韓克武，侍克斌，嚴(yán)新軍，楊云鵬，候宗民

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.吐魯番市高昌區(qū)水利局，新疆 吐魯番 838000)

0 引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益凸顯。由于追求短期利益、過度開發(fā)水資源以及長期無償擠占生態(tài)用水，導(dǎo)致干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。2012年1月, 國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》, 確立了實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理控制的“三條紅線”, 即水資源開發(fā)利用紅線、用水效率控制紅線和水功能區(qū)限制納污紅線。2017年10月，黨的十九大報(bào)告明確提出實(shí)施國家節(jié)水行動(dòng)，標(biāo)志著節(jié)水從行業(yè)管理上升為國家意志和全民行動(dòng)。

西北干旱區(qū)現(xiàn)有的水庫絕大多數(shù)為平原水庫，這些水庫均具有水面面積大、水深小、無效蒸發(fā)損失嚴(yán)重等特點(diǎn)。如新疆已建的564座水庫中絕大多數(shù)都為平原水庫，這些平原水庫總庫容約為59.3×108m3，水庫水面面積約2 000 km2，平均水深為2.97 m。根據(jù)已有研究成果估算，這些水庫年蒸發(fā)量為26.1×108m3，年滲漏量為8×108m3，合計(jì)每年損失水量約34.1×108m3，蒸發(fā)水量占總損失量的比例高達(dá)77%[1]。可見，新疆水庫年蒸發(fā)損失水量占有很大的比例。在“節(jié)水優(yōu)先”的新時(shí)代背景下，干旱區(qū)農(nóng)田節(jié)水已發(fā)展到膜下滴灌、渠道節(jié)水已發(fā)展到管道和暗渠輸水、水庫防滲已發(fā)展到土工膜全庫盤防滲，干旱區(qū)節(jié)水研究目標(biāo)將會(huì)移向水源地(水庫)防蒸發(fā)節(jié)水。自然狀態(tài)下，干旱區(qū)的陸地水資源往往帶有一定的礦化度，而平原水庫強(qiáng)烈的無效蒸發(fā)帶走了大量水汽，鹽分卻依然留在水庫中，使得剩余庫中水體的礦化度增加。已有研究結(jié)果表明[2]，灌區(qū)土壤鹽分主要來自灌溉用水，平原水庫(水源地)水體礦化度的增大將會(huì)加劇下游灌區(qū)土壤鹽漬化程度。

1962年，Robert[3]分別在兩個(gè)不同地點(diǎn)對0.01 km2的水域進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明分子膜蒸發(fā)抑制率分別為43%和42%。2004年，嚴(yán)新軍[4]選用聚苯乙烯泡沫塑料板作為水庫防蒸發(fā)材料，在新疆尉犁縣的塔里木二庫對材料的不同連接方式及各種形式的抗風(fēng)浪性能等進(jìn)行試驗(yàn)測試，結(jié)果表明水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)滿足合適密度、合適強(qiáng)度、憎水、無毒、耐久性好等要求；苯板具有一定的抗風(fēng)浪能力，只要連接方式恰當(dāng)可以起到防蒸發(fā)節(jié)水目的。2005年，Craigd等[5]在面積為1.2 km2的水域進(jìn)行試驗(yàn)，不同試驗(yàn)周期對應(yīng)的蒸發(fā)抑制率為0%～31%。2009年，Al-Hassoun等[6]利用當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的棕櫚葉作為防蒸發(fā)材料，用方形墊片將棕櫚樹葉懸浮在水面上空，研究結(jié)果顯示95%、50%覆蓋率分別對應(yīng)的蒸發(fā)抑制率為63%、26%，棕櫚葉并未對其覆蓋下的水質(zhì)產(chǎn)生影響。2011年，Shamshad Alam等[7]分別用單雙層棕櫚葉對A級蒸發(fā)器蒸發(fā)抑制率進(jìn)行研究，其中單層棕櫚葉對水面的蒸發(fā)抑制率為47%，雙層棕櫚葉對水面的蒸發(fā)抑制率為58%。2014年，馬艷[8]采用在水面上架設(shè)漂浮網(wǎng)格的方式對分子膜抑制水面蒸發(fā)率進(jìn)行了研究，研究表明網(wǎng)格中的分子膜蒸發(fā)抑制率為26%～30%，無網(wǎng)格的分子膜蒸發(fā)抑制率為7%～12%。2016年張曉浩等[9]對不同覆蓋面積下聚乙烯塑料空心板的節(jié)水效率進(jìn)行研究，研究得出一個(gè)完整非冰凍期內(nèi)1、4和8 m2共3個(gè)不同覆蓋面積對應(yīng)的節(jié)水效率為55.38%、65.97%、80.10%。2016年，李存立等[10]在500水庫現(xiàn)場分別對不同厚度、不同覆蓋面積下PVC浮板對干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水效率進(jìn)行試驗(yàn)分析，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)浮板覆蓋面積從1 m2增大至16 m2時(shí)，平均蒸發(fā)抑制率由74%增加到88.3%。

本文在分析干旱區(qū)平原水庫不同防蒸發(fā)材料節(jié)水率的基礎(chǔ)上，結(jié)合各防蒸發(fā)材料單價(jià)和當(dāng)?shù)厮畠r(jià)對不同防蒸發(fā)材料的投資回收期進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)研究分析了防蒸發(fā)節(jié)水率和防蒸發(fā)控鹽率之間的相關(guān)性。最后，對干旱平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽產(chǎn)生的社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益進(jìn)行分析。

1 材料選擇與研究方法

1.1 材料選擇

干旱區(qū)平原水庫所處區(qū)域輻射強(qiáng)烈、寒冷干旱、多大風(fēng)，選擇干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)充分考慮材料在紫外線輻射和凍融循環(huán)下的耐久性、風(fēng)浪環(huán)境中的穩(wěn)定性及在庫區(qū)的安全運(yùn)行工況。通過多年研究和室內(nèi)外試驗(yàn)對不同材料進(jìn)行定性和定量分選得出，干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)材料應(yīng)選取廣泛應(yīng)用于水利、水產(chǎn)行業(yè)的聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)和聚氯乙烯(PVC)材料，該類材料具有無毒、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)前人的防蒸發(fā)節(jié)水研究成果[1,9-11]，本次評價(jià)的防蒸發(fā)材料選用直徑100 mm、質(zhì)量40 g的PVC浮球；直徑100 mm、質(zhì)量40 g的均質(zhì)HDPE浮球；直徑100 mm、質(zhì)量45 g的HDPE加配重浮球；長1 000 mm、寬500 mm、厚80 mm、密度50 kg/m3的PVC浮板；長1 000 mm、寬1 000 mm、厚100 mm、密度145 kg/m3HDPE空心板。

1.2 研究方法

1.2.1 防蒸發(fā)節(jié)水率研究方法

干旱區(qū)平原水庫水深小、水面面積大，水面易因風(fēng)形成波浪，覆蓋在水面上的防蒸發(fā)材料在隨波浪上下起伏過程中會(huì)被波浪潤濕，而潤濕后的材料不能完全起到防蒸發(fā)作用。根據(jù)已有研究成果[9-10]，將不同風(fēng)浪潤濕材料的面積與材料總覆蓋面積之比定義為潤濕率。

(1)

板狀結(jié)構(gòu)材料(浮板)的蒸發(fā)抑制率：

k=1-α

(2)

弧狀結(jié)構(gòu)材料(浮球)的蒸發(fā)抑制率：

k=1-α(1-α1)-α1

(3)

式中：α為不同風(fēng)速下防蒸發(fā)材料的潤濕率；k為不同風(fēng)速下防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制率；α1為弧狀結(jié)構(gòu)材料間孔隙的蒸發(fā)率；S1為風(fēng)浪潤濕材料的面積，m2；S0為材料總覆蓋面積，m2。

1.2.2 防蒸發(fā)節(jié)水控鹽率研究方法

防蒸發(fā)控鹽本質(zhì)上是指通過減小水面無效蒸發(fā)來降低水體的礦化度，所以本試驗(yàn)僅研究討論防蒸發(fā)節(jié)水率與防蒸發(fā)控鹽率的關(guān)系。關(guān)于水面覆蓋率與防蒸發(fā)節(jié)水率的研究已有很多，本文不再贅述。為更接近實(shí)際情況，準(zhǔn)確反映兩者之間的關(guān)系，試驗(yàn)在吐魯番市勝金溝水保三期水庫壩頂進(jìn)行。試驗(yàn)選用口徑600 mm、高度300 mm的圓形蒸發(fā)器若干，各蒸發(fā)器內(nèi)加入相同質(zhì)量的庫水，同時(shí)對若干蒸發(fā)器進(jìn)行不同面積的覆蓋。采用稱重法對蒸發(fā)器內(nèi)水量變化進(jìn)行測定，同時(shí)使用TDS水質(zhì)檢測儀對各蒸發(fā)器內(nèi)剩余水體的含鹽總量檢測。每隔2天于20∶00時(shí)對各數(shù)據(jù)進(jìn)行測定。

含鹽量變化率是指水體蒸發(fā)后，覆蓋水體含鹽量的變化量與未覆蓋水體含鹽量的變化量之比。

(4)

(5)

式中：λ為含鹽量變化率；β為控鹽率；W0為原始狀態(tài)下水體含鹽量，ppm；W1為未覆蓋水體含鹽量，ppm；W2為覆蓋水體含鹽量，ppm。

2 防蒸發(fā)節(jié)水率分析

對于板狀結(jié)構(gòu)的防蒸發(fā)材料節(jié)水率評價(jià)指標(biāo)主要為不同風(fēng)浪環(huán)境中防蒸發(fā)材料的潤濕率，而弧狀結(jié)構(gòu)(如浮球、浮動(dòng)圓盤等)的防蒸發(fā)材料節(jié)水率評價(jià)指標(biāo)主要為不同風(fēng)浪環(huán)境中防蒸發(fā)材料的潤濕率和材料間未覆蓋水域的蒸發(fā)率。根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]可知，不同風(fēng)速下各防蒸發(fā)材料的潤濕率及各防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制率見表1。

表1 不同風(fēng)速下不同覆蓋材料蒸發(fā)抑制率

防蒸發(fā)節(jié)水量：

(6)

防蒸發(fā)節(jié)水率計(jì)算：

(7)

式中：η為年節(jié)水效率，%；E1為不同覆蓋材料對應(yīng)的防蒸發(fā)節(jié)水量，mm；E0為自然狀態(tài)下年蒸發(fā)量，mm。

由式(7)可知，不同覆蓋材料的年節(jié)水率為一完整非冰凍期內(nèi)不同風(fēng)速出現(xiàn)頻率與蒸發(fā)抑制率的乘積之和。冰凍期蒸發(fā)量和節(jié)水量極少，在此不作分析。不同防蒸發(fā)材料的年節(jié)水率不僅與防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制有關(guān)，而且也與該地區(qū)的氣象因素有關(guān)。

以吐魯番市勝金溝水保三期水庫為例，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，對不同防蒸發(fā)材料在吐魯番地區(qū)水庫運(yùn)行時(shí)的節(jié)水率進(jìn)行分析。為便于計(jì)算，將試驗(yàn)期內(nèi)的風(fēng)速情況按天(d)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，見表2。

將表1、表2中不同風(fēng)速下各防蒸發(fā)材料的蒸發(fā)抑制率和不同風(fēng)速出現(xiàn)的頻率帶入式(7)中，即可得出不同防蒸發(fā)材料在吐魯番地區(qū)的年節(jié)水率，見表3。

表2 吐魯番地區(qū)非冰凍期內(nèi)不同風(fēng)速出現(xiàn)天數(shù)及頻率

表3 不同防蒸發(fā)材料的年節(jié)水率

3 防蒸發(fā)控鹽率分析

根據(jù)試驗(yàn)所測的各蒸發(fā)器中蒸發(fā)量和含鹽總量，分別計(jì)算出各相同時(shí)間內(nèi)各蒸發(fā)器內(nèi)的節(jié)水率和控鹽率，見表4、圖1。

表4 控鹽率隨節(jié)水率的變化

圖1 不同防蒸發(fā)節(jié)水率對應(yīng)的控鹽率變化曲線

由圖1可知，控鹽率隨防蒸發(fā)節(jié)水率呈線性相關(guān)。自然狀態(tài)時(shí)水面無覆蓋，防蒸發(fā)節(jié)水率為零時(shí)，控鹽率為零；隨防蒸發(fā)節(jié)水率增大，無效蒸發(fā)減少，從而抑制了因“水走鹽留”造成的水體含鹽量增大，控鹽率升高；當(dāng)防蒸發(fā)節(jié)水率達(dá)到100%時(shí)，水體蒸發(fā)量為零，庫水含鹽量不變，控鹽率達(dá)到100%。同時(shí)，經(jīng)水庫現(xiàn)場試驗(yàn)觀測，防蒸發(fā)材料覆蓋水面可有效阻止風(fēng)沙天氣時(shí)沙塵落入水體，水體懸浮物含量明顯低于未覆蓋的水體?？梢姡珊祬^(qū)平原水庫防蒸發(fā)一方面可起到減少水面蒸發(fā)達(dá)到節(jié)水目的，另一方面可抑制因水面無效蒸發(fā)造成的庫水礦化度增大，同時(shí)還可減少沙塵和空氣中的漂浮物落入水體，從而降低水庫淤積和污染。

4 投資回收期

用防蒸發(fā)材料的節(jié)水效率來評價(jià)干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水的經(jīng)濟(jì)性，評價(jià)中涉及的典型變量是防蒸發(fā)材料的成本P(元/m2)、當(dāng)?shù)厮畠r(jià)ω(元/m3)，當(dāng)?shù)刈匀凰嫫骄舭l(fā)量E(m/a)以及防蒸發(fā)節(jié)水效率η。投資回報(bào)期RP定義為：

(8)

結(jié)合吐魯番地區(qū)自然蒸發(fā)量E0、不同防蒸發(fā)材料年節(jié)水率η、不同防蒸發(fā)材料成本價(jià)P、當(dāng)?shù)厮畠r(jià)ω(以農(nóng)業(yè)用水水價(jià)計(jì))，即求出不同防蒸發(fā)材料的投資回收期，見表5。

表5 不同防蒸發(fā)材料投資回收期

由表5可知，在吐魯番地區(qū)平原水庫中，采用PVC浮球作為防蒸發(fā)材料時(shí)投資回收期最短，采用HDPE加配重浮球作為防蒸發(fā)材料時(shí)節(jié)水率最高。

5 防蒸發(fā)節(jié)水控鹽效益分析

5.1 節(jié)水控鹽社會(huì)效益分析

5.1.1 對農(nóng)業(yè)的貢獻(xiàn)

過去60年，中國西北干旱區(qū)氣溫以0.039℃/a的速度上升，降雨以1 mm/a的速度在增加，成為全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一[12]。氣溫升高直接影響到作物需水和耗水過程，溫度升高導(dǎo)致地表和作物蒸散發(fā)增加以及對作物分布和作物生育期產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變作物需水過程。我國用水量中約60%為農(nóng)業(yè)用水，如果不改變耕作制度、提高節(jié)水效率，氣溫升高將明顯增加我國的農(nóng)業(yè)需水量[13]。發(fā)展干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽可有效提高水資源利用率和農(nóng)作物產(chǎn)量,從而增加農(nóng)戶收入,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5.1.2 對工業(yè)的貢獻(xiàn)

水資源作為工業(yè)生產(chǎn)必需的投入要素之一,在工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)約的水資源在滿足生態(tài)、農(nóng)業(yè)需水后，可從利用效率與效益較低的農(nóng)業(yè)向利用效率與效益較高的工業(yè)轉(zhuǎn)移,從而增加工業(yè)產(chǎn)值,促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5.2 節(jié)水控鹽生態(tài)環(huán)境效益

隨著人口的增加和工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，擠占生態(tài)用水的現(xiàn)象越來越明顯。生態(tài)水資源匱乏、水污染嚴(yán)重、荒漠化和水土流失等問題影響著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事業(yè)的發(fā)展，給人民的生活帶來了影響。結(jié)合“西北干旱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水宜各占50%”的評價(jià)，以及中國工程院對新疆“社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量不超過500×108m3、灌溉面積不超過8 000萬畝”的建議來看，當(dāng)前新疆生態(tài)用水被農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占的程度是比較嚴(yán)重的[14]。為保證生態(tài)用水，近年來政府部門采用多種措施如塔里木河應(yīng)急調(diào)水等。針對目前生態(tài)用水現(xiàn)狀和“先節(jié)水后調(diào)水”原則，有研究[15]認(rèn)為實(shí)施節(jié)水是保障生態(tài)用水的最主要手段。

土壤鹽漬化是土地荒漠化和土地退化的主要類型之一，是世界性的資源問題和生態(tài)問題。我國干旱區(qū)鹽漬土總面積達(dá)到36.93×104km2。新疆是我國鹽漬土集中分布的大區(qū)，鹽漬土面積幾乎占到了全國鹽漬土總面積的1/3，約11×104km2[16]。灌區(qū)土壤鹽分主要來自于灌溉水，灌溉水水質(zhì)直接決定土壤鹽分積累狀況。土壤中原有離子與灌溉水中的離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變土壤的理化性質(zhì)[2]。而作為干旱區(qū)灌區(qū)水源地的平原水庫因無效蒸發(fā)強(qiáng)烈造成庫水礦化度升高，不僅對下游灌區(qū)土壤和生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響，而且使后期的土壤鹽漬化防治處理成本非常大。因此，采用防蒸發(fā)技術(shù)從源頭上對水體礦化度進(jìn)行控制，可有效降低下游灌區(qū)土壤鹽漬化程度，對實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)、穩(wěn)定、健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

干旱區(qū)每年3-5月份，風(fēng)沙較大，空氣質(zhì)量差。而吸附在沙塵表面的有害物質(zhì)(如工廠廢氣、農(nóng)藥殘留物等)具有在大氣中完成長距離遷移的能力，并通過大氣沉降進(jìn)入各種地表水體。平原水庫大面積水域會(huì)接受大量大氣沉降而來的有害物質(zhì)，因此大氣沉降對干旱區(qū)平原水庫水環(huán)境和下游生態(tài)環(huán)境的改善不容忽視，尤其是在人為排放強(qiáng)烈地區(qū)。Gray 等( 2014) 發(fā)現(xiàn)，美國Narraguinnep 水庫中的汞主要來源于附近火電站的燃煤排放[17]，大氣沉降被認(rèn)為是當(dāng)?shù)厮畮熘泄闹匾獊碓碵18]。有害物質(zhì)進(jìn)入水庫后，一部分在水庫中隨水流進(jìn)入下游灌區(qū); 另一部分隨顆粒物沉降到庫底形成沉積物。干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)材料覆蓋水面后可有效阻止沙塵落入水庫，起到凈化水體的作用。

6 結(jié) 論

因不同地區(qū)氣象因素存在差異，同一種防蒸發(fā)材料的節(jié)水率高低應(yīng)因地而異。在評價(jià)某一種防蒸發(fā)材料的節(jié)水率，不僅要考慮不同風(fēng)浪對防蒸發(fā)材料的潤濕率，還要考慮該地區(qū)不同風(fēng)浪區(qū)間出現(xiàn)的頻率。

干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水控鹽需要大量的投入，投資回收期限較長。但從節(jié)水來講，節(jié)約的水資源對于促進(jìn)干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、緩解生態(tài)缺水起到關(guān)鍵作用；從控鹽來講，干旱區(qū)土壤鹽分主要來自灌溉用水，平原水庫防蒸發(fā)控鹽可以在水源頭降低灌溉用水礦化度，進(jìn)而降低下游灌區(qū)土壤鹽漬化程度和土壤鹽漬化防治的處理成本，對生物多樣性增加和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。