青海高寒干旱区草原光伏提水灌溉模式研究

2020-11-23连利叶李润杰刘得俊

中国农村水利水电 2020年11期

连利叶，李润杰，刘得俊

(1.青海省水利水电科学研究院有限公司，西宁 810001；2.青海省流域水循环与生态重点实验室，西宁 810001；3.青海省水资源高效利用工程技术研究中心，西宁 810001)

再生新能源的开发利用是实现绿色和可持续发展的重要途径，受到了全世界的广泛关注，太阳能光伏提水灌溉是其主要研究和应用领域之一[1-4]。太阳能光伏提水灌溉系统主要包括太阳能电池、逆变器、水泵、蓄水池和田间灌溉设备等部分[5]。基本原理是：太阳能电池板接收太阳辐射将光能转换为电能，并带动水泵将水从水源提出，输送至蓄水设施或通过输水管路直接进行灌溉。研究表明[6,7]，相比于柴油机发电、市电等，光伏提水灌溉技术具有经济、环保、节能、简便的优势。近年来，在农业灌溉、防护林建设、生态修复等方面得到了广泛推广应用[8-11]，并取得了良好的经济效益和社会效益。

青海省是我国的四大牧区之一，由于地广人稀，远离电网，牧民饮水及牧草补灌增效一直是影响农牧民发展的重要因素。2004年，李润杰、冯玲正[12,13]等人从青海独特的光能资源出发，对青海适宜推广光伏提水灌溉技术区域进行研究，提出了不同地区光伏设备型号和地下水资源条件。刘家宏[14,15]等人，提出了利用太阳能光伏提水灌溉修复草场对降水量、地下水埋深、地表水供水距离、水质、地形坡度的要求。这为解决青海牧区灌溉和饮水问题提供了一定技术基础，但系统地对青海高寒干旱区草原光伏节水灌溉模式研究较少。因此，本文立足青海丰富的太阳能资源，梳理、总结已有成功经验和推广成果，提出适宜的配套模式，以解决牧区的草地灌溉及人畜饮水，为经济和社会可持续发展提供技术保障。

1 青海太阳能资源

青海位于中国西部，雄踞世界屋脊青藏高原的东北部，是长江、黄河、澜沧江的发源地，素有“中华水塔”之美誉。地理位置介于东经89°35′～103°04′，北纬31°9′～39°19′之间，平均海拔4 000 m以上，全省东西长1 200 多km，南北宽800 多km，总面积72.23 万km2，占全国总面积的1/13。由于青海地处高原大陆深处，气温低、昼夜温差大、降雨少而集中、日照长、太阳辐射强等特点，太阳能资源十分丰富。全年总辐射量为50～80 万J/cm2，较同纬度内地高出20万～30 万J/cm2；年日照时数为2 328～3 575 h，较我国同纬度地区约多700 h；平均年日照百分率大于70%，最大为86%。按全国太阳能划分，属一、二类区，是中国第二高值区[13]。因此，在边缘无电网农牧区，可以充分利用当地太阳能资源优势，发展光伏提水技术，以解决当地用能和用水问题。

2 适宜光伏提水的节水灌溉技术

在草原地区，光伏提水必须结合节水灌溉才具有生命力。青海地区属于高原大陆性气候，干旱少雨，风沙大。电池板的出力受天气影响较大，工作水头无法达到较高值。因此，在青海推广应用太阳能光伏提水灌溉技术，通常采用工作压力水头较低的滴灌和微喷灌等高效节水灌溉技术。主要有微喷灌技术、滴灌(含地下滴灌)技术和微润灌溉技术等。目前，微喷灌和滴灌两种灌溉技术在我国及美国、以色列和澳大利亚等农业发达国家被普遍应用，已经成为国际上最先进的节水灌溉技术[16,17]。

3 适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、地下水缺乏地区发展集雨灌溉[18,19]解决工程性缺水问题，是近年来我国政府大力投资推行的利民工程。这些以巨大工程代价集蓄的水资源十分珍贵，且数量有限。如何有效地利用每一滴水，是集雨工程必须且急需面对的问题。微润灌溉和滴灌的高效节水特点恰好满足了集雨工程的需求，双方的无缝对接形成了完整的“集雨-微润灌溉(滴灌)”技术链，见图1。集雨灌溉模式主要适宜于青海东部浅脑山区和牧区。由于水资源比较匮乏，可通过球形薄壳水窖等小蓄水工程集蓄雨水及其他可利用水源，再利用新能源提水对温室、园地和草地进行灌溉，同时满足人畜饮水。从而形成以家庭为单位的单井控制灌溉模式。此模式下，球形水窖容积约为30 m3，太阳能板360～700 W，潜水泵功率300～500 W，流量3～5 t/h，合理灌溉规模0.07～0.2 hm2，节水灌溉技术采用滴灌或微润灌溉。

3.2 地表水灌溉模式

地表水灌溉模式适用于地表水资源较丰富的地区。例如，河道、沟渠沿线或是灌溉供水水库(湖泊)周围布置有一定面积的灌溉草地，可直接利用光伏水泵从中取水。设备提取过滤后的地表水进行灌溉，扬程和水头损失相对较少，因此，可配套滴灌和微喷灌等节水灌溉技术。微喷带的间距通常为4 m，见图2。此模式下，太阳能光伏提水设备可选用规格为3.84 kW太阳能板，逆变器功率3.7 kW，潜水泵功率2.2 kW，流量8 t/h；牧草作物宜为垂穗披碱草、中华羊茅和冷地早熟禾等，日平均耗水量为3.61 mm/d，可设计灌水周期为9 d，灌水定额为525 m3/hm2，生育期灌溉3次，灌溉定额为1 575 m3/hm2，合理灌溉规模2 hm2左右。

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

3.3 浅井提水灌溉模式

浅井提水灌溉模式主要是针对地下水资源比较丰富、埋深较浅地区。可利用新能源装置直接对温室和草原等进行提水灌溉及供应家庭生活用电和人畜饮水。此模式下，地下水埋深较浅，约为30 m左右，水泵扬程较低，在太阳能板功率等变量一定的情况下，灌溉面积可适当增大，见图3。光伏组件功率一般为1.4～1.5 kW，逆变控制器2.2 kW，水泵功率1.1 kW，最大流量5～8 t/h，最大扬程30 m以上，合理规模1 hm2左右；牧草作物宜选用苜蓿、青贮玉米、草谷子等。节水灌溉形式优先选滴灌，对于多年生牧草还可以选择微润灌溉或微喷灌。牧草滴灌设计耗水强度为4 mm/d，设计灌水定额270 m3/hm2，灌水周期6 d，灌溉5～6 次，灌溉定额1 350～1 650 m3/hm2。其他形式节水灌溉(如微喷灌、微润灌)设计时可酌情参考。该模式合理利用蓄水池，晴天太阳能资源较好时可将提取的水存蓄在蓄水池中，阴天或多云天气时再利用蓄水池中的水进行灌溉，更有效的发挥了太阳能光伏提水的作用。

图3 浅井提水灌溉模式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针对地表水资源不丰富、地下水埋深较大的地区。此时，太阳能提水的扬程较大，光伏提水可用于灌溉枸杞和牧草，或灌溉荒漠修复土地。在太阳能板功率等变量一定的情况下，灌溉面积不宜过大；若要灌溉大面积草场或作物等，需要配备较大功率的太阳能光伏系统。大型太阳能光伏提水系统的功率一般为15～45 kW，流量为80～120 t/h，扬程为95～130 m。此种情况配备的灌溉方式较多，可以是大型喷灌，也可以是微喷灌和滴灌等节水灌溉措施，单井合理控制面积为26～40 hm2，见图4。

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

4 效益分析

依托“十五”国家科技攻关重大项目“防沙治沙关键技术研究与示范”及水利部科技推广项目“草场太阳能提水灌溉成套技术的推广应用”等科技计划项目，已在青海省柴达木盆地、果洛州、黄南州等地区推广应用265套光伏提水灌溉技术，并取得了良好的经济和社会效益。

(1) 经济效益。以青海省海西蒙古族藏族自治州都兰县巴隆滩的柴达木盆地光伏提水节水灌溉项目为例。该项目种植枸杞和牧草，光伏组件45 kW，水泵功率30 kW，扬程90 m，流量100 m3/h，控制面积30 hm2，灌溉定额4 500 m3/hm2。对应的光伏提水系统和柴油发电系统的经济对比可见表1，两种系统的运行时间均按25年计算。通过分析可得：①从年运行总成本来分析，柴油发电系统是光伏提水系统的5.72 倍；②光伏提水系统每峰瓦成本是7.0元；③与柴油发电相比，光伏提水系统节油量337.5 t，二氧化碳减排量1 032.75 t；④与火力发电相比，光伏提水系统可节省标准煤491.77 t。

表1 光伏提水系统与柴油发电系统的经济性对比Tab.1 Economic comparison between photovoltaic water extraction system and diesel power generation system

以水利部推广项目青海省果洛州玛沁县大武乡牧户诺日布的13.3 hm2冬春草场为例，可以得到：①采用先进的节水灌溉技术可实现不同程度的节水增产，与传统地面灌溉相比，可节水55.56%；②与天然草场相比生产能力有不同程度的提高，5龄人工混播草地平均每公顷增产20%～45%；③农牧民收入有显著提高，净效益增加7 725 元/hm2。

(2)社会和生态效益光伏提水技术不仅解决了青海边远、无电地区的人畜饮水问题，而且对部分天然草场进行补灌，增加了地表生物量，改善了牧草根系的生态条件，使草原生态得到保护和修复[20]，且对提高当地农牧民生活水平，促进青海民族地区社会稳定和经济可持续发展具有重要意义。