浮球抑制水面蒸發效果的參數相關性試驗研究

候宗民，嚴新軍

(1.水利部新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

隨著經濟的不斷發展，淡水資源緊缺已成為世界各國普遍面臨的嚴峻問題[1]。我國水資源區域分布不均，全國水資源80%分布在長江流域及其以南地區，地表水以及地下水均來自于大氣降水形成，并不斷轉化[2]。在以干旱半干旱氣候為主的新疆地區，為向當地農業灌溉提供淡水資源，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，導致無效蒸發水面面積增加。因此，在蒸發遠大于降水地區，研究消減水面蒸發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Al-Hassoun[3]采用有當地棕櫚葉編制的席墊覆蓋水面來減少蒸發；馬來西亞Benzaghta等[4]采用明光墊、膠合板片及鍍鋅鐵皮進行了抑制蒸發的對比試驗；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[5]。嚴新軍等[6]最先提出采用苯板覆蓋水面來抑制蒸發；武金慧[7]對苯板、石蠟和聚乙烯材料抑制蒸發作用進行了對比研究；楊浦[8]對輕質混凝土板、遮陽網和竹片材料抑制蒸發作用進行了對比研究；唐凱等[9]對苯板不同面積在水庫應用的可行性進行了探究；李存立等[10]進行了PVC浮板與浮球對干旱區平原水庫抑制蒸發試驗，并為更好解決浮球在風的作用下翻轉而制作“不倒翁”浮球，大大提高浮球的抑制蒸發效率；王倫澈等[11]使用有限的氣候參數對蒸發進行建模，結果表明6組模型在不同氣候條件下有不同的精度。但是，關于某有效抑制蒸發材料參數的研究相對較少。在2015年，李存立等[12]討論了浮板的厚度對水庫節水效率所產生影響；在2017年，韓克武等[13]對已有的浮球材料選擇和結構設計進行了說明。目前，尚沒有針對浮球材質、大小、質量等相關參數對抑制水面蒸發的效果影響的相關研究。因此，只有清楚浮球相關參數對抑制水面蒸發效果敏感性影響情況，才能更好了解覆蓋浮球對大面積水域的抑制蒸發變化。

1 試驗設計與研究方法

1.1 試驗背景

試驗地點選在新疆極度缺水的吐魯番地區勝金臺水庫黑溝流域管理站旁的空地，地理坐標為N42°56′23.96″、E89°37′7.72″。水庫所處地域屬典型大陸性溫暖帶干旱荒漠氣候，主要特點是干燥、炎熱、降水稀少且多風。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，平均蒸發量2 845 mm。多年平均風速1.5 m/s，最大風速25 m/s[13]。

1.2 試驗設計

根據對比原則及控制變量原則設計試驗，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。在相同的環境及覆蓋率條件下，觀察浮球覆蓋阻擋輻射產生的防蒸發效果；在水面接受輻射條件下，用系數更直觀的表達浮球遮陽對防蒸發效果敏感性的貢獻大??；在同覆蓋率太陽輻射條件下，得出浮球材質、大小對浮球防蒸發效果敏感性的貢獻大小。

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，對日蒸發量會造成較大影響，從而影響浮球防蒸發效果敏感性貢獻大小造成偏差，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%。每個試驗組的設置如表1所示。

表1 試驗參數設定

每日為保證精確測出日蒸發量，用電子秤稱量6個盆內水的減少質量，同時計算出相應的蒸發量；為防止水深的變化對蒸發量產生影響，測完數據后再次加水至初始質量。

1.3 試驗方法

該試驗主要采用控制變量法及對比法進行設計，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量，從而計算出相應的抑制蒸發數據。同時，在試驗區內設置小型氣象站收集氣象數據，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號盆內水面按照試驗設計覆蓋浮球。利用SPSS軟件進行數據分析，采用通徑分析方法，將氣象數據與不同設計參數的試驗組蒸發量相關聯，建立與之對應的最優模型，再進行對比分析。為了探究不同試驗參數影響蒸發的機理，同時，以12 h為時間段測量日出前后的試驗組水量變化值。試驗期內的綜合抑制蒸發率為

(1)

式中，η為不同布設條件下的試驗盆內浮球的蒸發抑制率，%；m為該試驗盆試驗期間的蒸發減少質量，kg；m0為空白對照試驗盆試驗期間的蒸發減少質量，kg。

2 結果與分析

2.1 通徑分析

通過對自變量和因變量間的相關分析來研究因變量的相對重要性，在多元回歸分析的基礎之上，將相關系數分解為直接通徑系數和間接通徑系數。根據氣象站提供的數據，先計算出各氣象因素的日平均值，在對每一組蒸發量與氣象因素進行正態性檢驗、相關性分析及檢驗以及回歸分析及檢驗，結果如表2所示，最后確定各試驗組設計的最優模型進行對比。

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

通過SPSS數據處理軟件采用多元線性逐步回歸法對試驗數據進行分析，得到如表3所列的試驗組蒸發量計算方程擬合結果。根據表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計組均有顯著影響。

表2 各試驗組自變量與因變量的相關系數

注:*和**分別表示有95%和90%的把握認為相關的確存在。

表3 各試驗組蒸發量計算方程擬合結果

由SPSS軟件擬合得到的各試驗組最優蒸發量計算方程分別為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為抑制蒸發率；X1為露點溫度；X2為濕球溫度；X3為風速；X4為逆風。

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量，得到如圖1所示的各試驗組白天與夜晚蒸發量對比。由圖1可知，不同試驗參數組之間晝夜溫差及太陽輻射對水面蒸發量均有較大程度的影響，組與組間的蒸發量既有較大差異，又有個別接近部分。

圖1 各試驗組白天與夜晚蒸發量及抑制蒸發率對比

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，由于浮球的材質與顏色導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，水面溫度因風及蒸發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 數據擬合

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

表4 各試驗組的平均抑制蒸發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直接吹拂水面，風的作用可以降低水面溫度和加速水面水分子的擴散，與0號空白組試驗結果對比，分析可知浮球防風作用對抑制水面蒸發效率的貢獻值約為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率，經過試驗組蒸發減少量證明不透明材質在防風基礎上可遮擋太陽輻射，較透明材質浮球抑制水面蒸發效率上升23%。2號～4號試驗組與5號相比，試驗設計參數覆蓋率均增加24%，從而抑制蒸發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效率略好，可間接說明材質及顏色等其他綜合方面對抑制蒸發率的大小貢獻較為微弱。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，但大小材質不同，由于2號試驗組材料的導熱性強以及浮球直徑小個數多接觸水的圓周總長長，導致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作用，當覆蓋率過小，采用PE浮球加熱水溫促進蒸發的效果就好抵消其對水面蒸發的消減作用。1號試驗組由于浮球的加熱效應，水溫上升，是由于阻礙了風對水面的降溫作用，也因此減少了風對蒸發的促進作用。

4 結 論

(1)由于浮球的材質、大小、覆蓋率等參數的不同，而改變了水表面的環境，形成了微氣候，從而直接影響其覆蓋水面的蒸發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，采用黑色PE浮球覆蓋水面條件下主要受露點溫度和風速共同作用；覆蓋率不變減小浮球直徑條件下主要與濕球溫度有關，改變覆蓋水面浮球材質條件下主要與逆風相關。

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

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

(4)浮球在白天的抑制蒸發效率比夜晚更高。說明浮球抑制蒸發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生，其次是阻礙風的吹拂作用。