Как предохранить воду от испарения в открытом сосуде

АННОТАЦИЯ

Предмет исследования: Чтобы сохранить воду и уменьшить потери при испарении, во многих странах было разработано и испытано много методов. В статье представлен обзор исследований современных физических, химических и биологических методов уменьшения испарения с водной поверхности. Указаны основные характеристики, а также достоинства и недостатки каждого метода.

Цели: Целью данной работы является обзор полевых, лабораторных и численных исследований методов снижения испарения с водных поверхностей, проведенных разными авторами за последние 13 лет (с 2005 по 2018 гг.).

Материалы и методы: В статье приводятся результаты опубликованных работ по физическим, химическим и биологическим методам уменьшения испарения с водной поверхности.

Результаты: В настоящее время используется несколько методов уменьшения испарения. В физических методах используются плавающие или подвешенные покрытия, которые могут сэкономить большой процент воды (от 70 до 95%). Использование перемешивания водных слоев сжатым воздухом компрессоров представляется очень перспективным для уменьшения испарения в глубоких водоемах (с глубиной более 18 м). Для уменьшения испарения воды широко используются химические вещества, такие как WaterSavr, которые могут сэкономить относительно небольшой процент воды (от 20 до 40%). Биологические методы, такие как плавающие растения и пальмовые ветви, могут обеспечить значительное уменьшение объема испарения.

Выводы: Применение любого метода для уменьшения испарения должно быть обосновано. В дальнейшем предполагается разработать рекомендации по применению конкретных методов в разных условиях.

ВВЕДЕНИЕ

Хотя вода покрывает более 70% поверхности Земли, только 1% воды – пресные, а для хозяйственного использования доступно значительно меньше. Кроме того, рост населения, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление оказывают невиданное ранее давление на имеющиеся на Земле водные ресурсы. Поэтому стоимость воды во многих странах мира с засушливым или полузасушливым климатом значительно возросла за последние десять лет. Испарение является одной из наиболее важных причин, из-за которых может снижаться качество и количество воды, доступной для промышленного, сельскохозяйственного и бытового использования. Поэтому потери в результате испарения становятся существенной проблемой для эффективного сохранения воды во многих частях земного шара [1].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Были собраны и изучены результаты статей, материалов конференций, книг и технических отчетов, чтобы представить основные характеристики, преимущества и недостатки каждого уменьшения испарения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ниже приводится классификация физических, химических и биологических методов уменьшения испарения с водной поверхности и приводятся их положительные и отрицательные свойства.

1. Физические методы уменьшения испарения, которые используют плавающие покрытия

• Плавающие сплошные покрытия.

Плавающие непрерывные покрытия обычно создают непроницаемый барьер, который плавает на поверхности воды. Полиэтиленовый пластик оказался наиболее приемлемым и долговечным материалом для покрытий этого типа. Испытания показали, что плавающие покрытия, такие как E-VapCaps, могут снизить испарение из открытых водохранилищ более чем на 95% [2].

• Модульные плавающие объекты.

Это отдельные плавающие объекты, которые могут защищать поверхность воды. Примерами используемых плавающих модульных покрытий являются Aquacaps и пластиковые шары.

• Плавающие диски (aquacaps)

Как показано на Рис. 1, aquacaps представляют собой круглые плавающие модули диаметром 1,1 м, сделанные из полипропилена и полиэтилена высокой плотности [3].

Исследования для оценки эффективности плавающих элементов для снижения потерь на испарение из водохранилищ были проведены в лабораторных условиях. Результаты показали, что испарение из защищенного плавающими дисками резервуара было снижено примерно на 80% относительно открытой поверхности воды [4].

Рис. 1. Плавающие диски (aquacaps)

• Пластиковые шары

Пластиковые экологически чистые шары можно использовать в озерах, ручьях и плотинах, как показано на Рис. 2. В пруде Неру (Индия) было проведено исследование для оценки эффективности использования шаров из пластика для уменьшения испарения с поверхности воды. Для покрытия резервуара были использованы 4-х дюймовые черные шары из полиэтилена высокой плотности и технического углерода. Это исследование показало, что тени шаров уменьшали на 43-45% испарения в резервуаре [5].

Рис. 2. Пластиковые шарики

2. Физические методы уменьшения испарения, которые используют подвешенные покрытия

• Тканевые покрытия

Тканевые горизонтальные покрытия подвешиваются над поверхностью воды и поддерживаются снаружи стальными тросами и столбами. Такие устройства используются для небольших водохранилищ размером менее 10 га [2].

Исследования были проведены в Австралии для оценки преимущества тканевых покрытий для хранения питьевой воды, как показано на рис. 3. Было установлено, что скорость испарения снижается примерно на 90%. Кроме того улучшенилось качество воды и снизились затраты на техническое обслуживание водоема, так как покрытия задерживают рост водных растений [6].

Рис. 3. Тканевый покрытие над Swifts Creek Storage, Австралия

• Покрытие солнечными панелями.

Ожидается, что покрытие каналов солнечной фотоэлектрической системой значительно уменьшит испарение [7]. В 2014 году был запущен проект системы мощностью 10 МВт такого типа в Индии, которая была пионером в этой области. Система проложена над 3,6 км ирригационного канала Нармада в городе Вадодара и состоит из 33 816 солнечных панелей, как показано на Рис. 4. Эта система сэкономила 6 акров земли и около 9 миллионов литров воды в год. Дополнительным преимуществом является естественное охлаждение панелей, которое увеличивает эффективность солнечных батарей на 7% по сравнению с наземной установкой [8].

Рис. 4. Солнечные панели над оросительным каналом Норманда, Индия

3. Физический метод уменьшения испарения путем впрыскивания пузырьков воздуха в воду (пузырьковый шлейф)

Это эффективный метод уменьшения испарения в глубоководных водоемах, который также положительно влияет на качество воды, обогащая ее кислородом. Это один из самых экономичных способов снижения испарения, он используется в Южной Африке.

Принцип действия этого метода состоит в следующем. Летом вода поверхностного слоя глубиной 3-4 м сильно нагревается и, следовательно, становится менее плотной. Ниже этого слоя вода остается холодной и более плотной. Эти два слоя не перемешиваются, а разделены слоем температурного скачка (термоклина), который предотвращает смешивание глубокой холодной воды с поверхностной теплой. Это явление называют термическим расслоением. В слое термоклина градиент температуры резко отличается от градиентов выше- и нижележащих слоев и достигает 8-10 градусов на 1 м по вертикали. Нарушение расслоения достигается путём инжекции воздушных пузырьков специальными устройствами (компрессорами, аэраторами), установленными на дне водоема (см. Рис.5) .

Для достижения большего эффекта по уменьшению испарения необходимо, чтобы водохранилище имело достаточную глубину (более 18 м), имелся естественный термоклин и достаточная глубина слоя холодной воды. Предлагаемая система имеет дополнительные положительные свойства: улучшение общего качества воды в водохранилище и ниже плотины, сокращение эксплуатационных затрат на очистку воды, увеличение количества растворенного в воде кислорода на нижних уровнях водохранилища, а, следовательно, расширение среды обитания рыб, сокращение роста водорослей [9].

Рис. 5. Схема циркуляции воды, созданной путём искусственной дестратификации

4. Химические методы

Известно, что мономолекулярные плёнки некоторых поверхностно-активных веществ могут замедлять испарение воды. Это, по-видимому, одна из важных технологий сокращения испарительных потерь воды из открытых резервуаров.В России с середины ХХ века предлагались способы, предусматривающие искусственное покрытие водной поверхности объекта пленкой из жидкого вещества с низкими показателями теплоемкости, теплопроводности и высокими показателями поверхностного натяжения, с удельным весом, меньшим, чем удельный вес воды. В частности, в [10] предлагалось использовать маслянистую вязкую жидкость биологического или минерального происхождения (растительные масла или углеводородное сырье для необитаемых водоемов). Жидкость, вытекая из специальных сосудов, размещенных в нескольких точках по периметру водоема, распределяется по поверхности водоема, в количестве, достаточном для покрытия всей площади водоема пленкой минимальной толщины.

В Австралии в лабораторных условиях были проведены исследования по определению оптимальных веществ, которые можно использовать для уменьшения испарения воды. Среди тестируемых поверхностно-активных веществ были биоразлагаемые жирные спирты с низким уровнем токсичности, которые показали наибольшую устойчивость к разрушению в воде при нагревании (гексадеканол и октадеканол). Первый полевой эксперимент был проведен в начале 50-х годов. Было получено снижение испарения на 30%, что вызвало интерес исследователей и правительств некоторых стран [11].

5. Биологические покрытия

Плавающие водные растения способны уменьшать испарение с водохранилищ за счет уменьшения нагревания воды, но при использовании растений необходимо учитывать воду, истраченную для транспирации. Исследования в Таиланде показали, что ряска может снизить испарение до 10% [12].

Пальмовые ветви, которые обычно доступны в засушливых регионах, можно использовать для покрытия водоемов. Исследование, проведенное в Саудовской Аравии, показало, что среднее снижение испарения при использовании плавающего покрытия, состоящего из пальмовых листьев, составило 58% для полностью покрытого бассейна [13].

ВЫВОДЫ

• Физические методы уменьшения испарения позволяют экономить большой процент воды (между 70 и 95%), требуются большие капитальные затраты, но техническое обслуживание недорого, a xимические методы уменьшения испарения экономят меньший процент воды (между 20-40%), не требуют больших капитальных затрат, но затраты на техническое обслуживание значительны.
• Метод инжекции воздушных пузырьков в воду является самым эффективным методом уменьшения испарения в глубоководных водоемах (с глубиной более 18 м).
• Покрытия плавающими водными растениями могут обеспечить значительное уменьшение объема испарения.

Вполне очевидно, что эффективность применения любого метода для уменьшения испарения увеличивается с ростом глубины водного объекта. Влияние площади поверхности должно быть наиболее заметно для химических способов защиты, так как под действием волн пленки разрушаются, а влияние ветра зависит от длины разгона. Кроме того на разрушение пленки влияет температура воды. В дальнейшем предполагается разработать четкие критерии применения описанных выше методов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

• Babu P., Eikaas H. S., Price A., Verlee D. Reduction of Evaporative Losses from Tropical Reservoirs using an Environmentally Safe Organic Monolayer. 2010. Proceeding of Conference of Singapore International Water Week, at
• Craig I.P. Loss of storage water due to evaporation – a literature review. 2005. NCEA publication, University of Southern Queensland,
• Baldwin H. Assessment of Floating Hard Covers on Large Water Storages, Urban Water Security Research Alliance. 2010. Technical report №
• Aminzadeh M., Lehmann P., and Or D. Evaporation suppression and energy balance of water reservoirs covered with self- assembling floating elements // Hydrology and earth system sciences. 2018. № 22. C. 4015–4032.
• Kumar P.Vasantha, Kumar S.V.Naveen, Kumar P.Saravana, Subash S., Sivaraja M. Reduction of Water Vapour by Using Shade Balls //International Journal of Engineering and Techniques. 2018. № 4, 2.
• Hunter K., Finn N., Barnes S. The benefits of shadecloth covers for potable water storages. 2007. Proceeding of 70th Annual Water Industry Engineers and Operators’ Conference Bendigo Exhibition Centre.
• Kougias I., Bódis K., Jäger-Waldau A., Moner-Girona M. Monforti-Ferrario F. The potential of water infrastructure to accommodate solar PV systems in Mediterranean islands // Solar Energy. 2016. № 136. C. 174–182.
• Keya A. Solar Plant A top Irrigation Canal Impresses UN Chief. India Climate Dialogue. 2015 [электронный ресурс].
• Van Dijk M., Van Vuuren SJ. Destratification induced by bubble plumes as a means to reduce evaporation from open impoundments // African Journals Online. 2009. № 35,
• Патент на изобретение. 1998. №: 2102560 /bankpatentov /ru>nodel 160735.
• Gugliotti M., Baptista M. S., Politi M. J. Reduction of Evaporation of Natural Water Samples by Monomolecular Films // Jornal of the Brazilian Chemical Society. 2005. №16,
• Elba E. Strategies for protection and sustainable environmental management or the Highest Aswan dam in Egypt considering climate change. 2017. disserta verlag, Hamburg, С. 36.
• Al-Hassoun S. A., Mohammed T. A., Nurdin J. Evaporation Reduction from Impounding Reservoirs in Arid Areas Using PalmLeaves // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2009. №4. 247-250.