浮球大小对消减水面蒸发效果敏感性试验研究

候宗民

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

在干旱和半干旱气候区，由于降水量小和蒸发量大，地表水资源极度匮乏，而我国北方地区大多属于此类气候区，例如新疆地区，不仅降水量小而且蒸发量大，均属于水源性缺水，极少量的降水还未形成任何有效的淡水资源就蒸发殆尽，主要的淡水资源都来自于周围山区的降水及冰川融水。因此，在这些地区，已建多座为农业灌溉服务的平原水库，同时极大程度加大无效水面蒸发的面积。用物理材料遮盖方法来减少蒸发，目前研究时间较长成果较多，是实际可操作性强的方法之一。国内研究：2004年严新军等人最先提出采用苯板覆盖水面来消减蒸发[1]；2006年武金慧对苯板、石蜡和聚乙烯材料消减蒸发作用进行了对比研究[2]；2009年杨浦对轻质混凝土板、遮阳网和竹片材料消减蒸发作用进行了对比研究[3]；2014年唐凯等人对大面积苯板在水库应用的可行性进行了探究[4-5]；2015年李存立等人在干旱区平原水库对PVC 浮板与浮球进行了抑制蒸发节水试验研究，并为更好解决浮球在风的作用下翻转而制作“不倒翁”浮球，大大提高浮球的消减蒸发作用[6-8]；2018年李勋等人对浮球局部覆盖法作用干旱区平原水库防蒸发效果的影响进行了试验研究[9]。根据现场试验情况，水体所处的气候条件对物理材料类型选择起到极大的影响作用，对于常年刮大风的地区，面积大的浮板很容易遭到破坏，相较之下，浮球的抗风性能更好。

从经济、抑制蒸发效果方面来看，浮球抑制水面蒸发主要是通过自身遮盖水面面积和遮蔽水面面积以及相互紧挨之间形成的空腔体共同作用，达到抑制蒸发的效果。浮球的相对密度是影响消减水面蒸发效果敏感性的重要因素之一，而浮球的相对密度取决于自身的体积大小与质量，会直接影响入水深度，改变遮盖水面面积及空腔体的体积，从而影响在水表面形成的微气候条件。探究浮球直径及质量变化与抑制蒸发效果间的关系，能够更有效地提高现场抑制蒸发效果，确定最优的浮球参数。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设置于新疆吐鲁番胜金台水库旁空地，吐鲁番属独特的暖温带大陆性干旱荒漠气候，因地处盆地之中，四周高山环抱，增热迅速、散热慢，形成了日照长、气温高、昼夜温差大、降水少、风力强五大特点，素有“火州”、“风库”之称。全年平均气温为14 ℃，夏季平均气温在30 ℃左右，全年气温高于35 ℃的炎热天气，平均为99天；高于40 ℃的酷热天气，平均为28天。四季气候变化的特点是：春季短暂，平均为61天，开春早，升温快；夏季漫长，平均152天，高温酷热；秋季更短，平均57天，降温急促；冬季较短，平均95天，风小雪稀，天气晴好，寒冷期短。一年中，以一月份最冷，7月份最热[10]。因此，选择9月份为试验期较有普遍性，采用便携式气象站采集站点气象数据。

1.2 试验方法

当浮球漂浮在水面上，会有部分侵入水中，可以根据阿基米德定律与球缺体积公式联立求解入水深度，得到在浮球半径不变的条件下浮球质量与入水深度的关系。如式(1)、式(2)所示。

ρ液gV排=F浮=G球=m球g

(1)

(2)

式中：ρ液为水的密度，g/cm3；g为重力加速度，取9.8 N/kg；V排为浮球侵入水中排开水的体积，cm3;F浮为浮球受到水的浮力，10-3N；G球为浮球的重力，10-3N；m球为浮球质量，g；V球缺为浮球入水体积，即为V排，cm3；R为浮球半径，cm；h为浮球入水深度，cm。

联立式(1)、式(2)得式(3)：

(3)

化简得式(4)：

(4)

给定浮球直径大小与质量，利用Matlab数据计算软件求解高阶一元方程，得到表1。不同浮球直径、质量与浸水深度关系见图1。

表1 不同浮球直径、质量与浸水深度关系 cm

图1 浮球浸水深度与质量关系曲线

1.3 试验设计

(1)试验一：同一材料浮球，大小一定，质量越大入水深度越深，浸水投影面积(即遮盖面积)也随之增大至浮球直径垂直投影面积，质量继续增大，浮球的抑制蒸发率便开始出现负增长。当浸水面积达到最大，半个浮球完全没入水体，但漂浮于水面以上部分，依然会影响水表面气象因素(如风速)，为探索遮盖面积与浮球间形成的空腔体加遮蔽面积两种形式所对应抑制蒸发率大小关系，即探索在体积一定条件下，质量对浮球抑制蒸发率的贡献大小，采用半球替代浮球质量至最大浸入投影面积条件，进行对比试验。设置试验组A、B，采用直径100 mm泡沫浮球各18个，覆盖度为62%。A组放置完整的浮球，遮盖面积为836.18 mm2；B组放置半浮球，遮盖面积为1413.72 mm2。

(2)试验二：为了进一步确定抑制蒸发率与浮球直径间的变化曲线，确定最优的浮球直径，论证是否增大浮球有益于抑制蒸发效果的提高。设置5组试验及一个空白对照试验，分别采用5种不同直径大小的浮球进行试验，浮球直径分别为：40 mm、55 mm、100 mm、150 mm及200 mm。采用对比原则和控制变量原则，保证试验盆所处相同试验条件，避免影响因素的增多。根据可操作水域面积大小的限制，最终确定5组试验的覆盖度均为45%，上下误差不超过正负5%。试验参数设定如表2所示。

表2 试验参数设定

试验数据采集，蒸发量采用称量法，记录试验各组总质量变化。考虑到试验所用浮球的材质差异，对太阳辐射吸收能力的不同影响抑制蒸发效果，一天中在早晨8:00与傍晚20:00两个时刻对试验组进行称量。由于试验限制，试验容器2天 以上的累计蒸发会对水体表面直径造成较大影响，同时水面面积变化及水深变化，也会将新的影响蒸发因素引入试验，为防止盆内水面面积随蒸发改变过大，从而影响蒸发速率，每次测量完数据后添水至蒸发前的初始重量。

试验期内的综合抑制蒸发率可由式(5)计算：

(5)

式中：η为不同布设条件下的试验盆内浮球的抑制蒸发率，%；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。

据此，可以计算出试验所用不同质量大小的浮球入水深度。通过称重带入图1浮球浸水深度与质量关系曲线方程计算，可得表3相关数据：

表3 试验参数测定

2 结果与分析

2.1 试验一

经过测量计算绘图，B组半球的抑制蒸发效果要优于A组完整浮球的抑制蒸发效果。通过SPSS对相关气象因素进行逐步回归分析，得到A、B两设计组均与相对湿度这一因素相关关系显著。得到的最优气象蒸发模型：A=2.411-0.032X，B=2.007-0.026X，其中X表示相对湿度。A、B组日蒸发量记录见表4，完整浮球与半球试验组日蒸发量见图2，A、B组对应多重线性逐步回归结果见表5。

表4 A、B组日蒸发量记录 kg

图2 完整浮球与半球试验组日蒸发量

表5 A、B组对应多重线性逐步回归结果

2.2 试验二

经过观察计算得到，在夜间与白天两个时段，抑制蒸发率和浮球直径大小间的变化规律是不同的，夜晚抑制蒸发率与浮球直径变化关系不明显，而白天浮球直径为55 mm试验组，抑制蒸发效果最好；从全天时段来看，也是浮球直径为55 mm时，抑制蒸发率最高。不同时间段试验组对应平均抑制蒸发率见表6，试验组组间白天与夜晚抑制蒸发率对比见图3，各试验组对应多重线性逐步回归模型结果见表7，各试验组对应多重线性逐步回归模型代表性见表8。

表6 不同时间段试验组对应平均抑制蒸发率

图3 试验组组间白天与夜晚抑制蒸发率对比图

表7 各试验组对应多重线性逐步回归模型结果

表8 各试验组对应多重线性逐步回归模型代表性

2.3 综合分析

试验一：从图2中，可以看出每日蒸发量，B组的蒸发量始终低于A组，即半球的抑制蒸发率高于完整浮球的抑制蒸发率，即遮盖水面的抑制蒸发作用大于空腔效应与遮蔽水面共同作用的抑制蒸发作用。并且每日气象因素变化，两试验组蒸发量差值也随之变化。表5中ANOVA显著性值均小于0.05，同时反映出B组试验设置对风速这一气象因素比A组的敏感性更高，线性相关关系更明显。

试验二：从图3中，反映出日抑制蒸发率并不是随着浮球直径大小增大而增大，反而是先增大后减小，浮球直径达到55～100 mm之间的某一值，对应的抑制蒸发率达到最大。夜晚与白天抑制蒸发率变化趋势除5号试验组，基本一致。其中，虽然1号试验组日平均抑制蒸发率为正数，但夜晚时段抑制蒸发率为负数，浮球促进了水表的蒸发，根据Assouline等人利用有孔无孔的浮板进行试验，得到对于给定的相对覆盖区域，分布的小开口比同等面积的大开口要高的水损率，通过穿孔覆盖和部分覆盖的水表面的蒸发会表现出非线性规律，在这种情况下，水损失的速率与未覆盖的表面分数成正比，并受到开口大小和相对距离的影响[11]，可以有效的解释这一现象。1号试验组的浮球直径只有40 mm，空腔体上开口接近水面，造成类似穿孔覆盖的试验条件。同时，由于浮球直径过小，在水面张力的作用下，有效蒸发面积增大所致，夜间多风，进一步加速试验组1的蒸发速率。表7可以直接反映出露点温度为5组试验的结果影响占比都是最大，根据表8中ANOVA显著性值与0.05比较，值越小相关性越好，反映出1～4号试验组的回归模型只引入露点温度一个气象因素，内在相关性更好；5号试验组的回归模型引入露点温度、相对湿度和风速三个气象因素变量，内在相关性更好。

在相关的室内试验中已经证实，浮球相互连接紧密排布，与水面形成的空腔体是有利于抑制水面蒸发，越靠近水面，相对湿度也就越大，实际水汽压大，在空腔体的包围中，自由水分子不易扩散，从而抑制蒸发效果比自由漂浮水面分散的浮球好。与此同时，浮球在风的作用下四处漂浮，会将水表面已形成的相对稳定的动态平衡给打破，加速水分子向四周扩散，而浮球移动频率主要在于风力的大小、水面覆盖率及浮球的受风面积。

作为浮球覆盖水面达到抑制蒸发效果，浮球根据其直径大小及质量，决定着受风力影响的大小不同，浮球在水面上随风移动，会扰乱水面已形成的相对稳定的水汽条件，从而减小浮球自身的抑制蒸发效果。经过现场观察，发现150 mm的浮球相对材质较轻，在有风的条件下会不断在水面漂浮移动，打破了水表面形成相对稳定的水汽条件，从而降低了其抑制蒸发的作用。55 mm、100 mm 及200 mm的浮球也在风的作用下有不同程度漂浮移动的现象，且100 mm浮球材质较轻直径大，漂浮移动的现象最为明显；40 mm与55 mm 浮球由于直径较小，浮球之间在水的毛细作用力下，不易被微风吹散。

3 结 论

(1)同种浮球，自由漂浮比相对静止于水面的工作条件下抑制蒸发率要更低一些。

(2)遮盖面积越大，抑制蒸发越高。浮球紧挨形成的空腔及遮蔽水面共同作用对应的抑制蒸发率低于直接遮盖水面抑制蒸发率，差值随水面微气候条件改变而改变。

(3)在抑制蒸发的过程中，悬浮的覆盖层比漂浮在开口下方的蒸汽饱和层更有效。

(4)在室外试验中，浮球抑制蒸发率与浮球直径大小并不是简单的正相关或负相关关系，根据抑制蒸发率判断，最优浮球直径大小介于55 mm至100 mm之间。

(5)要考虑浮球质量所致的入水深度及惯性。入水太浅，受风面积大，在覆盖度未达到最大值，浮球在水面移动更易破坏微气候的蒸发平衡状态；质量轻，水中稳定性差，更易被风吹离水体。