干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽及效益分析

韓克武，侍克斌，嚴(yán)新軍，楊云鵬，候宗民

(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)

0 引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益凸顯。由于追求短期利益、過度開發(fā)水資源以及長期無償擠占生態(tài)用水，導(dǎo)致干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。2012年1月, 國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》, 確立了實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理控制的“三條紅線”, 即水資源開發(fā)利用紅線、用水效率控制紅線和水功能區(qū)限制納污紅線。2017年10月，黨的十九大報(bào)告明確提出實(shí)施國家節(jié)水行動(dòng)，標(biāo)志著節(jié)水從行業(yè)管理上升為國家意志和全民行動(dòng)。

西北干旱區(qū)現(xiàn)有的水庫絕大多數(shù)為平原水庫，這些水庫均具有水面面積大、水深小、無效蒸發(fā)損失嚴(yán)重等特點(diǎn)。如新疆已建的564座水庫中絕大多數(shù)都為平原水庫，這些平原水庫總庫容約為59.3×108m3，水庫水面面積約2 000 km2，平均水深為2.97 m。根據(jù)已有研究成果估算，這些水庫年蒸發(fā)量為26.1×108m3，年滲漏量為8×108m3，合計(jì)每年損失水量約34.1×108m3，蒸發(fā)水量占總損失量的比例高達(dá)77%[1]?？梢?，新疆水庫年蒸發(fā)損失水量占有很大的比例。在“節(jié)水優(yōu)先”的新時(shí)代背景下，干旱區(qū)農(nóng)田節(jié)水已發(fā)展到膜下滴灌、渠道節(jié)水已發(fā)展到管道和暗渠輸水、水庫防滲已發(fā)展到土工膜全庫盤防滲，干旱區(qū)節(jié)水研究目標(biāo)將會(huì)移向水源地(水庫)防蒸發(fā)節(jié)水。自然狀態(tài)下，干旱區(qū)的陸地水資源往往帶有一定的礦化度，而平原水庫強(qiáng)烈的無效蒸發(fā)帶走了大量水汽，鹽分卻依然留在水庫中，使得剩余庫中水體的礦化度增加。已有研究結(jié)果表明[2]，灌區(qū)土壤鹽分主要來自灌溉用水，平原水庫(水源地)水體礦化度的增大將會(huì)加劇下游灌區(qū)土壤鹽漬化程度。

1962年，Robert[3]分別在兩個(gè)不同地點(diǎn)對(duì)0.01 km2的水域進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明分子膜蒸發(fā)抑制率分別為43%和42%。2004年，嚴(yán)新軍[4]選用聚苯乙烯泡沫塑料板作為水庫防蒸發(fā)材料，在新疆尉犁縣的塔里木二庫對(duì)材料的不同連接方式及各種形式的抗風(fēng)浪性能等進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)滿足合適密度、合適強(qiáng)度、憎水、無毒、耐久性好等要求；苯板具有一定的抗風(fēng)浪能力，只要連接方式恰當(dāng)可以起到防蒸發(fā)節(jié)水目的。2005年，Craigd等[5]在面積為1.2 km2的水域進(jìn)行試驗(yàn)，不同試驗(yàn)周期對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)抑制率為0%～31%。2009年，Al-Hassoun等[6]利用當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的棕櫚葉作為防蒸發(fā)材料，用方形墊片將棕櫚樹葉懸浮在水面上空，研究結(jié)果顯示95%、50%覆蓋率分別對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)抑制率為63%、26%，棕櫚葉并未對(duì)其覆蓋下的水質(zhì)產(chǎn)生影響。2011年，Shamshad Alam等[7]分別用單雙層棕櫚葉對(duì)A級(jí)蒸發(fā)器蒸發(fā)抑制率進(jìn)行研究，其中單層棕櫚葉對(duì)水面的蒸發(fā)抑制率為47%，雙層棕櫚葉對(duì)水面的蒸發(fā)抑制率為58%。2014年，馬艷[8]采用在水面上架設(shè)漂浮網(wǎng)格的方式對(duì)分子膜抑制水面蒸發(fā)率進(jìn)行了研究，研究表明網(wǎng)格中的分子膜蒸發(fā)抑制率為26%～30%，無網(wǎng)格的分子膜蒸發(fā)抑制率為7%～12%。2016年張曉浩等[9]對(duì)不同覆蓋面積下聚乙烯塑料空心板的節(jié)水效率進(jìn)行研究，研究得出一個(gè)完整非冰凍期內(nèi)1、4和8 m2共3個(gè)不同覆蓋面積對(duì)應(yīng)的節(jié)水效率為55.38%、65.97%、80.10%。2016年，李存立等[10]在500水庫現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)不同厚度、不同覆蓋面積下PVC浮板對(duì)干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水效率進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)浮板覆蓋面積從1 m2增大至16 m2時(shí)，平均蒸發(fā)抑制率由74%增加到88.3%。

本文在分析干旱區(qū)平原水庫不同防蒸發(fā)材料節(jié)水率的基礎(chǔ)上，結(jié)合各防蒸發(fā)材料單價(jià)和當(dāng)?shù)厮畠r(jià)對(duì)不同防蒸發(fā)材料的投資回收期進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)研究分析了防蒸發(fā)節(jié)水率和防蒸發(fā)控鹽率之間的相關(guān)性。最后，對(duì)干旱平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽產(chǎn)生的社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益進(jìn)行分析。

1 材料選擇與研究方法

1.1 材料選擇

干旱區(qū)平原水庫所處區(qū)域輻射強(qiáng)烈、寒冷干旱、多大風(fēng)，選擇干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)充分考慮材料在紫外線輻射和凍融循環(huán)下的耐久性、風(fēng)浪環(huán)境中的穩(wěn)定性及在庫區(qū)的安全運(yùn)行工況。通過多年研究和室內(nèi)外試驗(yàn)對(duì)不同材料進(jìn)行定性和定量分選得出，干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)選取廣泛應(yīng)用于水利、水產(chǎn)行業(yè)的聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)材料，該類材料具有無毒、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)前人的防蒸發(fā)節(jié)水研究成果[1,9-11]，本次評(píng)價(jià)的防蒸發(fā)材料選用直徑100 mm、質(zhì)量40 g的PVC浮球；直徑100 mm、質(zhì)量40 g的均質(zhì)HDPE浮球；直徑100 mm、質(zhì)量45 g的HDPE加配重浮球；長1 000 mm、寬500 mm、厚80 mm、密度50 kg/m3的PVC浮板；長1 000 mm、寬1 000 mm、厚100 mm、密度145 kg/m3HDPE空心板。

1.2 研究方法

1.2.1 防蒸發(fā)節(jié)水率研究方法

干旱區(qū)平原水庫水深小、水面面積大，水面易因風(fēng)形成波浪，覆蓋在水面上的防蒸發(fā)材料在隨波浪上下起伏過程中會(huì)被波浪潤濕，而潤濕后的材料不能完全起到防蒸發(fā)作用。根據(jù)已有研究成果[9-10]，將不同風(fēng)浪潤濕材料的面積與材料總覆蓋面積之比定義為潤濕率。

(1)

板狀結(jié)構(gòu)材料(浮板)的蒸發(fā)抑制率：

k=1-α

(2)

弧狀結(jié)構(gòu)材料(浮球)的蒸發(fā)抑制率：

k=1-α(1-α1)-α1

(3)

式中：α為不同風(fēng)速下防蒸發(fā)材料的潤濕率；k為不同風(fēng)速下防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制率；α1為弧狀結(jié)構(gòu)材料間孔隙的蒸發(fā)率；S1為風(fēng)浪潤濕材料的面積，m2；S0為材料總覆蓋面積，m2。

1.2.2 防蒸發(fā)節(jié)水控鹽率研究方法

防蒸發(fā)控鹽本質(zhì)上是指通過減小水面無效蒸發(fā)來降低水體的礦化度，所以本試驗(yàn)僅研究討論防蒸發(fā)節(jié)水率與防蒸發(fā)控鹽率的關(guān)系。關(guān)于水面覆蓋率與防蒸發(fā)節(jié)水率的研究已有很多，本文不再贅述。為更接近實(shí)際情況，準(zhǔn)確反映兩者之間的關(guān)系，試驗(yàn)在吐魯番市勝金溝水保三期水庫壩頂進(jìn)行。試驗(yàn)選用口徑600 mm、高度300 mm的圓形蒸發(fā)器若干，各蒸發(fā)器內(nèi)加入相同質(zhì)量的庫水，同時(shí)對(duì)若干蒸發(fā)器進(jìn)行不同面積的覆蓋。采用稱重法對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)水量變化進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)使用TDS水質(zhì)檢測(cè)儀對(duì)各蒸發(fā)器內(nèi)剩余水體的含鹽總量檢測(cè)。每隔2天于20∶00時(shí)對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。

含鹽量變化率是指水體蒸發(fā)后，覆蓋水體含鹽量的變化量與未覆蓋水體含鹽量的變化量之比。

(4)

(5)

式中：λ為含鹽量變化率；β為控鹽率；W0為原始狀態(tài)下水體含鹽量，ppm；W1為未覆蓋水體含鹽量，ppm；W2為覆蓋水體含鹽量，ppm。

2 防蒸發(fā)節(jié)水率分析

對(duì)于板狀結(jié)構(gòu)的防蒸發(fā)材料節(jié)水率評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為不同風(fēng)浪環(huán)境中防蒸發(fā)材料的潤濕率，而弧狀結(jié)構(gòu)(如浮球、浮動(dòng)圓盤等)的防蒸發(fā)材料節(jié)水率評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為不同風(fēng)浪環(huán)境中防蒸發(fā)材料的潤濕率和材料間未覆蓋水域的蒸發(fā)率。根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]可知，不同風(fēng)速下各防蒸發(fā)材料的潤濕率及各防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制率見表1。

表1 不同風(fēng)速下不同覆蓋材料蒸發(fā)抑制率

防蒸發(fā)節(jié)水量：

(6)

防蒸發(fā)節(jié)水率計(jì)算：

(7)

式中：η為年節(jié)水效率，%；E1為不同覆蓋材料對(duì)應(yīng)的防蒸發(fā)節(jié)水量，mm；E0為自然狀態(tài)下年蒸發(fā)量，mm。

由式(7)可知，不同覆蓋材料的年節(jié)水率為一完整非冰凍期內(nèi)不同風(fēng)速出現(xiàn)頻率與蒸發(fā)抑制率的乘積之和。冰凍期蒸發(fā)量和節(jié)水量極少，在此不作分析。不同防蒸發(fā)材料的年節(jié)水率不僅與防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制有關(guān)，而且也與該地區(qū)的氣象因素有關(guān)。

以吐魯番市勝金溝水保三期水庫為例，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，對(duì)不同防蒸發(fā)材料在吐魯番地區(qū)水庫運(yùn)行時(shí)的節(jié)水率進(jìn)行分析。為便于計(jì)算，將試驗(yàn)期內(nèi)的風(fēng)速情況按天(d)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，見表2。

將表1、表2中不同風(fēng)速下各防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制率和不同風(fēng)速出現(xiàn)的頻率帶入式(7)中，即可得出不同防蒸發(fā)材料在吐魯番地區(qū)的年節(jié)水率，見表3。

表2 吐魯番地區(qū)非冰凍期內(nèi)不同風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)及頻率

表3 不同防蒸發(fā)材料的年節(jié)水率

3 防蒸發(fā)控鹽率分析

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)的各蒸發(fā)器中蒸發(fā)量和含鹽總量，分別計(jì)算出各相同時(shí)間內(nèi)各蒸發(fā)器內(nèi)的節(jié)水率和控鹽率，見表4、圖1。

表4 控鹽率隨節(jié)水率的變化

圖1 不同防蒸發(fā)節(jié)水率對(duì)應(yīng)的控鹽率變化曲線

由圖1可知，控鹽率隨防蒸發(fā)節(jié)水率呈線性相關(guān)。自然狀態(tài)時(shí)水面無覆蓋，防蒸發(fā)節(jié)水率為零時(shí)，控鹽率為零；隨防蒸發(fā)節(jié)水率增大，無效蒸發(fā)減少，從而抑制了因“水走鹽留”造成的水體含鹽量增大，控鹽率升高；當(dāng)防蒸發(fā)節(jié)水率達(dá)到100%時(shí)，水體蒸發(fā)量為零，庫水含鹽量不變，控鹽率達(dá)到100%。同時(shí)，經(jīng)水庫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀測(cè)，防蒸發(fā)材料覆蓋水面可有效阻止風(fēng)沙天氣時(shí)沙塵落入水體，水體懸浮物含量明顯低于未覆蓋的水體。可見，干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)一方面可起到減少水面蒸發(fā)達(dá)到節(jié)水目的，另一方面可抑制因水面無效蒸發(fā)造成的庫水礦化度增大，同時(shí)還可減少沙塵和空氣中的漂浮物落入水體，從而降低水庫淤積和污染。

4 投資回收期

用防蒸發(fā)材料的節(jié)水效率來評(píng)價(jià)干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水的經(jīng)濟(jì)性，評(píng)價(jià)中涉及的典型變量是防蒸發(fā)材料的成本P(元/m2)、當(dāng)?shù)厮畠r(jià)ω(元/m3)，當(dāng)?shù)刈匀凰嫫骄舭l(fā)量E(m/a)以及防蒸發(fā)節(jié)水效率η。投資回報(bào)期RP定義為：

(8)

結(jié)合吐魯番地區(qū)自然蒸發(fā)量E0、不同防蒸發(fā)材料年節(jié)水率η、不同防蒸發(fā)材料成本價(jià)P、當(dāng)?shù)厮畠r(jià)ω(以農(nóng)業(yè)用水水價(jià)計(jì))，即求出不同防蒸發(fā)材料的投資回收期，見表5。

表5 不同防蒸發(fā)材料投資回收期

由表5可知，在吐魯番地區(qū)平原水庫中，采用PVC浮球作為防蒸發(fā)材料時(shí)投資回收期最短，采用HDPE加配重浮球作為防蒸發(fā)材料時(shí)節(jié)水率最高。

5 防蒸發(fā)節(jié)水控鹽效益分析

5.1 節(jié)水控鹽社會(huì)效益分析

5.1.1 對(duì)農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)

過去60年，中國西北干旱區(qū)氣溫以0.039℃/a的速度上升，降雨以1 mm/a的速度在增加，成為全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一[12]。氣溫升高直接影響到作物需水和耗水過程，溫度升高導(dǎo)致地表和作物蒸散發(fā)增加以及對(duì)作物分布和作物生育期產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變作物需水過程。我國用水量中約60%為農(nóng)業(yè)用水，如果不改變耕作制度、提高節(jié)水效率，氣溫升高將明顯增加我國的農(nóng)業(yè)需水量[13]。發(fā)展干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽可有效提高水資源利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量,從而增加農(nóng)戶收入,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5.1.2 對(duì)工業(yè)的貢獻(xiàn)

水資源作為工業(yè)生產(chǎn)必需的投入要素之一,在工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)約的水資源在滿足生態(tài)、農(nóng)業(yè)需水后，可從利用效率與效益較低的農(nóng)業(yè)向利用效率與效益較高的工業(yè)轉(zhuǎn)移,從而增加工業(yè)產(chǎn)值,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5.2 節(jié)水控鹽生態(tài)環(huán)境效益

隨著人口的增加和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，擠占生態(tài)用水的現(xiàn)象越來越明顯。生態(tài)水資源匱乏、水污染嚴(yán)重、荒漠化和水土流失等問題影響著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事業(yè)的發(fā)展，給人民的生活帶來了影響。結(jié)合“西北干旱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水宜各占50%”的評(píng)價(jià)，以及中國工程院對(duì)新疆“社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量不超過500×108m3、灌溉面積不超過8 000萬畝”的建議來看，當(dāng)前新疆生態(tài)用水被農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占的程度是比較嚴(yán)重的[14]。為保證生態(tài)用水，近年來政府部門采用多種措施如塔里木河應(yīng)急調(diào)水等。針對(duì)目前生態(tài)用水現(xiàn)狀和“先節(jié)水后調(diào)水”原則，有研究[15]認(rèn)為實(shí)施節(jié)水是保障生態(tài)用水的最主要手段。

土壤鹽漬化是土地荒漠化和土地退化的主要類型之一，是世界性的資源問題和生態(tài)問題。我國干旱區(qū)鹽漬土總面積達(dá)到36.93×104km2。新疆是我國鹽漬土集中分布的大區(qū)，鹽漬土面積幾乎占到了全國鹽漬土總面積的1/3，約11×104km2[16]。灌區(qū)土壤鹽分主要來自于灌溉水，灌溉水水質(zhì)直接決定土壤鹽分積累狀況。土壤中原有離子與灌溉水中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變土壤的理化性質(zhì)[2]。而作為干旱區(qū)灌區(qū)水源地的平原水庫因無效蒸發(fā)強(qiáng)烈造成庫水礦化度升高，不僅對(duì)下游灌區(qū)土壤和生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響，而且使后期的土壤鹽漬化防治處理成本非常大。因此，采用防蒸發(fā)技術(shù)從源頭上對(duì)水體礦化度進(jìn)行控制，可有效降低下游灌區(qū)土壤鹽漬化程度，對(duì)實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

干旱區(qū)每年3-5月份，風(fēng)沙較大，空氣質(zhì)量差。而吸附在沙塵表面的有害物質(zhì)(如工廠廢氣、農(nóng)藥殘留物等)具有在大氣中完成長距離遷移的能力，并通過大氣沉降進(jìn)入各種地表水體。平原水庫大面積水域會(huì)接受大量大氣沉降而來的有害物質(zhì)，因此大氣沉降對(duì)干旱區(qū)平原水庫水環(huán)境和下游生態(tài)環(huán)境的改善不容忽視，尤其是在人為排放強(qiáng)烈地區(qū)。Gray 等( 2014) 發(fā)現(xiàn)，美國Narraguinnep 水庫中的汞主要來源于附近火電站的燃煤排放[17]，大氣沉降被認(rèn)為是當(dāng)?shù)厮畮熘泄闹匾獊碓碵18]。有害物質(zhì)進(jìn)入水庫后，一部分在水庫中隨水流進(jìn)入下游灌區(qū); 另一部分隨顆粒物沉降到庫底形成沉積物。干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)材料覆蓋水面后可有效阻止沙塵落入水庫，起到凈化水體的作用。

6 結(jié) 論

因不同地區(qū)氣象因素存在差異，同一種防蒸發(fā)材料的節(jié)水率高低應(yīng)因地而異。在評(píng)價(jià)某一種防蒸發(fā)材料的節(jié)水率，不僅要考慮不同風(fēng)浪對(duì)防蒸發(fā)材料的潤濕率，還要考慮該地區(qū)不同風(fēng)浪區(qū)間出現(xiàn)的頻率。

干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽需要大量的投入，投資回收期限較長。但從節(jié)水來講，節(jié)約的水資源對(duì)于促進(jìn)干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、緩解生態(tài)缺水起到關(guān)鍵作用；從控鹽來講，干旱區(qū)土壤鹽分主要來自灌溉用水，平原水庫防蒸發(fā)控鹽可以在水源頭降低灌溉用水礦化度，進(jìn)而降低下游灌區(qū)土壤鹽漬化程度和土壤鹽漬化防治的處理成本，對(duì)生物多樣性增加和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。