覆盖面积和网围结构对水面蒸发抑制率的影响

李勋　严新军　侍克斌

摘要：新疆地处僻远的西北内陆地区，气候干旱少雨，蒸发损失严重，对于水资源短缺的西北内陆地区来说，减少水资源的不必要损失迫在眉睫。为此开展了专项试验研究，研究过程中，以减少水面蒸发、节约水资源为研究目标，选择极性浮球作为防蒸发材料，以探究不同覆盖面积和网围结构对蒸发抑制率的影响。为了便于观察和管理，将浮球分成两组布置在水库库边，每組各设5种不同的覆盖面积，依次为0.28，0.43，0.60，0.79m2和1.02m2（覆盖面积不包括白色网围），记录试验期内不同风速下浮球的湿润面积，并计算浮球的蒸发抑制率。试验结果表明：蒸发抑制率与覆盖面积和网围结构有关，当采用三角形网围且覆盖面积为1.02m2时，蒸发抑制率最优，可达到83.8%;随着覆盖面积的增加，蒸发抑制率逐渐提高，当蒸发抑制率接近91%时，兼顾到结构的稳定性，就需要采用4.48m2的三角形网围作为一个覆盖单元来进行局部铺设。

关键词：覆盖面积;网围结构;水面蒸发;蒸发抑制率

中图法分类号：P33

文献标志码：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.03.021

文章编号：1001-4179（2019）03-0117-07

1 研究背景

自然界中水分蒸发无处不在，其主要受天气气象因素的影响，这些因素主要包括温度、相对湿度、饱和水汽压以及风速等。由于水资源的短缺，就使得如何保护好水资源、提高水资源的有效利用率成为全世界关注的重点。目前，水库的节水问题主要分为两类，即防渗漏和防蒸发。关于水库防渗的问题，目前我国的应对技术已趋于成熟，比如铺设土工膜并在枯水期对大坝和地基加以处理。因此，如何减少水库不必要的蒸发损失，成为水库节水面临的主要难题，而关于水库防蒸发问题的研究目前已取得了一些成绩。

近年来，吴邦信、陈天祥等人以我国盛产的乌柏脂为原料制取了棕榈酸、油酸的聚氧乙烯酰胺和氨基醇酰胺，用所得到的非离子型表面活性剂来抑制水面蒸。2001年，侍克斌等首次提出了采用苯板（泡沫塑料板）覆盖旱区平原水库进行防蒸发的理念，并分析了苯板在水面上的受力情况8。2006年，Alvarez等对不同颜色的单、双层聚乙烯网和单层铝网覆盖水面的消减效果进行了研究，从而得知双层要好于单层，而单层网的消减效果又与颜色有关，消减率从大到小依次是黑色、.蓝色、绿色、白色;同时通过研究，得出了聚乙烯浮箱的防蒸发效果与不同颜色之间的关系。2008年，武金慧通过对比浮板与油蜡的节水效率，得出了板材类覆盖物的节水效率较高的结论。2010年，宁夏大学田军仓等研制出了一种能够抑制水面蒸发的节水轻质混凝土板（块），为了抗冻，将板或块的底部形状设计为下凸形，若水面积较小，即可全覆盖水面;若水面积较大，则可覆盖60%～85%的水面，在布置时，还需要栽植高大乔木树来做防风处理。

Alam、Alshaikh利用棕榈叶进行了抑制蒸发试验以提高储水效率，试验结果表明，环境温度直接影响着水体蒸发的速率。在将棕榈叶单层覆盖改为双层覆盖后，蒸发率约为58%，比单层覆盖时减少了约19%。Assouline研究了局部覆盖水面的防蒸发效果，结果表明，单开口的防蒸发效果要比等面积分布式小开口的防蒸发效果好。2013年，新疆农业大学的张永山、宋兴亮分别利用塑料空心板和彩钢夹芯板进行了防蒸发的试验，并探究了覆盖面积和连接形式对防蒸发效果的影响，使得水面防蒸发问题的研究又有了新的进展。2014年，新疆农业大学的张晓浩利用PVC浮板在水库现场做了单板和群板的防蒸发实验，并采用了一定的连接形式（柔性连接）将板材连接成具有一定强度的整体，取得了具有一定价值的研究成果。2014年，石河子大学的唐凯等研究了苯板在不同覆盖率下的消减蒸发效果，由于苯板属于脆性材质，应用于大型水库时受风浪的作用而易被破坏，因此得出了将苯板应用于小水体时，其防蒸发效果较好的结论。2015年，新疆农业大学的李存立利用PVC泡沫浮板探究了覆盖面积与防蒸发效果之间的联系，得出了当板材连接成6m2时，其防蒸发效果与成本比值最优的结论。

通过总结和归纳前人的研究成果，发现目前对于浮球覆盖水库局部水面的节水效率尚不清楚，因此，本文将以极性浮球作为防蒸发材料，来探究浮球覆盖水库局部水面的节水效率。由于单体浮球稳定性较差，在小风浪作用下就会出现润湿的情况，故在水体表面铺设了网围，以提高浮球的整体性，并从覆盖面积和网围结构两个角度入手开展研究。考虑到西北内陆地区缺水和水资源分布不均等问题，该研究结果对于有效节约水资源、提高水的有效利用率，以及对西北地区的发展将具有重要意义;同时，也将带来巨大的社会经济效益。

2 试验地点气象情况

试验地点位于吐鲁番市高昌区胜金乡以西5km处的一座水土保持水库，该处属于典型的大陆性干旱荒漠气候;西南与火焰山接壤，北部与天山山脉相邻，地势特点为北高南低中间凹，属于典型的盆地地势;四周高山围绕，昼夜温差大，多年平均降水量为15.6mm，而蒸发量却高达2545.7mm。试验期内，最高温度为489C，最低温度为12C，最大相对湿度为98%，最小相对湿度为2%，最大风速为13.7m/s，最小风速为0m/s，平均风速为4.9m/s，常见风速区间为0～3.3m/s，占试验周期的75%。

3 试验材料及方法

3.1 试验材料

浮球的密度和稳定性决定了在风浪作用下的湿润率，密度越大，稳定性越高，湿润率越小。通过对现场4种浮球在风浪作用下的湿润情况进行对比分析，选取了湿润率最小的极性浮球作为防蒸发覆盖物。同时，为了避免对水环境造成危害，选用的极性浮球（直径为9.5cm，质量为50g，密度为0.111g/cm3）还应具备以下特性：无毒、密度适中可以漂浮于水体表面、斥水以及阻热等。作为防蒸发覆盖物，极性浮球具有以下优点：

（1） 由于球体表面为光滑的弧形结构，在风浪作用下不会发生叠摞现象;同时球体具有滚动性，可以改善搁浅库边和坝坡的现象。

（2） 当球体表面被润湿时，球体表面的水分会迅速滑落到水中，只有少量水分会附着在球体表面，以有利于防蒸发。

（3） 极性浮球相对于其他普通浮球来说，球体为非对称结构，重心在球中心的下部，风浪作用下的稳定性更好。

3.2 试验原理

水体表面蒸发受风速、温度、蒸发表面积等因素的影响，风速越大，温度越高，蒸发表面积越大，蒸发速率越快，蒸发量就越大。浮球覆盖水体表面可以直接阻挡太阳的辐射，降低水体表面的温度，降低风速对水面的影响，同时也阻碍了水面与大气之间的水分交换过程，大幅度减少了蒸发表面积，从而达到防蒸发的目的。但是由于浮球自身的稳定性较弱，当浮球在水面上漂浮时，在风浪的作用下易被润湿，因而对防蒸发也会产生一定的负面影响。针对浮球稳定性弱的问题，采用了网围结构的布置形式，并利用三角形稳定的特点对网围结构加以优化改进，可以有效减小风浪作用对其造成的影响。上述分析表明，控制上述负面的影响因素并采用网围结构的布置形式来抑制水面的蒸发，在实际工程中是可行的。

4 现场试验和试验数据分析

4.1 现场试验

试验期选在4～10月，共187d，基本上可以观测到全年中出现的各级风速，并进行湿润率的测量。为了确保试验人员的人身安全，便于试验期间的观察和管理，将试验材料布置在水位较浅的库边。试验分为两组（圆形网围和三角形网围）进行，每组各设有5种不同的覆盖面积，依次为0.28，0.43，0.60，0.79m2和1.02m2（覆盖面积不包括白色网围）;单个浮球直径所覆盖的面积为S東=70.8821842cm2，每组网围覆盖个数依次为40，60，84，112个和144个。在试验期内，风速区间为1.6～3.3m/s的天数有83d，占整个试验期总天数（187d）的44%，因此该风速区间内浮球的湿润情况会更具有代表性，可以更好地反映浮球在试验期内大部分时间的湿润状况。表1和表2分别为试验中的第1组和第2组浮球布置情况及浮球的湿润率。

由表1和表2中的数据可知：①当网围结构相同时，覆盖浮球的数量越多，覆盖的面积越大，湿润率就越低;②当覆盖浮球的数量和面积相同时，由于三角形网围结构具有更好的稳定性，因而三角形网围内的浮球湿润率较低。

4.2 试验现场布置图

在试验现场，将浮球分成两组布置在库边，每组各设有5种不同覆盖面积的网围（三角形网围和圆形网围），依次铺设。每组组内网围覆盖个数依次为40，60，84，112个和144个，覆盖面积依次为0.28，0.43，0.60，0.79m'2和1.02m2（覆盖面积不包括白色网围）。试验球布置状况如图1～3所示。

4.3 试验数据分析

在试验期内，风速是由VC816B型风速仪所测得的试验现场风速，将试验期内的风速情况归结为天（d）来计算，试验期的风速数据如表3所列。

静止时，水平面以，上的面积为可湿润的面积。观察并记录下了浮球在不同风速下、水平面以上被水打湿的面积，亦即湿润面积，并计算出了浮球的平均湿润率。表4，5分别为图形网围和三角形网围内浮球在不同风速区间内的平均湿润率。图4，5分别为圆形网围和三角形网围内的浮球在不同风速区间内平均湿润率的三维图和俯视图的展示。

由表4，5、图4，5可以看出：

（1） 当风速≤1.5m/s时，浮球就会出现局部被润湿的情况，原因是单体浮球的稳定性较差，出现了不规则的摇摆;

（2） 随着风速的增大，浮球的湿润面积逐渐增大;

（3） 在同一风速区间内，覆盖面积越大，浮球的平均湿润面积越小。

对比两种网围结构，不难看出，三角形网围内的浮球平均湿润率较低，具有更好的防蒸发效果;可是当风速达到10.8m/s时，浮球基本上全部湿润，无法进行防蒸发。

4.4 试验数据的离散度分析

借助于STDEVP离散度分析法，对试验阶段内的极性浮球在不同風速下的平均湿润率进行了分析，分析结果见表6和表7。

对观测数据进行的STDEVP分析，反映了样本总体相对于平均值的离散度。通过对两种网围结构内不同覆盖面积下浮球平均湿润率的离散度分析，可以得出以下结论：

（1） 当风速≤1.5m/s时，离散度较小;

（2） 当风速≥10.8m/s时，离散度为0;

（3） 总体随着风速的变大，离散度呈现出先增大后减小的趋势;

（4） 当风速相同时，离散度与覆盖面积呈现出负相关性;

（5） 当风速和覆盖面积均相同时，三角形网围内浮球湿润率的离散度较小。

综上所述，网围结构越稳定，覆盖面积越大，离散度越小，误差就越小。经分析，造成观测数据波动的原因主要有以下几点：

（1） 由于覆盖物为球体，稳定性较差，在风浪中会发生随机性摆动，因而造成观测数据（湿润率）波动较大，从而出现了误差;

（2） 受试验条件、观测手段和观测角度的限制，也会产生一定的误差，从而造成数据的波动。

4.5 浮球蒸发抑制率计算

4.5.1 静止状态下最大蒸发抑制率的计算

在进行现场试验的过程中发现，当浮球在网围内紧密排列漂浮时，浮球直径所覆盖的平面面积为浮球最大水平覆盖面积，最大水平覆盖面积与球体之间的空隙面积之和为影响蒸发面积。具体如图6，7所示。

大面积覆盖下浮球呈现三球接触状态，每3个浮球之间有一个空隙，则每个浮球影响该空隙的1/3，周围共6个空隙，相当于一个浮球影响6x1/3=2个空隙。由此可以求出浮球的蒸发抑制率，见公式（1）。

公式

式中，η为单个浮球的蒸发抑制率，%;Sg为单个浮球的最大水平覆盖面积，m2;S为单个浮球的影响蒸发面积，m2;R为球体的半径，cm;n为扇形的圆心角，n=π/3。

经计算，浮球的覆盖率约为91%，即防蒸发系数为0.91，在其覆盖区域内（不包含网围）空隙率为9%。在浮球直径不变的基础上，随着覆盖浮球数量的变化，覆盖面积也会变化，覆盖率不变。

4.5.2 综合蒸发抑制率的计算

现场试验结果表明，风速是决定浮球湿润率的主导因素。本文研究中，主要是考虑不同风速下浮球的防蒸发系数w;，可由下式计算获得：

公式

式中，n;为不同风速出现的天数，d;N为试验期的总天数，d;l;为浮球在不同风速下的平均湿润率，i值分别取1，2，3，4，5，6。

对于试验期内的综合蒸发抑制率，可根据下式计算得出：

公式

式中，η综合为极性浮球在试验期内的综合蒸发抑制率，%。

通过计算，得出了试验期内不同风速条件下的防蒸发系数。详见表8。

由表8可以看出：①横向对比，随着浮球覆盖面积的增大，浮球的防蒸发系数也在增大，防蒸发效果更好;②纵向对比，在浮球覆盖面积相同时，三角形网围内的浮球防蒸发系数较高，防蒸发效果也更好。

4.5.3 拟合防蒸发系数与覆盖面的关系曲线

利用最小二乘法（OLS），对浮球覆盖面积和防蒸发系数进行曲线拟合并建立了回归方程，对所得到的相关关系式及相关系数进行了计算，结果如图8所示。

由图8可以看出，覆盖面积与防蒸发系数呈对数关系，而且相关性显著;相关系数分别为：Rg圆形=0.9987，R三角形=0.9990。根据数据拟合出的相应关系曲线方程式分别为

公式

由关系曲线可知，两个函数式均为单调递增函数，随着浮球覆盖面积的增大，浮球的防蒸发系数也随之增大，而且增加的幅度逐渐变缓。根据上述公式进行计算可知当防蒸发系数接近于0.91时，若采用圆形网围覆盖，覆盖面积为17.08m2;若采用三角形网围覆盖，则覆盖面积为4.48m2，其稳定性也高于圆形网围。故在保证最大防蒸发效果的同时，还应兼顾到结构的稳定性，以避免大面积连接所造成的成本和技术难度的增加。综上所述，防蒸发的最佳方法是采用4.48m2的三角形网围为一个覆盖单元，进行局部铺设。

5 结论与建议

5.1 结论

本次试验研究是以节约水资源为研究目标，采用浮球覆盖干旱区平原水库进行防蒸发节水试验，以探究不同覆盖面积不同网围结构形式下的节水效果，得到了以下结论。

（1） 随着覆盖面积的增大，网围结构的稳定性增强，防蒸发效果越好;

（2） 当覆盖面积为1.02m2并采用三角形网围布置时，防蒸发效果最好，防蒸发系数为0.838，即蒸发抑制率为83.8%;

（3） 根据相关公式的计算结果可知，随着覆盖面积的增加，防蒸发系数逐渐增大，当防蒸发系数接近于0.91时，若采用圆形网围覆盖，覆盖面积为17.08m2;若采用三角形网围覆盖，覆盖面积为4.48m2，其稳定性也高于圆形网围。

根据本文的试验结果，认为在保证防蒸发效果最优的同时，还需要兼顾到结构的稳定性，以避免大面积连接所造成的成本和技术难度的增加。根据试验结果，建议采用4.48m2的三角形网围为一个覆盖单元，来进行局部铺设。

目前，市场上的浮球大多以PE或PVC材料为主，成本低、耐久、无毒，不会对水生态环境造成破坏，而且还具有很好的防蒸发效果，可在实际工程中或者水资源缺乏的地区推广使用。

5.2 建议

针对浮球自身稳定性弱的缺陷，还可以从以下几个方面开展进一步的试验研究。

（1） 将浮球3个为一组，使其两两接触固定，这样既能够满足三球接触的状态，也避免了浮球的不规则摆动和翻滚。

（2） 浮球在实际应用中，由于其自身表面所具有的弧形结构，使其无法达到100%覆盖。因此，在试验过程中，可以采用直径不同的浮球进行覆盖，以探究其防蒸发的效果。

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引用本文：李勋，严新军，侍克斌.覆盖面积和网围结构对水面蒸发抑制率的影响[J].人民长江，2019，50（3）：117-123.

Influence of coverage area and enclosure structure on suppression rate of water-surface evaporation

LI Xun，YAN Xinjun，SHI Kebin

（College of Hydraulic and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：Xingjiang is located at the remote northwest China inland regions where the weather is dry and lack of rainfall，and it experiences serious evaporation loss. For the regions like this，it is urgent to reduce unnecessary loss of water resources，and to this end，we carried out a special experimental study. The purpose of the experiment is to reduce water-surface evaporation andto conserve water resources. We selected polar floating ball as anti-evaporation material，and explored the influences of different coverage areas and enclosure structures on suppression rate of evaporation. We divided the floating balls into two groups and placed them near the reservoir for better observation and management，and then set up five different coverage areas（i.e. 0.28，0.43，0.60，0.79，1.02 m2） for each group（coverage areas exclude white enclosure structure）. We then recorded humidity ar-ea under different wind speed，and calculated the suppression rate of evaporation of the floating balls. The results showed that the suppression rate of evaporation is related to the coverage area and the enclosure structure. W hen applying triangle enclosure with coverage area of 1.02 m2，the suppression rate of evaporation is 83.8%，which reaches its optimal rate. As the coverage area in-creases，suppression rate of evaporation gradually increases. When the suppression rate approaches 91 %，considering the stability of the structure，a 4. 48 m2 triangular enclosure structure should be used as a covering unit for partial placement.

Key words：coverage area;enclosure structure;water-surface evaporation;evaporation suppression rate