新疆干旱區(qū)平原水庫浮板覆蓋下節(jié)水效率淺析

肖 建

（吐魯番市高昌區(qū)水管總站，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

新疆是我國水資源短缺最為嚴重的地區(qū)之一[1-2]，年均降水量不足200 mm，但年蒸發(fā)量卻高達2000 mm～3000 mm，蒸發(fā)能力為降水能力的8～10 倍，是水資源短缺最嚴重的地區(qū)之一。目前全疆已建成平原水庫489 座，水庫總庫容83.78 億m3，年蒸發(fā)量26.1 億m3，水面蒸發(fā)占總庫容的40%。若能提高水資源蒸發(fā)抑制率，將節(jié)約大量的水資源，其價值不僅僅對于新疆，對整個“一帶一路”中“絲綢之路經濟帶”的“中國—中亞—西亞經濟走廊”沿線國家而言有廣闊的發(fā)展前景，并能產生較好社會、經濟以及環(huán)境效益[3-5]。

關于干旱區(qū)平原水庫節(jié)水的研究，國內外學者進行了不同的嘗試。在國外，2008 年，Bastawesy MA 等利用遙感和 GIS 來評估埃及西南沙漠Tushka 湖的水資源損失[6]；2013 年，Mohamed Hassan 利用基于遙感技術的表面能量平衡方法對納塞爾湖的蒸發(fā)率進行了估計[7]；2015 年美國加利福尼亞將9600 萬個浮球投入 70 萬 m2的水庫來減少水面的蒸發(fā)[8]；2017 年，Ahmed Hassan等人采用地表能量平衡系統(tǒng)（SEBS）方法，通過Terra 地球衛(wèi)星搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測數(shù)據(jù)，利用遙感（RS）和GIS 技術對高阿斯旺水庫計算的月蒸發(fā)率[9]。在國內，2002年侍克斌[10]首次提出在新疆實行水庫節(jié)水的設想，隨后在水庫現(xiàn)場對漂浮材料的節(jié)水效率、穩(wěn)定性、耐久性等一系列指標進行測試；2004 年嚴新軍[11]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浪性能等進行試驗測試；2014 年張永山[12-13]采用聚乙烯塑料空心板作為水庫防蒸發(fā)材料進行了試驗；2015年宋興亮[14-15]選用不同密度、不同厚度的彩鋼夾芯板作為水庫防蒸發(fā)材料，在500 水庫經大量現(xiàn)場試驗；2016 年張曉浩等[16]對不同覆蓋面積下聚乙烯塑料空心板的節(jié)水效率進行研究；2018 年候宗民[17]等對浮球覆蓋度、自由系數(shù)和浮球直徑三個參數(shù)與抑制蒸發(fā)率的關系進行了實驗研究，并利用SPSS 等數(shù)據(jù)軟件對試驗結果進行了數(shù)據(jù)分析；2019 年韓克武[18-19]等用PE浮球91%面積覆蓋下對干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水效率進行分析，通過對浮球潤濕率與風速、覆蓋面積之間的關系進行定性分析，建立了蒸發(fā)抑制率模型。在前人的研究基礎上，結合吐魯番地區(qū)極度高溫干旱的生態(tài)環(huán)境，本文采用浮板作為防蒸發(fā)材料，采用不同面積的覆蓋在水面上，分析不同覆蓋面積下浮板對水面節(jié)水效率的影響。

1 基本情況概述

實驗地點選擇在吐魯番市高昌區(qū)勝金鄉(xiāng)勝金臺水庫。勝金臺水庫由均質大壩（主壩和副壩）、放水洞組成，大壩高11.2 m，長350 m，寬5 m，水庫正常蓄水位100.5 m，總庫容118.99 萬m3，壩頂高程102.31 m。水庫屬于灌注式水庫，主要水源是庫區(qū)周邊的坎兒井水與自流泉水。12 月～3 月為冰凍期，4 月～11 月為非冰凍期，泉水在入庫前有65%的水量被上游灌溉使用，剩余35%的水量進入水庫；該水庫位于吐魯番市以東40 km 處，屬于典型的亞歐大陸性氣候，處于干旱、半干旱區(qū)，水資源困乏；西南鄰近火焰山，北部為天山山脈，整體地勢北高南低中間凹，因地處盆地之中，四周高山環(huán)抱，升溫快，散熱慢，年平均降雨量僅為15.6 mm，蒸發(fā)量則高達2545.7 mm，多年平均氣溫14.4℃，極端最高氣溫47.7℃，極端最低氣溫-25.2℃，年平均風速為6 m/s～8 m/s，年平均8 級以上大風在70 d 以上，最大風速為40 m/s，年平均日照3000 h～3200 h，多年平均相對濕度44%，在空氣最干燥的3 月～5 月，常出現(xiàn)相對濕度為0%的罕見天氣。

2 材料選擇及實驗原理

2.1 材料選擇

根據(jù)已有研究成果，水庫防蒸發(fā)材料應該具有密度低、耐酸堿、憎水無毒、不易于被生物分解等特點[20]，結合現(xiàn)場實驗和經濟對比等情況，本實驗選擇PVC 泡沫聚氯乙烯板為試驗材料。

2.2 實驗原理

實驗所需要觀測的主要氣象數(shù)據(jù)的參數(shù)有溫度（濕球溫度、漏點溫度、風寒、氣溫、水溫）濕度、風速、空氣密度、氣壓、水質等。溫度、風速、氣壓用自動氣象儀（圖1）記錄，日最高、日最低氣溫采用極值溫度計觀測，大氣壓采用試驗站自動氣象站自動檢測，蒸發(fā)量利用蒸發(fā)皿進行觀測，水質用tds 水質測試筆電導率儀檢測。

圖1 自動氣象儀

2.3 實驗設計

實驗選定在蒸發(fā)池中進行，分別在4 個蒸發(fā)池中由浮板覆蓋水面0%、25%、50%與75%。記錄其在自然條件下水面蒸發(fā)量。

圖2 蒸發(fā)池分別覆蓋浮板0%、25%、50%和75%

3 蒸發(fā)量結果及分析

吐魯番市高昌區(qū)勝金鄉(xiāng)勝金臺水庫試驗地點，4 月～11 月為非冰凍期，溫度升高，最高氣溫達到47.7℃，太陽輻射時間長，多大風，在風浪作用下浮板表面潤濕，蒸發(fā)量主要為太陽輻射與浮板潤濕蒸發(fā)的損失，蒸發(fā)量極大。通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)：吐魯番市高昌區(qū)勝金臺水庫現(xiàn)場年平均10 m/s 以上大風10 天以上，水庫現(xiàn)場平均風速6.00 m/s～8.0 m/s，浮板自由漂浮在水面上。

采用水位管測量，每日測量一次，記錄不同覆蓋率蒸發(fā)池每天的蒸發(fā)量情況，見表1、圖3。

表1 月蒸發(fā)量 單位：mm

圖3 不同覆蓋面積蒸發(fā)量變化

根據(jù)抑制水面蒸發(fā)實驗，將抑制水面蒸發(fā)率定義為一段時間內水面蒸發(fā)量與相同條件下天然水體蒸發(fā)量的比值。則水面蒸發(fā)抑制率可以由式（1）求得。

式中：Δ 為水面蒸發(fā)抑制率；M1為無覆蓋浮板條件下水面蒸發(fā)量，mm；M2為覆蓋浮板條件下水面蒸發(fā)量，mm。

通過公式（1），利用表1 月蒸發(fā)量可以計算出覆蓋浮板條件下月蒸發(fā)抑制率變化情況，見表2、圖4。

表2 月蒸發(fā)抑制率 單位：%

圖4 不同覆蓋面積蒸發(fā)抑制率變化

由表1 和圖3 可以明顯看出，水體在經過浮板覆蓋后，蒸發(fā)得到了有效抑制，且隨著覆蓋面積的增加蒸發(fā)量越少。由表2 與圖4 可以看出，浮板分別覆蓋水面25%、50%與75%時，蒸發(fā)抑制率分別為20.6%、38.3%與56.6%。隨著覆蓋面積的增加，蒸發(fā)抑制率差距在不斷縮小。

4 結語

本文在分析總結國內外研究技術防蒸發(fā)的基礎上，通過現(xiàn)場實驗，記錄浮板分別覆蓋水面25%、50%與75%時的蒸發(fā)量，抑制蒸發(fā)效果顯著，可以有效減少水庫巨大的蒸發(fā)損失，對于新疆干旱區(qū)高效節(jié)水意義重大。因此，應加強水庫防蒸發(fā)技術的研究，使其在廣闊的新疆干旱區(qū)平原水庫逐步推廣，緩解水資源短缺的突出問題。