EPS浮球覆蓋下靜水水面蒸發抑制率與最優直徑研究

王步之，侍克斌，徐思遠，郝國臣，巴哈古麗·沙吉提

（1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.吐魯番市高昌區水利局黑溝流域管理站，新疆 吐魯番 838000）

0 研究背景

我國在“十四五”規劃綱要中明確提出要完善水利基礎設施建設，進一步提高水資源優化配置能力，提高水資源集約安全利用水平。中國作為世界上最大的發展中國家，隨著工業用水、城市用水量持續增加，水資源供求矛盾更加突出[1]，水資源在時空分布上的差異已影響到經濟社會發展。中國升溫速率高于同期全球平均水平，是全球氣候變化的敏感區，這種氣候變化不僅讓極端天氣頻發，更加重了蒸發損失的程度。

以新疆為例，水資源是新疆經濟發展的制約因素，更是支撐新疆生態環境的基礎[2]，1/6 的國土面積僅占有我國3%的水資源，平原水庫占比高，每年因滲漏和蒸發損失水量約34.1 億m3，而蒸發的水量約26.1 億m3，占總損失量的77%[3]，大蒸發量極大地降低了水庫水資源利用率。提高水資源利用效率[4]已經成為世界各國科學家成為眾所矚目的大事件，全方位地解決大水體防蒸發問題對干旱地區的和諧發展意義重大。

通過物理覆蓋水面來抑制水體的無效蒸發是一個復雜的跨學科問題，涉及水利工程學科、氣候學、統計學、工程經濟學，還包含了豐富的物理學科如流體力學、空氣動力學和材料科學，因此抑制干旱區平原水庫無效蒸發的研究進展緩慢[5]。目前針對不同的蒸發抑制材料仍存在一些問題，例如苯板、塑料空心板[6]等輕型板材，防蒸發效果受限于力學性能[7]。彩鋼夾芯板、輕質混凝土板的防蒸發效果較好，但其鋪設比較依賴正確的連接方式及連接位置，被刮離庫區或出現堆疊情況時，將增加工程維護成本[10]；浮動光伏系統的布置阻止大部分陽光到達水生物種，可能會改變生態周期[8]，投資回收期較長，在偏遠山區產生效益的前提是解決電力并網問題。對于防蒸發浮球的研究，近年來已成為國內外學者的研究熱點，浮球各種參數對抑制水面蒸發效果的敏感性試驗已經相當完善[9]，直徑為100 mm 的黑色的PE（Polyethylene）浮球是目前廣泛受到認可的防蒸發材料。不同直徑浮球的防蒸發節水效率不同，制作成本也不同，市場上現有的各類浮球不能完全滿足干旱區平原水庫防蒸發節水對其使用年限的要求[10]。以往的科學試驗受限于制作浮球模具的高昂費用和偏遠地區運輸成本，PE 浮球可供選擇的直徑較少，部分學者對浮球直徑的選取相對粗糙，多是定性分析[11]，缺少在試驗中更完善的對比論證。MM Shalaby[12]等在戶外環境防蒸發試驗中，通過不同顏色浮球對蒸發影響的研究表明，黑色PE 浮球的較高導熱率使得球體與空氣邊界層的溫度升高，蒸發抑制率最低，而使用白色PE 球作為防蒸發浮球達到了最高的蒸發抑制效率，且對水生微藻的生長有促進作用，但僅采用了90 mm 這一種直徑的浮球。

綜上，針對目前對水庫防蒸發浮球材料以及直徑的研究問題，本試驗采用新型的白色聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)實心浮球，不同于以往通過定性分析來確定浮球直徑，而是選用5種定制直徑浮球，參考已有的研究方法和研究理論，對不同直徑浮球的防蒸發節水效率進行定量研究，旨在對防蒸發浮球材料及直徑選擇的研究內容進行補充論證，為干旱與半干旱區平原水庫防蒸發節水提供一種新的參考方案和實際應用的可能性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

吐魯番盆地是世界上海拔最低的盆地，暖溫帶荒漠氣候使得此區域成為西北典型的嚴重干旱區，周圍山地環繞，多礫石戈壁，植被稀少，夏季日照時長超過15 h，干旱酷熱且極端干燥。根據吐魯番市氣象局提供的氣象站（站點號515730）資料，1957-2021年多年平均氣溫：15.18 ℃；多年平均最高氣溫：25.41 ℃；多年平均最低氣溫：8.71 ℃。年10 ℃以上有效積溫達5 300 ℃以上。在1981-2021年的降水數據中[13]，多年平均降水量僅有15.66 mm，由?20 cm 蒸發皿實測2022年蒸發量達3 204 mm。

為了模擬水庫氣候條件，本試驗在吐魯番市高昌區勝金鄉境內的勝金臺水庫開展，地理坐標：東經89°37′30″，北緯42°56′30″。水庫集水面積為31.6 萬m2，水庫以上控制流域面積88.9 km2，水庫正常蓄水位100.5 m，死水位94.5 m，總庫容118.66 萬m3，水庫規模為?。ㄒ唬┬退畮?。

1.2 試驗材料選擇

聚苯乙烯(Polystyrene, PS)是一種由苯乙烯單體通過縮聚反應形成的聚合物，浸漬低沸點的物理發泡劑制成可發性聚苯乙烯，經過充分的加熱預發泡后，在不同模具中再次加熱、加壓后形成EPS泡沫，其具有微細閉孔的結構特點[14]，廣泛用于建筑、裝飾、包裝等多種領域。EPS物理性能方面主要有以下幾個特點。

（1）密度適宜，材料在水面上呈懸浮狀態，隔絕水面與外界環境接觸。

（2）無色、無毒、無臭性可以使材料在水體表面長期覆蓋下不產生毒素，透光率高，對水生動植物友好。

（3）合適的剛度，熱變形溫度高，較強的表面硬度，在風浪、碰撞等外力作用下不易產生破壞。

（4）具有一定的抗氧化能力，耐久性好，吸水性極低。耐酸堿介質，在鹽漬水中不被腐蝕氧化，使材料使用年限更長久，最大程度地發揮防蒸發效益。

本試驗采用的實心EPS浮球(見圖1)密度均為18 kg/m3，脆化溫度-30 ℃左右，軟化溫度80 ℃以上，熔融溫度為150 ℃左右，吸水率0.03～0.50，透光率近90%，折射率為1.59～1.60。

圖1 本試驗選用的EPS浮球Fig.1 The EPS float ball used in test

由于EPS 材料密度相比PVC、PE 都更低，覆蓋在水面時吃水深度更小，浮球接觸點與水面形成的的空間體相比PVC、PE 浮球更大，使得在夜間水體向大氣散熱通道更寬廣（見圖2），有利于水體散熱。同樣覆蓋1 m2的水面，EPS浮球的總費用為40 元/m2，為鋪設PE 浮球總費用的80%[9]。綜上，從物化性能以及適用性、經濟性多角度綜合考慮，本試驗采用白色EPS浮球作為防蒸發材料。

圖2 浮球排列及空隙示意圖Fig.2 Schematic diagram of EPS float ball and the arrangement of hole

1.3 現場布置

本次試驗在自然條件相同的情況下，采用六個圓柱體橡膠桶作為蒸發器，進行室外試驗。蒸發量的觀測主要通過?20蒸發皿、E-601B 型蒸發器等儀器，由于E-601B 型蒸發器安裝較復雜，且本實驗需要至少6個蒸發器，故選用結構更加簡單、安裝便捷的圓柱蒸發器，在現場設置?20 cm 蒸發皿作為蒸發量對照。蒸發器直徑1.2 m，高0.8 m，桶壁厚4.5 mm。裝滿水后桶體保持為圓柱體不發生明顯形變。在橡膠桶外側緊實包裹三層石棉以減小導熱系數，在橡膠桶底部墊100 mm 硬質泡棉（PUF）以隔絕地表熱量，使用水平儀調整蒸發器與地面水平。在試驗前對蒸發器密封性進行測試，以保證在試驗過程中避免水體流失而造成試驗誤差。開展蒸發試驗時，抽取水庫中的表、中、底三層水分別注滿6 個蒸發器至同一水位，分別放入不同直徑的浮球鋪滿水面，實測覆蓋率見表1。

表1 試驗布置方案Tab.1 Test design

現場布置兩個雨量計來測量試驗期間的降雨量。為了消除降雨的影響，從蒸發損失中減去雨量計的讀數。在每個蒸發器中心，安置COS-03 型濕度記錄儀于浮球-水面構成空間體中。具體布置見圖3。

圖3 實驗場地及布置圖Fig.3 Test site and setup layout

1.4 試驗原理

水利工程中常見的蒸發即液態水轉化為氣態的相變過程，該過程存在熱量交換。影響水體蒸發速率的主要因子有4 個：水體、熱源、飽和水汽壓差、風速與湍流擴散強度。在空氣動力學中，飽和水汽壓差、風速與湍流擴散強度又稱為蒸發驅動力和空氣傳質系數。濕空氣的浮力和水體本身的對流會對蒸發的持續性產生重要影響。

水體表面積是影響蒸發速率的重要因素。太陽通過熱輻射的方式直接或間接的向水體傳遞熱量，水體傳入熱量受輻射強度及輻射時長影響。利用在水體表面覆蓋懸浮球的方法，可對水體產生以下影響：

（1）阻礙和反射太陽輻射來影響熱傳遞過程，同時減少水體傳入能量，控制水體總能量，減少并延緩水體的溫升過程。

（2）覆蓋表面水體，大幅減少水體暴露面積。

（3） 減弱風對水體表面附近空氣的擾動（湍流擴散強度）。

（4）在浮球-水面-球心所在水平面之間形成二相空間體，在逸出水面的水分子擴散至大氣前提供了一個緩沖區，減小了水面以上一定高度內的水汽壓差。

對于無法避免的熱輻射被表層水體吸收之后，表層水體能量增加，一部分能量通過蒸發作用與大氣產生能量交換，一部分由水質點的能量交換自表面水體依次傳遞至底層水體，當水體總熱量的攝入速率小于流失速率，水體開始散熱，每24 h經歷一次循環。

本文在整個非冰凍期內，計算不同直徑浮球蒸發抑制率，綜合多種氣象數據，對5種直徑的EPS浮球防蒸發效果與空白對照組對比，進行定量分析，確定蒸發器試驗中EPS 浮球的最佳直徑。

2 試驗結果與分析

2.1 表層水溫變化分析

試驗過程中蒸發器內水深維持50～60 cm，水量維持在0.57～0.70 m3，由于浮球覆蓋減少水體的能量通量，又因水的比熱較大，導致蒸發器不同深度的水體溫度在一天內呈現出不同程度的分層變化。浮球的覆蓋減少了進入水體的能量，導致各蒸發器表層水溫出現差異，實測不同直徑浮球覆蓋下各月表層水溫平均值見圖4。

圖4 各蒸發器表層水溫變化Fig.4 The temperatures of surface water vary in each evaporator

在干旱區，表層水體溫度直接影響蒸發速率。從圖4中可以看出，直徑為10 mm 浮球能最大程度地降低表面水體溫度，而直徑為40 mm 浮球降低表面水體溫度的程度最小。由于EPS材料本身屬于隔熱材料，導熱率低，覆蓋水面后降低了水面溫度，提高了蒸發抑制率；相比以往試驗采用的PE 浮球，EPS浮球對太陽輻射吸收率較低，反射率高，浮球平均溫度較PE 浮球低30%～50%[11]，其他條件相同時浮球濕潤部分的蒸發速率相比PE球更低。

2.2 濕度變化分析

蒸發的實質是水蒸汽的湍流輸送。飽和水汽壓差（Vapor Pressure Deficit, VPD）是指在一定溫度下，飽和水汽壓與空氣中的實際水汽壓之間的差值[15]。當存在VPD 時，湍流會造成水汽分子由水汽壓高的地方向水汽壓低的地方輸送。不論是微觀上還是宏觀上，水汽分子擴散的過程從近水面到大氣中會有較明顯的濕度分層，而這種濕度梯度愈大，水汽擴散的動力愈強，蒸發速率愈大。

試驗中測量五種浮球與水面形成的空間體濕度及大氣濕度數據，計算大氣與空間體相對濕度的差值來分析不同直徑EPS浮球抑制蒸發效果的情況，取夏季典型某天數據見圖5。

圖5 大氣與不同直徑浮球空間體的相對濕度差Fig.5 The difference relative humidity between the atmosphere and the space bounded by spheres

空間體中的相對濕度越高，則水面表層水蒸氣的實際水汽壓越接近同等溫度下水的飽和氣壓，水體表面水分蒸發越慢，減少了水分子向大氣中擴散，起到抑制水面蒸發作用[16]。由圖5 可知，40 mm 和80 mm 的浮球構成的空間體相對濕度較大，濕度上升梯度大，其中40 mm 浮球空間體對逸出水面的水汽分子聚攏效果最好，延緩了蒸散過程。相比PE 浮球，EPS浮球由于吃水深度小，同等浮球直徑下與水面圍的空間體更大，對已經逸出水面的水汽聚集效果更好，為部分逸出的水汽緩慢放熱重新冷卻為液態返回水體提供時間。

通過對濕度數據處理發現，蒸發存在于任何時刻，規律明顯。較大的直徑導致空間體濕度上升滯后，且在輻射量開始減小時蒸散作用更強。除10 mm 直徑浮球外，其余4種直徑浮球覆蓋的水面蒸發速率達到最高點之后均呈明顯降低趨勢。到達傍晚時刻，環境溫度降低，VPD 減小，且由于試驗點緊挨庫區，環境濕度迅速升高，當環境濕度大于空間體濕度，空氣中多余的水汽凝結，附在浮球表面，水分子積累到一定質量后重新落回蒸發器中。

2.3 蒸發抑制率分析

在蒸發器試驗中，每日20:00 對各蒸發器水位使用同一水位測針（游標精度0.1 mm）進行測量，測得各直徑浮球覆蓋下蒸發器累積蒸發量見圖6。

圖6 不同直徑EPS浮球累積蒸發量Fig.6 Cumulative evaporation capacity of all evaporators with different diameters balls

本試驗蒸發抑制率采用體積法，按式（1）計算：

式中：R為各蒸發器蒸發抑制率，%；R1為各蒸發器蒸發量，mm；R0為空白組蒸發器蒸發量，mm。

由各月累積蒸發量數據計算蒸發抑制率，結果見表2，繪制蒸發抑制率與浮球直徑關系圖見圖7。

表2 不同直徑浮球覆蓋蒸發器的蒸發抑制率Tab.2 Evaporation suppression efficiency by month

圖7 蒸發抑制率-浮球直徑關系圖Fig.7 Evaporation suppression efficiency- diameter diagram of floating ball

從表2 的計算結果中可知，5 種直徑EPS 浮球中，除150 mm 直徑浮球外，直徑為40 mm 的浮球在各月的蒸發抑制率中均為最高，且在整個非冰凍期內的蒸發抑制率最高。

由圖7可知，在靜水覆蓋試驗中，蒸發抑制率與浮球直徑之間呈非線性關系，在直徑為40 mm 附近時較高，大于100 mm PE 浮球非冰凍期內蒸發抑制效率70.6%[10]。浮球緊密排列時，小直徑浮球對應更小的孔隙，在夏季正午太陽高度角最大，陽光可以透過孔隙直射水面，而在150 mm 浮球覆蓋下，夏季任何時刻均無陽光直射水體，同時大直徑浮球在蒸發器有限的空間內對削減風速作用效果更加明顯，出現8 m/s 及以上風速時水面波動最小，且浮球濕潤率最低，以上原因使得150 mm浮球蒸發抑制率略高于120 mm浮球。

考慮到風浪的影響，在人工池塘和庫區風速較小的水庫鋪設時，應選用40～80 mm直徑的EPS浮球。

2.4 EPS浮球耐久性分析

通過統計試驗期間浮球損壞數量，判斷EPS 材料是否滿足作為防蒸發浮球的適用性。經過兩個月冰凍試驗與十個月的蒸發器試驗，因凍融作用導致嚴重形變、剝離分解的球體占0.16%，因光照、潤濕和風化破壞的球體占0.44%，總破損率約為0.6%，氧化變色后對防蒸發性能無明顯影響，常見破壞形態見圖8。

圖8 EPS浮球常見破壞形態Fig.8 Common failure modes of EPS ball

2.5 經濟性分析

由于本試驗采用的為實心浮球，浮球規格決定原材料消耗量，也決定著方案成本。球體平鋪水面且處于緊密排列時覆蓋率為91%，此時每覆蓋1 m2水域中的浮球在水面的投影面積為0.91 m2，以此面積計算覆蓋每平方米水域所需浮球數量（n）。通過咨詢若干廠家，已知五種直徑浮球的平均采購單價，計算的每平方米鋪設費用結果見表3。

表3 浮球費用初步計算Tab.3 Preliminary calculation of floating ball cost

由表3可知，覆蓋相同面積的水域時40 mm 和80 mm 浮球比較經濟。其中鋪設直徑40 mm 的EPS 浮球費用約為直徑100 mm的PE浮球費用的80%[10]，且防蒸發效果更佳，從經濟性考慮，40 mm EPS浮球具優勢。

3 結論與展望

（1）在戶外蒸發器覆蓋試驗中，直徑40 mm EPS浮球所覆蓋水面溫度最高，大氣與空間體平均相對濕度差最大，非冰凍期蒸發抑制率最高，蒸發抑制效果最佳。直徑為10 mm 的EPS浮球在最大程度上降低了表面水體溫度，但空間體與大氣濕度差較小，節水效果最差，說明在EPS 浮球覆蓋下，蒸發器水體蒸發速率對空間體相對濕度更加敏感。

（2）試驗表明，白色EPS 浮球能顯著地抑制蒸發，5 種浮球的蒸發抑制率均隨平均氣溫升高而降低，在非冰凍期內EPS浮球蒸發抑制率最高達到76.31%。結合以往對不同直徑PE 浮球的實驗結果[10]，抑制小型水體蒸發時采用直徑為40 mm 的EPS浮球效果較好且更經濟。

若要投入水庫工程中使用，還需要繼續進行風浪試驗[10]，以研究在風浪條件下EPS 浮球的工作情況與防蒸發效果，從靜水和風浪兩個條件下去綜合考慮最適宜的浮球直徑。作為環境友好材料，EPS 材料回收價格也十分可觀[17]，對浮球循環利用將大幅減少干旱區水庫防蒸發工程成本。EPS浮球為干旱區水庫防蒸發項目提供新的選擇，在氣候條件更加特殊的地區，可以添加基于有機硅、含氟聚合物等抗氧化劑，或使用可交聯聚合物粘合劑的涂料，這些涂料可抵抗紫外線損傷和風化，使浮球獲得更高的耐久性[18]，并在露天工況下保持多年穩定，使得工程整體造價進一步降低[19]。