干旱區平原水庫防蒸發節水結構布置與設計

韓克武，侍克斌，嚴新軍，蒲升陽，程陽宇

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

節水是學術界與工程界永恒的研究主體，其市場前景無限。目前田間節水已發展到膜下滴灌、輸水系統節水已發展到管道輸水、水庫防滲節水已發展到土工膜局部或全庫區防滲，并有相應國家行業標準作為技術支撐[1- 3]。但水庫防蒸發節水技術雖已成熟但無相應技術規范作為支撐，制約了該技術的推廣應用并造成水資源的嚴重浪費。如在新疆已建的564座水庫中，絕大多數為平原水庫，其特點是面積大、水深小，壩線長，蒸發損失嚴重。這些水庫的總庫容約為59.3×108m3，水庫水面面積約2000km2，平均水深為2.97m，根據已有研究成果估算[4]，新疆水庫的年蒸發量損失為26.1×108m3，年滲漏量為8×108m3，合計每年損失水量約34.1×108m3，蒸發的水量約占總損失量的77%。此外，無效蒸發損失不僅造成水資源大量浪費，還會增加庫水礦化度，加劇下游灌區土壤鹽漬化程度。

結合多年水庫現場試驗研究成果，本文從防蒸發材料選擇、節水效率及工程運行維護等方面對水庫防蒸發結構的布置和設計進行總結闡述，以此為干旱區平原水庫防蒸發節水技術推廣應用提供技術支撐。

1 國內外水面防蒸發發展歷史和現狀

關于抑制水面無效蒸發，早在1938年Glazov[5]提出了采用十六醇吸附層作為抑制水面蒸發的材料；1955年Archer[5]從理論上對分子膜的蒸發抑制率進行研究；1959年陳紹澧等[6]進行了分子膜抑制水面蒸發的研究，研究表明：低密度(相對水密度)、憎水、無毒、表面無毛細管的定形固體小球和十六醇均對水面蒸發有一定的抑制作用；1979年廖宗族[7]利用椰油醇提取C12- 18醇后的殘渣制成蒸發抑制劑，水面抑制率可達到60%～80%；2002年湯傳義等[8]對十八醇覆蓋水面蒸發進行了研究，研究表明蒸發抑制率為40%左右；2014年楊坤[9]、馬艷[10]采用在水面上架設漂浮網格對分子膜抑制水面蒸發率進行研究，研究表明:網格中分子膜的蒸發抑制率為26%～30%。

風屏技術法：1995～2001年Wang H等[11]研究發現，大規模林網可以使區域內的平均蒸發降低14%；2004年Hipsey[12]在面積約3600m2的水塘周圍設置了高8m的風屏，風屏的蒸發抑制率與風速降低率成正相關，可降低約30%的水面蒸發。風屏技術法節水效率低，而且樹木根系對壩體穩定造成一定影響。

物理覆蓋法：1979～1985年王積強[13]、丁成[14]進行了水花生、蒲草等對蒸發的影響實驗，但植物自身存在蒸騰作用，平均抑制率僅為10%～30%。2006年西班牙Alvarez等[15]采用不同顏色的單、雙層聚乙烯網和單層鋁網進行了抑制水面蒸發研究，研究表明:黑色聚乙烯單層網的節水效果最為顯著；2009年Al-Hassoun等[16]利用棕櫚樹葉作為抑制水面蒸發的材料，但棕櫚樹葉表面有供植物蒸騰的氣孔，95%、50%覆蓋率分別對應的蒸發抑制率為63%、26%；2010年Benzaghta等[17]采用膠合板片、鍍鋅鐵皮以及明光墊覆蓋水面進行試驗，平均蒸發抑制率為33%、26%和40%。以上物理覆蓋試驗均在小型蒸發池中進行，但對蒸發材料在水庫現場的運行工況及節水率未做研究。2015年8月美國加利福利亞州的西爾瑪水庫采用浮球作為水庫防蒸發覆蓋材料，但關于浮球覆蓋下水庫的節水效率及相關結構設計有待進一步研究[4]。2002年至今，侍克斌等[4]提出并研究了苯板、塑料空心板、PVC泡沫板、EPS輕質混凝土加筋浮板、PE、PVC浮球及加配重浮球作為水庫防蒸發材料的穩定性和節水率，實用性高、節水效果顯著[18- 30]。

2 防蒸發材料選擇與結構設計

2.1 防蒸發材料材質選擇

根據已有研究成果[4]，水庫防蒸發材料應具有合適密度、足夠強度、憎水、無毒、耐久性好等要求。經多年現場試驗和經濟效益比對分析得出，防蒸發材料材質宜為高密度聚乙烯(HDPE)和高密度聚氯乙烯(PVC)。以常見的HDPE水管為例：(1)使用溫度范圍寬，工作溫度范圍在-70℃～95℃之間；(2)抗壓強度高，在20℃時爆破壓力超過5MPa、在95℃時超過2MPa；(3)因材料自身無毒，被廣泛應用于水利、國防等行業；(4)耐磨性能好，如在輸送礦砂、泥漿和細小固體顆粒時，聚乙烯(PE)的耐久性超過鋼管的4倍多；(5)耐化學腐蝕性強，除強氧化性酸液外，在一定溫度和深度范圍內能耐各種腐蝕性介質(如：酸、堿、鹽)；(6)柔性好，聚乙烯(PE)彎曲半徑可小至管件的1/15，斷裂伸長率大于500%；(7)抗壓性強，在額定壓力狀態下，PE管可安全使用達50年以上。

太陽光紫外線(波長為300～400nm)所含的能量(約為300～400kJ·mol-1)足以引起大多數聚合物化學鍵斷裂(250～420kJ·mol-1)。因此，太陽光中紫外線被認定是引起高分子材料“老化”的主要因素[31]。紫外線輻射會加速防蒸發材料的“老化”，減少運行年限。所以在設計生產防蒸發材料時，原材料內應加入適當光屏蔽劑(抗老化劑)。目前炭黑是最經濟、有效的光屏蔽劑，它能吸收整個紫外光和可見輻射光，并能將光能變成破壞性小的熱能，同時起到紫外光吸收劑的功能。炭黑摻量以15～25nm的槽法炭黑為佳，炭黑的用量一般為1%～2%[32]。

2.2 防蒸發材料結構設計

2.2.1 防蒸發浮球設計

浮球直徑一般取8～12cm，可以是空心或實心。空心球多用高密度聚乙烯(PE)制成，黑色，壁厚1～3mm，重40～50g，國產每個0.8元，大量需求可降至0.5～0.7元。

目前較為成熟的浮球生產工藝主要為吹塑工藝和注塑工藝。吹塑工藝浮球一次加工成型；注塑工藝浮球成型后需進行二次加工密封注塑口。前者成型后浮球內部氣壓相對較高，生產過程中需根據浮球的運行環境對球內氣壓進行調整，防止高溫下球內氣壓升高出現爆裂；后者浮球整體性能差，長期運行后注塑口密封處有可能進水，而且二次加工增加浮球的制造成本。經長期現場試驗得出，吹塑工藝生產的浮球是較為理想的防蒸發材料。

市場上常見的實心球為養殖浮球，多用聚氯乙烯材料(PVC)制成，白色，重35～45g，國產每個0.6～0.9元，大量需求可降至0.45～0.7元。

圖1 庫區PE空心浮球運行工況圖

圖2 庫區PVC發泡浮球運行工況圖

圖3 庫區加配重PE浮球運行工況圖

市場上的浮球為均質浮球，球體形心和重心重合、抗老化性能低，風浪作用下浮球會出現上下翻滾，增大浮球潤濕面積，降低節水效率。由新疆農業大學申報國家發明專利的加配重PE浮球，遇風浪不易上下翻轉，防蒸發節水效率更高，并在材料內摻有適量抗老化劑，耐久性更強，每個0.8元。

用浮球覆蓋平原水庫水面，可以是局部，也可以全覆蓋，但無論采取哪一種方式，應用攔飄帶使其聚集，以提高防蒸發節水效率。

2.2.2 防蒸發浮板設計

浮板可以是空心或實心。空心浮板多用高密度聚乙烯材料(HDPE)或塑料制成，黑色或彩色，厚度150～300mm，國產每平方米200元，大量需求可降至120～180元；實心浮板多為聚氯乙烯材料(PVC)制成，白色，厚度80～120mm，國產每平方米120元，大量需求可降至80～100元。

用浮板覆蓋平原水庫水面，可以是局部，也可以全覆蓋，但無論采取哪一種方式，也應用攔飄帶使其聚集或用繩索連接，以提高防蒸發節水效率。

圖4 攔飄帶聚集的PVC浮板運行工況圖

圖5 繩索連接的PVC浮板運行工況圖

圖6 塑料空心板運行工況圖

2.3 不同地區年蒸發節水率計算模型

2.3.1 防蒸發浮板節水率計算模型

不同地區可根據當地氣象條件和不同風速下覆蓋材料的蒸發抑制率選取適合當地的防蒸發材料。

表1 不同風速下不同覆蓋材料蒸發抑制率

非冰凍期防蒸發節水率計算：

(1)

冰凍期防蒸發節水率計算：

庫區冰面無積雪地區：η2=1

庫區冰面有積雪地區：η2=0

年節水率計算：

(2)

式中，η1—非冰凍期防蒸發節水效率，%；η2—冰凍期節水效率(水庫冰面無積雪取1，水庫冰面積雪取0)，%；η—年節水效率，%；E0—自然狀態下年蒸發量，mm；E1—為自然狀態下非冰凍期蒸發量，mm；E2—冰凍期冰面(雪面)蒸發量，mm。

2.3.2 防蒸發(加配重)浮球節水率計算模型

非冰凍期防蒸發節水率計算：

(3)

冰凍期防蒸發節水率計算：

庫區冰面無積雪地區：η2=0.91

庫區冰面有積雪地區：η2=0

年節水率計算：

(4)

式中，η1—非冰凍期防蒸發節水率，%；η2—冰凍期節水率，%；η—年節水率，%；E0—自然狀態下年蒸發量，mm；E1—自然狀態下非冰凍期蒸發量，mm；E2—冰凍期冰面(雪面)蒸發量，mm。

3 水庫建筑物附近防蒸發節水結構的布置與設計

防蒸發節水結構設計需充分考慮防蒸發材料與壩坡、進水口、出水口等建筑物的關系，以減少與水庫運行的相互干擾，同時也要考慮與水庫建筑物的結合，以減少工程造價。

3.1 防蒸發節水結構中攔飄帶布設原則

為防止水庫泄水時材料被卷入下泄水流進入下游渠道和灌區，防蒸發材料應離放水閘、溢洪道等泄水建筑物進口有一定的間距，并在水流較緩處設2～3道攔飄帶。

為阻止浮球(板)直接接觸大壩的混凝土、漿砌石和干砌石防浪護坡，造成材料磨損嚴重，必要時可在距防浪護坡一定距離處設置耐磨性強的攔飄帶。

3.2 攔飄帶選擇和布置

制作攔飄帶的材料一般選無毒、抗磨性強的浮箱、浮筒或浮球，浮箱(筒或球)之間為柔性連接。在風浪中，為阻止防蒸發材料隨波浪起伏從攔飄帶上方翻越或從底部穿越造成浮球(板)丟失，所選用的浮箱(筒或球)吃水深度應大于10cm，水面以上高度應為30～80cm。

攔飄帶應有足夠長度且兩端安裝高程應在水庫校核洪水位之上，以保證攔飄帶可隨水位變化而變化，防止攔飄帶被架空，否則浮球(板)隨水流從攔飄帶底部流入渠道或因攔飄帶受自身重力、風浪力等作用，使得與岸坡連接處發生斷裂。攔飄帶應安裝在遠離泄水建筑物且水流緩慢的位置，以避免因水流速過快在攔飄帶附近形成漩渦和涌浪，造成浮球(板)丟失。對于設置2～3道攔飄帶的區域，攔飄帶之間應留有一定距離，防止因風浪作用造成攔飄帶相互纏繞，影響工程運行。

3.3 放水閘孔攔柵設計

為防止浮球(板)和污物進入渠道或下游灌區，放水閘孔進口處設置攔柵，柵條間距應能防止浮球(板)穿過，重要的工程需設置2道攔柵。攔柵底部應在放水閘孔底端以下位置。定期清理聚集在攔柵上的雜草、污物，防止攔柵孔堵塞抬高水位，浮球(板)越過攔柵進入渠道或灌區。

3.4 水庫周邊護欄設計

為防止浮球(板)被盜、動物破壞以及特大風浪下在壩坡前大量堆積或刮離水庫，大壩頂部應設計防浪墻，水庫周邊應設計護欄。

4 干旱區平原水庫防蒸發結構設計實例

以吐魯番市火焰山境內的勝金溝水保三期水庫為例，對干旱區平原水庫防蒸發節水結構的布置和設計進行闡述。水庫所處地域屬典型的大陸性溫暖帶干旱荒漠氣候，主要特點是：干旱、高溫、多風。多年平均氣溫14.1℃，極端最高氣溫49.6℃，極端最低氣溫-29.2℃。多年平均降水量16.2mm，平均蒸發量2845mm。多年平均風速為1.5m/s，最大風速25m/s。

4.1 水庫基本資料

水庫壩型為均質土壩，壩頂高程為26.50m，最大壩高為16.50m，壩頂寬4.0m，壩頂長84.50m，上游壩坡比為1∶3.0，下游壩坡比為1∶6.0，壩體采用復合土工膜防滲，土工膜覆蓋料為1m厚的砂礫石料。本工程設計采用右岸泄水陡槽泄流及輸水，壩體攔擋泥沙。泄水陡坡的堰頂高程為25.00m，泄水陡槽進水口寬度為3.0m，斷面為矩形斷面，結構為鋼筋混凝土結構。

4.2 防蒸發結構設計

水庫選用由新疆農業大學申報國家發明專利的加配重PE浮球作為防蒸發材料，現場布置如圖7所示(陰影部分)。該浮球一方面遇風浪不易上下翻轉，提高防蒸發節水效率；另一方面材料內摻有適量抗老化劑，耐久性大幅度提高。

4.3 進水口攔飄帶布設

該水庫上游多蘆葦，當庫區風向為下游至上游時，浮球(板)被吹至上游蘆葦叢擱淺，造成材料損失，故應在水庫上游進水口較為狹窄處布設1道攔飄帶，如圖7所示。攔飄帶布設在較為狹窄的進水口處，一方面可減少制作攔飄帶的成本，另一方面避免攔飄帶因跨度過大，造成與岸坡連接處發生斷裂。攔飄帶兩端應固定在最高水位之上，防止攔飄帶兩端位于水面以下時，浮球(板)從庫岸兩側進入上游蘆葦叢。

4.4 出水口攔飄帶布設

該水庫出水口位于右岸喇叭口末端，水深淺、水流速大，布設攔飄帶后會出現漩渦和涌浪，造成材料損失。應在喇叭口前端水流速較緩的深水區布設攔飄帶，一方面可避免漩渦和涌浪的形成，另一方面喇叭口附近風浪較小，可避免攔飄帶因風浪力過大造成結構破壞。

4.5 防浪護坡攔飄帶布設

在該水庫上游壩坡附近布設1道耐磨性強的攔飄帶，可避免浮球(板)與壩坡砂礫石料的碰撞造成材料磨損并起到防護迎水壩面的作用，同時也減少了因波浪爬高對壩坡潤濕造成的無效蒸發損失。該水庫防浪護坡的攔飄帶跨度大，結構受力較大，為避免結構破壞，結合水庫地形條件，攔飄帶右端連接處設在喇叭口上游段以削減攔飄帶所受的風浪力，如圖7所示。

4.6 放水閘孔攔柵設計

攔柵底部安裝高程應在25.00m以下，防止材料從攔柵底部穿越進入泄水陡槽。柵條間距應小于所選浮球(板)的尺寸，阻止浮球(板)穿過攔柵進入泄水陡槽，同時間距不宜過小，避免雜物堵塞攔柵影響水庫泄流量或抬高水位使浮球(板)越過攔柵進入泄水陡槽。

4.7 水庫周邊護欄設計

該水庫位于吐魯番市火焰山國家地質公園內，游客較多，為防止材料被盜和人為對結構破壞，水庫周邊(壩頂)應設計護欄，護欄的柵條間距應小于所選浮球(板)的尺寸。

圖7 水庫防蒸發節水結構布置

5 結語

(1)為滿足合適密度、足夠強度、憎水、無毒、耐久性好等要求，防蒸發材料宜由摻入抗老化劑的HDPE或PVC材料制成。

(2)結合防蒸發材料結構和現有生產工藝，宜選取浮球或浮板作為水庫防蒸發材料。

(3)為阻止防蒸發材料從水庫泄水建筑物下泄至渠道或下游灌區，造成材料損失，應在泄水建筑物上游水流緩慢的位置布設攔飄帶并在放水閘孔口處安裝攔柵。

(4)對直接接觸大壩混凝土、漿砌石和干砌石防浪護坡的浮球(板)，應在護坡處布設抗磨性強的攔飄帶作為防護。

[1] GB/T50363- 2006. 節水灌溉工程技術規范[S] ．

[2] GB/T20203- 2006. 農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范[S] ．

[3] DL/T512- 2013. 碾壓式土石壩施工規范[S] ．

[4] 侍克斌, 嚴新軍, 陳亮亮. 內陸干旱區平原水庫節水及周邊土壤鹽漬化防治[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2016．

[5] Henry JF. Evaporation Reduction Physical and Chemical Principles and Review of Experiments[M]. Paris: Nations Education Scientific and Cultural Organization, 1965: 13- 16．

[6] 陳紹澧, 黃斌才. 幾種表面復蓋物對降低水表面蒸發的效應[J]. 地球物理學報, 1959(02): 132- 137．

[7] 廖宗族. 椰油醇渣抑制水面蒸發的研究[J].農業氣象,1979(00):88-93．

[8] 湯傳義, 湯新亮. 天然條件下單分子膜阻蒸發速率的測定[J]. 安慶師范學院學報(自然科學版), 2002(04): 56- 58．

[9] 楊坤, 葉含春, 肖讓, 等. 南疆地區多浪水庫漂浮網格法阻蒸發制劑阻蒸發效率實驗[J]. 水電能源科學, 2015, 33(11): 136- 139．

[10] 馬艷. 單分子膜阻蒸發效果的試驗研究[D]. 新疆: 塔里木大學, 2015．

[11] Wang H, Takle E S, Shen J. Shelterbelts and windbreaks: mathematical modeling and computer simulations of turbulent flows[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2001, 33(1): 549- 586．

[12] Hipsey M R, Sivapalan M, Clement T P. A Numerical and Field Investigation of Surface Heat Fluxes from Small Wind-Sheltered Waterbodies in Semi-Arid Western Australia[J]. Environmental Fluid Mechanics, 2004, 4(1): 79- 106．

[13] 王積強. 水生植物對水面溫度和蒸發量的影響[J]. 干旱區地理, 1994, 17(02): 67- 69．

[14] 丁成. 水草對水面蒸發的影響分析[J]. 甘肅水利水電技術, 2009, 45(01): 17- 18．

[15] Martínez-Alvarez V, BailleA, Molina Martinez JM and GonzaLez-Real MM. Efficiency of shading materials in reducing evaporation from free water surfaces[J]. Agricultural Water Management, 2006, 84( 3): 229- 239．

[16] Al-Hassoun, S. A., Mohammed, T. A. Nurdin, Evaporation reduction from impounding reservoirs in arid areas using palm leaves. Research Journal of Applied Sciences, 2009, 4(4): 247- 250．

[17] Benzaghta, Mohammed. Testing of evaporation reduction metheds in humid climates[J]. Water Managemen, 2012, 166(WM4): 207- 216．

[18] 嚴新軍. 內陸干旱區平原水庫防蒸發節水試驗研究: [D]. 新疆: 新疆農業大學, 2004．

[19] 侍克斌, 嚴新軍, 李玉建. 干旱區平原水庫防蒸發浮板的力學計算[J]. 中國農村水利水電, 2006(11): 92- 94．

[20] 張永山, 侍克斌, 嚴新軍. 防蒸發材料局部覆蓋干旱區平原水庫節水試驗研究[J]. 水資源與水工程學報, 2014, 25(02): 132- 135．

[21] 張永山, 侍克斌, 嚴新軍. 防蒸發塑料空心板局部覆蓋平原水庫節水效果研究[J]. 節水灌溉, 2014(05): 11- 13．

[22] 宋興亮, 侍克斌, 嚴新軍, 等. 內陸干旱區平原水庫防蒸發的EPS輕質混凝土試驗研究[J]. 長江科學院院報, 2015, 32(04): 125- 128．

[23] 宋興亮, 侍克斌. 隔墻板應用于平原水庫防蒸發節水試驗探討[J]. 長江科學院院報, 2015, 32(07): 35- 39．

[24] 宋興亮, 侍克斌. 彩鋼夾芯板應用于平原水庫防蒸發節水試驗探討[J]. 新疆水利, 2015(02): 15- 19．

[25] 張曉浩, 侍克斌, 嚴新軍, 等. 防蒸發浮板覆蓋平原水庫節水效率研究[J]. 長江科學院院報, 2016, 33(04): 6- 10．

[26] 張曉浩, 侍克斌, 嚴新軍, 等. 群板覆蓋下內陸干旱區平原水庫節水效率研究[J]. 人民長江, 2015, 46(08): 23- 26．

[27] 李存立, 嚴新軍, 侍克斌. 不同配重的浮球覆蓋下干旱區平原水庫的節水效率對比分析[J]. 長江科學院院報, 2017, 34(05): 14- 17．

[28] 李存立, 嚴新軍, 侍克斌, 等. 不同面積浮板覆蓋下干旱區平原水庫防蒸發節水效率分析[J]. 水資源與水工程學報, 2016, 27(03): 73- 76+81．

[29] 李存立, 嚴新軍, 侍克斌. 不同厚度的浮板覆蓋下干旱區平原水庫節水效率分析[J]. 水電能源科學, 2016, 34(01): 32- 34．

[30] 韓克武, 侍克斌, 嚴新軍, 等. PE浮球覆蓋下干旱區平原水庫靜水水面蒸發抑制率研究[J]. 水資源與水工程學報, 2017, 28(04): 235- 239.

[31] 王霞, 陳少卿, 成霞, 等. 納米ZnO對聚乙烯抗紫外光老化的影響[J]. 電工技術學報, 2008, 23(10): 6- 10．

[32] 石巍, 張軍. 聚氯乙烯紫外光穩定性研究進展[J]. 塑料科技, 2007, 35(02): 88- 95．