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不同配重的浮球覆蓋下干旱區(qū)平原水庫(kù)的節(jié)水效率對(duì)比分析

2017-05-18 08:20李存立嚴(yán)新軍侍克斌
關(guān)鍵詞:浮球干旱區(qū)風(fēng)浪

李存立,嚴(yán)新軍,侍克斌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

不同配重的浮球覆蓋下干旱區(qū)平原水庫(kù)的節(jié)水效率對(duì)比分析

李存立,嚴(yán)新軍,侍克斌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052)

為達(dá)到抑制干旱區(qū)平原水庫(kù)水分蒸發(fā)的目的,采用PVC浮球?yàn)樵囼?yàn)材料,通過(guò)室內(nèi)、外試驗(yàn)觀測(cè)并分析無(wú)配重浮球在不同風(fēng)速下的運(yùn)動(dòng)情況,探究浮球產(chǎn)生不規(guī)則旋轉(zhuǎn)和翻滾運(yùn)動(dòng)的原因,并采取增加配重的辦法對(duì)此問(wèn)題加以解決。通過(guò)對(duì)比不同配重的浮球在不同氣象條件下的濕潤(rùn)率并對(duì)其在試驗(yàn)期內(nèi)的蒸發(fā)抑制率進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明:負(fù)載配重后的浮球比無(wú)配重的浮球的防蒸發(fā)節(jié)水效果更加顯著,其水面綜合蒸發(fā)抑制率最大可提高24%。研究成果為干旱區(qū)平原水庫(kù)的節(jié)水措施提供了新思路。

干旱區(qū)平原水庫(kù);節(jié)水效率;配重;浮球覆蓋;蒸發(fā)抑制率

1 研究背景

近年來(lái),淡水資源短缺的問(wèn)題日益突出,干旱區(qū)平原水庫(kù)防蒸發(fā)節(jié)水的理念愈加受到國(guó)內(nèi)外工程界和學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注[1-3]。

綜合已公開(kāi)發(fā)表的一些防蒸發(fā)文獻(xiàn)和研究成果[4-7]可知,物理浮球覆蓋是目前較為成熟和被大規(guī)模運(yùn)用的防蒸發(fā)技術(shù)。2015年8月美國(guó)加利福利亞州的西爾瑪水庫(kù)運(yùn)用浮球作為水面防蒸發(fā)覆蓋材料,浮球主要材質(zhì)為聚乙烯,直徑約為10 cm,黑色的質(zhì)地可以達(dá)到反射紫外線(xiàn)的目的。運(yùn)用浮球作為防蒸發(fā)材料優(yōu)點(diǎn)突出:接觸性能好,圓弧形狀可以緩沖球與岸坡之間、球與球之間的撞擊力,避免浮球破損;浮球下部的弧形形狀能減小與水面直接接觸的有效面積,可以減小水面之上的浮球表面積被風(fēng)浪潤(rùn)濕的可能性。單體浮球滾動(dòng)的特性,可以使浮球在庫(kù)區(qū)水位降低時(shí)相互重疊,覆蓋更加嚴(yán)密結(jié)實(shí)。但是通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)浮球穩(wěn)定性能較差,在較大風(fēng)浪情況下浮球自身容易產(chǎn)生不規(guī)則旋轉(zhuǎn),將潤(rùn)濕部分的表面暴露在自然環(huán)境中,隨著風(fēng)浪的增大浮球會(huì)隨著波浪浮動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象,以上2種現(xiàn)象的發(fā)生嚴(yán)重降低了浮球的蒸發(fā)抑制率。

本試驗(yàn)采用PVC浮球作為試驗(yàn)材料,針對(duì)浮球在風(fēng)浪下不規(guī)則旋轉(zhuǎn)和翻滾的問(wèn)題,通過(guò)觀察并分析無(wú)配重浮球(即負(fù)載為0)在不同風(fēng)速下的運(yùn)動(dòng)情況,探究浮球產(chǎn)生不規(guī)則旋轉(zhuǎn)和翻滾運(yùn)動(dòng)的原因,并通過(guò)增加配重的辦法對(duì)此問(wèn)題加以解決。以期望早日在干旱區(qū)平原水庫(kù)實(shí)現(xiàn)降低水分蒸發(fā)的工程措施。

2 試驗(yàn)原理

影響水面蒸發(fā)的主要因素包括太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、水汽壓力差與溫度等[8-10],分析以上主要因素發(fā)現(xiàn),蒸發(fā)的主要場(chǎng)所為水體的表面,所以通過(guò)浮球覆蓋水體的表面抑制水分的蒸發(fā)在實(shí)際工程中是可行的。通過(guò)浮球覆蓋水面隔斷水分子對(duì)太陽(yáng)輻射能量的吸收,從而降低了水溫,減緩蒸發(fā)速率;浮球弧形的結(jié)構(gòu)可以使?jié)櫇癫糠值乃w流入水庫(kù),從而在最大程度上達(dá)到抑制水體蒸發(fā)的目的。

當(dāng)負(fù)載配重的浮球在靜止的水面工作時(shí),自身的重力與水體對(duì)浮球和配重共同體的浮力作用,2個(gè)作用力大小相等、方向相反,且作用在同一條直線(xiàn)上,配重與浮球共同體就基本保持平衡狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載配重的浮球的重心位置在球心和配重重心之間時(shí),在一定的風(fēng)浪力作用下,浮球和配重共同體在慣性力作用下會(huì)失去穩(wěn)定性,此時(shí)重心的位置會(huì)高于其在平衡狀態(tài)的位置,但在重力力矩作用下浮球與配重共同體會(huì)始終保持抵抗外力干擾,保持平衡的狀態(tài)。通過(guò)添加配重可實(shí)現(xiàn)浮球抵抗外力干擾保持平衡的能力,從而在最大程度上達(dá)到降低水體蒸發(fā)的目的。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案包括室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn),試驗(yàn)照片如圖1所示。

圖1 室內(nèi)、室外試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Photos of indoor and outdoor tests

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的防蒸發(fā)試驗(yàn)池,其面積為3 m×4 m,平均水深為0.4 m。選取試驗(yàn)所需儀器和材料:直徑為0.1 m的PVC浮球若干個(gè),每個(gè)質(zhì)量為0.1 kg;風(fēng)速儀;風(fēng)扇(可調(diào)節(jié)風(fēng)速大小)。將浮球置于水面待其穩(wěn)定后,在其正上方,用紅色碳素筆,繪制一個(gè)直徑約為1 cm的紅點(diǎn),以方便觀測(cè)浮球是否旋轉(zhuǎn),打開(kāi)電風(fēng)扇,提供一定的風(fēng)速,并且通過(guò)造波板模擬波浪,用風(fēng)速儀記錄此時(shí)的風(fēng)速,同時(shí)觀察不同負(fù)載的浮球在水面的運(yùn)行情況,并且通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)速大小以及造波板的速度來(lái)模擬浮球在不同風(fēng)浪下的運(yùn)行情況。

通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn):風(fēng)速越大浮球在風(fēng)力方向運(yùn)動(dòng)越快且?guī)в修D(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象,但是無(wú)配重浮球是不規(guī)則旋轉(zhuǎn)且?guī)в袛[動(dòng)現(xiàn)象;負(fù)載不同配重的浮球以紅點(diǎn)正下方的直徑為定軸旋轉(zhuǎn)且在風(fēng)浪中帶有擺動(dòng)現(xiàn)象;持續(xù)約30 min后關(guān)閉風(fēng)扇、停止造波,發(fā)現(xiàn)無(wú)配重浮球的紅點(diǎn)移向側(cè)邊,且所有紅點(diǎn)所處位置不同,而負(fù)載不同配重的浮球在風(fēng)浪停止后,紅點(diǎn)停留在原來(lái)位置。此現(xiàn)象說(shuō)明了無(wú)配重浮球在水面工作時(shí)不穩(wěn)定,浮球無(wú)規(guī)則的旋轉(zhuǎn),將濕潤(rùn)面帶向浮球的正上方,降低其作為防蒸發(fā)材料的作用,但是考慮到室內(nèi)試驗(yàn)與室外試驗(yàn)的差距,如風(fēng)速大小和風(fēng)向的隨機(jī)性以及小型區(qū)域波浪與室外波浪的差異,需要進(jìn)一步在室外試驗(yàn)證明其規(guī)律性。室內(nèi)試驗(yàn)照片如圖1(a)所示。

3.2 室外試驗(yàn)

室外試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆天山北坡的某座平原水庫(kù),選擇一段合適的水域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)(水域面積約為2 000 m2,長(zhǎng)邊為200 m,短邊為10 m)。根據(jù)試驗(yàn)需要稱(chēng)取不同質(zhì)量的配重,依組次劃分為:無(wú)配重(第1組次)、2 g(第2組次)、5 g(第3組次)、10 g(第4組次)、50 g(第5組次),共5個(gè)組次,每組次有3個(gè)浮球。將不同的配重用膠帶固定于浮球之下,并且置于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)使其自由漂浮,用風(fēng)速儀觀測(cè)試并測(cè)量試驗(yàn)時(shí)的風(fēng)速。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):無(wú)配重浮球在室外風(fēng)浪作用下的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象更加明顯,且在靠近岸坡邊緣會(huì)發(fā)生翻滾旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,受波浪沖擊到岸坡后,會(huì)翻滾到水庫(kù)內(nèi),致使浮球表面全部濕潤(rùn),大風(fēng)浪情況下會(huì)持續(xù)發(fā)生這種現(xiàn)象;負(fù)載不同配重的浮球在風(fēng)浪中會(huì)順著波浪的方面前后搖擺,浮球不會(huì)產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象,但是在大風(fēng)浪沖擊到岸坡后小配重浮球依然會(huì)發(fā)生翻滾現(xiàn)象,此外,在風(fēng)浪作用下配重較輕或無(wú)配重浮球更加容易被配重較大浮球擠向岸邊,室外試驗(yàn)照片如圖1(b)所示。

通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):無(wú)配重浮球在風(fēng)浪作用下自身容易旋轉(zhuǎn)翻滾以及沿著波浪前進(jìn)的方向擺動(dòng),二者疊加嚴(yán)重地增加了浮球表面的濕潤(rùn)面積,降低浮球的蒸發(fā)抑制率;在對(duì)浮球增加配重后,浮球旋轉(zhuǎn)翻滾現(xiàn)象得到解決。

4 節(jié)水效率分析

4.1 數(shù)據(jù)整理

4.1.1 風(fēng)速整理

試驗(yàn)時(shí)間為8月中旬至9月末期,風(fēng)速分為由風(fēng)速儀所測(cè)得的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速和由水庫(kù)管理處氣象站獲得的風(fēng)速,由風(fēng)速儀所測(cè)得的風(fēng)速為實(shí)測(cè)風(fēng)速,當(dāng)?shù)貧庀笳撅L(fēng)速可根據(jù)所測(cè)風(fēng)速的地理位置和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的值乘以修正系數(shù)1.1[11]所得。為便于計(jì)算,本論文在以試驗(yàn)區(qū)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和水庫(kù)管理處獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的情況下,將試驗(yàn)期內(nèi)的風(fēng)速持續(xù)情況歸結(jié)為天數(shù)(d)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,見(jiàn)表1。

由表1可知:試驗(yàn)期內(nèi)主要風(fēng)級(jí)為0~2級(jí),風(fēng)速范圍為0~3.3 m/s,其概率約占試驗(yàn)期的71%,又由試驗(yàn)區(qū)的歷年資料知年平均風(fēng)速為2.2 m/s,證明了本試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.1.2 濕潤(rùn)面積整理

浮球在不同風(fēng)速下的濕潤(rùn)面積(浮球處于靜止?fàn)顟B(tài)下,水平面以上潤(rùn)濕的部分)是本試驗(yàn)重點(diǎn)觀測(cè)的內(nèi)容。用黑色碳素將浮球的表面劃分為面積相等的若干部分,統(tǒng)計(jì)不同小部分的濕潤(rùn)面積之和求得總濕潤(rùn)面積;浮球濕潤(rùn)部分的面積與浮球可濕潤(rùn)面積(浮球處于靜止?fàn)顟B(tài)下,水平面以上的部分)之比即為浮球表面的潤(rùn)濕率,見(jiàn)表2所示。

表1 試驗(yàn)期內(nèi)風(fēng)速情況Table 1 Wind speed in test period

表2 不同配重的浮球在不同風(fēng)速下的潤(rùn)濕率Table 2 Wetting rates of floating balls of different weights in presence of varying wind speed

如表2所示,無(wú)配重浮球在0~1.5 m/s內(nèi)風(fēng)速時(shí),濕潤(rùn)率最高可達(dá)30%,其原因是浮球無(wú)規(guī)則的旋轉(zhuǎn),將濕潤(rùn)部分的浮球表面帶向水平面以上,以及在靠近岸坡附近輕微的翻滾旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致;當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4.4 m/s時(shí),在浮球自身的旋轉(zhuǎn)以及波浪拍擊擺動(dòng)下,浮球的表面全部潤(rùn)濕。負(fù)載不同配重的浮球在0~1.5 m/s內(nèi)風(fēng)速時(shí),風(fēng)浪只能輕微潤(rùn)濕浮球的下半部分;當(dāng)風(fēng)浪持續(xù)增大之后浮球在波浪擺動(dòng)的過(guò)程中潤(rùn)濕浮球全部表面。

4.2 最大蒸發(fā)抑制率計(jì)算

通過(guò)室內(nèi)分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)觀察浮球在限定的小區(qū)域范圍內(nèi)自由漂浮的情況,發(fā)現(xiàn)浮球基本呈3球接觸擠壓狀態(tài),對(duì)于其最大蒸發(fā)抑制率的計(jì)算可以根據(jù)一定數(shù)量的浮球在靜水工作時(shí)的排列狀態(tài)來(lái)計(jì)算影響面積。其中選取一個(gè)浮球?yàn)榛鶞?zhǔn),以單個(gè)浮球最大直徑所對(duì)應(yīng)的面積與其周?chē)绊懙目障兜拿娣e之和為有效影響面積,如圖2所示。

圖2 浮球水面工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working of floating balls on water surface

由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知:大面積覆蓋下浮球呈現(xiàn)3球接觸狀態(tài),基準(zhǔn)浮球與每2個(gè)浮球有一個(gè)空隙面積,故該浮球的有效影響面積為浮球最大直徑面面積與2個(gè)空隙的面積之和,由此可以求出浮球的最大蒸發(fā)抑制率,即

(1)

式中:ηmax為浮球的最大蒸發(fā)抑制率(%);SB為單個(gè)浮球最大直徑面所占的面積(m2);S為單個(gè)浮球有效影響面積(m2);I為防蒸發(fā)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算浮球的最大蒸發(fā)抑制率約為91%,即在其覆蓋范圍內(nèi)有9%的水域處于無(wú)覆蓋狀態(tài),且同樣數(shù)量的浮球最大蒸發(fā)抑制率與浮球的直徑大小無(wú)關(guān),只與浮球的接觸類(lèi)型相關(guān)。

4.3 綜合蒸發(fā)抑制率計(jì)算

對(duì)于自然條件下影響水體蒸發(fā)的因素有許多種,但在浮球有效覆蓋下的水體,就如加了許多小蓋子一樣可以阻隔蒸發(fā)的路徑和水分子蒸發(fā)所需要能量的來(lái)源,只有在風(fēng)浪作用下濕潤(rùn)部分的面積才會(huì)如自然狀態(tài)下的水體正常蒸發(fā)。故本試驗(yàn)主要考慮風(fēng)速對(duì)蒸發(fā)抑制率的影響,以浮球的最大可濕潤(rùn)表面積為定量,以受風(fēng)速影響的浮球的濕潤(rùn)面積為變量,試驗(yàn)期內(nèi)的綜合蒸發(fā)抑制效率為

(2)

式中:ηT為不同配重的浮球在試驗(yàn)期內(nèi)的綜合蒸發(fā)抑制率(%);N為試驗(yàn)期的總天數(shù)(d);n為不同風(fēng)速范圍的天數(shù)(d);α為不同配重的浮球在試驗(yàn)期內(nèi)的濕潤(rùn)率(%)。

將表1和表2中的數(shù)據(jù)代入式(2),可得不同配重的浮球在試驗(yàn)期內(nèi)蒸發(fā)抑制率,見(jiàn)表3所示。

表3 不同配重的浮球在試驗(yàn)期內(nèi)蒸發(fā)抑制率Table 3 Coefficients of evaporation reduction of floating balls of different weights in test period

由表3可知無(wú)配重浮球在試驗(yàn)期內(nèi)的平均防蒸發(fā)系數(shù)為0.44;在添加配重后其防蒸發(fā)系數(shù)明顯增加,隨著配重的增加,蒸發(fā)抑制率增加值分別為16%,21%,24%,14%,當(dāng)配重為10 g時(shí),其蒸發(fā)抑制率達(dá)到68%。由此可見(jiàn),對(duì)浮球增加配重可以明顯提高浮球的防蒸發(fā)系數(shù),浮球的配重越大,浮球的重心越低、穩(wěn)定性越好。但是配重并非越大越好,配重增大后浮球的慣性越大,受波浪沖擊后,濺起的水體會(huì)更加容易潤(rùn)濕浮球表面,影響其蒸發(fā)抑制率;此外,當(dāng)大規(guī)模投入生產(chǎn)使用時(shí),會(huì)增加額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。配重若是太輕,就起不到降低重心穩(wěn)定浮球的作用。配重的選擇主要取決于當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r以及浮球本身的直徑、密度和重量,當(dāng)實(shí)驗(yàn)區(qū)平均風(fēng)速較大時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加配重避免浮球被吹離庫(kù)外,但要求浮球露出水面的高度應(yīng)大于浮球的半徑。結(jié)合本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)建議浮球配重的質(zhì)量占浮球質(zhì)量的2%~10%。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)外對(duì)比試驗(yàn)證明了浮球在作為防蒸發(fā)節(jié)水材料時(shí)具有一定的可改進(jìn)空間,即通過(guò)添加配重的方法對(duì)浮球在風(fēng)浪作用下容易翻滾、不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題得到解決。最后結(jié)果證明:對(duì)浮球施加合適的負(fù)載后,其水面綜合蒸發(fā)抑制率最大可提高24%,這些水量的節(jié)約對(duì)于干旱區(qū)有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。此外,本試驗(yàn)對(duì)于下一步負(fù)載配重浮球的研發(fā)提供了參照依據(jù),為早日在干旱區(qū)平原水庫(kù)實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水提供了新的思路。

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(編輯:姜小蘭)

Comparative Analysis of Water Saving Efficiency of Floating Balls withDifferent Load Weights Covering Plain Reservoirs in Arid Area

LI Cun-li, YAN Xin-jun, SHI Ke-bin

(School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052,China)

In the aim of restraining invalid evaporation of plain reservoir in arid area, the efficiency of PVC lightweight balls covering the water surface of reservoir in reducing surface evaporation was evaluated. The movement of lightweight balls in the presence of difference wind speeds was observed and analyzed through indoor and outdoor tests. The causes of irregular rotation and rolling of balls were investigated, and additional load weights were added to the balls to solve this problem. Furthermore, the wetting rates and anti-evaporation coefficients of balls with different load weights under different climate conditions were calculated and compared. Results suggest that floating balls with additional load weights have better effect of reducing evaporation than balls with no additional load weight. The comprehensive rate of reducing surface evaporation could improve by 24% to the maximum.

plain reservoir in arid area; water saving efficiency; load weight; floating ball cover; rate of evaporation reduction

2016-01-05;

2016-02-01

新疆科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(201233132);新疆自治區(qū)地方公派出國(guó)留學(xué)成套項(xiàng)目

李存立(1989-),男,河南濮陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事水工優(yōu)化設(shè)計(jì),(電話(huà))13565932113(電子信箱)960460500@qq.com。

侍克斌(1957-),男,新疆石河子人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水利工程學(xué)科的教學(xué)與科研工作,(電話(huà))13609917743(電子信箱)xndsg@sina.com。

10.11988/ckyyb.20160005

2017,34(5):14-17

TV697

A

1001-5485(2017)05-0014-04

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