浮球抑制水面蒸發(fā)效果的參數(shù)相關(guān)性試驗研究

候宗民，嚴(yán)新軍

(1.水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，淡水資源緊缺已成為世界各國普遍面臨的嚴(yán)峻問題[1]。我國水資源區(qū)域分布不均，全國水資源80%分布在長江流域及其以南地區(qū)，地表水以及地下水均來自于大氣降水形成，并不斷轉(zhuǎn)化[2]。在以干旱半干旱氣候為主的新疆地區(qū)，為向當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉提供淡水資源，已建成多座平原水庫，平原水庫由于水深小、水域面積大等特點，導(dǎo)致無效蒸發(fā)水面面積增加。因此，在蒸發(fā)遠(yuǎn)大于降水地區(qū)，研究消減水面蒸發(fā)有著極其重要的意義。

采用物理材料遮蓋方法來減少水面蒸發(fā)是目前研究時間較長、成果較多、實際操可作性強的方法之一。沙特國王大學(xué)Al-Hassoun[3]采用有當(dāng)?shù)刈貦叭~編制的席墊覆蓋水面來減少蒸發(fā)；馬來西亞Benzaghta等[4]采用明光墊、膠合板片及鍍鋅鐵皮進(jìn)行了抑制蒸發(fā)的對比試驗；美國洛杉磯市花費2.2億元人民幣將9 600萬個黑色聚乙烯球投入70萬m2的水庫來減少水庫水面蒸發(fā)[5]。嚴(yán)新軍等[6]最先提出采用苯板覆蓋水面來抑制蒸發(fā)；武金慧[7]對苯板、石蠟和聚乙烯材料抑制蒸發(fā)作用進(jìn)行了對比研究；楊浦[8]對輕質(zhì)混凝土板、遮陽網(wǎng)和竹片材料抑制蒸發(fā)作用進(jìn)行了對比研究；唐凱等[9]對苯板不同面積在水庫應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探究；李存立等[10]進(jìn)行了PVC浮板與浮球?qū)Ω珊祬^(qū)平原水庫抑制蒸發(fā)試驗，并為更好解決浮球在風(fēng)的作用下翻轉(zhuǎn)而制作“不倒翁”浮球，大大提高浮球的抑制蒸發(fā)效率；王倫澈等[11]使用有限的氣候參數(shù)對蒸發(fā)進(jìn)行建模，結(jié)果表明6組模型在不同氣候條件下有不同的精度。但是，關(guān)于某有效抑制蒸發(fā)材料參數(shù)的研究相對較少。在2015年，李存立等[12]討論了浮板的厚度對水庫節(jié)水效率所產(chǎn)生影響；在2017年，韓克武等[13]對已有的浮球材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了說明。目前，尚沒有針對浮球材質(zhì)、大小、質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)對抑制水面蒸發(fā)的效果影響的相關(guān)研究。因此，只有清楚浮球相關(guān)參數(shù)對抑制水面蒸發(fā)效果敏感性影響情況，才能更好了解覆蓋浮球?qū)Υ竺娣e水域的抑制蒸發(fā)變化。

1 試驗設(shè)計與研究方法

1.1 試驗背景

試驗地點選在新疆極度缺水的吐魯番地區(qū)勝金臺水庫黑溝流域管理站旁的空地，地理坐標(biāo)為N42°56′23.96″、E89°37′7.72″。水庫所處地域?qū)俚湫痛箨懶詼嘏瘞Ц珊祷哪畾夂?，主要特點是干燥、炎熱、降水稀少且多風(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1.5 m/s，最大風(fēng)速25 m/s[13]。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)對比原則及控制變量原則設(shè)計試驗，保證試驗組共處相同試驗條件，試驗地點選在水庫旁，其氣象及環(huán)境條件與水庫相一致。采用全透明浮球、PE浮球、泡沫浮球及白色塑料球作對比試驗。在相同的環(huán)境及覆蓋率條件下，觀察浮球覆蓋阻擋輻射產(chǎn)生的防蒸發(fā)效果；在水面接受輻射條件下，用系數(shù)更直觀的表達(dá)浮球遮陽對防蒸發(fā)效果敏感性的貢獻(xiàn)大??；在同覆蓋率太陽輻射條件下，得出浮球材質(zhì)、大小對浮球防蒸發(fā)效果敏感性的貢獻(xiàn)大小。

采用直徑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浮球設(shè)計試驗；由于試驗限制，放置6個相同的上口直徑為600 mm的變徑塑料盆，注入相同深度的水，水深減小會影響水體總吸收熱能，對日蒸發(fā)量會造成較大影響，從而影響浮球防蒸發(fā)效果敏感性貢獻(xiàn)大小造成偏差，最終試驗確定取24 h為一個計測時間段，測量完加水，將水面直徑控制在53～55 cm。試驗組編號為0號～5號，作對比試驗組的浮球覆蓋率計算值上下偏差小于1%。每個試驗組的設(shè)置如表1所示。

表1 試驗參數(shù)設(shè)定

每日為保證精確測出日蒸發(fā)量，用電子秤稱量6個盆內(nèi)水的減少質(zhì)量，同時計算出相應(yīng)的蒸發(fā)量；為防止水深的變化對蒸發(fā)量產(chǎn)生影響，測完數(shù)據(jù)后再次加水至初始質(zhì)量。

1.3 試驗方法

該試驗主要采用控制變量法及對比法進(jìn)行設(shè)計，試驗期為2018年4月25日至5月28日，采用器測法，通過電子秤直接稱量得到各試驗組的日蒸發(fā)量，從而計算出相應(yīng)的抑制蒸發(fā)數(shù)據(jù)。同時，在試驗區(qū)內(nèi)設(shè)置小型氣象站收集氣象數(shù)據(jù)，在每日14∶30前后測量試驗組水面及盆底的水溫。0號盆作為空白對照組，1號～5號盆內(nèi)水面按照試驗設(shè)計覆蓋浮球。利用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用通徑分析方法，將氣象數(shù)據(jù)與不同設(shè)計參數(shù)的試驗組蒸發(fā)量相關(guān)聯(lián)，建立與之對應(yīng)的最優(yōu)模型，再進(jìn)行對比分析。為了探究不同試驗參數(shù)影響蒸發(fā)的機理，同時，以12 h為時間段測量日出前后的試驗組水量變化值。試驗期內(nèi)的綜合抑制蒸發(fā)率為

(1)

式中，η為不同布設(shè)條件下的試驗盆內(nèi)浮球的蒸發(fā)抑制率，%；m為該試驗盆試驗期間的蒸發(fā)減少質(zhì)量，kg；m0為空白對照試驗盆試驗期間的蒸發(fā)減少質(zhì)量，kg。

2 結(jié)果與分析

2.1 通徑分析

通過對自變量和因變量間的相關(guān)分析來研究因變量的相對重要性，在多元回歸分析的基礎(chǔ)之上，將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)。根據(jù)氣象站提供的數(shù)據(jù)，先計算出各氣象因素的日平均值，在對每一組蒸發(fā)量與氣象因素進(jìn)行正態(tài)性檢驗、相關(guān)性分析及檢驗以及回歸分析及檢驗，結(jié)果如表2所示，最后確定各試驗組設(shè)計的最優(yōu)模型進(jìn)行對比。

由表2可知，不同的試驗組間對環(huán)境影響條件的敏感度不同，除4號試驗組以外，其余試驗組所對應(yīng)的浮球抑制蒸發(fā)效果與溫度相關(guān)性顯著，對溫度參數(shù)相對敏感，3號試驗組與5號試驗組采用的浮球材質(zhì)大小一致，對應(yīng)的敏感變量也相同，僅由于浮球覆蓋率的不同造成對各環(huán)境變量敏感程度不同。

通過SPSS數(shù)據(jù)處理軟件采用多元線性逐步回歸法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到如表3所列的試驗組蒸發(fā)量計算方程擬合結(jié)果。根據(jù)表3中R與R2的值可知，1號、3-2號、5-2號試驗組的回歸模型線性關(guān)系較強，表明所建方程有效，說明不同的自變量對不同的試驗設(shè)計組均有顯著影響。

表2 各試驗組自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)

注:*和**分別表示有95%和90%的把握認(rèn)為相關(guān)的確存在。

表3 各試驗組蒸發(fā)量計算方程擬合結(jié)果

由SPSS軟件擬合得到的各試驗組最優(yōu)蒸發(fā)量計算方程分別為1號A=0.018X1+1.259；2號A=0.015X2+0.653；3-2號A=0.014X1+0.094X3+0.707；4號A=-0.201X4+0.681；5-2號A=0.019X1+0.132X3+1.015。其中，A為抑制蒸發(fā)率；X1為露點溫度；X2為濕球溫度；X3為風(fēng)速；X4為逆風(fēng)。

2.2 對比分析

以日出日落為時間點分別測得的各試驗組蒸發(fā)量，得到如圖1所示的各試驗組白天與夜晚蒸發(fā)量對比。由圖1可知，不同試驗參數(shù)組之間晝夜溫差及太陽輻射對水面蒸發(fā)量均有較大程度的影響，組與組間的蒸發(fā)量既有較大差異，又有個別接近部分。

圖1 各試驗組白天與夜晚蒸發(fā)量及抑制蒸發(fā)率對比

在每日14∶30左右，水面溫度上升且接近最大值時，使用電子溫濕計測量并記錄各試驗組水面、水底溫度，繪制各試驗組正午平均水溫對比圖，如圖2所示。試驗組間溫差最大在5 ℃左右，除3號、4號試驗組，其余3組的水溫均高于0號無覆蓋的對比試驗組。在水面有不透光遮蓋時，水底溫度均小于水面溫度。5號試驗組反映情況較為特殊，由于浮球的材質(zhì)與顏色導(dǎo)致吸收太陽輻射給水面加溫，在水面可以直接接受太陽輻射的條件下，水面溫度因風(fēng)及蒸發(fā)作用而低于水底溫度。

圖2 各試驗組正午平均水溫對比

2.3 數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)各試驗組對應(yīng)的最優(yōu)蒸發(fā)量模型中相關(guān)自變量，可以得到白天水面受太陽光照射的0號和1號試驗組蒸發(fā)量與露點溫度相關(guān)，同樣用PE浮球覆蓋率不同的3號和5號試驗組蒸發(fā)量與露點溫度及風(fēng)速相關(guān)，而直徑不同及浮球材質(zhì)不同的2號和4號試驗組蒸發(fā)量分別與濕球溫度和逆風(fēng)相關(guān)。根據(jù)蒸發(fā)量計算出1號～5號試驗組的實測抑制蒸發(fā)率大小，同時也可根據(jù)各組最優(yōu)蒸發(fā)量模型計算抑制蒸發(fā)率，可得到1號～5號試驗組對應(yīng)各平均抑制蒸發(fā)率的誤差，如表4所示。

表4 各試驗組的平均抑制蒸發(fā)率實測值及計算值對比

3 討 論

1號試驗組為透明浮球，對水面無法起到遮擋太陽輻射的作用，主要起到的作用是防止風(fēng)直接吹拂水面，風(fēng)的作用可以降低水面溫度和加速水面水分子的擴散，與0號空白組試驗結(jié)果對比，分析可知浮球防風(fēng)作用對抑制水面蒸發(fā)效率的貢獻(xiàn)值約為19%。1號與5號試驗組的覆蓋率相同，相較于1號試驗組，5號試驗組浮球白天遮擋太陽輻射從而提高自身抑制蒸發(fā)率，經(jīng)過試驗組蒸發(fā)減少量證明不透明材質(zhì)在防風(fēng)基礎(chǔ)上可遮擋太陽輻射，較透明材質(zhì)浮球抑制水面蒸發(fā)效率上升23%。2號～4號試驗組與5號相比，試驗設(shè)計參數(shù)覆蓋率均增加24%，從而抑制蒸發(fā)率隨之提高較為明顯。其中，2號與4號試驗組的浮球直徑不同、3號與4號試驗組的浮球顏色不同，4號較2號試驗組的抑制水面蒸發(fā)效率略好，可間接說明材質(zhì)及顏色等其他綜合方面對抑制蒸發(fā)率的大小貢獻(xiàn)較為微弱。1號和5號試驗組的覆蓋率較小，由于直接接收的太陽輻射熱能高于浮球傳遞的熱能所導(dǎo)致1號試驗組的溫度增加最大。2號～4號試驗組的覆蓋率較大且相同，2號與4號試驗組的浮球顏色一致，但大小材質(zhì)不同，由于2號試驗組材料的導(dǎo)熱性強以及浮球直徑小個數(shù)多接觸水的圓周總長長，導(dǎo)致2號試驗組溫度增加大，4號試驗組溫度增加小。

除太陽輻射以外的自變量對同一覆蓋率條件浮球蒸發(fā)量影響均不明顯。除3號、4號試驗組，其余3組的水溫均高于0號無覆蓋的對比試驗組，這是由于水面覆蓋黑色PE浮球會對水溫升高提供促進(jìn)作用，當(dāng)覆蓋率過小，采用PE浮球加熱水溫促進(jìn)蒸發(fā)的效果就好抵消其對水面蒸發(fā)的消減作用。1號試驗組由于浮球的加熱效應(yīng)，水溫上升，是由于阻礙了風(fēng)對水面的降溫作用，也因此減少了風(fēng)對蒸發(fā)的促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

(1)由于浮球的材質(zhì)、大小、覆蓋率等參數(shù)的不同，而改變了水表面的環(huán)境，形成了微氣候，從而直接影響其覆蓋水面的蒸發(fā)量對氣象條件變化的敏感性。水體可以接受太陽輻射條件下主要與露點溫度相關(guān)，采用黑色PE浮球覆蓋水面條件下主要受露點溫度和風(fēng)速共同作用；覆蓋率不變減小浮球直徑條件下主要與濕球溫度有關(guān)，改變覆蓋水面浮球材質(zhì)條件下主要與逆風(fēng)相關(guān)。

(2)不同的氣象條件，水面蒸發(fā)量還會產(chǎn)生不同的變化，浮球參數(shù)對抑制水面蒸發(fā)效果敏感性影響不可忽視。在水面覆蓋率為51%時，不透明材質(zhì)在防風(fēng)基礎(chǔ)上可遮擋太陽輻射，較透明材質(zhì)浮球抑制水面蒸發(fā)效率上升23%，而浮球防風(fēng)作用對抑制水面蒸發(fā)效率的貢獻(xiàn)約為19%。

(3)浮球覆蓋率對抑制蒸發(fā)作用影響最為顯著，同覆蓋率條件下浮球直徑增大會提高抑制水面蒸發(fā)效率。這與浮球間可以形成較大的空間體有密不可分的聯(lián)系。

(4)浮球在白天的抑制蒸發(fā)效率比夜晚更高。說明浮球抑制蒸發(fā)主要由浮球不透光這一特性，遮擋太陽輻射直接照射水面產(chǎn)生，其次是阻礙風(fēng)的吹拂作用。