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)重點實驗室，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]?；驹硎牵禾柲茈姵匕褰邮仗栞椛鋵⒐饽苻D(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行灌溉。研究表明[6,7]，相比于柴油機發(fā)電、市電等，光伏提水灌溉技術(shù)具有經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能、簡便的優(yōu)勢。近年來，在農(nóng)業(yè)灌溉、防護林建設(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，遠離電網(wǎng)，牧民飲水及牧草補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。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、太陽輻射強等特點，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)達國家被普遍應(yīng)用，已經(jīng)成為國際上最先進的節(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、園地和草地進行灌溉，同時滿足人畜飲水。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行灌溉，揚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)計耗水強度為4 mm/d，設(shè)計灌水定額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)計時可酌情參考。該模式合理利用蓄水池，晴天太陽能資源較好時可將提取的水存蓄在蓄水池中，陰天或多云天氣時再利用蓄水池中的水進行灌溉，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，太陽能提水的揚程較大，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”等科技計劃項目，已在青海省柴達木盆地、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)濟和社會效益。

(1) 經(jīng)濟效益。以青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣巴隆灘的柴達木盆地光伏提水節(jié)水灌溉項目為例。該項目種植枸杞和牧草，光伏組件45 kW，水泵功率30 kW，揚程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)濟對比可見表1，兩種系統(tǒng)的運行時間均按25年計算。通過分析可得：①從年運行總成本來分析，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)濟性對比Tab.1 Economic comparison between photovoltaic water extraction system and diesel power generation system

以水利部推廣項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采用先進的節(jié)水灌溉技術(shù)可實現(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、無電地區(qū)的人畜飲水問題，而且對部分天然草場進行補灌，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)得到保護和修復(fù)[20]，且對提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生活水平，促進青海民族地區(qū)社會穩(wěn)定和經(jīng)濟可持續(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，可實現(xiàn)節(jié)約水量約55.56%，增產(chǎn)20%～45%。該項技術(shù)不僅為邊遠、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、促進生態(tài)改善和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展有著重要的推動作用，具有良好的推廣應(yīng)用前景。