浮球抑制水面蒸发效果的参数相关性试验研究

候宗民，严新军

(1.水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引 言

随着经济的不断发展，淡水资源紧缺已成为世界各国普遍面临的严峻问题[1]。我国水资源区域分布不均，全国水资源80%分布在长江流域及其以南地区，地表水以及地下水均来自于大气降水形成，并不断转化[2]。在以干旱半干旱气候为主的新疆地区，为向当地农业灌溉提供淡水资源，已建成多座平原水库，平原水库由于水深小、水域面积大等特点，导致无效蒸发水面面积增加。因此，在蒸发远大于降水地区，研究消减水面蒸发有着极其重要的意义。

采用物理材料遮盖方法来减少水面蒸发是目前研究时间较长、成果较多、实际操可作性强的方法之一。沙特国王大学Al-Hassoun[3]采用有当地棕榈叶编制的席垫覆盖水面来减少蒸发；马来西亚Benzaghta等[4]采用明光垫、胶合板片及镀锌铁皮进行了抑制蒸发的对比试验；美国洛杉矶市花费2.2亿元人民币将9 600万个黑色聚乙烯球投入70万m2的水库来减少水库水面蒸发[5]。严新军等[6]最先提出采用苯板覆盖水面来抑制蒸发；武金慧[7]对苯板、石蜡和聚乙烯材料抑制蒸发作用进行了对比研究；杨浦[8]对轻质混凝土板、遮阳网和竹片材料抑制蒸发作用进行了对比研究；唐凯等[9]对苯板不同面积在水库应用的可行性进行了探究；李存立等[10]进行了PVC浮板与浮球对干旱区平原水库抑制蒸发试验，并为更好解决浮球在风的作用下翻转而制作“不倒翁”浮球，大大提高浮球的抑制蒸发效率；王伦澈等[11]使用有限的气候参数对蒸发进行建模，结果表明6组模型在不同气候条件下有不同的精度。但是，关于某有效抑制蒸发材料参数的研究相对较少。在2015年，李存立等[12]讨论了浮板的厚度对水库节水效率所产生影响；在2017年，韩克武等[13]对已有的浮球材料选择和结构设计进行了说明。目前，尚没有针对浮球材质、大小、质量等相关参数对抑制水面蒸发的效果影响的相关研究。因此，只有清楚浮球相关参数对抑制水面蒸发效果敏感性影响情况，才能更好了解覆盖浮球对大面积水域的抑制蒸发变化。

1 试验设计与研究方法

1.1 试验背景

试验地点选在新疆极度缺水的吐鲁番地区胜金台水库黑沟流域管理站旁的空地，地理坐标为N42°56′23.96″、E89°37′7.72″。水库所处地域属典型大陆性温暖带干旱荒漠气候，主要特点是干燥、炎热、降水稀少且多风。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16.2 mm，平均蒸发量2 845 mm。多年平均风速1.5 m/s，最大风速25 m/s[13]。

1.2 试验设计

根据对比原则及控制变量原则设计试验，保证试验组共处相同试验条件，试验地点选在水库旁，其气象及环境条件与水库相一致。采用全透明浮球、PE浮球、泡沫浮球及白色塑料球作对比试验。在相同的环境及覆盖率条件下，观察浮球覆盖阻挡辐射产生的防蒸发效果；在水面接受辐射条件下，用系数更直观的表达浮球遮阳对防蒸发效果敏感性的贡献大小；在同覆盖率太阳辐射条件下，得出浮球材质、大小对浮球防蒸发效果敏感性的贡献大小。

采用直径40 mm的白色塑料球、100 mm的白色泡沫浮球、100 mm的透明塑料浮球和100 mm的黑色PE浮球设计试验；由于试验限制，放置6个相同的上口直径为600 mm的变径塑料盆，注入相同深度的水，水深减小会影响水体总吸收热能，对日蒸发量会造成较大影响，从而影响浮球防蒸发效果敏感性贡献大小造成偏差，最终试验确定取24 h为一个计测时间段，测量完加水，将水面直径控制在53～55 cm。试验组编号为0号～5号，作对比试验组的浮球覆盖率计算值上下偏差小于1%。每个试验组的设置如表1所示。

表1 试验参数设定

每日为保证精确测出日蒸发量，用电子秤称量6个盆内水的减少质量，同时计算出相应的蒸发量；为防止水深的变化对蒸发量产生影响，测完数据后再次加水至初始质量。

1.3 试验方法

该试验主要采用控制变量法及对比法进行设计，试验期为2018年4月25日至5月28日，采用器测法，通过电子秤直接称量得到各试验组的日蒸发量，从而计算出相应的抑制蒸发数据。同时，在试验区内设置小型气象站收集气象数据，在每日14∶30前后测量试验组水面及盆底的水温。0号盆作为空白对照组，1号～5号盆内水面按照试验设计覆盖浮球。利用SPSS软件进行数据分析，采用通径分析方法，将气象数据与不同设计参数的试验组蒸发量相关联，建立与之对应的最优模型，再进行对比分析。为了探究不同试验参数影响蒸发的机理，同时，以12 h为时间段测量日出前后的试验组水量变化值。试验期内的综合抑制蒸发率为

(1)

式中，η为不同布设条件下的试验盆内浮球的蒸发抑制率，%；m为该试验盆试验期间的蒸发减少质量，kg；m0为空白对照试验盆试验期间的蒸发减少质量，kg。

2 结果与分析

2.1 通径分析

通过对自变量和因变量间的相关分析来研究因变量的相对重要性，在多元回归分析的基础之上，将相关系数分解为直接通径系数和间接通径系数。根据气象站提供的数据，先计算出各气象因素的日平均值，在对每一组蒸发量与气象因素进行正态性检验、相关性分析及检验以及回归分析及检验，结果如表2所示，最后确定各试验组设计的最优模型进行对比。

由表2可知，不同的试验组间对环境影响条件的敏感度不同，除4号试验组以外，其余试验组所对应的浮球抑制蒸发效果与温度相关性显著，对温度参数相对敏感，3号试验组与5号试验组采用的浮球材质大小一致，对应的敏感变量也相同，仅由于浮球覆盖率的不同造成对各环境变量敏感程度不同。

通过SPSS数据处理软件采用多元线性逐步回归法对试验数据进行分析，得到如表3所列的试验组蒸发量计算方程拟合结果。根据表3中R与R2的值可知，1号、3-2号、5-2号试验组的回归模型线性关系较强，表明所建方程有效，说明不同的自变量对不同的试验设计组均有显著影响。

表2 各试验组自变量与因变量的相关系数

注:*和**分别表示有95%和90%的把握认为相关的确存在。

表3 各试验组蒸发量计算方程拟合结果

由SPSS软件拟合得到的各试验组最优蒸发量计算方程分别为1号A=0.018X1+1.259；2号A=0.015X2+0.653；3-2号A=0.014X1+0.094X3+0.707；4号A=-0.201X4+0.681；5-2号A=0.019X1+0.132X3+1.015。其中，A为抑制蒸发率；X1为露点温度；X2为湿球温度；X3为风速；X4为逆风。

2.2 对比分析

以日出日落为时间点分别测得的各试验组蒸发量，得到如图1所示的各试验组白天与夜晚蒸发量对比。由图1可知，不同试验参数组之间昼夜温差及太阳辐射对水面蒸发量均有较大程度的影响，组与组间的蒸发量既有较大差异，又有个别接近部分。

图1 各试验组白天与夜晚蒸发量及抑制蒸发率对比

在每日14∶30左右，水面温度上升且接近最大值时，使用电子温湿计测量并记录各试验组水面、水底温度，绘制各试验组正午平均水温对比图，如图2所示。试验组间温差最大在5 ℃左右，除3号、4号试验组，其余3组的水温均高于0号无覆盖的对比试验组。在水面有不透光遮盖时，水底温度均小于水面温度。5号试验组反映情况较为特殊，由于浮球的材质与颜色导致吸收太阳辐射给水面加温，在水面可以直接接受太阳辐射的条件下，水面温度因风及蒸发作用而低于水底温度。

图2 各试验组正午平均水温对比

2.3 数据拟合

根据各试验组对应的最优蒸发量模型中相关自变量，可以得到白天水面受太阳光照射的0号和1号试验组蒸发量与露点温度相关，同样用PE浮球覆盖率不同的3号和5号试验组蒸发量与露点温度及风速相关，而直径不同及浮球材质不同的2号和4号试验组蒸发量分别与湿球温度和逆风相关。根据蒸发量计算出1号～5号试验组的实测抑制蒸发率大小，同时也可根据各组最优蒸发量模型计算抑制蒸发率，可得到1号～5号试验组对应各平均抑制蒸发率的误差，如表4所示。

表4 各试验组的平均抑制蒸发率实测值及计算值对比

3 讨 论

1号试验组为透明浮球，对水面无法起到遮挡太阳辐射的作用，主要起到的作用是防止风直接吹拂水面，风的作用可以降低水面温度和加速水面水分子的扩散，与0号空白组试验结果对比，分析可知浮球防风作用对抑制水面蒸发效率的贡献值约为19%。1号与5号试验组的覆盖率相同，相较于1号试验组，5号试验组浮球白天遮挡太阳辐射从而提高自身抑制蒸发率，经过试验组蒸发减少量证明不透明材质在防风基础上可遮挡太阳辐射，较透明材质浮球抑制水面蒸发效率上升23%。2号～4号试验组与5号相比，试验设计参数覆盖率均增加24%，从而抑制蒸发率随之提高较为明显。其中，2号与4号试验组的浮球直径不同、3号与4号试验组的浮球颜色不同，4号较2号试验组的抑制水面蒸发效率略好，可间接说明材质及颜色等其他综合方面对抑制蒸发率的大小贡献较为微弱。1号和5号试验组的覆盖率较小，由于直接接收的太阳辐射热能高于浮球传递的热能所导致1号试验组的温度增加最大。2号～4号试验组的覆盖率较大且相同，2号与4号试验组的浮球颜色一致，但大小材质不同，由于2号试验组材料的导热性强以及浮球直径小个数多接触水的圆周总长长，导致2号试验组温度增加大，4号试验组温度增加小。

除太阳辐射以外的自变量对同一覆盖率条件浮球蒸发量影响均不明显。除3号、4号试验组，其余3组的水温均高于0号无覆盖的对比试验组，这是由于水面覆盖黑色PE浮球会对水温升高提供促进作用，当覆盖率过小，采用PE浮球加热水温促进蒸发的效果就好抵消其对水面蒸发的消减作用。1号试验组由于浮球的加热效应，水温上升，是由于阻碍了风对水面的降温作用，也因此减少了风对蒸发的促进作用。

4 结 论

(1)由于浮球的材质、大小、覆盖率等参数的不同，而改变了水表面的环境，形成了微气候，从而直接影响其覆盖水面的蒸发量对气象条件变化的敏感性。水体可以接受太阳辐射条件下主要与露点温度相关，采用黑色PE浮球覆盖水面条件下主要受露点温度和风速共同作用；覆盖率不变减小浮球直径条件下主要与湿球温度有关，改变覆盖水面浮球材质条件下主要与逆风相关。

(2)不同的气象条件，水面蒸发量还会产生不同的变化，浮球参数对抑制水面蒸发效果敏感性影响不可忽视。在水面覆盖率为51%时，不透明材质在防风基础上可遮挡太阳辐射，较透明材质浮球抑制水面蒸发效率上升23%，而浮球防风作用对抑制水面蒸发效率的贡献约为19%。

(3)浮球覆盖率对抑制蒸发作用影响最为显著，同覆盖率条件下浮球直径增大会提高抑制水面蒸发效率。这与浮球间可以形成较大的空间体有密不可分的联系。

(4)浮球在白天的抑制蒸发效率比夜晚更高。说明浮球抑制蒸发主要由浮球不透光这一特性，遮挡太阳辐射直接照射水面产生，其次是阻碍风的吹拂作用。