干旱區平原水庫防蒸發技術研究現狀及展望

張凱　侍克斌　嚴新軍　李存立

摘要：西北干旱地區可利用水資源嚴重缺乏是制約地區經濟發展的重要原因。干旱區平原水庫水量蒸發損失十分嚴重，防蒸發技術是一種應用在平原水庫上的高效節水技術。在介紹國內外防蒸發技術研究現狀的基礎上，提出了今后防蒸發技術的研究發展方向：①防蒸發裝置最佳的設計方案；②準確計算水面蒸發量的方法；③防蒸發技術與光伏發電技術相結合的系統；④防蒸發技術的應用標準和技術規范等相關準則的制定。

關鍵詞：防蒸發技術；研究現狀；展望；平原水庫；干旱區

我國干旱區主要分布在西北地區，約占國土面積的1/4。干旱區的水資源總量僅占全國水資源總量的5.84%，可利用的水資源量更少，水資源缺乏是制約西北地區經濟發展的重要因素。為了解決水資源不足的問題，西北干旱區主要采取輸送節水和田問節水兩種方式。輸送節水包括不同形式的防滲明渠、暗渠和管道節水技術；田間節水包括噴灌、滴灌、膜下灌和化學生物節水技術。雖然這兩種方式大大減少了輸水和用水過程中的水量損失，但是在水源源頭上因蒸發產生的巨大水量損失問題并沒有解決。以新疆為例，目前已建成547座平原水庫，總庫容為59.3億m3，但是每年可以正常使用的水量只有25.2億m3，只占總庫容的42.5%；而蒸發水量約為26.1億m3，占總庫容的比例高達44.0%。在當前西北地區年平均氣溫隨全球變暖呈上升的趨勢下和西北地區連接絲綢之路經濟帶的時代背景下，干旱區平原水庫防蒸發技術的研究顯得尤為重要。目前我國對防蒸發技術的研究剛剛起步，在實際工程中尚未大規模使用防蒸發技術，而該技術在國外已有不少成功實踐的案例，如2015年美國加利福尼亞州西爾瑪水庫運用浮球防止水量蒸發（見圖1）。本文在介紹防蒸發技術國內外研究現狀的基礎上，提出防蒸發技術未來的研究方向。

1防蒸發技術的研究現狀

1.1蒸發量模型

目前國內外用來估算蒸發量的方法主要有經驗公式法、熱量平衡法、氣候模型計算法、水量平衡法、流體力學計算法等。英國物理學家道爾頓提出了著名的道爾頓模型，拉開了探索水面蒸發量計算方法的序幕，該模型是在對器皿蒸發研究的基礎上建立的，使用范圍僅局限于擁有長期觀測蒸發量數據的地區。波文在能量平衡方程研究基礎上建立了水面蒸發能量平衡模型，該模型在一般條件下計算精度較高，但是在天氣干燥、早晚時刻、下墊面潮濕或平流逆溫條件下計算精度較低。桑恩韋特借助近地面邊界層相似理論，提出用于水面蒸發量計算的空氣動力學模型，該模型假設邊界層內的水汽傳輸系數、熱量、動量相等，當下墊面均勻時計算水面蒸發量較為準確，當下墊面粗糙時計算水面蒸發量有較大誤差。彭曼將熱量平衡與質量轉移理論結合，得出計算蒸發量的組合公式，得到聯合國糧食及農業組織（FAO）的認定，但是該模型依據海洋性氣候條件對空氣干燥力和水面輻射平衡值進行取值和計算，不同地區需要對相關參數進行修訂。Bouchet首次提出區域實際蒸發量與蒸發能力呈互補關系的假設，為區域蒸發量的計算開辟了新的路徑。濮培民利用質量守恒原理建立了水面蒸發公式。該公式在風速小于5 m/s時計算陸地蒸發池和漂浮水面蒸發量精度較好，但當風速大于5 m/s時計算蒸發量會出現系統偏差，而且公式過于復雜，尤其是需要氣壓資料。施成熙等根據試驗環境參數可控的回流式低速風洞系統中獲取的水面蒸發試驗資料，建立了包括風速、水氣溫度差等參數在內的水面蒸發計算公式，該公式能全面反映強迫對流和自由對流共同作用對水面蒸發的影響，因而得到了廣泛應用，但是該公式沒有對不同風速段強迫對流對于水面蒸發作用差異性而采取不同的系數，從而導致較大風速情況下計算的水面蒸發量結果偏大。

1.2化學防蒸發技術

W.W.Mansfield通過在小水池用16碳醇進行試驗，發現化學分子膜在一定程度上有防止水面蒸發的作用。在此基礎上，吳邦信等對化學單分子膜覆蓋水面防蒸發技術的環境影響進行了研究，提出了綠色化學單分子膜應用的必要性。馬艷等采用漂浮網格的方法有效消減了風浪對高鏈脂肪醇分子薄膜的破壞，一定程度上提高了該分子薄膜的蒸發抑制率。化學防蒸發技術雖然在一定程度上減少了水量蒸發，但是所使用的化學物質具有緩慢揮發性，防蒸發效果不穩定。另外，化學防蒸發技術會對環境造成嚴重污染。首先，化學物質完全阻斷水面空氣，影響水汽輸送，不利于水中生物生存；其次，當水面干涸之后，殘留的化學物質滲透到地下，會對地下水造成污染。

1.3生物防蒸發技術

王積強等利用水庫做了蒲草和水蓼蒸發試驗，發現水庫蒸發只與水面溫度有關，而和水下溫度無關，并且通過計算得出了各個時間段的蒸發量。楊方清等利用油麻藤等藤本植物在蓄水池里作了蓄水保水試驗，防蒸發效果明顯，該方法在羅江縣得到了推廣應用。丁成在甘肅隴南水文站進行了水生植物對水面蒸發抑制效率研究，發現水生植物在生長旺季將會增加水面的蒸發量。生物防蒸發技術的效果不太穩定，所使用的水生植物少了起不到防蒸發效果、多了不利于水中的生態平衡，而且水生植物的生長受環境因素影響較大，尤其是西北干旱區冬季氣候寒冷，水生植物無法在冬季存活。

1.4物理防蒸發技術

嚴新軍等提出用苯板覆蓋部分水面以減少水體蒸發量的設想，并在塔里木二庫做了現場試驗（見圖2），防蒸發效果顯著。武金慧通過對聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯軟片和石蠟抑制水面蒸發效果進行對比試驗，發現聚苯乙烯泡沫塑料板抑制水面蒸發的效果最好，石蠟抑制水面蒸發的效果最差，聚乙烯軟片的效果介于兩者之間。S.Assouline等在小型池塘的底部覆蓋防滲布料，水面上鋪設了一層飛碟形塑料浮板，精確地測出了水面的蒸發量。張永山、宋興亮等對防蒸發浮板材料進行研究，探索了不同材料浮板的力學性能和防蒸發效果。張曉浩等利用防蒸發浮板進行試驗，建立了氣溫和水面蒸發量的回歸方程，得出了浮板在不同溫度、風速條件下的防蒸發系數。物理防蒸發技術應用效果顯著，能重復回收使用，降低工程成本，既不受地區環境因素的制約，又不對生態環境造成污染，符合綠色可持續發展理念，是未來防蒸發技術主要研究和發展方向。

2防蒸發技術展望

（1）物理防蒸發裝置最佳設計方案。設計方案包括防蒸發裝置的外形、結構和材料。防蒸發裝置外形設計原則有兩點：較好的防蒸發效果和良好的穩定性。防蒸發裝置外形設計內容包括形狀和大小。目前常見的防蒸發裝置有矩形浮板和浮球，浮板和浮球各有特點，浮板覆蓋水面的面積比浮球大，但是結構強度沒有浮球好，在大風大浪環境中容易折斷。目前沒有證據表明浮板和浮球哪個防蒸發效果更好。防蒸發裝置外形的設計不應僅僅局限在矩形浮板和浮球，還需要通過大量試驗和數值模擬對不同外形的防蒸發裝置的效果和穩定性進行對比研究，尋找出最佳外形設計方案。

防蒸發裝置結構設計以應力分析為基礎，要計算出防蒸發裝置在大風大浪等極端天氣下所受的最大應力，以此為依據對防蒸發裝置結構進行強化和優化。針對防蒸發矩形浮板在大風大浪的環境中容易折斷的問題，侍克斌等利用波浪模型、彈塑性力學等建立了浮板的計算模型，對浮板在一定環境下所受應力進行了計算，為浮板結構的設計提供了依據。防蒸發浮球雖然結構不容易破壞，但是在水面上遇風浪時會發生翻轉，增加了浮球的濕潤面積，降低了浮球的防蒸發效果。如果利用“不倒翁”原理優化浮球結構，遇到風浪時就既不會發生翻轉，又不會增加太多濕潤面積，可以較好地提高浮球的防蒸發效果。

防蒸發裝置材料設計主要從材料的強度、耐久性、成本三個方面考慮。第一，防蒸發裝置材料必須具有一定強度，以保證在大風大浪環境下結構不容易破壞。例如張永山用EPs輕質混凝土作為防蒸發浮板材料，大大提高了防蒸發浮板的結構強度。第二，防蒸發裝置材料必須具有一定耐久性。西北干旱區晝夜溫差大，經常會有氣溫驟降驟升等極端天氣出現。為避免防蒸發裝置材料受氣溫影響而損壞，需要從高溫、低溫、高低溫交替等方面對防蒸發裝置材料進行試驗研究，尋找出耐久性好的材料。第三，防蒸發裝置材料必須成本低廉。防蒸發裝置材料的成本直接決定整個水庫防蒸發工程的成本，在材料滿足一定強度和耐久性的前提下，其成本也是一個需要重點考慮的問題。

（2）探索準確計算水面蒸發量的方法。提高水面蒸發量計算精度有利于水庫規劃和調度管理，對于干旱區水資源優化配置具有重要意義。水面蒸發量計算模型的建立涉及水文學、氣象學等多種學科，是一個非常復雜的問題。一直以來，眾多學者通過不斷改進水面蒸發量計算模型來提高精度，但仍然存在兩大問題有待解決：一是模型敏感性、靈活性、確定性不高，關于環境變化導致蒸發量變化的考慮不足，同時待定系數過多限制了模型在不同地區的應用：二是關于自由對流、不同風速段強迫對流對水面蒸發影響的研究還不充分。

隨著科學技術的快速發展，一些新技術的出現為水面蒸發量的計算提供了新的途徑。遙感和地理信息系統相結合能夠快速收集研究對象的特征信息，并對大量信息數據儲存、處理和分析，從而使相關數據得到很好的表達和應用。建立水面蒸發量遙感水文耦合模型將有助于提高水面蒸發量的計算精度。胡海英等通過質譜儀測量水蒸發過程中氫和氧同位素含量的細微變化來計算水面蒸發量，但該技術的研究尚處于起步階段，需要在以下方面進行深入研究：一是同位素分餾因子和蒸發機理之問的相互聯系，二是不同地區、不同氣象條件下蒸發量的時空分布規律。

（3）防蒸發技術與光伏發電技術相結合的深入研究。毛海濤等對防蒸發技術與光伏發電技術相結合進行了可行性分析，為今后對該系統進行深入研究提供了借鑒。防蒸發技術與光伏發電技術相結合是在防蒸發裝置上安裝太陽能電池板。各防蒸發裝置通過電線連接形成發電系統，通過電池板把光能轉化成電能，電能通過匯流箱、配電器、變壓器進入到電網。該系統有防蒸發、環保、發電、不占用土地等優點。未來需要對水中電池板的設計、系統在極端天氣下運行的穩定性、光電轉化效率等一系列關鍵技術問題進行大量深入研究。

（4）防蒸發技術的應用標準和技術規范等相關準則的制定。為了使防蒸發技術在實際工程中得到廣泛推廣和應用，必須及時制定和完善相關準則。

3結語

本文在分析總結目前國內外防蒸發技術發展研究現狀的基礎上，提出了防蒸發技術未來的研究方向。水庫防蒸發技術對于減少水庫蒸發產生的巨大水量損失、高效節約水資源意義重大，對于嚴重缺水的西北干旱區平原尤為重要。因此，應加強水庫防蒸發技術的研究并逐步在實際工程中推廣應用，同時應進一步研究采用防蒸發技術對于地區生態環境和社會經濟的影響。