EPS浮球覆盖下静水水面蒸发抑制率与最优直径研究

王步之，侍克斌，徐思远，郝国臣，巴哈古丽·沙吉提

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.吐鲁番市高昌区水利局黑沟流域管理站，新疆 吐鲁番 838000）

0 研究背景

我国在“十四五”规划纲要中明确提出要完善水利基础设施建设，进一步提高水资源优化配置能力，提高水资源集约安全利用水平。中国作为世界上最大的发展中国家，随着工业用水、城市用水量持续增加，水资源供求矛盾更加突出[1]，水资源在时空分布上的差异已影响到经济社会发展。中国升温速率高于同期全球平均水平，是全球气候变化的敏感区，这种气候变化不仅让极端天气频发，更加重了蒸发损失的程度。

以新疆为例，水资源是新疆经济发展的制约因素，更是支撑新疆生态环境的基础[2]，1/6 的国土面积仅占有我国3%的水资源，平原水库占比高，每年因渗漏和蒸发损失水量约34.1 亿m3，而蒸发的水量约26.1 亿m3，占总损失量的77%[3]，大蒸发量极大地降低了水库水资源利用率。提高水资源利用效率[4]已经成为世界各国科学家成为众所瞩目的大事件，全方位地解决大水体防蒸发问题对干旱地区的和谐发展意义重大。

通过物理覆盖水面来抑制水体的无效蒸发是一个复杂的跨学科问题，涉及水利工程学科、气候学、统计学、工程经济学，还包含了丰富的物理学科如流体力学、空气动力学和材料科学，因此抑制干旱区平原水库无效蒸发的研究进展缓慢[5]。目前针对不同的蒸发抑制材料仍存在一些问题，例如苯板、塑料空心板[6]等轻型板材，防蒸发效果受限于力学性能[7]。彩钢夹芯板、轻质混凝土板的防蒸发效果较好，但其铺设比较依赖正确的连接方式及连接位置，被刮离库区或出现堆叠情况时，将增加工程维护成本[10]；浮动光伏系统的布置阻止大部分阳光到达水生物种，可能会改变生态周期[8]，投资回收期较长，在偏远山区产生效益的前提是解决电力并网问题。对于防蒸发浮球的研究，近年来已成为国内外学者的研究热点，浮球各种参数对抑制水面蒸发效果的敏感性试验已经相当完善[9]，直径为100 mm 的黑色的PE（Polyethylene）浮球是目前广泛受到认可的防蒸发材料。不同直径浮球的防蒸发节水效率不同，制作成本也不同，市场上现有的各类浮球不能完全满足干旱区平原水库防蒸发节水对其使用年限的要求[10]。以往的科学试验受限于制作浮球模具的高昂费用和偏远地区运输成本，PE 浮球可供选择的直径较少，部分学者对浮球直径的选取相对粗糙，多是定性分析[11]，缺少在试验中更完善的对比论证。MM Shalaby[12]等在户外环境防蒸发试验中，通过不同颜色浮球对蒸发影响的研究表明，黑色PE 浮球的较高导热率使得球体与空气边界层的温度升高，蒸发抑制率最低，而使用白色PE 球作为防蒸发浮球达到了最高的蒸发抑制效率，且对水生微藻的生长有促进作用，但仅采用了90 mm 这一种直径的浮球。

综上，针对目前对水库防蒸发浮球材料以及直径的研究问题，本试验采用新型的白色聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene，EPS)实心浮球，不同于以往通过定性分析来确定浮球直径，而是选用5种定制直径浮球，参考已有的研究方法和研究理论，对不同直径浮球的防蒸发节水效率进行定量研究，旨在对防蒸发浮球材料及直径选择的研究内容进行补充论证，为干旱与半干旱区平原水库防蒸发节水提供一种新的参考方案和实际应用的可能性。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

吐鲁番盆地是世界上海拔最低的盆地，暖温带荒漠气候使得此区域成为西北典型的严重干旱区，周围山地环绕，多砾石戈壁，植被稀少，夏季日照时长超过15 h，干旱酷热且极端干燥。根据吐鲁番市气象局提供的气象站（站点号515730）资料，1957-2021年多年平均气温：15.18 ℃；多年平均最高气温：25.41 ℃；多年平均最低气温：8.71 ℃。年10 ℃以上有效积温达5 300 ℃以上。在1981-2021年的降水数据中[13]，多年平均降水量仅有15.66 mm，由ϕ20 cm 蒸发皿实测2022年蒸发量达3 204 mm。

为了模拟水库气候条件，本试验在吐鲁番市高昌区胜金乡境内的胜金台水库开展，地理坐标：东经89°37′30″，北纬42°56′30″。水库集水面积为31.6 万m2，水库以上控制流域面积88.9 km2，水库正常蓄水位100.5 m，死水位94.5 m，总库容118.66 万m3，水库规模为小（一）型水库。

1.2 试验材料选择

聚苯乙烯(Polystyrene, PS)是一种由苯乙烯单体通过缩聚反应形成的聚合物，浸渍低沸点的物理发泡剂制成可发性聚苯乙烯，经过充分的加热预发泡后，在不同模具中再次加热、加压后形成EPS泡沫，其具有微细闭孔的结构特点[14]，广泛用于建筑、装饰、包装等多种领域。EPS物理性能方面主要有以下几个特点。

（1）密度适宜，材料在水面上呈悬浮状态，隔绝水面与外界环境接触。

（2）无色、无毒、无臭性可以使材料在水体表面长期覆盖下不产生毒素，透光率高，对水生动植物友好。

（3）合适的刚度，热变形温度高，较强的表面硬度，在风浪、碰撞等外力作用下不易产生破坏。

（4）具有一定的抗氧化能力，耐久性好，吸水性极低。耐酸碱介质，在盐渍水中不被腐蚀氧化，使材料使用年限更长久，最大程度地发挥防蒸发效益。

本试验采用的实心EPS浮球(见图1)密度均为18 kg/m3，脆化温度-30 ℃左右，软化温度80 ℃以上，熔融温度为150 ℃左右，吸水率0.03～0.50，透光率近90%，折射率为1.59～1.60。

图1 本试验选用的EPS浮球Fig.1 The EPS float ball used in test

由于EPS 材料密度相比PVC、PE 都更低，覆盖在水面时吃水深度更小，浮球接触点与水面形成的的空间体相比PVC、PE 浮球更大，使得在夜间水体向大气散热通道更宽广（见图2），有利于水体散热。同样覆盖1 m2的水面，EPS浮球的总费用为40 元/m2，为铺设PE 浮球总费用的80%[9]。综上，从物化性能以及适用性、经济性多角度综合考虑，本试验采用白色EPS浮球作为防蒸发材料。

图2 浮球排列及空隙示意图Fig.2 Schematic diagram of EPS float ball and the arrangement of hole

1.3 现场布置

本次试验在自然条件相同的情况下，采用六个圆柱体橡胶桶作为蒸发器，进行室外试验。蒸发量的观测主要通过ϕ20蒸发皿、E-601B 型蒸发器等仪器，由于E-601B 型蒸发器安装较复杂，且本实验需要至少6个蒸发器，故选用结构更加简单、安装便捷的圆柱蒸发器，在现场设置ϕ20 cm 蒸发皿作为蒸发量对照。蒸发器直径1.2 m，高0.8 m，桶壁厚4.5 mm。装满水后桶体保持为圆柱体不发生明显形变。在橡胶桶外侧紧实包裹三层石棉以减小导热系数，在橡胶桶底部垫100 mm 硬质泡棉（PUF）以隔绝地表热量，使用水平仪调整蒸发器与地面水平。在试验前对蒸发器密封性进行测试，以保证在试验过程中避免水体流失而造成试验误差。开展蒸发试验时，抽取水库中的表、中、底三层水分别注满6 个蒸发器至同一水位，分别放入不同直径的浮球铺满水面，实测覆盖率见表1。

表1 试验布置方案Tab.1 Test design

现场布置两个雨量计来测量试验期间的降雨量。为了消除降雨的影响，从蒸发损失中减去雨量计的读数。在每个蒸发器中心，安置COS-03 型湿度记录仪于浮球-水面构成空间体中。具体布置见图3。

图3 实验场地及布置图Fig.3 Test site and setup layout

1.4 试验原理

水利工程中常见的蒸发即液态水转化为气态的相变过程，该过程存在热量交换。影响水体蒸发速率的主要因子有4 个：水体、热源、饱和水汽压差、风速与湍流扩散强度。在空气动力学中，饱和水汽压差、风速与湍流扩散强度又称为蒸发驱动力和空气传质系数。湿空气的浮力和水体本身的对流会对蒸发的持续性产生重要影响。

水体表面积是影响蒸发速率的重要因素。太阳通过热辐射的方式直接或间接的向水体传递热量，水体传入热量受辐射强度及辐射时长影响。利用在水体表面覆盖悬浮球的方法，可对水体产生以下影响：

（1）阻碍和反射太阳辐射来影响热传递过程，同时减少水体传入能量，控制水体总能量，减少并延缓水体的温升过程。

（2）覆盖表面水体，大幅减少水体暴露面积。

（3） 减弱风对水体表面附近空气的扰动（湍流扩散强度）。

（4）在浮球-水面-球心所在水平面之间形成二相空间体，在逸出水面的水分子扩散至大气前提供了一个缓冲区，减小了水面以上一定高度内的水汽压差。

对于无法避免的热辐射被表层水体吸收之后，表层水体能量增加，一部分能量通过蒸发作用与大气产生能量交换，一部分由水质点的能量交换自表面水体依次传递至底层水体，当水体总热量的摄入速率小于流失速率，水体开始散热，每24 h经历一次循环。

本文在整个非冰冻期内，计算不同直径浮球蒸发抑制率，综合多种气象数据，对5种直径的EPS浮球防蒸发效果与空白对照组对比，进行定量分析，确定蒸发器试验中EPS 浮球的最佳直径。

2 试验结果与分析

2.1 表层水温变化分析

试验过程中蒸发器内水深维持50～60 cm，水量维持在0.57～0.70 m3，由于浮球覆盖减少水体的能量通量，又因水的比热较大，导致蒸发器不同深度的水体温度在一天内呈现出不同程度的分层变化。浮球的覆盖减少了进入水体的能量，导致各蒸发器表层水温出现差异，实测不同直径浮球覆盖下各月表层水温平均值见图4。

图4 各蒸发器表层水温变化Fig.4 The temperatures of surface water vary in each evaporator

在干旱区，表层水体温度直接影响蒸发速率。从图4中可以看出，直径为10 mm 浮球能最大程度地降低表面水体温度，而直径为40 mm 浮球降低表面水体温度的程度最小。由于EPS材料本身属于隔热材料，导热率低，覆盖水面后降低了水面温度，提高了蒸发抑制率；相比以往试验采用的PE 浮球，EPS浮球对太阳辐射吸收率较低，反射率高，浮球平均温度较PE 浮球低30%～50%[11]，其他条件相同时浮球湿润部分的蒸发速率相比PE球更低。

2.2 湿度变化分析

蒸发的实质是水蒸汽的湍流输送。饱和水汽压差（Vapor Pressure Deficit, VPD）是指在一定温度下，饱和水汽压与空气中的实际水汽压之间的差值[15]。当存在VPD 时，湍流会造成水汽分子由水汽压高的地方向水汽压低的地方输送。不论是微观上还是宏观上，水汽分子扩散的过程从近水面到大气中会有较明显的湿度分层，而这种湿度梯度愈大，水汽扩散的动力愈强，蒸发速率愈大。

试验中测量五种浮球与水面形成的空间体湿度及大气湿度数据，计算大气与空间体相对湿度的差值来分析不同直径EPS浮球抑制蒸发效果的情况，取夏季典型某天数据见图5。

图5 大气与不同直径浮球空间体的相对湿度差Fig.5 The difference relative humidity between the atmosphere and the space bounded by spheres

空间体中的相对湿度越高，则水面表层水蒸气的实际水汽压越接近同等温度下水的饱和气压，水体表面水分蒸发越慢，减少了水分子向大气中扩散，起到抑制水面蒸发作用[16]。由图5 可知，40 mm 和80 mm 的浮球构成的空间体相对湿度较大，湿度上升梯度大，其中40 mm 浮球空间体对逸出水面的水汽分子聚拢效果最好，延缓了蒸散过程。相比PE 浮球，EPS浮球由于吃水深度小，同等浮球直径下与水面围的空间体更大，对已经逸出水面的水汽聚集效果更好，为部分逸出的水汽缓慢放热重新冷却为液态返回水体提供时间。

通过对湿度数据处理发现，蒸发存在于任何时刻，规律明显。较大的直径导致空间体湿度上升滞后，且在辐射量开始减小时蒸散作用更强。除10 mm 直径浮球外，其余4种直径浮球覆盖的水面蒸发速率达到最高点之后均呈明显降低趋势。到达傍晚时刻，环境温度降低，VPD 减小，且由于试验点紧挨库区，环境湿度迅速升高，当环境湿度大于空间体湿度，空气中多余的水汽凝结，附在浮球表面，水分子积累到一定质量后重新落回蒸发器中。

2.3 蒸发抑制率分析

在蒸发器试验中，每日20:00 对各蒸发器水位使用同一水位测针（游标精度0.1 mm）进行测量，测得各直径浮球覆盖下蒸发器累积蒸发量见图6。

图6 不同直径EPS浮球累积蒸发量Fig.6 Cumulative evaporation capacity of all evaporators with different diameters balls

本试验蒸发抑制率采用体积法，按式（1）计算：

式中：R为各蒸发器蒸发抑制率，%；R1为各蒸发器蒸发量，mm；R0为空白组蒸发器蒸发量，mm。

由各月累积蒸发量数据计算蒸发抑制率，结果见表2，绘制蒸发抑制率与浮球直径关系图见图7。

表2 不同直径浮球覆盖蒸发器的蒸发抑制率Tab.2 Evaporation suppression efficiency by month

图7 蒸发抑制率-浮球直径关系图Fig.7 Evaporation suppression efficiency- diameter diagram of floating ball

从表2 的计算结果中可知，5 种直径EPS 浮球中，除150 mm 直径浮球外，直径为40 mm 的浮球在各月的蒸发抑制率中均为最高，且在整个非冰冻期内的蒸发抑制率最高。

由图7可知，在静水覆盖试验中，蒸发抑制率与浮球直径之间呈非线性关系，在直径为40 mm 附近时较高，大于100 mm PE 浮球非冰冻期内蒸发抑制效率70.6%[10]。浮球紧密排列时，小直径浮球对应更小的孔隙，在夏季正午太阳高度角最大，阳光可以透过孔隙直射水面，而在150 mm 浮球覆盖下，夏季任何时刻均无阳光直射水体，同时大直径浮球在蒸发器有限的空间内对削减风速作用效果更加明显，出现8 m/s 及以上风速时水面波动最小，且浮球湿润率最低，以上原因使得150 mm浮球蒸发抑制率略高于120 mm浮球。

考虑到风浪的影响，在人工池塘和库区风速较小的水库铺设时，应选用40～80 mm直径的EPS浮球。

2.4 EPS浮球耐久性分析

通过统计试验期间浮球损坏数量，判断EPS 材料是否满足作为防蒸发浮球的适用性。经过两个月冰冻试验与十个月的蒸发器试验，因冻融作用导致严重形变、剥离分解的球体占0.16%，因光照、润湿和风化破坏的球体占0.44%，总破损率约为0.6%，氧化变色后对防蒸发性能无明显影响，常见破坏形态见图8。

图8 EPS浮球常见破坏形态Fig.8 Common failure modes of EPS ball

2.5 经济性分析

由于本试验采用的为实心浮球，浮球规格决定原材料消耗量，也决定着方案成本。球体平铺水面且处于紧密排列时覆盖率为91%，此时每覆盖1 m2水域中的浮球在水面的投影面积为0.91 m2，以此面积计算覆盖每平方米水域所需浮球数量（n）。通过咨询若干厂家，已知五种直径浮球的平均采购单价，计算的每平方米铺设费用结果见表3。

表3 浮球费用初步计算Tab.3 Preliminary calculation of floating ball cost

由表3可知，覆盖相同面积的水域时40 mm 和80 mm 浮球比较经济。其中铺设直径40 mm 的EPS 浮球费用约为直径100 mm的PE浮球费用的80%[10]，且防蒸发效果更佳，从经济性考虑，40 mm EPS浮球具优势。

3 结论与展望

（1）在户外蒸发器覆盖试验中，直径40 mm EPS浮球所覆盖水面温度最高，大气与空间体平均相对湿度差最大，非冰冻期蒸发抑制率最高，蒸发抑制效果最佳。直径为10 mm 的EPS浮球在最大程度上降低了表面水体温度，但空间体与大气湿度差较小，节水效果最差，说明在EPS 浮球覆盖下，蒸发器水体蒸发速率对空间体相对湿度更加敏感。

（2）试验表明，白色EPS 浮球能显着地抑制蒸发，5 种浮球的蒸发抑制率均随平均气温升高而降低，在非冰冻期内EPS浮球蒸发抑制率最高达到76.31%。结合以往对不同直径PE 浮球的实验结果[10]，抑制小型水体蒸发时采用直径为40 mm 的EPS浮球效果较好且更经济。

若要投入水库工程中使用，还需要继续进行风浪试验[10]，以研究在风浪条件下EPS 浮球的工作情况与防蒸发效果，从静水和风浪两个条件下去综合考虑最适宜的浮球直径。作为环境友好材料，EPS 材料回收价格也十分可观[17]，对浮球循环利用将大幅减少干旱区水库防蒸发工程成本。EPS浮球为干旱区水库防蒸发项目提供新的选择，在气候条件更加特殊的地区，可以添加基于有机硅、含氟聚合物等抗氧化剂，或使用可交联聚合物粘合剂的涂料，这些涂料可抵抗紫外线损伤和风化，使浮球获得更高的耐久性[18]，并在露天工况下保持多年稳定，使得工程整体造价进一步降低[19]。