徐思遠(yuǎn) ,嚴(yán)新軍,王海濤,侍克斌

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052; 2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052)

0 引 言

水資源短缺一直是制約我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題,也是世界范圍內(nèi)的重大問題[1-2]。特別是我國(guó)干旱區(qū)水面蒸發(fā)強(qiáng)烈,是水資源缺乏最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[3-4]。比如新疆,由于遠(yuǎn)離海洋身居內(nèi)陸,光照時(shí)間長(zhǎng),全年降雨稀少,大部分地區(qū)的年降水量不足200 mm,但是年蒸發(fā)量卻高達(dá)2 000～3 000 mm,給當(dāng)?shù)氐钠皆畮旌退猎斐闪藝?yán)重的水量損失。該地區(qū)已建的564座平原水庫總庫容約59.3億m3,年蒸發(fā)量約為26億m3[5]。為了減少水體不必要的蒸發(fā),提高水資源利用率,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)如何抑制自由水面蒸發(fā)問題進(jìn)行了研究。例如Ruskowitz[6]采用透明浮盤對(duì)鹽梯度太陽池的蒸發(fā)抑制和儲(chǔ)熱進(jìn)行研究,結(jié)果表明,浮盤全覆蓋太陽池(覆蓋率為88%)抑制蒸發(fā)率為47%,熱量從179 MJ增加到220 MJ。美國(guó)加利福尼亞政府將9600萬個(gè)浮球投入洛杉磯水庫用來防蒸發(fā)[7]。在國(guó)內(nèi)的研究中,多以黑色聚乙烯(Private Equity,PE)浮球和PE塑料空心板為覆蓋材料進(jìn)行研究。胡洪浩等[8]采用3種不同的材料(苯板、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride Polymer,PVC)浮板、PE浮球)與光伏發(fā)電相結(jié)合進(jìn)行防蒸發(fā)試驗(yàn),年節(jié)水效率分別為95.92%、96.59%、83.18%。石興鵬等[9]采用光伏發(fā)電板與浮球相結(jié)合的運(yùn)行方式,在一整年的防蒸發(fā)試驗(yàn)周期中,最大蒸發(fā)抑制率為88.6%,最小為12.1%。韓克武等[10]采用高密度聚乙烯(High Density Polyethylene,HDPE)浮球覆蓋水面對(duì)水庫節(jié)水效率進(jìn)行了分析,通過對(duì)浮球濕潤(rùn)率、覆蓋面積和風(fēng)速之間的關(guān)系進(jìn)行分析,得出抑制蒸發(fā)率計(jì)算模型。

盡管對(duì)于抑制蒸發(fā)的技術(shù)研究相較成熟,但是物理覆蓋下水體蒸發(fā)的物理過程、能量平衡的再建以及蒸發(fā)量的計(jì)算的研究鮮有報(bào)道。本項(xiàng)目通過浮球覆蓋水體對(duì)其抑制蒸發(fā)過程進(jìn)行相關(guān)研究,以達(dá)到如下目的:①在能量平衡方程的基礎(chǔ)上,在月際尺度下研究自然水面和浮球覆蓋下水體在整個(gè)非冰期各能量組分的變化情況,揭示浮球覆蓋水面后抑制其蒸發(fā)的物理變化過程。②以自然水面蒸發(fā)量計(jì)算模型中的組合模型(彭曼模型)為基礎(chǔ),對(duì)自然水面蒸發(fā)模型中的空氣動(dòng)力項(xiàng)和輻射項(xiàng)進(jìn)行修正,建立浮球覆蓋模式下水面蒸發(fā)計(jì)算模型。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

勝金臺(tái)水庫試驗(yàn)區(qū)位于新疆吐魯番市勝金鄉(xiāng)以南6 km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)的年平均降雨量為16.6 mm,最大降雨量為48.4 mm,年平均蒸發(fā)量為2 845 mm。氣候特點(diǎn):夏季干燥炎熱,冬季寒冷多風(fēng),相對(duì)濕度較小,日照時(shí)間長(zhǎng),晝夜溫差大,多大風(fēng)等。年平均風(fēng)速為1.5 m/s,最大風(fēng)速為25 m/s。試驗(yàn)期為完整非冰期2021年7—10月和2022年3—6月。

1.2 試驗(yàn)布置

如圖1所示,在水庫壩體后方空地處放置2個(gè)高度為1 m、直徑為1 m的PVC塑料桶,選擇直徑100 mm的黑色高密度聚乙烯材質(zhì)的浮球作為覆蓋材料。蒸發(fā)器外壁裹上隔熱棉,底部鋪墊酯酸乙烯(Ethylene-Viny Acetate,EVA)共聚物塑料隔熱板,以減小蒸發(fā)器壁與外界的熱量交換。2個(gè)蒸發(fā)器加入等量庫水,每日20:00通過水位測(cè)針測(cè)量2個(gè)蒸發(fā)器內(nèi)日水位;為減小水體容量對(duì)蒸發(fā)的影響,每隔3 d往2個(gè)蒸發(fā)器內(nèi)注入同溫庫水至同一水位,每間隔1 h用溫度感應(yīng)器監(jiān)測(cè)球體溫度和不同水層(0、0.2、0.4、0.6、0.8 m處)水溫。整個(gè)非冰期的氣象數(shù)據(jù)如風(fēng)速、濕度、大氣壓、氣溫、太陽輻射等數(shù)據(jù)采集于蒸發(fā)器旁的自動(dòng)氣象站。

圖1 試驗(yàn)布置

2 模型構(gòu)建

對(duì)于水面部分覆蓋面積的蒸發(fā)研究表明[11],覆蓋面積和蒸發(fā)過程之間存在非線性關(guān)系,這種非線性歸因于水汽從覆蓋體間隙穿過粘性空氣邊界層的擴(kuò)散和間隙溫度的潛在影響。Assouline等[12]的試驗(yàn)結(jié)果表明,單位面積間隙較小的蒸發(fā)速率大于間隙較大的蒸發(fā)速率。因此能量平衡各項(xiàng)所占比重也會(huì)有所變化,所以在設(shè)置覆蓋方式時(shí)要考慮這些因素導(dǎo)致的額外的能量約束。每一個(gè)覆蓋率下的浮球采取緊密接觸,本試驗(yàn)浮球緊密排列下計(jì)算得到覆蓋率為73%。

2.1 水面能量平衡

2.1.1 開放水域的能量平衡

自由水面的能量平衡方程可表示為[13]

Rn+λE+G+H=0 。

(1)

式中:Rn為水面凈輻射(W/m2);λE為潛熱通量(W/m2),λ為汽化潛熱系數(shù);水量蒸發(fā)量E(mm/d)通過每日的測(cè)量得出;G為蓄熱通量(W/m2);H為顯熱通量(W/m2);當(dāng)G和H都指向水面時(shí)規(guī)定為正,離開表面時(shí)規(guī)定為負(fù)。

2.1.2 自然水體表面的輻射平衡

根據(jù)能量守恒的原理,自由水面的凈輻射平衡可表示為

(2)

式中:Rnw為水面的凈輻射;αsw為水體短波吸收速率;Sr為短波輻射;αlw為水體長(zhǎng)波吸收速率;Lr為水體的總長(zhǎng)波輻射;γlw為水輻射率;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)(5.68×10-8W/(m2·K-4);Tw為水體溫度(K)。

根據(jù)能量守恒原理,浮球表面的凈輻射平衡可表示為

(3)

式中:Rnb為球面凈輻射;αsb為球面短波吸收率;αlb為球面長(zhǎng)波吸收率;γlb為球體反射率;Tb為球體溫度(K)。

在本研究中,我們把浮球和水面作為一個(gè)整體進(jìn)行分析,結(jié)合式(2)、式(3),整個(gè)水面在不同浮球覆蓋率下的凈輻射平衡可表示為

(4)

式中:ρ1為浮球覆蓋率(ρ1+ρ2=1,ρ2為浮球未覆蓋率)。 根據(jù)現(xiàn)有研究[14](αsw≈0.9,αlw≈0.97,γlw≈0.97,γlb≈1)。 黑色聚乙烯的輻射吸收率αsb、αlb≈1, 長(zhǎng)波反射率對(duì)凈輻射的影響很小,一般可以忽略。

2.1.3 潛熱通量λE

潛熱通量的獲取可以通過蒸發(fā)量的測(cè)量值直接計(jì)算得出或者由式(5)計(jì)算得出

(5)

式中:E為蒸發(fā)量(kg/(m2·s));ρ為空氣密度(kg/m3);cp為空氣的熱容(J/(kg·℃));hv為傳質(zhì)系數(shù)(m/s);γ為濕度常數(shù)(kPa/℃);Δes為水面與空氣的蒸氣壓差(kPa)。

水面與空氣的水汽壓差Δes為

Δes=es(T)-ea。

(6)

式中:Δes為水面上的飽和蒸汽壓(kPa);ea為水面上方一定高度的水汽壓(kPa);es(T)為飽和水汽壓差(kPa);T為氣溫(℃)。

采用Magnus-Tetens公式計(jì)算飽和蒸汽壓,即

(7)

實(shí)際水汽壓ea為

ea=RH·es(T) 。

(8)

式中RH為相對(duì)濕度(%)。

結(jié)合式(5)—式(8),通過代入不同覆蓋條件下的月際水汽壓差與蒸發(fā)量均值,可以求得逐月自由水面及覆蓋水面下的水汽間傳質(zhì)系數(shù)hv。

2.1.4 蓄熱通量G

對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行隔熱處理,我們假設(shè)容器周圍與底部與環(huán)境的熱量交換可忽略不計(jì)。對(duì)于自由水面和有蓋容器水體,我們對(duì)不同的溫度剖面層進(jìn)行計(jì)算,蓄熱通量的計(jì)算如下[15-16]:

自由水面的水體蓄熱為

(9)

浮球覆蓋水面的水體蓄熱為

(10)

式中:Cw為水在不同層間的熱容(J/(kg·℃));n為水體層數(shù),本研究n=4;Zi為每一層的厚度(m);ΔTw為連續(xù)兩天期間各層水溫的差值,Δt=1 d;Cb為球體的熱容(J/(kg·℃));w為浮球個(gè)數(shù);m為單個(gè)浮球的質(zhì)量(kg);ΔTb為連續(xù)兩天期間各層水溫的差值。

2.1.5 感熱通量H

在能量平衡方程中,感熱通量H可作為剩余項(xiàng)由式(1)得出,空氣-水界面的感熱通量H也可根據(jù)潛熱通量與感熱通量的類比,以傳質(zhì)系數(shù)和顯熱通量中傳熱系數(shù)相似的理論進(jìn)行計(jì)算。傳質(zhì)系數(shù)可結(jié)合2個(gè)蒸發(fā)器每月蒸發(fā)量實(shí)測(cè)值及式(5)—式(8),可分別得到自由水面與浮球覆蓋下的水面這兩者的水汽傳質(zhì)系數(shù)。

自由水面感熱通量H1為

H1=ρcpHs1(T-Tw1) ;

(11)

浮球覆蓋下后感熱通量H2為

H2=ρcpHs2(T-Tw2) 。

(12)

式中:Hs1、Hs2分別為自由水面與覆蓋組的傳熱系數(shù),可根據(jù)傳熱與傳質(zhì)的相似原理[17],令Hs≈hv;Tw1、Tw2分別為自由水面與覆蓋組的表面溫度,其中Tw2=ρ1Tb+ρ2Tw,該式字符含義同式(4)。

波文比β可由式(5)、式(11)、式(12)得出,即

β=H/(λE) 。

(13)

2.2 蒸發(fā)量計(jì)算模型

目前常用的蒸發(fā)量估計(jì)算法大致可以分為空氣動(dòng)力學(xué)法[18]、能量平衡法和組合方法[19-21]。與自由水面能量平衡體系相比,在水面覆蓋黑色高密度聚乙烯浮球時(shí),吸收的凈輻射主要被分配到顯熱通量與潛熱通量。由于黑色高密度聚乙烯覆蓋下水溫較自由水面更高,故水體蓄熱高于自由水面,以能量平衡方程中(Rn-G)作為蒸發(fā)的可用能量來源顯然會(huì)高估蒸發(fā)量。覆蓋物對(duì)水面附近的風(fēng)速以及水汽擴(kuò)散通道的改變,影響水汽間的傳質(zhì)系數(shù)的改變。有研究顯示[22],遮陽網(wǎng)全覆蓋下水面附近風(fēng)速減小約91%,水面與大氣間水汽傳質(zhì)系數(shù)降低約55%。浮球覆蓋率為76.4%時(shí),水面和大氣間的水汽傳質(zhì)系數(shù)降低約75.3%[23]。

根據(jù)上文所述,根據(jù)浮球覆蓋水面后平衡方程各能量平衡組分和水汽傳質(zhì)系數(shù)的改變,對(duì)蒸發(fā)量組合計(jì)算模型中的能量項(xiàng)與干燥力項(xiàng)進(jìn)行修正,建立物理覆蓋水面的蒸發(fā)計(jì)算模型。

(1)自由水面的蒸發(fā)模型。自由水面蒸發(fā)模型目前較為成熟且應(yīng)用較多的是道爾頓模型,公式描述為

E=hvU(ew-ea) 。

(14)

式中:E為水面蒸發(fā)量(mm/d);ew為水面飽和水汽壓(kPa);ea為水面上空1.5 m處水汽壓(kPa);U為離地2 m處風(fēng)速(m/s)。

(2)能量平衡模型。能量平衡模型基于水面能量平衡原理,考慮了大氣和水體參數(shù)對(duì)蒸發(fā)的影響,結(jié)合式(1)與式(13)變換可得能量平衡蒸發(fā)計(jì)算模型,即

(15)

式中β為波文比,其他字符含義同式(1)。

(3)彭曼模型。英國(guó)學(xué)者根據(jù)彭曼通過聯(lián)解能量平衡方程式(1)和空氣動(dòng)力學(xué)方程式(14),得出水面蒸發(fā)計(jì)算量的組合公式,即

(17)

式中:E為水面蒸發(fā)量(mm/d);Rn為水面輻射平衡值(W/m2);G為地表熱通量(W/m2);f(u)為風(fēng)函數(shù);Δ為飽和水汽壓曲線的斜率,根據(jù)式(17)可以算出;γ為干濕球常數(shù),與氣壓有關(guān),標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為0.066 kPa/℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒸發(fā)量與抑制率

兩個(gè)蒸發(fā)器在完整非冰期內(nèi)的蒸發(fā)量E0(對(duì)照組)、E1(覆蓋組)與蒸發(fā)抑制率η如表1所示。在試驗(yàn)期內(nèi),自由水面蒸發(fā)量達(dá)到了2 062.4 mm,浮球覆蓋率為73%的蒸發(fā)器蒸發(fā)量為788.6 mm。2個(gè)蒸發(fā)器內(nèi)水體蒸發(fā)量在3—10月份呈先增后減的趨勢(shì),均在氣溫最高的7月份達(dá)到最大,分別為341.5 mm和135.6 mm。兩蒸發(fā)器在6—8月份的總蒸發(fā)量分別占到總體的47.1%和48.8%,說明6—8月份是該區(qū)的蒸發(fā)最強(qiáng)烈的月份。浮球的蒸發(fā)抑制率總體呈現(xiàn)微弱的先減小后增大的趨勢(shì),最大是4月份為65.3%,最小是6月份為60.0%,平均抑制率為61.8%。

表1 蒸發(fā)量與蒸發(fā)抑制率

3.2 蒸發(fā)過程氣象因素的變化

3.2.1 氣溫、水溫與球溫的變化

浮球覆蓋水面,吸收并反射了部分太陽輻射,使水面直接吸收太陽輻射的面積減少。球溫的變化主要取決于輻射量大小以及浮球材質(zhì)的熱傳導(dǎo)效率。水溫不僅受輻射量和水面的輻射吸收率的影響,球體與水面間的熱傳導(dǎo)也是水溫變化的一個(gè)因素。氣溫、水溫和球溫的月均變化如圖2所示,以月尺度上看,三者均呈相同變化趨勢(shì),即先增后減,在輻射量最大的7月份均達(dá)到峰值。黑色浮球由于其輻射吸收率較高,其月均溫度隨著輻射的增強(qiáng),顯著高于水溫和氣溫,7月浮球的月均溫度達(dá)到40.2 ℃。在最熱的6—8月份,月均氣溫高于月均水溫,而在其他月份,月均氣溫都要略低于月均水溫。這可能是水體比熱容大于空氣熱容且日均氣溫極差不大所導(dǎo)致的結(jié)果。浮球覆蓋下的水體,雖然浮球吸收和反射部分輻射,但是球體較高的熱擴(kuò)散率,導(dǎo)致球體覆蓋下的水溫略高于自由水面水溫。

圖2 氣溫、水溫和球溫變化

3.2.2 蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)力

驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)過程的動(dòng)力,一方面是分子的熱運(yùn)動(dòng),在液體表面的部分分子動(dòng)能大于逸出表面所需要克服的功時(shí),這些分子從表面逸出。另一方面是液體表面的蒸氣壓,當(dāng)其大于外界蒸氣壓時(shí),也驅(qū)動(dòng)著蒸發(fā)過程的進(jìn)行。結(jié)合式(6)—式(8)及兩蒸發(fā)器近水面的相對(duì)濕度,試驗(yàn)期內(nèi)液體表面水蒸氣壓差月均變化如圖3所示。由圖3可知:覆蓋組與未覆蓋組水汽間的月均水汽壓差變化趨勢(shì)一致;從整體來看,覆蓋組水汽壓差值比未覆蓋組水汽壓差值平均要增加5.1%左右,約為0.97 kPa,6月份最大差值為1.89 kPa;在濕度較大的3、9和10月份,兩者的差值很小。浮球覆蓋水面后改變了其水汽蒸發(fā)通道,進(jìn)而改變了水分子逸出水面的傳輸速率。這一點(diǎn)從水汽間的水分子傳質(zhì)系數(shù)可以直觀看出,通過式(5)與兩蒸發(fā)器各月的水汽壓差值可以推導(dǎo)其傳質(zhì)系數(shù)hv1(覆蓋組)、hv2(未覆蓋組)數(shù)值如表2所示。

表2 傳質(zhì)系數(shù)

圖3 水汽壓差

浮球覆蓋后與未覆蓋相比,水面與大氣間的水汽壓差更大,水蒸汽逸出水面過程必定會(huì)受阻,導(dǎo)致水汽間的水分子傳質(zhì)系數(shù)更小,從而起到抑制蒸發(fā)的作用。由表(2)可算得,水面在73%的浮球覆蓋率下其整個(gè)非冰期的傳質(zhì)系數(shù)平均減少了64.2%。

3.3 能量平衡組分的變化

3.3.1 自由水面的能量平衡

圖4給出了自由水面的能量平衡方程各組分在3—10月份的變化趨勢(shì)。如圖4所示,水面吸收的太陽短波輻射與大氣長(zhǎng)波輻射是蒸發(fā)過程進(jìn)行的動(dòng)力來源之一。與此同時(shí),水體之外的大氣環(huán)境的溫度也隨之變化。水面吸收的凈輻射和水汽間的感熱通量幾乎為蒸發(fā)過程提供了全部能量,在3—7月份,輻射通量與顯熱通量的97.0%～99.8%(分別為144.37～311.71 W/m2)用于蒸發(fā)過程的消耗。在8—10月份,隨著輻射量的降低,月均氣溫和水溫較之前一個(gè)月有所降低,水面吸收的輻射與顯熱通量用于蒸發(fā)消耗后過剩的能量存在于水體的蓄熱中。潛熱通量與水面凈輻射通量的變化規(guī)律相似,7月份水面吸收凈輻射達(dá)到最大值185.78 W/m2,潛熱通量也達(dá)到最大值-312.33 W/m2(符號(hào)僅代表方向)。在整個(gè)非冰期內(nèi),自由水面水體的蓄熱通量G的值在逐月氣溫上升的3—7月份時(shí)為正(-0.28 W/m2

圖4 自由水面能量平衡各組分變化

3.3.2 覆蓋浮球后水面的能量平衡

浮球覆蓋水面之后對(duì)整體水面能量平衡各組分?jǐn)?shù)值變化與蒸發(fā)過程都產(chǎn)生了較大影響。圖5給出了浮球覆蓋水面后整體的能量平衡方程各組分的變化特征。浮球吸收并反射了部分輻射,使得整體水面吸收的輻射量有所減少,相較于自由水面,73%的浮球覆蓋率下的整體水面凈輻射吸收率減小約12.6%。并且蓄熱通量的數(shù)值與符號(hào)變化較為明顯,與自由水面不同的是,聚乙烯材質(zhì)浮球的比熱容大,吸散熱速率快,且能向水體傳導(dǎo)或吸收部分熱能,導(dǎo)致水體的整體蓄熱量有較大的起伏(-13.58W/m2

圖5 覆蓋水面下能量平衡各組分變化

浮球覆蓋水面減少輻射吸收的同時(shí),另一個(gè)直接的影響是相較于自由水面(-117.15 W/m2<λE<312.13 W/m2),極大地降低了蒸發(fā)所需要的潛熱通量(-44.54 W/m2<λE<-124.01 W/m2)。73%浮球覆蓋率的水面,其月均蒸發(fā)所需潛熱通量比自由水面平均減少了61.8%,約為148.73 W/m2。根據(jù)能量平衡原理,結(jié)合浮球覆蓋后水面整體的蓄熱通量的月際變化,我們得出感熱通量的月際變化趨勢(shì),與蓄熱通量相反,在逐月氣溫升高的3—7月份,在白天輻射較強(qiáng)時(shí),浮球吸熱較快,將部分熱量傳至水體,水溫相比于自由水面迅速升高。加之該地區(qū)晝夜溫差較大,浮球覆蓋水面阻止水汽間的部分能量的交換,水溫大于周圍環(huán)境溫度。故在這幾個(gè)月份感熱通量整體呈現(xiàn)向外界傳熱的現(xiàn)象,在逐月氣溫降低的8—10月份,情況正好與之相反。

3.3.3 波文比

波文比的數(shù)值反映了水體顯熱通量與蒸發(fā)潛熱通量的占比關(guān)系,它的符號(hào)能代表兩者的能量通量進(jìn)出水面的關(guān)系。圖6給出了試驗(yàn)期內(nèi)兩水體的月均波文比變化。從符號(hào)來看,自由水面在完整非冰期內(nèi)的波文比為正值,顯熱通量與潛熱通量共同為蒸發(fā)過程提供能量。在3月和4月波文比>0.5,顯熱通量為蒸發(fā)過程所需能量提供的過程占主導(dǎo)因素。在5—10月份,波文比均<0.5,潛熱通量占主導(dǎo)因素;從整體來看,波文比的平均值為0.27。也就意味著自由水面的水面蒸發(fā)過程中,潛熱通量提供蒸發(fā)所需能量的73%。浮球覆蓋水面之后,波文比的符號(hào)發(fā)生變化,影響了顯熱通量進(jìn)出水面的方向;且相比于自由水面,波文比的變化范圍幅度較小,極差僅為0.15,整體的波文比的月平均值為-0.49。大大減少了潛熱通量在蒸發(fā)所需能量中的占比。

圖6 波文比變化

3.4 建立蒸發(fā)計(jì)算模型

3.4.1 浮球覆蓋下的水面蒸發(fā)計(jì)算模型

(18)

(1+β1)+γhv′U(ew-ea)}/(Δ+γ) 。(19)

式中:β1為浮球覆蓋下的波文比;hv′為浮球覆蓋下的傳質(zhì)系數(shù)(m/s)。

3.4.2 模型的驗(yàn)證

整理上一年度完整非冰期的相關(guān)月均氣象數(shù)據(jù)并將其代入式(19),結(jié)合實(shí)測(cè)蒸發(fā)量數(shù)值,通過對(duì)模型模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)值的一致性系數(shù)D、決定系數(shù)R2、相對(duì)誤差δ、均方根誤差(RSME)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7顯示完整非冰期內(nèi)模型模擬蒸發(fā)量與實(shí)測(cè)蒸發(fā)量的對(duì)比趨勢(shì),整體來說模型模擬的蒸發(fā)量高估了實(shí)際的蒸發(fā)量,原因是在試驗(yàn)中我們默認(rèn)浮球覆蓋水面時(shí)整體處于能量閉合狀態(tài),但是卻忽略了水體與容器壁以及底部的能量交換,根據(jù)能量平衡原理,勢(shì)必要高估蒸發(fā)潛熱。相較于其他氣溫較低的月份,在輻射較高的6、7和8月份,模型模擬的蒸發(fā)量誤差要更大。可能是氣溫較高的月份,水體、蒸發(fā)器以及大氣兩兩之間的熱量交換越大,在建模過程恰好通過材料隔熱的方式忽略了這部分熱量,導(dǎo)致潛熱模擬值更大。

圖7 實(shí)測(cè)蒸發(fā)量與模擬蒸發(fā)量

由表3可知,實(shí)測(cè)蒸發(fā)量與模擬蒸發(fā)量之間的一致性系數(shù)D為0.97,接近于1。說明兩者變化趨勢(shì)一致,具有較好的關(guān)聯(lián)性。決定系數(shù)R2=0.90,意味著建立的蒸發(fā)模型的模擬效果較好;在完整非冰期內(nèi),兩者的月最小平均相對(duì)誤差為5.73%,月最大平均相對(duì)誤差為16.8%,整體平均誤差10.2%<15%。整體平均均方根誤差為0.35 mm/d。由此可見,通過對(duì)自由水面蒸發(fā)量計(jì)算組合模型進(jìn)行改進(jìn),根據(jù)浮球覆蓋水面后能量組分和水汽壓差的變化,引入波文比并代入覆蓋條件下的水汽壓差值,建立浮球覆蓋水面時(shí)的蒸發(fā)量計(jì)算模型。結(jié)果顯示,該模型的模擬效果較好。

表3 實(shí)測(cè)蒸發(fā)量與模擬蒸發(fā)量的一致性系數(shù)D、決定系數(shù)R2、相對(duì)誤差δ和均方根誤差RSME

4 結(jié)論與不足

由于蒸發(fā)器周圍與底部進(jìn)行了隔熱處理,跟已有的研究相比,浮球抑制蒸發(fā)效率更接近自然水體且蒸發(fā)抑制效率更高,通過對(duì)浮球覆蓋下水面的蒸發(fā)量的測(cè)量、水體的能量平衡再建及水面蒸發(fā)計(jì)算模型的推導(dǎo)。得出基本結(jié)論如下:

(1)73%的浮球覆蓋率下,4月份蒸發(fā)抑制率最大為65.3%,6月份最小為60.0%,平均抑制率為61.8%。

(2)覆蓋組水汽壓差值比未覆蓋組水汽壓差值平均要增加5.1%,平均傳質(zhì)系數(shù)卻減小64.2%。

(3)浮球覆蓋水面后對(duì)水體能量平衡各組分?jǐn)?shù)值有較大影響,相較于自由水面,73%的浮球覆蓋率下的整體水面凈輻射吸收率減小約12.6%;月均蒸發(fā)所需潛熱通量平均減少了61.8%;浮球的高吸散熱特性也使得其下水體的蓄熱通量有較大變化。

(4)通過計(jì)算浮球覆蓋下的水面波文比以及水汽壓差值,結(jié)合相關(guān)氣象因素,修正自由水面蒸發(fā)模型(彭曼模型)的能量項(xiàng)和干燥力項(xiàng),得出的模型可以較好地模擬出覆蓋條件下的水面蒸發(fā)量。

不足與展望:本文選取的研究期為3—10月份,由于結(jié)冰期(12—次年2月份)蒸發(fā)量極少并未考慮其中,導(dǎo)致數(shù)據(jù)觀測(cè)總時(shí)長(zhǎng)以及不同月份蒸發(fā)規(guī)律的代表性有所不足。而且本研究是在靜水條件下較小的水面進(jìn)行,與大水體相比,并未考慮水體與側(cè)壁及底部的能量交換,導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的誤差。再者,風(fēng)浪導(dǎo)致的浮球濕潤(rùn)對(duì)蒸發(fā)的影響也并未考慮在內(nèi)。所以,后期的研究中可以對(duì)該模型加入相關(guān)修正系數(shù),以增加該公式的計(jì)算精度。對(duì)于浮球覆蓋水面應(yīng)用于水庫防蒸發(fā),對(duì)于水資源的保護(hù)與利用具有重大意義。