HDPE浮球覆蓋率對(duì)消減水面蒸發(fā)及水質(zhì)的影響

徐思遠(yuǎn) 嚴(yán)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(duì)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(gè)直徑和高度均為1 m的塑膠桶作為蒸發(fā)器，對(duì)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(jìn)行研究，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)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(guān)系，控鹽率與節(jié)水率成正比且滿足線性關(guān)系。浮球覆蓋水面雖有稍微增加水溫的負(fù)面效果，但能改變水面微氣候，當(dāng)覆蓋率為73%時(shí)，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(dǎo)率、懸浮物含量等指標(biāo)的增加速率。水面覆蓋浮球能達(dá)到較好的節(jié)水效果，且對(duì)水體水質(zhì)的惡化起到一定延緩作用。

關(guān) 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(hào)： TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.016

0 引 言

中國(guó)西北干旱區(qū)氣候干燥、降雨量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈［1-2］。該地區(qū)農(nóng)田必須依靠灌溉來(lái)補(bǔ)給作物生長(zhǎng)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(jì)社會(huì)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(kù)。這些水庫(kù)在農(nóng)業(yè)灌溉和當(dāng)?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(kù)蓄水量的40%［4］。蒸發(fā)不僅極大降低了庫(kù)水的利用率和存儲(chǔ)率，而且會(huì)導(dǎo)致水體礦化物濃度增大，影響灌溉作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)能力［5］。因此，減少水庫(kù)蒸發(fā)損失在提高庫(kù)水利用率與灌溉效率上有重要意義。

為減緩水庫(kù)水體的蒸發(fā)損失，前人開(kāi)發(fā)了各種節(jié)水技術(shù)。其中，物理覆蓋法由于其高抑制率、低成本、無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)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(jìn)行水面蒸發(fā)的對(duì)比試驗(yàn)。Al-Hassoun［7］采用棕櫚葉編制的席墊覆蓋水面來(lái)減少蒸發(fā)。2015年，美國(guó)洛杉磯政府花巨資在西爾瑪水庫(kù)投入9 600萬(wàn)個(gè)遮陽(yáng)球，以減緩蒸發(fā)和改善水質(zhì)［8］。國(guó)內(nèi)最早在2004年，嚴(yán)新軍［9］采用聚苯乙烯泡沫塑料板覆蓋部分庫(kù)區(qū)水面以減少無(wú)效蒸發(fā)損失量，從而提高水庫(kù)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(fēng)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(yùn)動(dòng)，通過(guò)建模模擬了不同波高和周期波浪下防蒸發(fā)浮球的波動(dòng)，同時(shí)討論了不同波高和周期對(duì)浮球運(yùn)動(dòng)速度及升沉位移的影響。石興鵬［12］結(jié)合水上太陽(yáng)能電池板漂浮覆蓋水面，對(duì)其覆蓋下的氣象規(guī)律與節(jié)水效率進(jìn)行試驗(yàn)，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(jìn)行研究，對(duì)浮球覆蓋下的蒸發(fā)過(guò)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(bào)道。為了減緩庫(kù)水蒸發(fā)以提高水資源的存儲(chǔ)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(dá)到高效節(jié)水與灌溉的目的。采用浮球覆蓋水面，通過(guò)理論、試驗(yàn)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(guān)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(guān)系式，探討浮球覆蓋后對(duì)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(qiáng)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(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆吐魯番市勝金鄉(xiāng)勝金臺(tái)水庫(kù)水土保持二期空地處，地理坐標(biāo)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(yàn)期間為2022年2～5月，期間試驗(yàn)區(qū)多風(fēng)少雨、日氣溫高且濕度低，風(fēng)速 1.6～4.0 m/s的天數(shù)占試驗(yàn)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(dá)40 ℃，濕度低至10%，特殊氣候?qū)е滤嬲舭l(fā)強(qiáng)烈，使水體礦化物濃度增大。勝金臺(tái)水庫(kù)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(yīng)該滿足一定的密度和強(qiáng)度要求，且具備憎水、無(wú)毒無(wú)害、耐用、成本低等特點(diǎn)［14］。經(jīng)對(duì)比篩選，試驗(yàn)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(yàn)原理

水面的自然蒸發(fā)與諸多因素有關(guān)，如輻射、氣溫、濕度、水汽壓差、水溫、風(fēng)速［15］。總的來(lái)說(shuō)，影響蒸發(fā)的因素主要是輻射和風(fēng)速。水面吸收短波輻射，導(dǎo)致水溫上升。風(fēng)改變了水體表面與上空的水汽壓差，加強(qiáng)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(fù)。浮球覆蓋水面后，吸收一部分輻射的同時(shí)減小了水汽通量。

1.4 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)選定在相同的環(huán)境下，選擇5個(gè)直徑為1 m，高度為1 m的蒸發(fā)器。將4個(gè)蒸發(fā)器開(kāi)口面積均分為四等份，并在蒸發(fā)器25%、50%、75%、100%的開(kāi)口面積內(nèi)放置直徑為10 cm高密度聚乙烯浮球。每個(gè)蒸發(fā)器加入相同量的庫(kù)水，蒸發(fā)器外部包裹棉質(zhì)材料，下方鋪設(shè)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(cè)筆監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)pH、礦化度、電導(dǎo)率，水體懸浮物含量用重量法確定，每日不同時(shí)段不同水層（0，20，40 cm和80 cm）處溫度用溫度桿測(cè)量，同時(shí)用溫度感應(yīng)器測(cè)量球體溫度。在試驗(yàn)期間，NK5500氣象站記錄試驗(yàn)點(diǎn)完整的日氣溫、相對(duì)濕度、大氣壓、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)。

2 理論與計(jì)算

2.1 節(jié)水率計(jì)算

3 試驗(yàn)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(kāi)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(guò)式（1）計(jì)算，各個(gè)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(shí)，抑制蒸發(fā)率（節(jié)水率）為13.3%，30.1%，48.4%和62.1%。在試驗(yàn)期內(nèi)無(wú)覆蓋蒸發(fā)器蒸發(fā)量達(dá)到775 mm，73%覆蓋時(shí)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(guān)關(guān)系，也驗(yàn)證了水面蒸發(fā)是一個(gè)非線性的物理過(guò)程。

3.2 控鹽率

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

由表2可知，當(dāng)浮球覆蓋下節(jié)水率為13.3%，30.1%，48.4%和62.1%時(shí)，對(duì)應(yīng)的控鹽率分別達(dá)到了20.0%，39.1%，69.0%和88.9%。使用SPSS 26進(jìn)行相關(guān)性分析，得出節(jié)水率與控鹽率的關(guān)系式和相關(guān)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。控鹽率y與節(jié)水率x滿足線性關(guān)系式y(tǒng)=1.4286x，經(jīng)皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)可知（表3），節(jié)水率與控鹽率的相關(guān)系數(shù)為0.997，且相關(guān)性在0.01上是顯著的。

3.3 物理覆蓋對(duì)微氣候的影響

3.3.1 水溫和球溫分析

太陽(yáng)短波輻射是水體水汽化所需的最主要能量來(lái)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(duì)不同水深的水溫和球溫進(jìn)行測(cè)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(duì)照組表面水溫都呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。夜間無(wú)輻射時(shí)，球溫主要受氣溫與水溫的影響，此時(shí)段球溫與氣溫大致相同。08：00左右，太陽(yáng)輻射開(kāi)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(dá)到極值，分別為41 ℃和55 ℃。16：00過(guò)后，輻射開(kāi)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(shì)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(guò)程較慢所致。

對(duì)5種覆蓋率下的0，20，40，60 cm和80 cm處不同深度的水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(shì)，18%覆蓋組與對(duì)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(shí)，水面溫度比對(duì)照組高2.4 ℃，這是由于球溫升高導(dǎo)致。隨著覆蓋率的增加，水溫分層更加明顯，最大可達(dá)2.4 ℃。當(dāng)浮球覆蓋率為18%～58%時(shí)，0～20 cm水深處水溫稍高于對(duì)照組，在20 cm以下的水層溫度皆小于對(duì)照組。說(shuō)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(yáng)輻射，減緩了深層水體與淺層水體的熱量交換。

3.3.2 相對(duì)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(shí)氣溫達(dá)到最高，此時(shí)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(duì)照組差別不大。覆蓋率增加到39%時(shí)，濕度平均增加5%左右。浮球覆蓋率為73%時(shí)，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(duì)此時(shí)段的氣象數(shù)據(jù)（包括平均濕度、平均氣溫以及5個(gè)覆蓋率下的蒸發(fā)量）進(jìn)行處理與計(jì)算。結(jié)合式（3）～（5），得出每一時(shí)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(shì)一致。隨著覆蓋率的增加，傳質(zhì)系數(shù)逐漸減小。相對(duì)于未覆蓋水體，浮球覆蓋率為18%，39%，58%和73%時(shí)，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(huì)導(dǎo)致水體無(wú)機(jī)鹽的濃度增大［18］。對(duì)于滴灌和噴灌的灌溉模式，長(zhǎng)期灌溉含鹽量高的水體會(huì)使噴頭或者滴頭處堵塞，降低灌溉質(zhì)量與效率。對(duì)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(shí)也減緩了水體鹽濃度的增加，能減緩“水走鹽留”帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

3.4.2 水體電導(dǎo)率分析

蒸發(fā)器不同覆蓋率下的水體電導(dǎo)率變化如圖7所示。由圖7可知，電導(dǎo)率隨著覆蓋率的增加而減小，無(wú)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(shí)，水體電導(dǎo)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(gè)蒸發(fā)器內(nèi)水體的初始pH值有細(xì)微的偏差。總體上，水體pH值是隨著蒸發(fā)的進(jìn)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(wú)覆蓋水體的pH值增加速率較快，最大值達(dá)到了10.7。同時(shí)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?yàn)橹鳎L(fēng)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(jìn)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(dāng)浮球覆蓋率為18%，39%，58%和73%時(shí)，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(guò)改變浮球在水面上的覆蓋率，對(duì)其節(jié)水效果及其對(duì)水面微氣候和水質(zhì)的影響進(jìn)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(guān)。控鹽率與節(jié)水率成正比，滿足線性關(guān)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(shì)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(dāng)浮球覆蓋率為73%時(shí)，濕度平均增加約12.9%。相對(duì)于自然水面，覆蓋率為18%，39%，58%和73%時(shí)，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(dǎo)率和懸浮物含量增加速率。覆蓋率為18%，39%，58%和73%時(shí)，水體礦化度分別減小了20.0%，39.1%，69%，88.9%；電導(dǎo)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(guò)程中，并未發(fā)現(xiàn)材料本身對(duì)水體水質(zhì)有副作用的影響。但對(duì)于較大的覆蓋率來(lái)說(shuō)，浮球覆蓋會(huì)對(duì)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(hù)的綜合考量，還需要得出一個(gè)最優(yōu)覆蓋率的區(qū)間范圍。而且，當(dāng)浮球應(yīng)用于有航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游景觀要求的水體時(shí)，需要對(duì)抗風(fēng)浪的穩(wěn)定性問(wèn)題、布置結(jié)構(gòu)與方式和覆蓋范圍等具體情況進(jìn)行全面分析。

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（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