徐思遠 嚴新軍 王步之 侍克斌

摘要：

為探究物理材料覆蓋水面消減水面蒸發(fā)和對水體水質(zhì)的影響，采用直徑為10 cm的HDPE黑色浮球作為覆蓋材料，5個直徑和高度均為1 m的塑膠桶作為蒸發(fā)器，對浮球不同覆蓋率下的防蒸發(fā)效果及水面微氣候和水質(zhì)的變化情況進行研究，采集試驗數(shù)據(jù)并用SPSS軟件進行相關性分析。結(jié)果表明：抑制蒸發(fā)率與浮球覆蓋率成二次曲線關系，控鹽率與節(jié)水率成正比且滿足線性關系。浮球覆蓋水面雖有稍微增加水溫的負面效果，但能改變水面微氣候，當覆蓋率為73%時，水氣間傳質(zhì)系數(shù)減小56.3%，近水面濕度增加12.9%。浮球覆蓋水面后，減緩了水體礦化度、pH值、電導率、懸浮物含量等指標的增加速率。水面覆蓋浮球能達到較好的節(jié)水效果，且對水體水質(zhì)的惡化起到一定延緩作用。

關 鍵 詞：

水面蒸發(fā)； HDPE浮球； 灌溉節(jié)水； 微氣候；水質(zhì)

中圖法分類號： TV697

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.016

0 引 言

中國西北干旱區(qū)氣候干燥、降雨量少、蒸發(fā)強烈［1-2］。該地區(qū)農(nóng)田必須依靠灌溉來補給作物生長所需水分。以新疆為例，大部分灌區(qū)分布在平原地區(qū)，2019年農(nóng)業(yè)灌溉用水占該地區(qū)經(jīng)濟社會用水的92.3%［3］。為了滿足灌溉需求，新疆已建了400多座農(nóng)業(yè)水庫。這些水庫在農(nóng)業(yè)灌溉和當?shù)厣罟┧习l(fā)揮著重要的作用。由于氣候原因，每年蒸發(fā)量占水庫蓄水量的40%［4］。蒸發(fā)不僅極大降低了庫水的利用率和存儲率，而且會導致水體礦化物濃度增大，影響灌溉作物生長環(huán)境和生長能力［5］。因此，減少水庫蒸發(fā)損失在提高庫水利用率與灌溉效率上有重要意義。

為減緩水庫水體的蒸發(fā)損失，前人開發(fā)了各種節(jié)水技術。其中，物理覆蓋法由于其高抑制率、低成本、無毒無害等優(yōu)點得到了廣泛應用。西班牙的Benzaghta［6］采用不同顏色的單層、雙層聚乙烯網(wǎng)和單層鋁網(wǎng)覆蓋進行水面蒸發(fā)的對比試驗。Al-Hassoun［7］采用棕櫚葉編制的席墊覆蓋水面來減少蒸發(fā)。2015年，美國洛杉磯政府花巨資在西爾瑪水庫投入9 600萬個遮陽球，以減緩蒸發(fā)和改善水質(zhì)［8］。國內(nèi)最早在2004年，嚴新軍［9］采用聚苯乙烯泡沫塑料板覆蓋部分庫區(qū)水面以減少無效蒸發(fā)損失量，從而提高水庫的有效利用率。韓克武等［10］分別研究了均勻球和平衡球在風浪環(huán)境中的穩(wěn)定性和節(jié)水效率。潘建旭［11］分析了防蒸發(fā)浮球在規(guī)則波作用下的運動，通過建模模擬了不同波高和周期波浪下防蒸發(fā)浮球的波動，同時討論了不同波高和周期對浮球運動速度及升沉位移的影響。石興鵬［12］結(jié)合水上太陽能電池板漂浮覆蓋水面，對其覆蓋下的氣象規(guī)律與節(jié)水效率進行試驗，得出非冰期的節(jié)水率為29.37%。

前人的成果絕大部分是從節(jié)水效益出發(fā)進行研究，對浮球覆蓋下的蒸發(fā)過程微氣象影響因素（傳質(zhì)系數(shù)、近水面濕度、水溫分層）以及水體水質(zhì)變化的研究鮮有報道。為了減緩庫水蒸發(fā)以提高水資源的存儲率和利用率，需要改善水質(zhì)使其滿足農(nóng)作物的灌溉需求，達到高效節(jié)水與灌溉的目的。采用浮球覆蓋水面，通過理論、試驗與建模相結(jié)合，探討不同浮球覆蓋率、節(jié)水率與控鹽率之間的關系，并率先提出控鹽率與節(jié)水率在該研究區(qū)所滿足的關系式，探討浮球覆蓋后對水體水質(zhì)變化的積極影響。研究成果可為干旱半干旱蒸發(fā)強烈地區(qū)節(jié)水與灌溉水體水質(zhì)改善等提供理論參考。

1 研究區(qū)概況、試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點位于新疆吐魯番市勝金鄉(xiāng)勝金臺水庫水土保持二期空地處，地理坐標為42°56′N，89°35′E。該地區(qū)屬于典型的大陸性溫暖帶干旱沙漠氣候。盆地內(nèi)年平均降雨量為16.6 mm，最大降水量為48.4 mm，年平均蒸發(fā)量為2 845 mm［13］。試驗期間為2022年2～5月，期間試驗區(qū)多風少雨、日氣溫高且濕度低，風速 1.6～4.0 m/s的天數(shù)占試驗期的75%，有且僅在3月降雨5.33 mm。5月某典型晴天日最高氣溫可達40 ℃，濕度低至10%，特殊氣候?qū)е滤嬲舭l(fā)強烈，使水體礦化物濃度增大。勝金臺水庫水體礦化度數(shù)值處于1～3 g/L，屬于微咸水。

1.2 材料選擇

物理覆蓋抑制水面蒸發(fā)的材料應該滿足一定的密度和強度要求，且具備憎水、無毒無害、耐用、成本低等特點［14］。經(jīng)對比篩選，試驗材料選擇HDPE（高密度聚乙烯）材質(zhì)、直徑100 mm、重量約40 g、密度合適且均質(zhì)的黑色浮球。

1.3 試驗原理

水面的自然蒸發(fā)與諸多因素有關，如輻射、氣溫、濕度、水汽壓差、水溫、風速［15］?？偟膩碚f，影響蒸發(fā)的因素主要是輻射和風速。水面吸收短波輻射，導致水溫上升。風改變了水體表面與上空的水汽壓差，加強了水蒸氣層與干濕空氣層的交換速率，而后近水層與上方空氣層重新建立水汽壓差梯度，如此循環(huán)往復。浮球覆蓋水面后，吸收一部分輻射的同時減小了水汽通量。

1.4 試驗布置

試驗選定在相同的環(huán)境下，選擇5個直徑為1 m，高度為1 m的蒸發(fā)器。將4個蒸發(fā)器開口面積均分為四等份，并在蒸發(fā)器25%、50%、75%、100%的開口面積內(nèi)放置直徑為10 cm高密度聚乙烯浮球。每個蒸發(fā)器加入相同量的庫水，蒸發(fā)器外部包裹棉質(zhì)材料，下方鋪設厚度一致的聚苯乙烯塑料板，減小側(cè)壁及周圍與外界的熱量交換。每日20：00用水位探針記錄各蒸發(fā)器水位，用TDS水質(zhì)檢測筆監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)pH、礦化度、電導率，水體懸浮物含量用重量法確定，每日不同時段不同水層（0，20，40 cm和80 cm）處溫度用溫度桿測量，同時用溫度感應器測量球體溫度。在試驗期間，NK5500氣象站記錄試驗點完整的日氣溫、相對濕度、大氣壓、風速等氣象數(shù)據(jù)。

2 理論與計算

2.1 節(jié)水率計算

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 浮球覆蓋率、蒸發(fā)量與節(jié)水率

在蒸發(fā)器25%，50%，75%和100%的開口面積內(nèi)放置浮球，浮球總面積與蒸發(fā)器面積之比即為浮球在水面的覆蓋率，節(jié)水率通過式（1）計算，各個覆蓋率下的蒸發(fā)量與節(jié)水率如表1所列。

如表1所列，浮球覆蓋率分別為18%，39%，58%和73%時，抑制蒸發(fā)率（節(jié)水率）為13.3%，30.1%，48.4%和62.1%。在試驗期內(nèi)無覆蓋蒸發(fā)器蒸發(fā)量達到775 mm，73%覆蓋時蒸發(fā)量為294 mm。在相同的氣象條件下，蒸發(fā)量隨著覆蓋率的增加而降低。抑制蒸發(fā)率隨著覆蓋率的增加而增加。如圖1所示，節(jié)水率與覆蓋率之間存在非線性正相關關系，也驗證了水面蒸發(fā)是一個非線性的物理過程。

3.2 控鹽率

根據(jù)5個覆蓋率下的含鹽總量，用式（2）可分別算出每個覆蓋率下的控鹽率，如表2所列。

由表2可知，當浮球覆蓋下節(jié)水率為13.3%，30.1%，48.4%和62.1%時，對應的控鹽率分別達到了20.0%，39.1%，69.0%和88.9%。使用SPSS 26進行相關性分析，得出節(jié)水率與控鹽率的關系式和相關性分析如圖2和表3所示。

由圖2可知，浮球覆蓋水體之后的控鹽率與節(jié)水率呈正比，控鹽率隨著節(jié)水率的增加而增加?？佧}率y與節(jié)水率x滿足線性關系式y(tǒng)=1.4286x，經(jīng)皮爾遜相關性檢驗可知（表3），節(jié)水率與控鹽率的相關系數(shù)為0.997，且相關性在0.01上是顯著的。

3.3 物理覆蓋對微氣候的影響

3.3.1 水溫和球溫分析

太陽短波輻射是水體水汽化所需的最主要能量來源之一，體現(xiàn)在氣溫、水溫和球體表面溫度的變化。在典型晴天每隔2 h對不同水深的水溫和球溫進行測量，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出，從凌晨02：00至24：00，隨著氣溫的先降低后升高，球溫和球體覆蓋下的表面水溫，以及對照組表面水溫都呈現(xiàn)相同的變化趨勢。夜間無輻射時，球溫主要受氣溫與水溫的影響，此時段球溫與氣溫大致相同。08：00左右，太陽輻射開始增加，球溫和氣溫隨輻射量的增加急劇增大。到16：00，氣溫與球溫達到極值，分別為41 ℃和55 ℃。16：00過后，輻射開始減小，球溫的減小速率明顯快于氣溫與表面水溫。表面水溫的變化趨勢與氣溫相似，不同的是，表面水溫變化速率更緩慢，最大水溫26.7 ℃出現(xiàn)在18：00左右，滯后于氣溫峰值2 h。這是由于水體比熱容較大，水體吸熱與放熱的過程較慢所致。

對5種覆蓋率下的0，20，40，60 cm和80 cm處不同深度的水溫進行監(jiān)測，典型日變化如圖4所示。由圖可知，各蒸發(fā)器水體水層平均溫度從上至下呈減小趨勢，18%覆蓋組與對照組水溫變化相似，水層間溫度變化不明顯，最大溫差為0.2 ℃。隨著覆蓋率的增加，各層水溫稍有增加。覆蓋率為73%時，水面溫度比對照組高2.4 ℃，這是由于球溫升高導致。隨著覆蓋率的增加，水溫分層更加明顯，最大可達2.4 ℃。當浮球覆蓋率為18%～58%時，0～20 cm水深處水溫稍高于對照組，在20 cm以下的水層溫度皆小于對照組。說明黑色浮球覆蓋水體使淺層水體水溫增加，但物理覆蓋阻擋部分太陽輻射，減緩了深層水體與淺層水體的熱量交換。

3.3.2 相對濕度分析

各蒸發(fā)器近水面與大氣濕度日變化如圖5所示，近水面濕度平均高于大氣濕度約5.8%。從日變化折線圖看出，0：00～24：00期間表現(xiàn)為先增大后減小再增大。16：00時氣溫達到最高，此時濕度最低。隨著覆蓋度的增加，濕度有不同程度的加大。18%覆蓋組的近水面濕度與對照組差別不大。覆蓋率增加到39%時，濕度平均增加5%左右。浮球覆蓋率為73%時，濕度增加較為明顯，平均增加12.9%。因此，浮球覆蓋水面可增加近水面濕度，覆蓋率越大，效果越明顯。

3.3.3 傳質(zhì)系數(shù)分析

每隔15 d對此時段的氣象數(shù)據(jù)（包括平均濕度、平均氣溫以及5個覆蓋率下的蒸發(fā)量）進行處理與計算。結(jié)合式（3）～（5），得出每一時段的水氣間傳質(zhì)系數(shù)變化，如圖6所示。由圖可知，不同浮球覆蓋率下水面與大氣間的傳質(zhì)系數(shù)變化較大，且變化趨勢一致。隨著覆蓋率的增加，傳質(zhì)系數(shù)逐漸減小。相對于未覆蓋水體，浮球覆蓋率為18%，39%，58%和73%時，傳質(zhì)系數(shù)平均減小12.5%，23.4%，43.8%和56.3%。

3.4 覆蓋浮球?qū)λ|(zhì)的影響

3.4.1 水體礦化度分析

水面蒸發(fā)會導致水體無機鹽的濃度增大［18］。對于滴灌和噴灌的灌溉模式，長期灌溉含鹽量高的水體會使噴頭或者滴頭處堵塞，降低灌溉質(zhì)量與效率。對于耕地，高鹽度的水溶質(zhì)在土壤表面析出，使土壤板結(jié)，抑制植物的根系發(fā)育。由節(jié)3.2得出的結(jié)果可知，浮球覆蓋水面抑制蒸發(fā)的同時也減緩了水體鹽濃度的增加，能減緩“水走鹽留”帶來的負面效應。

3.4.2 水體電導率分析

蒸發(fā)器不同覆蓋率下的水體電導率變化如圖7所示。由圖7可知，電導率隨著覆蓋率的增加而減小，無覆蓋的蒸發(fā)器內(nèi)水體礦化度最高，為3 376 μs/cm。浮球覆蓋率為18%，39%，58%和73%時，水體電導率分別減小了13.1%，19.3%，24.8%和31.2%。

3.4.3 水體pH值分析

不同覆蓋度下的pH值變化如圖8所示。5個蒸發(fā)器內(nèi)水體的初始pH值有細微的偏差?？傮w上，水體pH值是隨著蒸發(fā)的進行逐漸增大的，4月5日由于加水處理，蒸發(fā)器內(nèi)水體pH值降低。無覆蓋水體的pH值增加速率較快，最大值達到了10.7。同時也可以看出，浮球覆蓋率39%以上可以明顯降低水體pH值的增加速率。

3.4.4 水體懸浮物含量分析

懸浮物是造成水渾濁的主要原因。新疆是以干旱氣候為主，風沙天氣較多。浮球覆蓋水面可避免空氣中的沙塵以及微粒進入水體，有效改善水質(zhì)。圖9顯示，浮球覆蓋率越大，懸浮物含量增加越緩慢。當浮球覆蓋率為18%，39%，58%和73%時，懸浮物含量分別減小了22.0%，46.4%，59.2%和68.4%。

4 結(jié) 論

本文通過改變浮球在水面上的覆蓋率，對其節(jié)水效果及其對水面微氣候和水質(zhì)的影響進行研究，得出主要結(jié)論如下。

（1） 浮球覆蓋能有效減緩水面蒸發(fā)和水體鹽度的增加速率。覆蓋率與節(jié)水率成非線性正相關?？佧}率與節(jié)水率成正比，滿足線性關系式y(tǒng)=1.4286x。

（2） 浮球覆蓋下的球溫和水溫與氣溫變化趨勢一致，球溫隨氣溫的變化速率快，水溫的變化速率緩慢。且覆蓋率越大，水溫分層越明顯。

（3） 浮球覆蓋水面能有效加大近水面的濕度，減小水氣間傳質(zhì)系數(shù)。當浮球覆蓋率為73%時，濕度平均增加約12.9%。相對于自然水面，覆蓋率為18%，39%，58%和73%時，水氣間傳質(zhì)系數(shù)平均減小12.5%，23.4%，43.8%和56.3%。

（4） 浮球覆蓋水面能降低水體礦化度、水體pH值、電導率和懸浮物含量增加速率。覆蓋率為18%，39%，58%和73%時，水體礦化度分別減小了20.0%，39.1%，69%，88.9%；電導率分別減小了13.1%，19.3%，24.8%和31.2%；懸浮物含量減小了22.0%，46.4%，59.2%和68.4%。

本課題組在多年使用浮球的過程中，并未發(fā)現(xiàn)材料本身對水體水質(zhì)有副作用的影響。但對于較大的覆蓋率來說，浮球覆蓋會對水體中的溶解氧含量、水生微生物或者藻類等水生植物產(chǎn)生影響。鑒于節(jié)水與水環(huán)境保護的綜合考量，還需要得出一個最優(yōu)覆蓋率的區(qū)間范圍。而且，當浮球應用于有航運、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游景觀要求的水體時，需要對抗風浪的穩(wěn)定性問題、布置結(jié)構與方式和覆蓋范圍等具體情況進行全面分析。

參考文獻：

［1］ 陳偉濤，孫自永，王焰新，等.論內(nèi)陸干旱區(qū)依賴地下水的植被生態(tài)需水量研究關鍵科學問題［J］.地球科學，2014，39（9）：1340-1348.

［2］ 鄧銘江，石泉.內(nèi)陸干旱區(qū)水資源管理調(diào)控模式［J］.地球科學進展，2014，29（9）：1046-1054.

［3］ 李會芳，朱艷芬，蔡倒錄.新疆農(nóng)業(yè)用水及主要農(nóng)作物用水特征問題研究［J］.農(nóng)業(yè)與技術，2021，41（21）：40-43.

［4］ 陳亮亮.內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫防滲節(jié)水及對下游土壤次生鹽漬化影響研究［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學，2017.

［5］ 唐凱，何新林，姜海波，等.不同苯板覆蓋率對水面蒸發(fā)影響的試驗研究［J］.干旱區(qū)研究，2016，33（6）：1189-1194.

［6］ BENZAGHTA M A，MOHAMMED T A.Testing of evaporation reduction methods in humid climates［J］.Water Management，2012，166（4）：207-216.

［7］ AL-HASSOUN S A，MOHAMMED T A，NURDIN.Evaporation reduction from impounding reservoirs in arid areas using palm leaves［J］.Research Journal of Applied Sciences，2009，4（4）：247-250.

［8］ HAGHIGI E，MADANI K，HOEKSTRA，A Y，The water footprint of water conservation using shade balls in California［J］.Nature Sustainability.2018（1）：358-360.

［9］ 嚴新軍.內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水試驗研究［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學，2004.

［10］ 韓克武，侍克斌，嚴新軍，等.PE浮球覆蓋下干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水效率分析［J］.應用基礎與工程科學學報，2020，28（2）：376-385.

［11］ 潘建旭.防蒸發(fā)浮球在規(guī)則波作用下的運動響應分析［J］.陜西水利，2021（6）：15-18.

［12］ 石興鵬.干旱區(qū)水上光伏發(fā)電單元體防蒸發(fā)節(jié)水效率研究［J］.水利科技與經(jīng)濟，2022，28（7）：55-59.

［13］ 張曉浩，侍克斌，嚴新軍，等.群板覆蓋下內(nèi)陸干旱區(qū)平原水庫節(jié)水效率研究［J］.人民長江，2015，46（8）：23-26.

［14］ 童新，劉廷璽，楊大文，等.半干旱沙地-草甸區(qū)水面蒸發(fā)模擬及其影響因子辨識［J］.干旱區(qū)地理，2015，38（1）：10-17.

［15］ GALLEGO-ELVIRA B，BAILIE A，MARTIN-GORRIZ B，et al.Energy balance and evaporation loss of an agricultural reservoir in a semi-arid climate（south-eastern Spain）［J］.Hydrological Processes，2010，24（6）：758-766.

［16］ 曹麗青，葛朝霞.氣象學和氣候?qū)W的課程［M］.北京：中國水利水電出版社，2009：124-125.

［17］ ASMAR BN，ERGENZINGER P.Estimation of evaporation from Dead Sea［J］.Hydrological Processes，1999，13（3）：2743-2750.

［18］ 趙鈺，王正紅，張艷，等.FFH100 型自動蒸發(fā)系統(tǒng)在長清水文站的應用分析［J］.水利水電快報，2021，42（7）：14-16.

（編輯：李 慧）

Abstract：

In order to explore the influence of physical material covering the water surface to reduce water surface evaporation and the influence on the water body and water quality，we used HDPE black floating ball with a diameter of 10 cm as the covering material，and five plastic buckets with a diameter and height of 1 m as the evaporator，and carried out a relevant study on the effect of the floats on preventing evaporation，changes in microclimate and water quality on the water surface under different coverage rate.The study collected the relevant experimental data and used SPSS software for correlation analysis.The results showed that the evaporation inhibiting rate was in a quadratic curvilinear relationship with the float coverage rate and the salt control rate was proportional to the water saving rate.Although the negative effect of float coverage on the water surface was to slightly increase the water temperature，it could change the micro-climate of the water surface.At 73% coverage，the air-to-air mass transfer coefficient decreased by 563% and the humidity near the water surface increased by 129%.Covering the water surface with floats would slow down the increasing rate of indicators such as mineralization，pH，conductivity and suspended solids content of the water.It is concluded that covering the water surface with floats can achieve good water saving effect and slow down the deterioration of water quality.

Key words：

water surface evaporation；HDPE floating ball；irrigation water saving；micro-climate；water quality