重较轻或无配重浮球更加容易被配重较大浮球挤向岸边，室外试验照片如图1(b)所示。

通过室内外试验发现：无配重浮球在风浪作用下自身容易旋转翻滚以及沿着波浪前进的方向摆动，二者叠加严重地增加了浮球表面的湿润面积，降低浮球的蒸发抑制率；在对浮球增加配重后，浮球旋转翻滚现象得到解决。

4 节水效率分析

4.1 数据整理

4.1.1 风速整理

试验时间为8月中旬至9月末期，风速分为由风速仪所测得的试验现场风速和由水库管理处气象站获得的风速，由风速仪所测得的风速为实测风速，当地气象站风速可根据所测风速的地理位置和《碾压式土石坝设计规范》所规定的值乘以修正系数1.1[11]所得。为便于计算，本论文在以试验区的实测数据和水库管理处获得的数据为基础的情况下，将试验期内的风速持续情况归结为天数(d)进行统计计算，见表1。

由表1可知：试验期内主要风级为0～2级，风速范围为0～3.3 m/s，其概率约占试验期的71%，又由试验区的历年资料知年平均风速为2.2 m/s，证明了本试验获得数据的准确性。

4.1.2 湿润面积整理

浮球在不同风速下的湿润面积(浮球处于静止状态下，水平面以上润湿的部分)是本试验重点观测的内容。用黑色碳素将浮球的表面划分为面积相等的若干部分，统计不同小部分的湿润面积之和求得总湿润面积；浮球湿润部分的面积与浮球可湿润面积(浮球处于静止状态下，水平面以上的部分)之比即为浮球表面的润湿率，见表2所示。

表1 试验期内风速情况Table 1 Wind speed in test period

表2 不同配重的浮球在不同风速下的润湿率Table 2 Wetting rates of floating balls of different weights in presence of varying wind speed

如表2所示，无配重浮球在0～1.5 m/s内风速时，湿润率最高可达30%，其原因是浮球无规则的旋转，将湿润部分的浮球表面带向水平面以上，以及在靠近岸坡附近轻微的翻滚旋转导致；当风速达到4.4 m/s时，在浮球自身的旋转以及波浪拍击摆动下，浮球的表面全部润湿。负载不同配重的浮球在0～1.5 m/s内风速时，风浪只能轻微润湿浮球的下半部分；当风浪持续增大之后浮球在波浪摆动的过程中润湿浮球全部表面。

4.2 最大蒸发抑制率计算

通过室内分析和现场试验观察浮球在限定的小区域范围内自由漂浮的情况，发现浮球基本呈3球接触挤压状态，对于其最大蒸发抑制率的计算可以根据一定数量的浮球在静水工作时的排列状态来计算影响面积。其中选取一个浮球为基准，以单个浮球最大直径所对应的面积与其周围所影响的空隙的面积之和为有效影响面积，如图2所示。

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

由现场观测可知：大面积覆盖下浮球呈现3球接触状态，基准浮球与每2个浮球有一个空隙面积，故该浮球的有效影响面积为浮球最大直径面面积与2个空隙的面积之和，由此可以求出浮球的最大蒸发抑制率，即

(1)

式中:ηmax为浮球的最大蒸发抑制率(%)；SB为单个浮球最大直径面所占的面积(m2)；S为单个浮球有效影响面积(m2)；I为防蒸发系数。

经计算浮球的最大蒸发抑制率约为91%，即在其覆盖范围内有9%的水域处于无覆盖状态，且同样数量的浮球最大蒸发抑制率与浮球的直径大小无关，只与浮球的接触类型相关。

4.3 综合蒸发抑制率计算

对于自然条件下影响水体蒸发的因素有许多种，但在浮球有效覆盖下的水体，就如加了许多小盖子一样可以阻隔蒸发的路径和水分子蒸发所需要能量的来源，只有在风浪作用下湿润部分的面积才会如自然状态下的水体正常蒸发。故本试验主要考虑风速对蒸发抑制率的影响，以浮球的最大可湿润表面积为定量，以受风速影响的浮球的湿润面积为变量，试验期内的综合蒸发抑制效率为

(2)

式中：ηT为不同配重的浮球在试验期内的综合蒸发抑制率(%)；N为试验期的总天数(d)；n为不同风速范围的天数(d)；α为不同配重的浮球在试验期内的湿润率(%)。

将表1和表2中的数据代入式(2)，可得不同配重的浮球在试验期内蒸发抑制率，见表3所示。

表3 不同配重的浮球在试验期内蒸发抑制率Table 3 Coefficients of evaporation reduction of floating balls of different weights in test period

由表3可知无配重浮球在试验期内的平均防蒸发系数为0.44；在添加配重后其防蒸发系数明显增加，随着配重的增加，蒸发抑制率增加值分别为16%，21%，24%，14%，当配重为10 g时，其蒸发抑制率达到68%。由此可见，对浮球增加配重可以明显提高浮球的防蒸发系数，浮球的配重越大，浮球的重心越低、稳定性越好。但是配重并非越大越好，配重增大后浮球的惯性越大，受波浪冲击后，溅起的水体会更加容易润湿浮球表面，影响其蒸发抑制率；此外，当大规模投入生产使用时，会增加额外的经济负担。配重若是太轻，就起不到降低重心稳定浮球的作用。配重的选择主要取决于当地的气象情况以及浮球本身的直径、密度和重量，当实验区平均风速较大时应适当增加配重避免浮球被吹离库外，但要求浮球露出水面的高度应大于浮球的半径。结合本试验的数据建议浮球配重的质量占浮球质量的2%～10%。

5 结 语

通过室内外对比试验证明了浮球在作为防蒸发节水材料时具有一定的可改进空间，即通过添加配重的方法对浮球在风浪作用下容易翻滚、不规则旋转的问题得到解决。最后结果证明：对浮球施加合适的负载后，其水面综合蒸发抑制率最大可提高24%，这些水量的节约对于干旱区有着巨大的经济效益和社会效益。此外，本试验对于下一步负载配重浮球的研发提供了参照依据，为早日在干旱区平原水库实现节约用水提供了新的思路。

[1] 王 浩.西部大开发战略下的西北水资源开发、利用与保护[J].水利水电技术，2004，35(1):17-21.

[2] 侍克斌，马英杰，李玉建，等.塔里木盆地水资源合理利用与高效节水措施[J].海河水利，2001，111(5):9-10.

[3] 侍克斌.在新疆实行水库节水的设想[C]∥力学与西部开发会议.乌鲁木齐：中国力学学会，2001:41.

[4] 严新军,侍克斌,诸葛伍荪.干旱区平原水库防蒸发节水试验初探[J].新疆农业科学,2004,41(4):228-232.

[5] 张永山,侍克斌,严新军.防蒸发材料局部覆盖干旱区平原水库节水试验研究[J].水资源与水工程学报,2014,25(2):132-135.[6] 张晓浩，侍克斌，严新军，等.防蒸发浮板覆盖平原水库节水效率研究[J].长江科学院院报，2016,33(4):6-10.

[7] 唐 凯，姜海波，何新林，等.干旱区水面蒸发特效及消减技术研究[J].水资源与水工程学报，2015,25(6):68-71.[8] 孙凤贤，刘昌宇，夏新林.太阳辐照对静止水面稳态蒸发的影响[J].计算物理，2014，31(6)：699-705.[9] 魏素洁,余 维,张 君,等.水面蒸发及其影响因子的原位对比观测实验分析[J].人民长江，2013,44(1)：9-13.

[10]韦华红.影响蒸发量的主要气象因子及蒸发量观测异常值成因初探[J].气象研究与应用，2011,35(2):151-152.[11]DL/T 5395—2007，碾压式土石坝设计规范[S]．北京:中国电力出版社，2008.

(编辑：姜小兰)

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

新疆科技支撑计划项目(201233132)；新疆自治区地方公派出国留学成套项目

李存立(1989-)，男，河南濮阳人，硕士研究生，主要从事水工优化设计，(电话)13565932113(电子信箱)960460500@qq.com。

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。

10.11988/ckyyb.20160005

2017,34(5):14-17

TV697

A

1001-5485(2017)05-0014-04