干旱区平原水库防蒸发节水结构布置与设计

2018-04-24韩克武侍克斌严新军蒲升阳程阳宇

水利规划与设计 2018年3期

韩克武，侍克斌，严新军，蒲升阳，程阳宇

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

节水是学术界与工程界永恒的研究主体，其市场前景无限。目前田间节水已发展到膜下滴灌、输水系统节水已发展到管道输水、水库防渗节水已发展到土工膜局部或全库区防渗，并有相应国家行业标准作为技术支撑[1- 3]。但水库防蒸发节水技术虽已成熟但无相应技术规范作为支撑，制约了该技术的推广应用并造成水资源的严重浪费。如在新疆已建的564座水库中，绝大多数为平原水库，其特点是面积大、水深小，坝线长，蒸发损失严重。这些水库的总库容约为59.3×108m3，水库水面面积约2000km2，平均水深为2.97m，根据已有研究成果估算[4]，新疆水库的年蒸发量损失为26.1×108m3，年渗漏量为8×108m3，合计每年损失水量约34.1×108m3，蒸发的水量约占总损失量的77%。此外，无效蒸发损失不仅造成水资源大量浪费，还会增加库水矿化度，加剧下游灌区土壤盐渍化程度。

结合多年水库现场试验研究成果，本文从防蒸发材料选择、节水效率及工程运行维护等方面对水库防蒸发结构的布置和设计进行总结阐述，以此为干旱区平原水库防蒸发节水技术推广应用提供技术支撑。

1 国内外水面防蒸发发展历史和现状

关于抑制水面无效蒸发，早在1938年Glazov[5]提出了采用十六醇吸附层作为抑制水面蒸发的材料；1955年Archer[5]从理论上对分子膜的蒸发抑制率进行研究；1959年陈绍澧等[6]进行了分子膜抑制水面蒸发的研究，研究表明：低密度(相对水密度)、憎水、无毒、表面无毛细管的定形固体小球和十六醇均对水面蒸发有一定的抑制作用；1979年廖宗族[7]利用椰油醇提取C12- 18醇后的残渣制成蒸发抑制剂，水面抑制率可达到60%～80%；2002年汤传义等[8]对十八醇覆盖水面蒸发进行了研究，研究表明蒸发抑制率为40%左右；2014年杨坤[9]、马艳[10]采用在水面上架设漂浮网格对分子膜抑制水面蒸发率进行研究，研究表明:网格中分子膜的蒸发抑制率为26%～30%。

风屏技术法：1995～2001年Wang H等[11]研究发现，大规模林网可以使区域内的平均蒸发降低14%；2004年Hipsey[12]在面积约3600m2的水塘周围设置了高8m的风屏，风屏的蒸发抑制率与风速降低率成正相关，可降低约30%的水面蒸发。风屏技术法节水效率低，而且树木根系对坝体稳定造成一定影响。

物理覆盖法：1979～1985年王积强[13]、丁成[14]进行了水花生、蒲草等对蒸发的影响实验，但植物自身存在蒸腾作用，平均抑制率仅为10%～30%。2006年西班牙Alvarez等[15]采用不同颜色的单、双层聚乙烯网和单层铝网进行了抑制水面蒸发研究，研究表明:黑色聚乙烯单层网的节水效果最为显著；2009年Al-Hassoun等[16]利用棕榈树叶作为抑制水面蒸发的材料，但棕榈树叶表面有供植物蒸腾的气孔，95%、50%覆盖率分别对应的蒸发抑制率为63%、26%；2010年Benzaghta等[17]采用胶合板片、镀锌铁皮以及明光垫覆盖水面进行试验，平均蒸发抑制率为33%、26%和40%。以上物理覆盖试验均在小型蒸发池中进行，但对蒸发材料在水库现场的运行工况及节水率未做研究。2015年8月美国加利福利亚州的西尔玛水库采用浮球作为水库防蒸发覆盖材料，但关于浮球覆盖下水库的节水效率及相关结构设计有待进一步研究[4]。2002年至今，侍克斌等[4]提出并研究了苯板、塑料空心板、PVC泡沫板、EPS轻质混凝土加筋浮板、PE、PVC浮球及加配重浮球作为水库防蒸发材料的稳定性和节水率，实用性高、节水效果显著[18- 30]。

2 防蒸发材料选择与结构设计

2.1 防蒸发材料材质选择

根据已有研究成果[4]，水库防蒸发材料应具有合适密度、足够强度、憎水、无毒、耐久性好等要求。经多年现场试验和经济效益比对分析得出，防蒸发材料材质宜为高密度聚乙烯(HDPE)和高密度聚氯乙烯(PVC)。以常见的HDPE水管为例：(1)使用温度范围宽，工作温度范围在-70℃～95℃之间；(2)抗压强度高，在20℃时爆破压力超过5MPa、在95℃时超过2MPa；(3)因材料自身无毒，被广泛应用于水利、国防等行业；(4)耐磨性能好，如在输送矿砂、泥浆和细小固体颗粒时，聚乙烯(PE)的耐久性超过钢管的4倍多；(5)耐化学腐蚀性强，除强氧化性酸液外，在一定温度和深度范围内能耐各种腐蚀性介质(如：酸、碱、盐)；(6)柔性好，聚乙烯(PE)弯曲半径可小至管件的1/15，断裂伸长率大于500%；(7)抗压性强，在额定压力状态下，PE管可安全使用达50年以上。

太阳光紫外线(波长为300～400nm)所含的能量(约为300～400kJ·mol-1)足以引起大多数聚合物化学键断裂(250～420kJ·mol-1)。因此，太阳光中紫外线被认定是引起高分子材料“老化”的主要因素[31]。紫外线辐射会加速防蒸发材料的“老化”，减少运行年限。所以在设计生产防蒸发材料时，原材料内应加入适当光屏蔽剂(抗老化剂)。目前炭黑是最经济、有效的光屏蔽剂，它能吸收整个紫外光和可见辐射光，并能将光能变成破坏性小的热能，同时起到紫外光吸收剂的功能。炭黑掺量以15～25nm的槽法炭黑为佳，炭黑的用量一般为1%～2%[32]。

2.2 防蒸发材料结构设计

2.2.1 防蒸发浮球设计

浮球直径一般取8～12cm，可以是空心或实心。空心球多用高密度聚乙烯(PE)制成，黑色，壁厚1～3mm，重40～50g，国产每个0.8元，大量需求可降至0.5～0.7元。

目前较为成熟的浮球生产工艺主要为吹塑工艺和注塑工艺。吹塑工艺浮球一次加工成型；注塑工艺浮球成型后需进行二次加工密封注塑口。前者成型后浮球内部气压相对较高，生产过程中需根据浮球的运行环境对球内气压进行调整，防止高温下球内气压升高出现爆裂；后者浮球整体性能差，长期运行后注塑口密封处有可能进水，而且二次加工增加浮球的制造成本。经长期现场试验得出，吹塑工艺生产的浮球是较为理想的防蒸发材料。

市场上常见的实心球为养殖浮球，多用聚氯乙烯材料(PVC)制成，白色，重35～45g，国产每个0.6～0.9元，大量需求可降至0.45～0.7元。

图1 库区PE空心浮球运行工况图

图2 库区PVC发泡浮球运行工况图

图3 库区加配重PE浮球运行工况图

市场上的浮球为均质浮球，球体形心和重心重合、抗老化性能低，风浪作用下浮球会出现上下翻滚，增大浮球润湿面积，降低节水效率。由新疆农业大学申报国家发明专利的加配重PE浮球，遇风浪不易上下翻转，防蒸发节水效率更高，并在材料内掺有适量抗老化剂，耐久性更强，每个0.8元。

用浮球覆盖平原水库水面，可以是局部，也可以全覆盖，但无论采取哪一种方式，应用拦飘带使其聚集，以提高防蒸发节水效率。

2.2.2 防蒸发浮板设计

浮板可以是空心或实心。空心浮板多用高密度聚乙烯材料(HDPE)或塑料制成，黑色或彩色，厚度150～300mm，国产每平方米200元，大量需求可降至120～180元；实心浮板多为聚氯乙烯材料(PVC)制成，白色，厚度80～120mm，国产每平方米120元，大量需求可降至80～100元。

用浮板覆盖平原水库水面，可以是局部，也可以全覆盖，但无论采取哪一种方式，也应用拦飘带使其聚集或用绳索连接，以提高防蒸发节水效率。

图4 拦飘带聚集的PVC浮板运行工况图

图5 绳索连接的PVC浮板运行工况图

图6 塑料空心板运行工况图

2.3 不同地区年蒸发节水率计算模型

2.3.1 防蒸发浮板节水率计算模型

不同地区可根据当地气象条件和不同风速下覆盖材料的蒸发抑制率选取适合当地的防蒸发材料。

表1 不同风速下不同覆盖材料蒸发抑制率

非冰冻期防蒸发节水率计算：

(1)

冰冻期防蒸发节水率计算：

库区冰面无积雪地区：η2=1

库区冰面有积雪地区：η2=0

年节水率计算：

(2)

式中，η1—非冰冻期防蒸发节水效率，%；η2—冰冻期节水效率(水库冰面无积雪取1，水库冰面积雪取0)，%；η—年节水效率，%；E0—自然状态下年蒸发量，mm；E1—为自然状态下非冰冻期蒸发量，mm；E2—冰冻期冰面(雪面)蒸发量，mm。

2.3.2 防蒸发(加配重)浮球节水率计算模型

非冰冻期防蒸发节水率计算：

(3)

冰冻期防蒸发节水率计算：

库区冰面无积雪地区：η2=0.91

库区冰面有积雪地区：η2=0

年节水率计算：

(4)

式中，η1—非冰冻期防蒸发节水率，%；η2—冰冻期节水率，%；η—年节水率，%；E0—自然状态下年蒸发量，mm；E1—自然状态下非冰冻期蒸发量，mm；E2—冰冻期冰面(雪面)蒸发量，mm。

3 水库建筑物附近防蒸发节水结构的布置与设计

防蒸发节水结构设计需充分考虑防蒸发材料与坝坡、进水口、出水口等建筑物的关系，以减少与水库运行的相互干扰，同时也要考虑与水库建筑物的结合，以减少工程造价。

3.1 防蒸发节水结构中拦飘带布设原则

为防止水库泄水时材料被卷入下泄水流进入下游渠道和灌区，防蒸发材料应离放水闸、溢洪道等泄水建筑物进口有一定的间距，并在水流较缓处设2～3道拦飘带。

为阻止浮球(板)直接接触大坝的混凝土、浆砌石和干砌石防浪护坡，造成材料磨损严重，必要时可在距防浪护坡一定距离处设置耐磨性强的拦飘带。

3.2 拦飘带选择和布置

制作拦飘带的材料一般选无毒、抗磨性强的浮箱、浮筒或浮球，浮箱(筒或球)之间为柔性连接。在风浪中，为阻止防蒸发材料随波浪起伏从拦飘带上方翻越或从底部穿越造成浮球(板)丢失，所选用的浮箱(筒或球)吃水深度应大于10cm，水面以上高度应为30～80cm。

拦飘带应有足够长度且两端安装高程应在水库校核洪水位之上，以保证拦飘带可随水位变化而变化，防止拦飘带被架空，否则浮球(板)随水流从拦飘带底部流入渠道或因拦飘带受自身重力、风浪力等作用，使得与岸坡连接处发生断裂。拦飘带应安装在远离泄水建筑物且水流缓慢的位置，以避免因水流速过快在拦飘带附近形成漩涡和涌浪，造成浮球(板)丢失。对于设置2～3道拦飘带的区域，拦飘带之间应留有一定距离，防止因风浪作用造成拦飘带相互缠绕，影响工程运行。

3.3 放水闸孔拦栅设计

为防止浮球(板)和污物进入渠道或下游灌区，放水闸孔进口处设置拦栅，栅条间距应能防止浮球(板)穿过，重要的工程需设置2道拦栅。拦栅底部应在放水闸孔底端以下位置。定期清理聚集在拦栅上的杂草、污物，防止拦栅孔堵塞抬高水位，浮球(板)越过拦栅进入渠道或灌区。

3.4 水库周边护栏设计

为防止浮球(板)被盗、动物破坏以及特大风浪下在坝坡前大量堆积或刮离水库，大坝顶部应设计防浪墙，水库周边应设计护栏。

4 干旱区平原水库防蒸发结构设计实例

以吐鲁番市火焰山境内的胜金沟水保三期水库为例，对干旱区平原水库防蒸发节水结构的布置和设计进行阐述。水库所处地域属典型的大陆性温暖带干旱荒漠气候，主要特点是：干旱、高温、多风。多年平均气温14.1℃，极端最高气温49.6℃，极端最低气温-29.2℃。多年平均降水量16.2mm，平均蒸发量2845mm。多年平均风速为1.5m/s，最大风速25m/s。

4.1 水库基本资料

水库坝型为均质土坝，坝顶高程为26.50m，最大坝高为16.50m，坝顶宽4.0m，坝顶长84.50m，上游坝坡比为1∶3.0，下游坝坡比为1∶6.0，坝体采用复合土工膜防渗，土工膜覆盖料为1m厚的砂砾石料。本工程设计采用右岸泄水陡槽泄流及输水，坝体拦挡泥沙。泄水陡坡的堰顶高程为25.00m，泄水陡槽进水口宽度为3.0m，断面为矩形断面，结构为钢筋混凝土结构。

4.2 防蒸发结构设计

水库选用由新疆农业大学申报国家发明专利的加配重PE浮球作为防蒸发材料，现场布置如图7所示(阴影部分)。该浮球一方面遇风浪不易上下翻转，提高防蒸发节水效率；另一方面材料内掺有适量抗老化剂，耐久性大幅度提高。

4.3 进水口拦飘带布设

该水库上游多芦苇，当库区风向为下游至上游时，浮球(板)被吹至上游芦苇丛搁浅，造成材料损失，故应在水库上游进水口较为狭窄处布设1道拦飘带，如图7所示。拦飘带布设在较为狭窄的进水口处，一方面可减少制作拦飘带的成本，另一方面避免拦飘带因跨度过大，造成与岸坡连接处发生断裂。拦飘带两端应固定在最高水位之上，防止拦飘带两端位于水面以下时，浮球(板)从库岸两侧进入上游芦苇丛。

4.4 出水口拦飘带布设

该水库出水口位于右岸喇叭口末端，水深浅、水流速大，布设拦飘带后会出现漩涡和涌浪，造成材料损失。应在喇叭口前端水流速较缓的深水区布设拦飘带，一方面可避免漩涡和涌浪的形成，另一方面喇叭口附近风浪较小，可避免拦飘带因风浪力过大造成结构破坏。

4.5 防浪护坡拦飘带布设

在该水库上游坝坡附近布设1道耐磨性强的拦飘带，可避免浮球(板)与坝坡砂砾石料的碰撞造成材料磨损并起到防护迎水坝面的作用，同时也减少了因波浪爬高对坝坡润湿造成的无效蒸发损失。该水库防浪护坡的拦飘带跨度大，结构受力较大，为避免结构破坏，结合水库地形条件，拦飘带右端连接处设在喇叭口上游段以削减拦飘带所受的风浪力，如图7所示。

4.6 放水闸孔拦栅设计

拦栅底部安装高程应在25.00m以下，防止材料从拦栅底部穿越进入泄水陡槽。栅条间距应小于所选浮球(板)的尺寸，阻止浮球(板)穿过拦栅进入泄水陡槽，同时间距不宜过小，避免杂物堵塞拦栅影响水库泄流量或抬高水位使浮球(板)越过拦栅进入泄水陡槽。

4.7 水库周边护栏设计

该水库位于吐鲁番市火焰山国家地质公园内，游客较多，为防止材料被盗和人为对结构破坏，水库周边(坝顶)应设计护栏，护栏的栅条间距应小于所选浮球(板)的尺寸。

图7 水库防蒸发节水结构布置

5 结语

(1)为满足合适密度、足够强度、憎水、无毒、耐久性好等要求，防蒸发材料宜由掺入抗老化剂的HDPE或PVC材料制成。

(2)结合防蒸发材料结构和现有生产工艺，宜选取浮球或浮板作为水库防蒸发材料。

(3)为阻止防蒸发材料从水库泄水建筑物下泄至渠道或下游灌区，造成材料损失，应在泄水建筑物上游水流缓慢的位置布设拦飘带并在放水闸孔口处安装拦栅。

(4)对直接接触大坝混凝土、浆砌石和干砌石防浪护坡的浮球(板)，应在护坡处布设抗磨性强的拦飘带作为防护。

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