連利葉，李潤杰，劉得俊

(1.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司，西寧 810001；2.青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810001；3.青海省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，西寧 810001)

再生新能源的開發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，受到了全世界的廣泛關(guān)注，太陽能光伏提水灌溉是其主要研究和應(yīng)用領(lǐng)域之一[1-4]。太陽能光伏提水灌溉系統(tǒng)主要包括太陽能電池、逆變器、水泵、蓄水池和田間灌溉設(shè)備等部分[5]。基本原理是：太陽能電池板接收太陽輻射將光能轉(zhuǎn)換為電能，并帶動水泵將水從水源提出，輸送至蓄水設(shè)施或通過輸水管路直接進(jìn)行灌溉。研究表明[6,7]，相比于柴油機(jī)發(fā)電、市電等，光伏提水灌溉技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能、簡便的優(yōu)勢。近年來，在農(nóng)業(yè)灌溉、防護(hù)林建設(shè)、生態(tài)修復(fù)等方面得到了廣泛推廣應(yīng)用[8-11]，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

青海省是我國的四大牧區(qū)之一，由于地廣人稀，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，牧民飲水及牧草補(bǔ)灌增效一直是影響農(nóng)牧民發(fā)展的重要因素。2004年，李潤杰、馮玲正[12,13]等人從青海獨(dú)特的光能資源出發(fā)，對青海適宜推廣光伏提水灌溉技術(shù)區(qū)域進(jìn)行研究，提出了不同地區(qū)光伏設(shè)備型號和地下水資源條件。劉家宏[14,15]等人，提出了利用太陽能光伏提水灌溉修復(fù)草場對降水量、地下水埋深、地表水供水距離、水質(zhì)、地形坡度的要求。這為解決青海牧區(qū)灌溉和飲水問題提供了一定技術(shù)基礎(chǔ)，但系統(tǒng)地對青海高寒干旱區(qū)草原光伏節(jié)水灌溉模式研究較少。因此，本文立足青海豐富的太陽能資源，梳理、總結(jié)已有成功經(jīng)驗(yàn)和推廣成果，提出適宜的配套模式，以解決牧區(qū)的草地灌溉及人畜飲水，為經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 青海太陽能資源

青海位于中國西部，雄踞世界屋脊青藏高原的東北部，是長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，素有“中華水塔”之美譽(yù)。地理位置介于東經(jīng)89°35′～103°04′，北緯31°9′～39°19′之間，平均海拔4 000 m以上，全省東西長1 200 多km，南北寬800 多km，總面積72.23 萬km2，占全國總面積的1/13。由于青海地處高原大陸深處，氣溫低、晝夜溫差大、降雨少而集中、日照長、太陽輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，太陽能資源十分豐富。全年總輻射量為50～80 萬J/cm2，較同緯度內(nèi)地高出20萬～30 萬J/cm2；年日照時(shí)數(shù)為2 328～3 575 h，較我國同緯度地區(qū)約多700 h；平均年日照百分率大于70%，最大為86%。按全國太陽能劃分，屬一、二類區(qū)，是中國第二高值區(qū)[13]。因此，在邊緣無電網(wǎng)農(nóng)牧區(qū)，可以充分利用當(dāng)?shù)靥柲苜Y源優(yōu)勢，發(fā)展光伏提水技術(shù)，以解決當(dāng)?shù)赜媚芎陀盟畣栴}。

2 適宜光伏提水的節(jié)水灌溉技術(shù)

在草原地區(qū)，光伏提水必須結(jié)合節(jié)水灌溉才具有生命力。青海地區(qū)屬于高原大陸性氣候，干旱少雨，風(fēng)沙大。電池板的出力受天氣影響較大，工作水頭無法達(dá)到較高值。因此，在青海推廣應(yīng)用太陽能光伏提水灌溉技術(shù)，通常采用工作壓力水頭較低的滴灌和微噴灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)。主要有微噴灌技術(shù)、滴灌(含地下滴灌)技術(shù)和微潤灌溉技術(shù)等。目前，微噴灌和滴灌兩種灌溉技術(shù)在我國及美國、以色列和澳大利亞等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家被普遍應(yīng)用，已經(jīng)成為國際上最先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)[16,17]。

3 適宜的青海草原光伏提水灌溉模式

3.1 集雨灌溉模式

在地表水、地下水缺乏地區(qū)發(fā)展集雨灌溉[18,19]解決工程性缺水問題，是近年來我國政府大力投資推行的利民工程。這些以巨大工程代價(jià)集蓄的水資源十分珍貴，且數(shù)量有限。如何有效地利用每一滴水，是集雨工程必須且急需面對的問題。微潤灌溉和滴灌的高效節(jié)水特點(diǎn)恰好滿足了集雨工程的需求，雙方的無縫對接形成了完整的“集雨-微潤灌溉(滴灌)”技術(shù)鏈，見圖1。集雨灌溉模式主要適宜于青海東部淺腦山區(qū)和牧區(qū)。由于水資源比較匱乏，可通過球形薄殼水窖等小蓄水工程集蓄雨水及其他可利用水源，再利用新能源提水對溫室、園地和草地進(jìn)行灌溉，同時(shí)滿足人畜飲水。從而形成以家庭為單位的單井控制灌溉模式。此模式下，球形水窖容積約為30 m3，太陽能板360～700 W，潛水泵功率300～500 W，流量3～5 t/h，合理灌溉規(guī)模0.07～0.2 hm2，節(jié)水灌溉技術(shù)采用滴灌或微潤灌溉。

3.2 地表水灌溉模式

地表水灌溉模式適用于地表水資源較豐富的地區(qū)。例如，河道、溝渠沿線或是灌溉供水水庫(湖泊)周圍布置有一定面積的灌溉草地，可直接利用光伏水泵從中取水。設(shè)備提取過濾后的地表水進(jìn)行灌溉，揚(yáng)程和水頭損失相對較少，因此，可配套滴灌和微噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)。微噴帶的間距通常為4 m，見圖2。此模式下，太陽能光伏提水設(shè)備可選用規(guī)格為3.84 kW太陽能板，逆變器功率3.7 kW，潛水泵功率2.2 kW，流量8 t/h；牧草作物宜為垂穗披堿草、中華羊茅和冷地早熟禾等，日平均耗水量為3.61 mm/d，可設(shè)計(jì)灌水周期為9 d，灌水定額為525 m3/hm2，生育期灌溉3次，灌溉定額為1 575 m3/hm2，合理灌溉規(guī)模2 hm2左右。

圖2 地表水灌溉模式Fig.2 Surface water irrigation mode

3.3 淺井提水灌溉模式

淺井提水灌溉模式主要是針對地下水資源比較豐富、埋深較淺地區(qū)?？衫眯履茉囱b置直接對溫室和草原等進(jìn)行提水灌溉及供應(yīng)家庭生活用電和人畜飲水。此模式下，地下水埋深較淺，約為30 m左右，水泵揚(yáng)程較低，在太陽能板功率等變量一定的情況下，灌溉面積可適當(dāng)增大，見圖3。光伏組件功率一般為1.4～1.5 kW，逆變控制器2.2 kW，水泵功率1.1 kW，最大流量5～8 t/h，最大揚(yáng)程30 m以上，合理規(guī)模1 hm2左右；牧草作物宜選用苜蓿、青貯玉米、草谷子等。節(jié)水灌溉形式優(yōu)先選滴灌，對于多年生牧草還可以選擇微潤灌溉或微噴灌。牧草滴灌設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度為4 mm/d，設(shè)計(jì)灌水定額270 m3/hm2，灌水周期6 d，灌溉5～6 次，灌溉定額1 350～1 650 m3/hm2。其他形式節(jié)水灌溉(如微噴灌、微潤灌)設(shè)計(jì)時(shí)可酌情參考。該模式合理利用蓄水池，晴天太陽能資源較好時(shí)可將提取的水存蓄在蓄水池中，陰天或多云天氣時(shí)再利用蓄水池中的水進(jìn)行灌溉，更有效的發(fā)揮了太陽能光伏提水的作用。

圖3 淺井提水灌溉模式Fig.3 Shallow well water extraction irrigation mode

3.4 中深井灌溉模式

中深井灌溉模式主要是針對地表水資源不豐富、地下水埋深較大的地區(qū)。此時(shí)，太陽能提水的揚(yáng)程較大，光伏提水可用于灌溉枸杞和牧草，或灌溉荒漠修復(fù)土地。在太陽能板功率等變量一定的情況下，灌溉面積不宜過大；若要灌溉大面積草場或作物等，需要配備較大功率的太陽能光伏系統(tǒng)。大型太陽能光伏提水系統(tǒng)的功率一般為15～45 kW，流量為80～120 t/h，揚(yáng)程為95～130 m。此種情況配備的灌溉方式較多，可以是大型噴灌，也可以是微噴灌和滴灌等節(jié)水灌溉措施，單井合理控制面積為26～40 hm2，見圖4。

圖4 中深井灌溉模式Fig.4 Total nitrogen distribution

4 效益分析

依托“十五”國家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目“防沙治沙關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”及水利部科技推廣項(xiàng)目“草場太陽能提水灌溉成套技術(shù)的推廣應(yīng)用”等科技計(jì)劃項(xiàng)目，已在青海省柴達(dá)木盆地、果洛州、黃南州等地區(qū)推廣應(yīng)用265套光伏提水灌溉技術(shù)，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

(1) 經(jīng)濟(jì)效益。以青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣巴隆灘的柴達(dá)木盆地光伏提水節(jié)水灌溉項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目種植枸杞和牧草，光伏組件45 kW，水泵功率30 kW，揚(yáng)程90 m，流量100 m3/h，控制面積30 hm2，灌溉定額4 500 m3/hm2。對應(yīng)的光伏提水系統(tǒng)和柴油發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)對比可見表1，兩種系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間均按25年計(jì)算。通過分析可得：①從年運(yùn)行總成本來分析，柴油發(fā)電系統(tǒng)是光伏提水系統(tǒng)的5.72 倍；②光伏提水系統(tǒng)每峰瓦成本是7.0元；③與柴油發(fā)電相比，光伏提水系統(tǒng)節(jié)油量337.5 t，二氧化碳減排量1 032.75 t；④與火力發(fā)電相比，光伏提水系統(tǒng)可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤491.77 t。

表1 光伏提水系統(tǒng)與柴油發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對比Tab.1 Economic comparison between photovoltaic water extraction system and diesel power generation system

以水利部推廣項(xiàng)目青海省果洛州瑪沁縣大武鄉(xiāng)牧戶諾日布的13.3 hm2冬春草場為例，可以得到：①采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不同程度的節(jié)水增產(chǎn)，與傳統(tǒng)地面灌溉相比，可節(jié)水55.56%；②與天然草場相比生產(chǎn)能力有不同程度的提高，5齡人工混播草地平均每公頃增產(chǎn)20%～45%；③農(nóng)牧民收入有顯著提高，凈效益增加7 725 元/hm2。

(2)社會和生態(tài)效益光伏提水技術(shù)不僅解決了青海邊遠(yuǎn)、無電地區(qū)的人畜飲水問題，而且對部分天然草場進(jìn)行補(bǔ)灌，增加了地表生物量，改善了牧草根系的生態(tài)條件，使草原生態(tài)得到保護(hù)和修復(fù)[20]，且對提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生活水平，促進(jìn)青海民族地區(qū)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)光伏提水技術(shù)在青海省的研究、推廣及應(yīng)用情況，梳理、總結(jié)了適宜青海高寒干旱區(qū)的草原光伏提水灌溉模式及其適用參數(shù)，主要得出以下結(jié)論。

(1)提出了4種適宜青海高寒干旱區(qū)的草原光伏提水灌溉模式，主要包括集雨灌溉模式、地表水灌溉模式、淺井提水灌溉模式、中深井灌溉模式。利用的節(jié)水灌溉技術(shù)以微噴灌和滴灌為主。該模式適宜于偏遠(yuǎn)牧區(qū)家庭牧場(小功率系統(tǒng))和聯(lián)戶草場(大功率系統(tǒng))的灌溉及人畜飲水。

(2)截止目前，光伏提水系統(tǒng)已在青海推廣應(yīng)用265套，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約水量約55.56%，增產(chǎn)20%～45%。該項(xiàng)技術(shù)不僅為邊遠(yuǎn)、無電地區(qū)的人畜飲水安全和灌溉技術(shù)開發(fā)提供了新的途徑，而且對提高人民生活水平、促進(jìn)生態(tài)改善和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的推動作用，具有良好的推廣應(yīng)用前景。