浮球大小對消減水面蒸發(fā)效果敏感性試驗研究

候宗民

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

在干旱和半干旱氣候區(qū)，由于降水量小和蒸發(fā)量大，地表水資源極度匱乏，而我國北方地區(qū)大多屬于此類氣候區(qū)，例如新疆地區(qū)，不僅降水量小而且蒸發(fā)量大，均屬于水源性缺水，極少量的降水還未形成任何有效的淡水資源就蒸發(fā)殆盡，主要的淡水資源都來自于周圍山區(qū)的降水及冰川融水。因此，在這些地區(qū)，已建多座為農(nóng)業(yè)灌溉服務的平原水庫，同時極大程度加大無效水面蒸發(fā)的面積。用物理材料遮蓋方法來減少蒸發(fā)，目前研究時間較長成果較多，是實際可操作性強的方法之一。國內(nèi)研究：2004年嚴新軍等人最先提出采用苯板覆蓋水面來消減蒸發(fā)[1]；2006年武金慧對苯板、石蠟和聚乙烯材料消減蒸發(fā)作用進行了對比研究[2]；2009年楊浦對輕質(zhì)混凝土板、遮陽網(wǎng)和竹片材料消減蒸發(fā)作用進行了對比研究[3]；2014年唐凱等人對大面積苯板在水庫應用的可行性進行了探究[4-5]；2015年李存立等人在干旱區(qū)平原水庫對PVC 浮板與浮球進行了抑制蒸發(fā)節(jié)水試驗研究，并為更好解決浮球在風的作用下翻轉(zhuǎn)而制作“不倒翁”浮球，大大提高浮球的消減蒸發(fā)作用[6-8]；2018年李勛等人對浮球局部覆蓋法作用干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)效果的影響進行了試驗研究[9]。根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，水體所處的氣候條件對物理材料類型選擇起到極大的影響作用，對于常年刮大風的地區(qū)，面積大的浮板很容易遭到破壞，相較之下，浮球的抗風性能更好。

從經(jīng)濟、抑制蒸發(fā)效果方面來看，浮球抑制水面蒸發(fā)主要是通過自身遮蓋水面面積和遮蔽水面面積以及相互緊挨之間形成的空腔體共同作用，達到抑制蒸發(fā)的效果。浮球的相對密度是影響消減水面蒸發(fā)效果敏感性的重要因素之一，而浮球的相對密度取決于自身的體積大小與質(zhì)量，會直接影響入水深度，改變遮蓋水面面積及空腔體的體積，從而影響在水表面形成的微氣候條件。探究浮球直徑及質(zhì)量變化與抑制蒸發(fā)效果間的關(guān)系，能夠更有效地提高現(xiàn)場抑制蒸發(fā)效果，確定最優(yōu)的浮球參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設(shè)置于新疆吐魯番勝金臺水庫旁空地，吐魯番屬獨特的暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，因地處盆地之中，四周高山環(huán)抱，增熱迅速、散熱慢，形成了日照長、氣溫高、晝夜溫差大、降水少、風力強五大特點，素有“火州”、“風庫”之稱。全年平均氣溫為14 ℃，夏季平均氣溫在30 ℃左右，全年氣溫高于35 ℃的炎熱天氣，平均為99天；高于40 ℃的酷熱天氣，平均為28天。四季氣候變化的特點是：春季短暫，平均為61天，開春早，升溫快；夏季漫長，平均152天，高溫酷熱；秋季更短，平均57天，降溫急促；冬季較短，平均95天，風小雪稀，天氣晴好，寒冷期短。一年中，以一月份最冷，7月份最熱[10]。因此，選擇9月份為試驗期較有普遍性，采用便攜式氣象站采集站點氣象數(shù)據(jù)。

1.2 試驗方法

當浮球漂浮在水面上，會有部分侵入水中，可以根據(jù)阿基米德定律與球缺體積公式聯(lián)立求解入水深度，得到在浮球半徑不變的條件下浮球質(zhì)量與入水深度的關(guān)系。如式(1)、式(2)所示。

ρ液gV排=F浮=G球=m球g

(1)

(2)

式中：ρ液為水的密度，g/cm3；g為重力加速度，取9.8 N/kg；V排為浮球侵入水中排開水的體積，cm3;F浮為浮球受到水的浮力，10-3N；G球為浮球的重力，10-3N；m球為浮球質(zhì)量，g；V球缺為浮球入水體積，即為V排，cm3；R為浮球半徑，cm；h為浮球入水深度，cm。

聯(lián)立式(1)、式(2)得式(3)：

(3)

化簡得式(4)：

(4)

給定浮球直徑大小與質(zhì)量，利用Matlab數(shù)據(jù)計算軟件求解高階一元方程，得到表1。不同浮球直徑、質(zhì)量與浸水深度關(guān)系見圖1。

表1 不同浮球直徑、質(zhì)量與浸水深度關(guān)系 cm

圖1 浮球浸水深度與質(zhì)量關(guān)系曲線

1.3 試驗設(shè)計

(1)試驗一：同一材料浮球，大小一定，質(zhì)量越大入水深度越深，浸水投影面積(即遮蓋面積)也隨之增大至浮球直徑垂直投影面積，質(zhì)量繼續(xù)增大，浮球的抑制蒸發(fā)率便開始出現(xiàn)負增長。當浸水面積達到最大，半個浮球完全沒入水體，但漂浮于水面以上部分，依然會影響水表面氣象因素(如風速)，為探索遮蓋面積與浮球間形成的空腔體加遮蔽面積兩種形式所對應抑制蒸發(fā)率大小關(guān)系，即探索在體積一定條件下，質(zhì)量對浮球抑制蒸發(fā)率的貢獻大小，采用半球替代浮球質(zhì)量至最大浸入投影面積條件，進行對比試驗。設(shè)置試驗組A、B，采用直徑100 mm泡沫浮球各18個，覆蓋度為62%。A組放置完整的浮球，遮蓋面積為836.18 mm2；B組放置半浮球，遮蓋面積為1413.72 mm2。

(2)試驗二：為了進一步確定抑制蒸發(fā)率與浮球直徑間的變化曲線，確定最優(yōu)的浮球直徑，論證是否增大浮球有益于抑制蒸發(fā)效果的提高。設(shè)置5組試驗及一個空白對照試驗，分別采用5種不同直徑大小的浮球進行試驗，浮球直徑分別為：40 mm、55 mm、100 mm、150 mm及200 mm。采用對比原則和控制變量原則，保證試驗盆所處相同試驗條件，避免影響因素的增多。根據(jù)可操作水域面積大小的限制，最終確定5組試驗的覆蓋度均為45%，上下誤差不超過正負5%。試驗參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 試驗參數(shù)設(shè)定

試驗數(shù)據(jù)采集，蒸發(fā)量采用稱量法，記錄試驗各組總質(zhì)量變化。考慮到試驗所用浮球的材質(zhì)差異，對太陽輻射吸收能力的不同影響抑制蒸發(fā)效果，一天中在早晨8:00與傍晚20:00兩個時刻對試驗組進行稱量。由于試驗限制，試驗容器2天 以上的累計蒸發(fā)會對水體表面直徑造成較大影響，同時水面面積變化及水深變化，也會將新的影響蒸發(fā)因素引入試驗，為防止盆內(nèi)水面面積隨蒸發(fā)改變過大，從而影響蒸發(fā)速率，每次測量完數(shù)據(jù)后添水至蒸發(fā)前的初始重量。

試驗期內(nèi)的綜合抑制蒸發(fā)率可由式(5)計算：

(5)

式中：η為不同布設(shè)條件下的試驗盆內(nèi)浮球的抑制蒸發(fā)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。

據(jù)此，可以計算出試驗所用不同質(zhì)量大小的浮球入水深度。通過稱重帶入圖1浮球浸水深度與質(zhì)量關(guān)系曲線方程計算，可得表3相關(guān)數(shù)據(jù)：

表3 試驗參數(shù)測定

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗一

經(jīng)過測量計算繪圖，B組半球的抑制蒸發(fā)效果要優(yōu)于A組完整浮球的抑制蒸發(fā)效果。通過SPSS對相關(guān)氣象因素進行逐步回歸分析，得到A、B兩設(shè)計組均與相對濕度這一因素相關(guān)關(guān)系顯著。得到的最優(yōu)氣象蒸發(fā)模型：A=2.411-0.032X，B=2.007-0.026X，其中X表示相對濕度。A、B組日蒸發(fā)量記錄見表4，完整浮球與半球試驗組日蒸發(fā)量見圖2，A、B組對應多重線性逐步回歸結(jié)果見表5。

表4 A、B組日蒸發(fā)量記錄 kg

圖2 完整浮球與半球試驗組日蒸發(fā)量

表5 A、B組對應多重線性逐步回歸結(jié)果

2.2 試驗二

經(jīng)過觀察計算得到，在夜間與白天兩個時段，抑制蒸發(fā)率和浮球直徑大小間的變化規(guī)律是不同的，夜晚抑制蒸發(fā)率與浮球直徑變化關(guān)系不明顯，而白天浮球直徑為55 mm試驗組，抑制蒸發(fā)效果最好；從全天時段來看，也是浮球直徑為55 mm時，抑制蒸發(fā)率最高。不同時間段試驗組對應平均抑制蒸發(fā)率見表6，試驗組組間白天與夜晚抑制蒸發(fā)率對比見圖3，各試驗組對應多重線性逐步回歸模型結(jié)果見表7，各試驗組對應多重線性逐步回歸模型代表性見表8。

表6 不同時間段試驗組對應平均抑制蒸發(fā)率

圖3 試驗組組間白天與夜晚抑制蒸發(fā)率對比圖

表7 各試驗組對應多重線性逐步回歸模型結(jié)果

表8 各試驗組對應多重線性逐步回歸模型代表性

2.3 綜合分析

試驗一：從圖2中，可以看出每日蒸發(fā)量，B組的蒸發(fā)量始終低于A組，即半球的抑制蒸發(fā)率高于完整浮球的抑制蒸發(fā)率，即遮蓋水面的抑制蒸發(fā)作用大于空腔效應與遮蔽水面共同作用的抑制蒸發(fā)作用。并且每日氣象因素變化，兩試驗組蒸發(fā)量差值也隨之變化。表5中ANOVA顯著性值均小于0.05，同時反映出B組試驗設(shè)置對風速這一氣象因素比A組的敏感性更高，線性相關(guān)關(guān)系更明顯。

試驗二：從圖3中，反映出日抑制蒸發(fā)率并不是隨著浮球直徑大小增大而增大，反而是先增大后減小，浮球直徑達到55～100 mm之間的某一值，對應的抑制蒸發(fā)率達到最大。夜晚與白天抑制蒸發(fā)率變化趨勢除5號試驗組，基本一致。其中，雖然1號試驗組日平均抑制蒸發(fā)率為正數(shù)，但夜晚時段抑制蒸發(fā)率為負數(shù)，浮球促進了水表的蒸發(fā)，根據(jù)Assouline等人利用有孔無孔的浮板進行試驗，得到對于給定的相對覆蓋區(qū)域，分布的小開口比同等面積的大開口要高的水損率，通過穿孔覆蓋和部分覆蓋的水表面的蒸發(fā)會表現(xiàn)出非線性規(guī)律，在這種情況下，水損失的速率與未覆蓋的表面分數(shù)成正比，并受到開口大小和相對距離的影響[11]，可以有效的解釋這一現(xiàn)象。1號試驗組的浮球直徑只有40 mm，空腔體上開口接近水面，造成類似穿孔覆蓋的試驗條件。同時，由于浮球直徑過小，在水面張力的作用下，有效蒸發(fā)面積增大所致，夜間多風，進一步加速試驗組1的蒸發(fā)速率。表7可以直接反映出露點溫度為5組試驗的結(jié)果影響占比都是最大，根據(jù)表8中ANOVA顯著性值與0.05比較，值越小相關(guān)性越好，反映出1～4號試驗組的回歸模型只引入露點溫度一個氣象因素，內(nèi)在相關(guān)性更好；5號試驗組的回歸模型引入露點溫度、相對濕度和風速三個氣象因素變量，內(nèi)在相關(guān)性更好。

在相關(guān)的室內(nèi)試驗中已經(jīng)證實，浮球相互連接緊密排布，與水面形成的空腔體是有利于抑制水面蒸發(fā)，越靠近水面，相對濕度也就越大，實際水汽壓大，在空腔體的包圍中，自由水分子不易擴散，從而抑制蒸發(fā)效果比自由漂浮水面分散的浮球好。與此同時，浮球在風的作用下四處漂浮，會將水表面已形成的相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡給打破，加速水分子向四周擴散，而浮球移動頻率主要在于風力的大小、水面覆蓋率及浮球的受風面積。

作為浮球覆蓋水面達到抑制蒸發(fā)效果，浮球根據(jù)其直徑大小及質(zhì)量，決定著受風力影響的大小不同，浮球在水面上隨風移動，會擾亂水面已形成的相對穩(wěn)定的水汽條件，從而減小浮球自身的抑制蒸發(fā)效果。經(jīng)過現(xiàn)場觀察，發(fā)現(xiàn)150 mm的浮球相對材質(zhì)較輕，在有風的條件下會不斷在水面漂浮移動，打破了水表面形成相對穩(wěn)定的水汽條件，從而降低了其抑制蒸發(fā)的作用。55 mm、100 mm 及200 mm的浮球也在風的作用下有不同程度漂浮移動的現(xiàn)象，且100 mm浮球材質(zhì)較輕直徑大，漂浮移動的現(xiàn)象最為明顯；40 mm與55 mm 浮球由于直徑較小，浮球之間在水的毛細作用力下，不易被微風吹散。

3 結(jié) 論

(1)同種浮球，自由漂浮比相對靜止于水面的工作條件下抑制蒸發(fā)率要更低一些。

(2)遮蓋面積越大，抑制蒸發(fā)越高。浮球緊挨形成的空腔及遮蔽水面共同作用對應的抑制蒸發(fā)率低于直接遮蓋水面抑制蒸發(fā)率，差值隨水面微氣候條件改變而改變。

(3)在抑制蒸發(fā)的過程中，懸浮的覆蓋層比漂浮在開口下方的蒸汽飽和層更有效。

(4)在室外試驗中，浮球抑制蒸發(fā)率與浮球直徑大小并不是簡單的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系，根據(jù)抑制蒸發(fā)率判斷，最優(yōu)浮球直徑大小介于55 mm至100 mm之間。

(5)要考慮浮球質(zhì)量所致的入水深度及慣性。入水太淺，受風面積大，在覆蓋度未達到最大值，浮球在水面移動更易破壞微氣候的蒸發(fā)平衡狀態(tài)；質(zhì)量輕，水中穩(wěn)定性差，更易被風吹離水體。