PE浮球覆盖下水面蒸发抑制率及水质影响研究

薛宇乐，高 峰，马 鑫，杨 宇，宋日权，池利明，秦艳春

(1.内蒙古农业大学，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010052；3.内蒙古自治区水利水电勘测设计院有限公司，呼和浩特 010020；4.乌兰察布水文水资源分中心，内蒙古 乌兰察布 013750)

1 概述

内蒙古处于我国北方地区，幅员辽阔，其中部地处干旱、半干旱气候带[1]，是水资源短缺最为严重的地区之一，多年平均降雨量在250～350 mm之间，但蒸发量高达1 000～1 500 mm，区内15座大型水库和89座中型水库大量无效蒸发造成的水资源损失巨大。岱海位于内蒙古乌兰察布市，是内蒙古第三大内陆湖。近几十年来岱海受自然和人为因素影响，降水量减少，蒸发量逐年增加，面积缩减严重；盐碱化程度增加，水质持续恶化，生态系统严重退化。习总书记对一湖两海多次做出重要批示，牢固树立生态优先，绿色发展的导向，持续打好环境保卫战，积极改善岱海生态环境，对北疆建设具有重大意义。

目前国内外学者在减小水库无效蒸发方面的研究主要有水生植物覆盖法、化学试剂法、物理覆盖法。水生植物覆盖法尽管起步较早，但发展至今，其实用价值仍有待商榷。1994年王积强[2]、2009年丁成[3]分别研究了水花生、浮萍覆盖后水面蒸发情况，结果表明，覆盖后蒸发量平均抑制率大约在10%～20%，但植物生长旺季时耗水量反而高于无覆盖情况，故此方法较难进行实践应用。从20世纪开始，国内外对化学试剂法的研究络绎不绝，2006年吴燕、夏萍等[4]对十六醇和石油醚作为蒸发抑制剂进行实验研究，结果表明乳液体系的分子膜蒸发抑制率可达50%。2015年杨坤等[5]为减小风浪对单分子膜的影响，在水面上铺设以EPE珍珠棉和钢性镀锌铁丝为材料制成的漂浮网格，研究结果表明，不设置漂浮网格的单分子膜的蒸发抑制率为7%～12%，设置漂浮网格的单分子膜的蒸发抑制率可以达到26%～30%。但在实际环境中，风速、温度、杂质等诸多因素会对单分子膜性能产生干扰，影响蒸发抑制效果。物理覆盖法是目前国内外较为关注的方法，2004年严新军以苯板覆盖水面，但仅限于力学性能研究，并未对苯板蒸发抑制率做进一步探索[6]。2006年西班牙的Martinez Alvarez等采用不同颜色的单、双层聚乙烯网和单层镀铝网覆盖水面并研究其蒸发抑制率，结果表明，双层网抑制蒸发效果要优于单层网[7]。2009年Al-Hassoun等利用当地盛产的棕榈叶覆盖水面以减少蒸发，得出当覆盖率为50%和95%时，蒸发抑制率分别为26%和63%的研究结论[8]。2014年张永山等利用塑料空心板部分覆盖水面，蒸发抑制率可达87.88%[9]。2017—2020年之间，韩克武、侍克斌等研究了直径为10 cm的黑色PE浮球在不同条件下对水面蒸发率的影响，结果表明，在86%覆盖率条件下，水面蒸发抑制率为83.8%，而当覆盖率为91%时，蒸发抑制率可以达到89.6%，蒸发抑制率会随试验面积增大而增大[10-11]。2015年，美国洛杉矶政府向水库投入9 600万个黑色PE浮球用于除溴，其蒸发抑制率有待考究。

蒸发抑制一直是国内外研究的重点对象，本试验在总结前人对物理覆盖法研究的基础上，选用颜色分别为黑、白、黄、绿，直径分别为60 mm、80 mm、100 mm的PE浮球覆盖水面，探究其蒸发抑制率，为湖面蒸发抑制提供一定理论依据。

2 试验材料及方案

2.1 试验区概况

试验场地位于内蒙古乌兰察布市凉城县三苏木水文站，试验场地地处干旱、半干旱气候带，多年平均气温为6.3℃，历年极端最高气温为36.0℃，历年极端最低气温为-27.4℃，多年平均降雨量为419.6 mm，多年平均蒸发量为945 mm，其中4—7月的蒸发量占全年蒸发量的56.3%。多年平均风速为1.9 m/s，多年平均最大风速为17.7 m/s。

2.2 试验材料选择

防蒸发材料应满足防水性强、抗晒性高、无毒、耐久、对水质影响小及经济合理等要求[12]，综合上述要求进行预实验，最终选定空心PE浮球作为蒸发抑制材料进行试验研究。该材料化学性质稳定、强度较高，空心球形设计使其自重较小，可以最大程度上降低其与水面的接触面积与吃水深度，避免球体翻滚时造成的无效蒸发。同时球形设计较其他形状防风效果更佳，可避免在极端风速情况下发生堆积，从而提高其蒸发抑制力。本试验选取颜色分别为黑色、白色、黄色、绿色，直径分别为60 mm、80 mm、100 mm的PE浮球作为覆盖物开展试验研究。

2.3 试验方案

试验场地位于三苏木水文站内，周围温度和受风条件适宜，内设蒸发池4个，口径为4 m2，深度为2 m，分别为1～4号蒸发池，其中1～3号蒸发池分别放置相同颜色不同直径的PE球，4号蒸发池无覆盖物作为对照组进行对照试验；每个蒸发池配备温度、蒸发量、水位、溢流量、降雨量等数据自动采集系统(见图1)。

图1 试验场球体布置示意

试验周期为2023年6月1日至8月1日，在1～3号蒸发池内分别放置直径不同的白色、绿色、黄色、黑色PE球与无覆盖蒸发池做对照试验，每日8点对蒸发池蒸发量等数据进行观测记录。

3 结果分析

3.1 蒸发池内水温情况

使用飞础科618c红外热像仪拍摄试验期内蒸发池表面，由某典型特征天试验期内球表面及水面温度图可以看出(见图2)，环境温度为27℃，直径为100 mm黑色和绿色浮球吸热能力更强，其表面温度高达70℃，白色和黄色浮球的吸热能力略低于黑色和绿色浮球，表面温度在50℃～55℃之间。有PE浮球覆盖的蒸发池，浮球表面温度远高于未覆盖部分水温。主要是由于PE浮球的吸热能力高于水体，阳光难以穿过浮球，热量大部分被浮球吸收，球体的一部分热量会传递至水面上，也使得浮球覆盖下水面温度要高于无覆盖蒸发池的水面温度。

图2 某典型特征天试验期内球表面及水面温度示意

试验期内，记录4个蒸发池水下5 cm处每日上午8：00的水下温度(见图3)。

图3 蒸发池内水下5cm处温度曲线示意

根据图3可以看出，未覆盖浮球的蒸发池水下温度较高，平均分别高于白色1.34℃、绿色1.10℃、黄色1.42℃、黑色1.07℃。主要是由于浮球可吸收来自太阳辐射的大部分热量，其中黑色和绿色吸热能力较高，传热能力高于白色和黄色浮球，热量传递到水面后会进一步向水下扩散，使温度差降低。

3.2 蒸发抑制效果分析

PE浮球铺满蒸发池表面时，三球接触中心会产生一个曲边三角形区域(见图4)，蒸发池最大覆盖面积为91%[13]。但实际试验中，蒸发池内所有球体无法全部做到绝对紧密接触，因此实际覆盖率要小于理论最大覆盖率。为便于对比，试验控制不同直径覆盖球体数量，使其覆盖率相同，经计算，3种不同直径浮球覆盖率为84.8%。各颜色浮球蒸发量见表1～4所示(1号、2号、3号、4号分别代表直径为100 mm、80 mm、60 mm的PE浮球及无覆盖蒸发池)。

表1 白色浮球各蒸发池蒸发量对比 mm

表2 绿色浮球各蒸发池蒸发量对比 mm

表4 黑色浮球各蒸发池蒸发量对比 mm

图4 球体接触面示意

覆盖浮球后的蒸发抑制率可由下式计算：

(1)

式中：

I——蒸发抑制率，%；

E′——浮球覆盖后的蒸发池蒸发量，mm；

E——无覆盖蒸发池的蒸发量，mm。

覆盖PE浮球之后，蒸发池蒸发量可以得到明显的抑制(见表5)，对比图3和表5，蒸发量和温度存在较为明显的线性关系，温度越高，蒸发量越大。其中，在相同覆盖率条件下，4种颜色球体蒸发抑制效果最好的直径分别为60 mm、60 mm、80 mm、80 mm，直径为60 mm和80 mm的PE浮球蒸发抑制效果高于直径为100 mm的PE球。

表5 蒸发抑制率对比 %

浮球覆盖后蒸发池蒸发量主要由两方面构成，一是未覆盖部分的水体蒸发，二是浮球随着风浪翻滚时，其润湿部分会暴露在外产生蒸发。100 mm直径浮球体积较大，受风浪影响较大，其润湿面更容易受到阳光直射，故在同等覆盖度条件下，直径为100 mm的浮球蒸发抑制率较小。

3.3 水质情况分析

为确定PE浮球覆盖后是否会对水质产生影响，在试验期间，使用DZB-712便携式雷磁多参数分析仪对4个蒸发池内水质进行了5次检测，分别记录盐度、TDS、电导率、电阻率、溶解氧及pH值变化规律(如图5所示)。

图5 不同水质指标随时间变化曲线示意

蒸发池内为岱海原水，矿化度等指标水平较高，无覆盖蒸发池蒸发量较大，补水前，蒸发池中溶剂质量减小，溶解性总固体和盐分等溶质质量保持不变，水体中溶质浓度逐渐增大。蒸发一定水量之后，对蒸发池进行补水会增加原溶液中溶质含量。在试验期内，蒸发池内溶剂总量基本保持不变，溶质总量不断增加，水体中盐度、TDS、电导率等值逐渐增大。由于覆盖PE浮球的蒸发池极大程度抑制了蒸发速率，因此尽管4个蒸发池TDS、盐度和电导率都有所上升，但1～3号蒸发池的溶质浓度上升速率明显慢于无覆盖蒸发池。1～3号蒸发池的盐度、TDS、电导率较4号蒸发池的上升速率分别降低了18.5%、17.5%、18.4%。

在第4次检测之前，试验地发生降雨，降雨量为7.5 mm，雨水中盐分和溶解性总固体等溶质含量较少，呈酸性，会少量中和蒸发池上层水内盐分和TDS，故第4次检测时指标呈现下降趋势。其中4个蒸发池中TDS值降幅约为4 000 mg/L，盐度降幅最高的为3号蒸发池，为0.32%；最低为1号蒸发池，为0.13%。第5次检测时盐度、电导率、TDS等指标均有所回升。此外由图5可知，覆盖PE浮球不会对原水质中的溶解氧和pH值产生较大影响。

4 结语

PE浮球可以极大程度抑制水面无效蒸发。本试验在覆盖率为84.8%的条件下，平均蒸发抑制率可达74.02%。比较相同颜色不同直径PE浮球的蒸发抑制率，3种直径球体平均蒸发抑制率分别为70.79%、75.91%、75.35%。试验水体为岱海原水，当原水TDS等指标初始含量较高的前提下，PE浮球覆盖在抑制蒸发的同时还能有效降低水体中盐分和溶解性总固体等溶质的浓度上升速率，试验1～3号蒸发池的盐度、TDS、电导率较4号蒸发池的上升速率分别降低了18.5%、17.5%、18.4%，因此覆盖浮球对水质也具有一定改善效果。

本试验未对相同直径不同颜色PE浮球的蒸发抑制效果进行对比，因此缺乏颜色对抑制蒸发效果影响的判断，将在后续试验中做出进一步探究。