光伏發(fā)電板下蘆薈需水規(guī)律及灌溉制度試驗(yàn)研究

李 群，劉艷慧，饒碧玉，陳新群，貝耀平，馮峻峰

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650201；3.中國三峽新能源有限公司，昆明 650201)

0 引 言

光伏電站站臺(tái)資源的利用一直少有研究，按資源類型可分為：站臺(tái)土地資源、站臺(tái)水資源。土地資源方面，我國人多地少，以7%耕地承載著世界23%的人口，2016年4月國土資源部發(fā)布的《中國國土資源公報(bào)》顯示，截至2014年底，全國耕地面積1.35 億hm2，比上年減少10.73 萬hm2，更為嚴(yán)峻的是，我國有限的耕地資源還在繼續(xù)減少。根據(jù)云南省發(fā)展和改革委員會(huì)統(tǒng)計(jì)到的27個(gè)光伏電站項(xiàng)目，計(jì)算得出平均每10 MW用地面積達(dá)到15.2 hm2[1]，根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計(jì)，截至2015年6月底，全國光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到35 780 MW，如此巨大面積的土地如果可以作為耕地被利用，對(duì)于人均占地面積排名120位的中國來說意義非常重大。水資源方面，中國水資源總量雖然在世界各國中排名比較靠前(世界第六位)，但人均占有水資源量僅相當(dāng)于世界水平的1/4，居世界110位，被聯(lián)合國列為世界上人均占有水資源最貧乏的13個(gè)國家之一。由此可見，研究光伏電站站臺(tái)水土資源的高效利用具有重要意義，目前對(duì)站臺(tái)水土資源高效利用的研究幾乎處于空白。

為有效利用光伏電站站臺(tái)水土資源，研究旨在利用光伏發(fā)電板下的土地資源種植適宜當(dāng)?shù)厣L的經(jīng)濟(jì)作物，灌溉水源來自以光伏發(fā)電板為集流面的集雨系統(tǒng)。最大限度利用光伏電站站臺(tái)土地資源、雨水資源產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)價(jià)值與生態(tài)價(jià)值，為推廣該光伏電站站臺(tái)資源利用模式做基礎(chǔ)研究。該研究選用適宜當(dāng)?shù)卣九_(tái)條件生長的蘆薈進(jìn)行試驗(yàn)，通過現(xiàn)場田間試驗(yàn)與室內(nèi)模型試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)蘆薈需水量、需水規(guī)律及不同水文年灌溉制度進(jìn)行分析研究，為光伏電站種植蘆薈提供灌溉指導(dǎo)，同時(shí)也為其他光伏電站站臺(tái)資源利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蘆薈屬百合科，多年生肉質(zhì)草本植物，葉片肉質(zhì)，肥厚多汁，植株生長健壯，少病蟲害，繁殖能力強(qiáng)，耐炎熱，耐干旱、怕低溫而不耐陰濕。蘆薈品種繁多，多達(dá)400余種，且品種間性狀差異較大[2]。本研究根據(jù)光伏電站站臺(tái)土壤、氣候條件選取不夜城蘆薈種植，此品種產(chǎn)于非洲南部，莖高30～50 cm，喜溫暖、干燥、充足而柔和的陽光，耐半陰、干旱[3]。

不夜城蘆薈具有一定藥用與觀賞價(jià)值，一年期不夜城蘆薈每株市場價(jià)約為15元人民幣，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣可以種植約356株，產(chǎn)值可達(dá)5 340元人民幣。1 MW約合6 965 m2發(fā)電板面積，元謀天子山光伏電站裝機(jī)容量20 MW，合2 950個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方陣，如果整個(gè)光伏電站發(fā)電板下種植此種蘆薈產(chǎn)值可達(dá)157.53萬元人民幣，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)地設(shè)在云南省楚雄彝族自治州元謀縣天子山光伏發(fā)電站，地理位置北緯25°48′東經(jīng)101°48′，海拔1 402 m,多年平均日照數(shù)2 670.4 h，日照率60%，雨季主要集中在6-10月，多年平均降水量613.8 mm，相對(duì)濕度為53%，年平均氣溫21.9 ℃，平均無霜期300 d以上，土壤為沙質(zhì)土，其密度γd為1.48 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

試驗(yàn)于2015年3月至同年12月進(jìn)行，試驗(yàn)作物不夜城蘆薈為昆明市同心亭綠植坊花卉配送中心提供的培育2個(gè)月的不夜城蘆薈幼苗，試驗(yàn)設(shè)計(jì)共有3個(gè)田塊(即對(duì)應(yīng)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電板方陣)，灌溉方式為滴灌，壓力補(bǔ)償?shù)喂鄮б?guī)格為直徑φ16，流量1.0 L/h，長度200 mm。

圖1所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電板方陣，方陣長18 160 mm、寬3 930 mm，由36塊太陽能發(fā)電板組成，分為2行18列布置，圖中陰影部分為其中一塊光伏發(fā)電板，尺寸為1 955 mm×990 mm，各塊光伏發(fā)電板之間縱橫向縫隙寬度均為20 mm。圖2所示為太陽能發(fā)電板側(cè)向布置，光伏發(fā)電板傾角25°，最低點(diǎn)距水平地面650 mm，最高點(diǎn)距水平地面2 310 mm，為留出工作空間，選取田塊寬度為1 600 mm。一個(gè)試驗(yàn)田塊長18 160 mm、寬1 600 mm (即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電板方陣下的田塊尺寸)，田塊中蘆薈種植的行距為400 mm，株距為200 mm，一個(gè)試驗(yàn)田塊中種植蘆薈4行。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣平面示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic standard plane

圖2 標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣側(cè)視圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic standard plane

1.4 試驗(yàn)觀測方法

土壤含水率測量取樣點(diǎn)：在每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)田塊中，順滴灌帶水流方向選取四株植物為取樣點(diǎn)，在垂直滴灌帶方向從滴灌帶正下方向兩邊間隔100 mm選取取樣點(diǎn)(共8個(gè)取樣點(diǎn))，分5層(0～38、38～76、76～120、120～200、200～300 mm)測量土壤含水率(體積含水率)。測量儀器為TDR-100土壤水分快速測量儀。

各層土壤初、末時(shí)段含水率平均值：每天使用TDR100測定取樣點(diǎn)的土壤含水率，觀測時(shí)間為9∶00，灌水及降水前后需要加測。

植株生長發(fā)育狀況：記錄植株株高、株寬。

常規(guī)氣象資料：氣象觀測資料的采集通過試驗(yàn)地安裝的小型自動(dòng)氣象站，包括逐日氣溫、日照、風(fēng)速、濕度、降水等。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物需水量(ET)

作物需水量是指植株蒸騰量和株間蒸發(fā)量之和，即騰發(fā)量[4]。不夜城蘆薈需水量可根據(jù)水利部2015年最新發(fā)布《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》(SL13-2015)中水量平衡公式求出：

ET1-2=10∑ni=1riHi(Wi1-Wi2)+M+P+K-C

(1)

式中：ET1-2為階段騰發(fā)量，mm；i為土壤層次號(hào)數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；ri為第i層土壤密度，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時(shí)段始的含水率(干土重的百分率)；Wi2為第i層土壤在時(shí)段末的含水率(干土重的百分率)；M為時(shí)段內(nèi)的灌水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)的降水量，mm，此研究中指光伏發(fā)電板縫隙下漏的有效降水量，mm；K為時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，mm；C為時(shí)段內(nèi)的排水量，mm。

每層土壤初、末時(shí)段含水率取平均值，其計(jì)算方法為多點(diǎn)采樣分層平均法。

(2)

式中：θi為土壤某一層平均土壤含水率，%；θx為第x個(gè)取樣點(diǎn)第i層土壤含水率，%；n為總?cè)狱c(diǎn)數(shù)目。

試驗(yàn)地在山頂，地下水埋深較深，為簡化上述計(jì)算公式(1)，認(rèn)為所測土層與深層土壤水分交換可以忽略不計(jì)，即K取值為0。由于P取有效降水量，故C取值為0。公式(1)可以簡化為：

ET1-2=10∑ni=1riHi(Wi1-Wi2)+M+P

(3)

由于光伏發(fā)電板的遮擋，P值會(huì)介于0和降水量之間。為了確定P的取值，進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，模型比例為1∶1，面板采用和光伏發(fā)電板表面糙率相近的有機(jī)玻璃(亞克力)，在人工自動(dòng)模擬降雨條件下對(duì)光伏發(fā)電板雨水收集和縫隙下漏進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)得到降水強(qiáng)度與集雨效率之間關(guān)系(見表1)。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)光伏發(fā)電板傾角與縫隙寬度一定的條件下(該光伏電站發(fā)電板傾角25°、板縫隙間距20 mm)，單位時(shí)間的P值僅與降水強(qiáng)度有關(guān)。

表1 降水強(qiáng)度與集雨效率表Tab.1 Precipitation intensity and rainfall collection efficiency table

分析圖3可知集雨效率和降水強(qiáng)度并非呈線性關(guān)系，集雨效率最小值對(duì)應(yīng)的降水強(qiáng)度不是最小值，相應(yīng)最大值亦是如此。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因?yàn)橄噜徆夥l(fā)電板間存在20 mm的縫隙，通過試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，降水強(qiáng)度過低時(shí)，縱向第一塊板收集的降水大部分會(huì)從橫向縫隙下漏；降水強(qiáng)度過高時(shí)，縱向第一塊板收集的降水有一部分會(huì)躍過橫向縫隙流入縱向第二塊板，但集雨效率仍低的原因在于兩塊板都會(huì)有大量雨水從縱向縫隙下漏；試驗(yàn)中集雨效率最大值出現(xiàn)在降水強(qiáng)度為1.95 mm/min，對(duì)應(yīng)集雨效率為55.42%，在此情況下，觀察發(fā)現(xiàn)縱向第一塊板的集雨大部分都從橫向縫隙下漏，集雨量幾乎全部來自縱向第二塊板。

P=α(1-η)tP0

(4)

式中：P為從光伏發(fā)電板縫隙下漏的有效降水量，mm；α為降雨有效利用系數(shù)，次降雨小于50 mm時(shí)，α=1.0；次降雨為50～150 mm時(shí)，α=0.8 ～0.75；次降雨大于150 mm時(shí)，α=0.70；η為集雨效率，可根據(jù)圖3趨勢取值；t為降雨時(shí)間，min；P0為降水強(qiáng)度，mm/min。

圖3 降水強(qiáng)度與集雨效率Fig.3 Precipitation intensity and rainfall collection efficiency

利用上述式(1)～式(4)計(jì)算出蘆薈3-12月作物需水量如表2所示。

表2 蘆薈3-12月需水量Tab.2 Aloe nobilis water requirement from March to December

從圖4分析可得，蘆薈在3-12月不同時(shí)段的日需水量不等，變化趨勢為：先增大，后減小。隨著氣溫的升高以及城蘆薈生長速度的加快，日需水量逐漸增強(qiáng)，峰值為3.62 mm/d；隨著氣溫的降低，日需水量又減弱，最小值出現(xiàn)在12月份，值為1.30 mm/d。蘆薈3-12月需水量659.71 mm，蘆薈需水關(guān)鍵期為7月、8月。

2.2 參照作物需水量(ET0)

參照作物需水量的公式是由聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式，此公式也是2015最新版《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》(SL13-2015)中計(jì)算參照作物需水量的公式。

(5)

圖4 蘆薈日需水量變化Fig.4 Changes of daily water requirement of Aloe nobilis

式中：ET0為參照作物需水量，mm/d；Δ為溫度～飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2d)；γ為濕度表常數(shù)，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料計(jì)算得出蘆薈參考作物需水量(如表3)。

表3 3-12月參考作物需水量(ET0)Tab.3 Reference crop water requirement from March to December

2.3 作物系數(shù)Kc

作物實(shí)際需水量可由參照作物需水量和作物系數(shù)計(jì)算，因此研究作物需水規(guī)律的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是求出作物系數(shù)[5]。作物系數(shù)計(jì)算公式如式(6)：

(6)

式中：ET為作物實(shí)際作物需水量，mm；ET0為參照作物需水量，mm。

根據(jù)實(shí)測的蘆薈需水量，并結(jié)合參照作物需水量(ET0)的計(jì)算，得出元謀天子山光伏電站蘆薈的作物系數(shù)，結(jié)果見表4。

分析圖5可知，在不考慮水分脅迫作用下，蘆薈在3-12月這一段時(shí)期作物系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；7月和8月份

表4 蘆薈作物系數(shù)(Kc)Tab.4 The crop coefficient of Aloenobilis

是蘆薈的需水關(guān)鍵期，這個(gè)時(shí)期需要大量水滿足它的生長發(fā)育，因此Kc值較大；在3-12月這一時(shí)間段，蘆薈的作物系數(shù)0.69～1.21，平均作物系數(shù)0.92。

圖5 蘆薈各月作物系數(shù)Fig.5 Monthly crop coefficient of Aloenobilis

2.4 蘆薈灌溉制度

農(nóng)作物的灌溉制度是指作物播種前及全生育期內(nèi)的灌水次數(shù)、每次的灌水日期、灌水定額以及灌溉定額[6]。本研究通過水量平衡原理分析作物灌溉制度，灌水定額公式如式(7)：

M=1 000γH(β田-β0)

(7)

式中：M為灌水定額，mm；γ為密度，g/cm3；H為計(jì)劃濕潤層深度，m；β田為土壤田間持水率；β0為土壤最小含水率(以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì))。其中β田使用TDR-100在田間直接測量得出，測出數(shù)據(jù)為體積含水率，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量含水率β田=8.6%，由于試驗(yàn)田土壤為沙土，取β0=50%，β田=4.3%；γ=1.43 g/cm3，H根據(jù)蘆薈根長取0.3 m。M計(jì)算結(jié)果為：M=18.45 mm。

由于降水量在年際之間變化很大，因此在計(jì)算確定灌溉制度時(shí)要以典型年的降水資料作為依據(jù)。根據(jù)元謀站1981-1995年間逐日降水資料，可以求得歷年各月份的降水總和，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果按照從大到小的順序排列，并繪制出經(jīng)驗(yàn)累計(jì)頻率曲線(如圖6)，從而可以得出不同典型水文年(25%、50%、75%、95%)的各月平均降水量[7](如表5)。最后根據(jù)灌水定額與不同水文年型各月平均降水量，可以得出不同典型水文年型蘆薈3-12月灌溉制度(如表6和表7)。

圖6 元謀縣年降水量頻率曲線圖Fig.6Frequency curve of annual precipitation in Yuanmou

表5 不同水文年型各月平均降水量 mm

表6 25%、50%水文年型3-12月份灌溉制度Tab.6 25%, 50% hydrological year from March to December irrigation system

從以上灌溉制度表中可看出，豐水年灌溉定額并不是最低，原因是降水強(qiáng)度和集雨效率并非簡單的線性關(guān)系，在表5～表7中豐水年降雨強(qiáng)度下集雨效率較高，因此下漏至田間的有效降水量較少，灌溉定額相對(duì)較大。表中灌溉日期非固定灌水日期，需要根據(jù)當(dāng)時(shí)的降雨情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3 結(jié) 語

通過2015年3-12月在光伏發(fā)電板下蘆薈需水規(guī)律和灌溉制度試驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1)計(jì)算作物需水量中一個(gè)重要的參數(shù)P為光伏發(fā)電板縫隙下漏的有效降水量，mm。通過1∶1模型試驗(yàn)得出當(dāng)光伏發(fā)電板傾角、面積等確定，單位時(shí)間的P值僅與降水強(qiáng)度有關(guān)。

(2)蘆薈日需水量1.30～3.62 mm/d，作物系數(shù)0.69～1.21，峰值出現(xiàn)均在8月份；蘆薈3-12月需水量659.71 mm，蘆薈需水關(guān)鍵期為7月和8月。

(3)蘆薈灌溉制度中，灌水定額為20 mm，25%、50%、75%、95%典型水文年灌溉定額分別為490、480、480、510 mm。

(4)目前，國內(nèi)外對(duì)蘆薈在光伏發(fā)電板下需水規(guī)律、灌溉制度的試驗(yàn)和研究幾乎沒有，此次試驗(yàn)得出的結(jié)論對(duì)光伏電站蘆薈的種植起到一定指導(dǎo)作用，但由于試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，還有待后續(xù)進(jìn)一步試驗(yàn)去修正和完善。

表7 75%、95%水文年型3-12月份灌溉制度Tab.7 75%, 95% hydrological year from March to December irrigation system

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