PE浮球覆蓋下水面蒸發(fā)抑制率及水質(zhì)影響研究

薛宇樂，高 峰，馬 鑫，楊 宇，宋日權(quán)，池利明，秦艷春

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010052；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，呼和浩特 010020；4.烏蘭察布水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013750)

1 概述

內(nèi)蒙古處于我國北方地區(qū)，幅員遼闊，其中部地處干旱、半干旱氣候帶[1]，是水資源短缺最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，多年平均降雨量在250～350 mm之間，但蒸發(fā)量高達(dá)1 000～1 500 mm，區(qū)內(nèi)15座大型水庫和89座中型水庫大量無效蒸發(fā)造成的水資源損失巨大。岱海位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市，是內(nèi)蒙古第三大內(nèi)陸湖。近幾十年來岱海受自然和人為因素影響，降水量減少，蒸發(fā)量逐年增加，面積縮減嚴(yán)重；鹽堿化程度增加，水質(zhì)持續(xù)惡化，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化。習(xí)總書記對一湖兩海多次做出重要批示，牢固樹立生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展的導(dǎo)向，持續(xù)打好環(huán)境保衛(wèi)戰(zhàn)，積極改善岱海生態(tài)環(huán)境，對北疆建設(shè)具有重大意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者在減小水庫無效蒸發(fā)方面的研究主要有水生植物覆蓋法、化學(xué)試劑法、物理覆蓋法。水生植物覆蓋法盡管起步較早，但發(fā)展至今，其實(shí)用價(jià)值仍有待商榷。1994年王積強(qiáng)[2]、2009年丁成[3]分別研究了水花生、浮萍覆蓋后水面蒸發(fā)情況，結(jié)果表明，覆蓋后蒸發(fā)量平均抑制率大約在10%～20%，但植物生長旺季時(shí)耗水量反而高于無覆蓋情況，故此方法較難進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。從20世紀(jì)開始，國內(nèi)外對化學(xué)試劑法的研究絡(luò)繹不絕，2006年吳燕、夏萍等[4]對十六醇和石油醚作為蒸發(fā)抑制劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明乳液體系的分子膜蒸發(fā)抑制率可達(dá)50%。2015年楊坤等[5]為減小風(fēng)浪對單分子膜的影響，在水面上鋪設(shè)以EPE珍珠棉和鋼性鍍鋅鐵絲為材料制成的漂浮網(wǎng)格，研究結(jié)果表明，不設(shè)置漂浮網(wǎng)格的單分子膜的蒸發(fā)抑制率為7%～12%，設(shè)置漂浮網(wǎng)格的單分子膜的蒸發(fā)抑制率可以達(dá)到26%～30%。但在實(shí)際環(huán)境中，風(fēng)速、溫度、雜質(zhì)等諸多因素會(huì)對單分子膜性能產(chǎn)生干擾，影響蒸發(fā)抑制效果。物理覆蓋法是目前國內(nèi)外較為關(guān)注的方法，2004年嚴(yán)新軍以苯板覆蓋水面，但僅限于力學(xué)性能研究，并未對苯板蒸發(fā)抑制率做進(jìn)一步探索[6]。2006年西班牙的Martinez Alvarez等采用不同顏色的單、雙層聚乙烯網(wǎng)和單層鍍鋁網(wǎng)覆蓋水面并研究其蒸發(fā)抑制率，結(jié)果表明，雙層網(wǎng)抑制蒸發(fā)效果要優(yōu)于單層網(wǎng)[7]。2009年Al-Hassoun等利用當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的棕櫚葉覆蓋水面以減少蒸發(fā)，得出當(dāng)覆蓋率為50%和95%時(shí)，蒸發(fā)抑制率分別為26%和63%的研究結(jié)論[8]。2014年張永山等利用塑料空心板部分覆蓋水面，蒸發(fā)抑制率可達(dá)87.88%[9]。2017—2020年之間，韓克武、侍克斌等研究了直徑為10 cm的黑色PE浮球在不同條件下對水面蒸發(fā)率的影響，結(jié)果表明，在86%覆蓋率條件下，水面蒸發(fā)抑制率為83.8%，而當(dāng)覆蓋率為91%時(shí)，蒸發(fā)抑制率可以達(dá)到89.6%，蒸發(fā)抑制率會(huì)隨試驗(yàn)面積增大而增大[10-11]。2015年，美國洛杉磯政府向水庫投入9 600萬個(gè)黑色PE浮球用于除溴，其蒸發(fā)抑制率有待考究。

蒸發(fā)抑制一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)對象，本試驗(yàn)在總結(jié)前人對物理覆蓋法研究的基礎(chǔ)上，選用顏色分別為黑、白、黃、綠，直徑分別為60 mm、80 mm、100 mm的PE浮球覆蓋水面，探究其蒸發(fā)抑制率，為湖面蒸發(fā)抑制提供一定理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)場地位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市涼城縣三蘇木水文站，試驗(yàn)場地地處干旱、半干旱氣候帶，多年平均氣溫為6.3℃，歷年極端最高氣溫為36.0℃，歷年極端最低氣溫為-27.4℃，多年平均降雨量為419.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為945 mm，其中4—7月的蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的56.3%。多年平均風(fēng)速為1.9 m/s，多年平均最大風(fēng)速為17.7 m/s。

2.2 試驗(yàn)材料選擇

防蒸發(fā)材料應(yīng)滿足防水性強(qiáng)、抗曬性高、無毒、耐久、對水質(zhì)影響小及經(jīng)濟(jì)合理等要求[12]，綜合上述要求進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，最終選定空心PE浮球作為蒸發(fā)抑制材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。該材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、強(qiáng)度較高，空心球形設(shè)計(jì)使其自重較小，可以最大程度上降低其與水面的接觸面積與吃水深度，避免球體翻滾時(shí)造成的無效蒸發(fā)。同時(shí)球形設(shè)計(jì)較其他形狀防風(fēng)效果更佳，可避免在極端風(fēng)速情況下發(fā)生堆積，從而提高其蒸發(fā)抑制力。本試驗(yàn)選取顏色分別為黑色、白色、黃色、綠色，直徑分別為60 mm、80 mm、100 mm的PE浮球作為覆蓋物開展試驗(yàn)研究。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場地位于三蘇木水文站內(nèi)，周圍溫度和受風(fēng)條件適宜，內(nèi)設(shè)蒸發(fā)池4個(gè)，口徑為4 m2，深度為2 m，分別為1～4號蒸發(fā)池，其中1～3號蒸發(fā)池分別放置相同顏色不同直徑的PE球，4號蒸發(fā)池?zé)o覆蓋物作為對照組進(jìn)行對照試驗(yàn)；每個(gè)蒸發(fā)池配備溫度、蒸發(fā)量、水位、溢流量、降雨量等數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 試驗(yàn)場球體布置示意

試驗(yàn)周期為2023年6月1日至8月1日，在1～3號蒸發(fā)池內(nèi)分別放置直徑不同的白色、綠色、黃色、黑色PE球與無覆蓋蒸發(fā)池做對照試驗(yàn)，每日8點(diǎn)對蒸發(fā)池蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測記錄。

3 結(jié)果分析

3.1 蒸發(fā)池內(nèi)水溫情況

使用飛礎(chǔ)科618c紅外熱像儀拍攝試驗(yàn)期內(nèi)蒸發(fā)池表面，由某典型特征天試驗(yàn)期內(nèi)球表面及水面溫度圖可以看出(見圖2)，環(huán)境溫度為27℃，直徑為100 mm黑色和綠色浮球吸熱能力更強(qiáng)，其表面溫度高達(dá)70℃，白色和黃色浮球的吸熱能力略低于黑色和綠色浮球，表面溫度在50℃～55℃之間。有PE浮球覆蓋的蒸發(fā)池，浮球表面溫度遠(yuǎn)高于未覆蓋部分水溫。主要是由于PE浮球的吸熱能力高于水體，陽光難以穿過浮球，熱量大部分被浮球吸收，球體的一部分熱量會(huì)傳遞至水面上，也使得浮球覆蓋下水面溫度要高于無覆蓋蒸發(fā)池的水面溫度。

圖2 某典型特征天試驗(yàn)期內(nèi)球表面及水面溫度示意

試驗(yàn)期內(nèi)，記錄4個(gè)蒸發(fā)池水下5 cm處每日上午8：00的水下溫度(見圖3)。

圖3 蒸發(fā)池內(nèi)水下5cm處溫度曲線示意

根據(jù)圖3可以看出，未覆蓋浮球的蒸發(fā)池水下溫度較高，平均分別高于白色1.34℃、綠色1.10℃、黃色1.42℃、黑色1.07℃。主要是由于浮球可吸收來自太陽輻射的大部分熱量，其中黑色和綠色吸熱能力較高，傳熱能力高于白色和黃色浮球，熱量傳遞到水面后會(huì)進(jìn)一步向水下擴(kuò)散，使溫度差降低。

3.2 蒸發(fā)抑制效果分析

PE浮球鋪滿蒸發(fā)池表面時(shí)，三球接觸中心會(huì)產(chǎn)生一個(gè)曲邊三角形區(qū)域(見圖4)，蒸發(fā)池最大覆蓋面積為91%[13]。但實(shí)際試驗(yàn)中，蒸發(fā)池內(nèi)所有球體無法全部做到絕對緊密接觸，因此實(shí)際覆蓋率要小于理論最大覆蓋率。為便于對比，試驗(yàn)控制不同直徑覆蓋球體數(shù)量，使其覆蓋率相同，經(jīng)計(jì)算，3種不同直徑浮球覆蓋率為84.8%。各顏色浮球蒸發(fā)量見表1～4所示(1號、2號、3號、4號分別代表直徑為100 mm、80 mm、60 mm的PE浮球及無覆蓋蒸發(fā)池)。

表1 白色浮球各蒸發(fā)池蒸發(fā)量對比 mm

表2 綠色浮球各蒸發(fā)池蒸發(fā)量對比 mm

表4 黑色浮球各蒸發(fā)池蒸發(fā)量對比 mm

圖4 球體接觸面示意

覆蓋浮球后的蒸發(fā)抑制率可由下式計(jì)算：

(1)

式中：

I——蒸發(fā)抑制率，%；

E′——浮球覆蓋后的蒸發(fā)池蒸發(fā)量，mm；

E——無覆蓋蒸發(fā)池的蒸發(fā)量，mm。

覆蓋PE浮球之后，蒸發(fā)池蒸發(fā)量可以得到明顯的抑制(見表5)，對比圖3和表5，蒸發(fā)量和溫度存在較為明顯的線性關(guān)系，溫度越高，蒸發(fā)量越大。其中，在相同覆蓋率條件下，4種顏色球體蒸發(fā)抑制效果最好的直徑分別為60 mm、60 mm、80 mm、80 mm，直徑為60 mm和80 mm的PE浮球蒸發(fā)抑制效果高于直徑為100 mm的PE球。

表5 蒸發(fā)抑制率對比 %

浮球覆蓋后蒸發(fā)池蒸發(fā)量主要由兩方面構(gòu)成，一是未覆蓋部分的水體蒸發(fā)，二是浮球隨著風(fēng)浪翻滾時(shí)，其潤濕部分會(huì)暴露在外產(chǎn)生蒸發(fā)。100 mm直徑浮球體積較大，受風(fēng)浪影響較大，其潤濕面更容易受到陽光直射，故在同等覆蓋度條件下，直徑為100 mm的浮球蒸發(fā)抑制率較小。

3.3 水質(zhì)情況分析

為確定PE浮球覆蓋后是否會(huì)對水質(zhì)產(chǎn)生影響，在試驗(yàn)期間，使用DZB-712便攜式雷磁多參數(shù)分析儀對4個(gè)蒸發(fā)池內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行了5次檢測，分別記錄鹽度、TDS、電導(dǎo)率、電阻率、溶解氧及pH值變化規(guī)律(如圖5所示)。

圖5 不同水質(zhì)指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線示意

蒸發(fā)池內(nèi)為岱海原水，礦化度等指標(biāo)水平較高，無覆蓋蒸發(fā)池蒸發(fā)量較大，補(bǔ)水前，蒸發(fā)池中溶劑質(zhì)量減小，溶解性總固體和鹽分等溶質(zhì)質(zhì)量保持不變，水體中溶質(zhì)濃度逐漸增大。蒸發(fā)一定水量之后，對蒸發(fā)池進(jìn)行補(bǔ)水會(huì)增加原溶液中溶質(zhì)含量。在試驗(yàn)期內(nèi)，蒸發(fā)池內(nèi)溶劑總量基本保持不變，溶質(zhì)總量不斷增加，水體中鹽度、TDS、電導(dǎo)率等值逐漸增大。由于覆蓋PE浮球的蒸發(fā)池極大程度抑制了蒸發(fā)速率，因此盡管4個(gè)蒸發(fā)池TDS、鹽度和電導(dǎo)率都有所上升，但1～3號蒸發(fā)池的溶質(zhì)濃度上升速率明顯慢于無覆蓋蒸發(fā)池。1～3號蒸發(fā)池的鹽度、TDS、電導(dǎo)率較4號蒸發(fā)池的上升速率分別降低了18.5%、17.5%、18.4%。

在第4次檢測之前，試驗(yàn)地發(fā)生降雨，降雨量為7.5 mm，雨水中鹽分和溶解性總固體等溶質(zhì)含量較少，呈酸性，會(huì)少量中和蒸發(fā)池上層水內(nèi)鹽分和TDS，故第4次檢測時(shí)指標(biāo)呈現(xiàn)下降趨勢。其中4個(gè)蒸發(fā)池中TDS值降幅約為4 000 mg/L，鹽度降幅最高的為3號蒸發(fā)池，為0.32%；最低為1號蒸發(fā)池，為0.13%。第5次檢測時(shí)鹽度、電導(dǎo)率、TDS等指標(biāo)均有所回升。此外由圖5可知，覆蓋PE浮球不會(huì)對原水質(zhì)中的溶解氧和pH值產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)語

PE浮球可以極大程度抑制水面無效蒸發(fā)。本試驗(yàn)在覆蓋率為84.8%的條件下，平均蒸發(fā)抑制率可達(dá)74.02%。比較相同顏色不同直徑PE浮球的蒸發(fā)抑制率，3種直徑球體平均蒸發(fā)抑制率分別為70.79%、75.91%、75.35%。試驗(yàn)水體為岱海原水，當(dāng)原水TDS等指標(biāo)初始含量較高的前提下，PE浮球覆蓋在抑制蒸發(fā)的同時(shí)還能有效降低水體中鹽分和溶解性總固體等溶質(zhì)的濃度上升速率，試驗(yàn)1～3號蒸發(fā)池的鹽度、TDS、電導(dǎo)率較4號蒸發(fā)池的上升速率分別降低了18.5%、17.5%、18.4%，因此覆蓋浮球?qū)λ|(zhì)也具有一定改善效果。

本試驗(yàn)未對相同直徑不同顏色PE浮球的蒸發(fā)抑制效果進(jìn)行對比，因此缺乏顏色對抑制蒸發(fā)效果影響的判斷，將在后續(xù)試驗(yàn)中做出進(jìn)一步探究。