PVC浮板自由排列下干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)研究

程陽宇，侍克斌，嚴新軍，韓克武，楊云鵬

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.吐魯番市高昌區(qū)水利局，新疆 吐魯番 838000)

1 概 述

已有資料指出，中國水資源問題形勢嚴峻, 潛在危機巨大，解決世紀水資源問題將是國家發(fā)展面臨的戰(zhàn)略任務(wù)[1-2]。例如占我國國土總面積1/6的新疆，屬于內(nèi)陸干旱區(qū)，多年平均降雨量為100～200 mm，但是全年蒸發(fā)量卻在1 500～3 000 mm[3]。根據(jù)研究成果估算[4]，新疆平原水庫的年蒸發(fā)量為26.1×108m3，蒸發(fā)損失量超過水庫總庫容的40%，降低了水庫的有效利用率。

關(guān)于如何減少水面蒸發(fā)損失，國內(nèi)外學(xué)者做過不同嘗試。通過總結(jié)前人的研究成果，分為3類：化學(xué)材料防蒸發(fā)[5]、水生植物覆蓋防蒸發(fā)[6]和物理材料覆蓋防蒸發(fā)。在物理材料覆蓋防蒸發(fā)方面，西班牙Alvarez[7]用不同顏色的單雙層聚乙烯網(wǎng)和單層鋁網(wǎng)覆蓋水面進行試驗，結(jié)果表明黑色聚乙烯單層網(wǎng)的節(jié)水效果最為顯著；國內(nèi)張曉浩、李存立等[8-9]對浮板覆蓋下干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水率進行了研究，節(jié)水效果顯著。張曉浩、李存立等人是通過尼龍繩等材料連接浮板，使浮板整齊排列在水面上，進行防蒸發(fā)試驗。當(dāng)浮板自由排列在水面上，蒸發(fā)抑制率不僅與浮板表面的濕潤面積有關(guān)，還與浮板之間的間隙率有關(guān)。本試驗從浮板自由排列在水庫的角度，研究干旱區(qū)平原水庫處于靜水或風(fēng)浪較小下浮板的蒸發(fā)抑制率，為計算干旱區(qū)平原水庫處于大風(fēng)浪下浮板自由排列時的節(jié)水率提供理論依據(jù)。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于天山東部博格達山南麓吐魯番市勝金鄉(xiāng)境內(nèi)的勝金臺水庫。試驗點所處地域?qū)俚湫偷拇箨懶詼嘏瘞Ц珊祷哪畾夂?，主要特點是干旱、高溫、多風(fēng)。多年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫49.6℃，極端最低氣溫-29.2℃。多年平均降水量16.2 mm，平均蒸發(fā)量2 845 mm。多年平均風(fēng)速為1.5 m/s，最大風(fēng)速25 m/s。最大凍土深0.8 m。

2.2 試驗材料選擇

為使浮板擁有良好的防蒸發(fā)效果，所選用的試驗材料必須滿足密度合適、強度足夠、憎水、無毒、耐久性強等要求。整個試驗選用面積為1 m2的正方形隔熱鐵皮箱作為蒸發(fā)器，其中間隙率試驗選用PVC泡沫浮板作為試驗浮板，按尺寸分為A、B、C 3組，單塊尺寸分別為10 cm×10 cm、5 cm×5 cm、5 cm×2.5 cm，厚度均為3 mm。在不同覆蓋率的浮板蒸發(fā)抑制率試驗中，為方便覆蓋蒸發(fā)器，選擇大尺寸PVC浮板，該浮板也是水庫現(xiàn)場實際鋪設(shè)的浮板，浮板長1.00 m、寬0.5 m、厚0.08 m，密度50 kg/m3。

2.3 試驗現(xiàn)場布置與方法

在1.0 m×1.0 m×0.3 m的蒸發(fā)器中模擬浮板在水庫自由排列的間隙率，選用的浮板分為A、B、C共3組。在相同條件下，每組浮板反復(fù)進行投放試驗，記錄投放的浮板個數(shù)，計算浮板覆蓋率與間隙率，直至浮板的間隙率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，結(jié)束試驗，3組浮板投放試驗見圖1～圖3。在不同覆蓋率的浮板試驗中，覆蓋率按照0%、50%、75%、100% 分為a、b、c、d共4組，將浮板鋪設(shè)在蒸發(fā)器水面上，見圖4～圖7。

圖1 A組試驗圖

圖2 B組試驗圖

圖3 C組試驗圖

圖4 a組試驗圖 圖5 b組試驗圖 圖6 c組試驗圖 圖7 d組試驗圖

3 試驗原理

影響水面蒸發(fā)的主要因素有太陽輻射、溫度、空氣相對濕度、風(fēng)速和水氣壓差等[10-12]。浮板覆蓋在水面降低了風(fēng)速對水面蒸發(fā)的影響，使得被覆蓋的水面與周邊自由水面上空的水汽分子向大氣擴散的速率降低，有效減緩水汽向大氣的擴散，抑制水面蒸發(fā)。

干旱區(qū)平原水庫處于靜水或風(fēng)浪較小條件下，浮板在水面上是靜止的、不會濕潤，全覆蓋下的浮板蒸發(fā)抑制率為100%。當(dāng)浮板自由排列在水面上，浮板之間存在著間隙率，間隙率與水面蒸發(fā)率有關(guān)，由此得到浮板蒸發(fā)抑制率。在蒸發(fā)器中，用縮小一定比例尺的小浮板進行間隙率模擬試驗，縮小浮板與蒸發(fā)器面積之間的比例，等同于放大蒸發(fā)器的面積，更能模擬出水庫這種大水體。如C組浮板與蒸發(fā)器的面積比例為1∶800，蒸發(fā)器面積由1 m2放大至800 m2。浮板的尺寸越小，蒸發(fā)器的面積相對越大，模擬得出的浮板在水庫自由排列的間隙率更精準。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 各組浮板自由排列下的覆蓋率與間隙率

當(dāng)浮板自由排列在水面上，浮板之間存在著間隙率，覆蓋在水面上的浮板面積占蒸發(fā)器水面總表面積的比率為覆蓋率，未覆蓋的面積占蒸發(fā)器水面總表面積的比率為間隙率。

4.1.1 A組浮板

在蒸發(fā)器內(nèi)做該組浮板的投放試驗，每次試驗直至浮板投放不下，則該次投放試驗結(jié)束。記錄每次投放試驗的浮板個數(shù)，計算覆蓋率，直至覆蓋率穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，則本次試驗結(jié)束。本次試驗總計投放50次，覆蓋率見表1。

表1 A組浮板的覆蓋率

根據(jù)表1可計算浮板間隙率的頻率分布，結(jié)果見表2。

表2 A組間隙率分布頻率表

由表2可知，該組浮板間隙率主要集中在0.24～0.28，該分布范圍的頻率為0.8。

該組浮板面積為0.01 m2，在投放浮板過程中，由于浮板面積與蒸發(fā)器面積比例較大的關(guān)系，隨著投放的個數(shù)越來越來多，浮板與浮板之間相互碰撞，相互靠攏。當(dāng)浮板投放完畢，發(fā)現(xiàn)浮板呈現(xiàn)大部分整齊排列形成一個個集體，部分自由排列；大部分的集體又是整齊排列。浮板排列整體呈現(xiàn)一般程度的自由排列，排列規(guī)律不是很明顯，需要用面積更小的浮板模擬間隙率試驗。

4.1.2 B組浮板

試驗方法與上一組試驗方法一樣，本次試驗總計投放50次，覆蓋率見表3。

表3 B組浮板的覆蓋率

根據(jù)表3可計算浮板間隙率的頻率分布，結(jié)果見表4。

表4 B組間隙率分布頻率表

該組浮板面積為0.002 5 m2，浮板投放完畢，發(fā)現(xiàn)浮板呈現(xiàn)部分整齊排列形成一個個集體，每個集體又分為整齊排列形成一個大集體和部分集體自由排列兩種情況。浮板整體是自由排列的，內(nèi)部又有大部分整齊排列，部分自由排列，間隙率集中在某一范圍內(nèi)。根據(jù)多次試驗，由頻率確定一個間隙率范圍。

由表4可知，該組浮板間隙率主要集中在0.22～0.28，該分布范圍的頻率為0.82。

4.1.3 C組浮板

C組浮板試驗總計投放了50次，覆蓋率見表5。

表5 C組浮板的覆蓋率

根據(jù)表5可計算浮板間隙率的頻率分布，結(jié)果見表6。

表6 C組間隙率分布頻率表

該組浮板面積為0.002 5 m2，浮板投放完畢，浮板整體是自由排列的，內(nèi)部又有大部分整齊排列，部分自由排列。這種排列規(guī)律比B組浮板間隙率模擬試驗中的排列規(guī)律更清晰明顯。

由表6可知，該組浮板間隙率主要集中在0.23～0.27，該分布范圍的頻率為0.9。

4.2 浮板間隙率分析

通過對比分析3組浮板間隙率分布范圍頻率表，結(jié)合每組浮板的自由排列規(guī)律，歸納浮板的間隙率。與另外兩組浮板相比，A組浮板面積與蒸發(fā)器面積比例最大，浮板排列呈一般程度的自由排列。間隙率的分布范圍集中在0.24～0.28，因此A組浮板間隙率相對較大。

B組浮板排列規(guī)律比A組更明顯，間隙率分布范圍主要集中在0.22～0.28，開始向間隙率小的范圍集中。其中0.22～0.23、0.23～024、0.24～0.25、0.25～0.26這4個范圍的頻率和較大，總頻率達到0.66，因此B組浮板間隙率范圍整體比A組小。

C組浮板整體排列規(guī)律比B組更明顯，間隙率分布范圍主要集中在0.23～0.27，分布范圍整體縮小，由B組0.22～0.28縮小到0.23～0.27，間隙率范圍整體向中間值0.25集中；且0.24～0.25、0.25～0.26、0.26～0.27這3個范圍的頻率和較大，總頻率達到0.7，比B組浮板在這幾個分布范圍的總頻率更大，因此C組浮板間隙率分布更集中。

隨著浮板面積變小，浮板面積與蒸發(fā)器的比例變小，間隙率分布范圍更集中，更趨近中間值0.25。浮板尺寸越小，蒸發(fā)器的面積相對越大，更能模擬出水庫這種大水體環(huán)境，試驗?zāi)M出的浮板在水庫中自由排列的間隙率更真實準確。因此，認為浮板在水庫中自由排列的間隙率范圍為0.23～0.27，平均值是0.25。

4.3 浮板的蒸發(fā)抑制率分析

在靜水或風(fēng)浪較小下，干燥的浮板在水面上是靜止漂浮的，浮板的蒸發(fā)抑制率與覆蓋率有關(guān)。在不同覆蓋率的浮板蒸發(fā)抑制率試驗中，覆蓋率按照0%、50%、75%、100% 分為a、b、c、d共4組，通過所測數(shù)據(jù)得到4組每10 d的水面蒸發(fā)量，共計80 d，見表7。

表7 不同覆蓋率下的蒸發(fā)量對比

水面蒸發(fā)抑制率可由式(1)求得：

式中：I為水面蒸發(fā)抑制率，%；Ea為未覆蓋下自然狀態(tài)的蒸發(fā)量，mm；Ea′為覆蓋浮板的水面蒸發(fā)量，mm。

由式(1)可計算b、c、d 3組浮板每10 d的平均蒸發(fā)抑制率，未覆蓋則蒸發(fā)抑制率為零，見表8。

表8 4組浮板的蒸發(fā)抑制率

由表8結(jié)合浮板在蒸發(fā)器內(nèi)覆蓋的實際情況分析可知，靜水或風(fēng)浪較小時，浮板與蒸發(fā)器的邊壁之間存在接觸空隙。在蒸發(fā)過程中，水汽分子會通過接觸空隙向大氣擴散，因此浮板的蒸發(fā)抑制率并未與覆蓋率完全一致，但很接近。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著覆蓋率逐漸增大，浮板的蒸發(fā)抑制率更趨近覆蓋率，基本一致。本試驗認為當(dāng)間隙率為0.25，即覆蓋率為0.75，蒸發(fā)抑制率基本為75%；當(dāng)全覆蓋時，蒸發(fā)抑制率基本為100%。

5 結(jié) 論

1) 在蒸發(fā)器內(nèi)模擬浮板自由排列漂浮在水庫中的間隙率，結(jié)果表明矩形板的尺寸對間隙率影響不大，浮板自由排列的間隙率為0.25。

2) 由浮板的覆蓋率試驗分析得出，蒸發(fā)率與間隙率基本一致，蒸發(fā)抑制率與覆蓋率基本一致。

結(jié)合以上結(jié)果可知，當(dāng)干旱區(qū)平原水庫處于靜水或風(fēng)浪較小下，自由排列的浮板對水庫的蒸發(fā)抑制率為75%，浮板對水庫的節(jié)水率為75%。本研究為計算大風(fēng)浪下自由排列在干旱區(qū)平原水庫的浮板節(jié)水率提供了一定的理論依據(jù)。