風力提水在南疆灌溉農業發展中的潛力評估

宋 姝，牛 俊

（中國農業大學中國農業水問題研究中心，北京 100083）

0 引言

隨著人口的增長、全球變暖的加劇，清潔能源產業的產生與發展是社會可持續發展的必然需求。風能是一種清潔且經濟效益更高的可再生能源。現階段，在新疆主要利用風能發電，風力提水灌溉在新疆還未開展深入研究[1]。

風力提水技術是指將風能轉換為水源的動、勢能，達到農業引水灌溉的目的。中國利用風車提水可以溯源到1700多年前[2]。目前中國推廣的風力提水機產品主要分為兩大類，具體為南方型大流量低揚程風力提水機組和北方型小流量高揚程風力提水機組，其型號豐富多樣[3]。張丹等發現風力提水灌溉不僅解決了偏遠山區無法用電提水灌溉的難題，而且不會產生環境污染，實現了綠色、環保、零污染的農田灌溉[4]。蘇建軍首次在風力提水機組中應用了自動適應偏航回轉系統，自主設計了往復式雙作用抽水泵，具有顯著的社會經濟效益，為農村灌溉提供新思路[5]。盧月總結得出，利用風能提水開展節水型農業灌溉是平原干旱地區解決農作物灌溉的一種有效措施和方法，經濟效益顯著[6]。Jadallah等評估在伊拉克使用風力/光伏混合系統抽水的可能性，并分析了井深、環境溫度、太陽輻射強度和風力機轉子結構等關鍵性能參數對系統生產率的影響[7]。Rehman等比較了沙特阿拉伯的風力抽水系統和柴油發電機系統的性能，所得結果表明，通過充分利用風能，每年可以避免將近24000 t的二氧化碳的排放[8]。目前，對風力提水的研究多數在于其系統本身，而實際應用推廣必要性少有研究。本文旨在對南疆地區風能資源進行評估，探究風力提水在南疆農業中的潛力。建設風力提水工程的意義不僅在于可以有效緩解南疆水資源短缺對農業種植帶來的問題，而且具有一定經濟、生態效益。

1 研究區概況

南疆地區處于新疆維吾爾自治區南部，總面積達108萬km2，地理位置位于73°20′E～96°25′E，34°15′N～49°10′N，位于中緯度歐亞大陸腹地，四周以高山環繞，中部是中國最大的盆地：塔里木盆地[9-10]。南疆地區地貌高差明顯，戈壁灘、沙漠面積大，氣候屬于大陸性干旱氣候，并具有以下特點：冬日酷冷，夏日干熱，晝夜溫差大，降雨量少，蒸發量大，氣候干燥，但日照充足，風次多且持續時間長，具有明顯的氣候垂直運動。南疆是一個十分缺水的地區，多年平均降水量為123.9 mm[11]，其河流補給主要來自山區降水和高山積雪、冰川融水，也是農田灌溉水源的主要來源[12]。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文使用的土地利用類型數據來源于由GLC2000項目發布的基于SPOT4遙感數據的全球土地覆蓋數據中國子集[13]，分辨率為1km×1km，含有22種土地利用類型。本文使用的蒸散發數據來源于NASA水文和地球科學研究項目[14]，該項目基于彭曼公式，根據NDVI測定的生物群落特異性冠層進行估算，并對開放水蒸發量進行量化。本文選取了2000—2013年月尺度的蒸散發數據。

本文使用的氣象數據來源于中國氣象數據網（http://data.cma.gov.cn/），使用了2000—2014年日尺度上的測風數據及降水數據，選取了南疆地區29個氣象站點，數據的實有率在99%以上，數據的正確率接近100%。利用ArcGIS軟件的普通克里金法進行空間插值[15-16]，得到南疆地區的風速分布情況。

2.2 研究方法

2.2.1 兩參數威布爾分布及風功率密度

常見的用于擬合風速概率分布的模型有威布爾（Weibull）分布、伽馬（Gamma）分布、瑞利（Rayleigh）分布、皮爾遜（Burr）分布和對數正態（Log-normal）分布模型等。在上述模型中，由于兩參數威布爾分布模型能夠很好的描述不同形狀的風速概率分布[17]，且形式簡單、計算方便，因此本文選用兩參數威布爾分布。

兩參數威布爾概率密度函數如公式（1）所示[18]

式中f(v)是特定地點特定風速出現的概率；v是實測風速，m/s；k是形狀參數，無量綱；c是尺度參數，m/s。

本文利用最小二乘法計算得威布爾分布的形狀參數與尺度參數[19-20]，進而計算出區域的平均風功率密度。平均風功率密度可以有效衡量地區風能大小的風能儲量，其計算公式如下[21]

式中ρ是空氣密度，kg/m3，本文中取1.225kg/m3[22]；w是平均風功率密度，W/m2；f(v)dv是求解在特定風速下的瞬間功率。

2.2.2 地理限制

對南疆地區可用于建設風力提水機的區域加以地理限制，得到南疆地區可用于陸上安裝風力提水機的土地總面積。本文排除了自然保護區、已開發區（城市、鄉鎮、工廠、礦場等）、水域（海洋、湖泊等）、耕地、林地、坡度大于20°的區域、海拔高于3500 m的地區，選擇在河流附近30 m內、耕地附近8 km內建設風力提水機，并假定風力提水機間距為10倍轉子直徑[23-26]。根據上述地理限制條件，利用ArcGIS的鑲嵌至新柵格工具，將所有的限制疊加，生成最終的南疆可用于安裝風力提水機的土地總面積。

2.2.3 農業灌溉需水量

南疆地區的天然降水匱乏，導致供求失衡，絕大部分農田需要依靠灌溉才能維持正常的生理特性。基于此點，南疆的農業區均與灌區完全結合。本文假設南疆地區農作物的灌溉制度為充分灌溉，利用蒸散發數據集與降水數據，引入降水有效利用系數因素的影響，最終確定南疆地區的農業灌溉需水量，如下式[27]

式中W是農業灌溉需水量，mm；ET是蒸散發量，mm；P是降水量，mm；δ是降水有效利用系數，受降水總量、強度、降水時長的影響，且與土壤類別、作物種植模式有關，根據前人的研究，本文取值為0.43[28]。

2.2.4 自流灌溉區的設定

在計算風力提水灌溉面積時，需要將南疆總耕地面積減去自流灌溉的面積。本研究根據南疆灌區數目及大小，在滿足高程的條件下，假定河流兩側緩沖區覆蓋的耕地滿足自流灌溉條件，設定其為自流灌溉區，并按照緩沖區范圍分為3種情景，如表1所示。

表1 南疆地區自流灌溉區的劃分 Table 1 Determination of gravity irrigation area in Southern Xinjiang

減去南疆地區自流灌區的面積之后，得到巴州、和田、阿克蘇、喀什、克州5個地州的可利用風力提水技術灌溉的耕地面積，如表2所示。

2.2.5 風力提水量的計算

根據南疆地區主要農作物的灌溉制度可知，1月、2月及12月不進行灌水[29]，因此本文研究計算風力提水機量時，僅考慮3月至11月的平均風功率密度。

表2 南疆五地（州）風力提水灌溉面積 Table 2 Irrigation areas of wind-powered water pumping for the five prefectures in Southern Xinjiang km2

根據風力機的風輪大小，風能產量可按下式計算[30]

式中R是風能產量，kW；ε是風能利用率，基于前人的研究結果，本文取值為0.4[31]；D是轉子直徑，m，由風速概率分布計算而得。

本文采用的風力提水機的啟動風速為2 m/s，轉子直徑為7.5 m，根據2000—2014年的風速數據，統計出5個地州內年3月至11月風速大于2 m/s的累計有效小時數，并根據下式計算有效風能[30]

式中e是有效風能，kW·h；N是風速大于2m/s的累計有效小時數，h。

南疆地區四周以高山環繞，中部是塔里木盆地，地勢起伏較大，本文設定風力提水機揚程為15 m，單臺風力提水機的年平均抽水量可按下式計算[30]

式中q是單臺風力提水機的年平均抽水量，m3；ρw是水的密度，取值為103kg/m3；g是重力加速度，取值為9.8m/s2；h是揚程，取值為15 m。

3 結果與討論

3.1 南疆風能資源的時空分布及其變化規律

根據2000—2014年南疆地區29個氣象站點逐日的風速數據，計算得出南疆5個地州多年月平均風功率密度，如表3所示。圖2為南疆地區年內平均風功率時空變化圖，呈現出較為明顯的時空差異性。

從時間尺度上看，南疆地區年內風能資源分布不均勻，總體呈現出先增大后減小的趨勢，并隨著季節變化而波動，且波動幅度較大，體現出強烈的季節相關性。南疆地區4月的風能資源最為豐富，平均風功率密度達25.14 W/m2，其次是5月的平均風功率密度，其值為22.51 W/m2，而1 月的風能資源最小，平均風功率密度僅為3.09 W/m2。

表3 南疆五地（州）各月平均風功率密度 Table 3 Average wind power density for the five prefectures in Southern Xinjiang of each month W·m-2

從空間尺度上看，平均風功率密度在空間上呈現出從西部至東部由高降低再升高的特點。克州與巴州的風能資源較為豐富，整體風功率密度高于其他地州的風功率密度，并且每個月份的風功率密度值也相對較大。巴州、和田、阿克蘇、喀什、克州的年平均風功率密度分別為15.75、9.73、10.47、10.98、23.74 W/m2。南疆東西部的整體風功率較大，更加適宜建設風力提水工程，開發利用風能資源。

3.2 南疆農業灌溉需水量的時空分布及其變化規律

根據式（2）～（3）計算了南疆地區農業多年平均灌溉需水量，得到2000—2013年灌溉需水量的年內變化，如圖3所示。從時間分布特征分析，1月至8月的灌溉需水量呈上升趨勢，并在8月達到峰值，其值為9.02億m3。此后灌溉需水量逐漸減少，直至12月結束。從空間分布特征分析，由于南疆地理條件相差較大，各地區農業灌溉需水量存在一定的差異。總體而言呈現東北高，西南低的空間格局，其中，阿克蘇及巴州北部單位面積的灌溉需水較高。由于南疆地區耕地面積主要分布于東部，5個地州的耕地面積有所不同，喀什的耕地面積大于巴州的耕地面積。所以，雖然喀什的單位面積灌溉需水量較小，但是其體積農業灌溉需水量依然大于巴州的體積農業灌溉需水量。

表4 南疆五地（州）各月灌溉需水量 Table 4 irrigation water requirement for the five prefectures in Southern Xinjiang of each month 107km3

3.3 南疆風力提水量及風力提水機數目計算

本文根據2.2中公式和地理限制條件，分別計算得到南疆地區5個地州單臺風力提水量及風力提水機數目，進而計算得各個地州的總風力提水量。克州由于平均風功率密度較高，在5個地州中，克州單臺風力提水機的年提水量最大，其值為5.84×104m3，和田的單臺風力提水機的年提水量最小，其值為0.79×104m3，巴州、阿克蘇、喀什的單臺風力提水機的年提水量分別為2.27×104、1.31×104、1.27×104m3，具體情況如表5所示。

表5 南疆五地（州）風力提水量 Table 5 Amount of wind-powered water pumping for the five prefectures in Southern Xinjiang ×104m3

在情景一、情景二、情景三中，由于設置的緩沖區依次增大，相應的自流灌溉區依次增大，非自流灌溉區的灌溉需水量依次減小，風力提水總量占非自流灌溉區的灌溉需水量依次增大。由于5個地州的耕地面積、耕地與河流的距離、作物蒸散發量、有效降雨量均有所不同，因而其灌溉需水量相差較大。阿克蘇地區非自流灌溉區的灌溉需水量最大，在3種情景中均大于10.00×108m3；克州非自流灌溉區的灌溉需水量最小，在3種情景中最大值不超過1.50×108m3。

風力提水滿足率指的是區域內風力提水量除以其非自流灌溉區的灌溉需水量的比值。南疆5個地州非自流灌溉區風力提水滿足率如表6所示，在情景一、情景二、情景三中，風力提水滿足率依次增加。在3種情景中，克州風力提水量占其非自流灌溉區的灌溉需水量的比值最高，而和田、阿克蘇、喀什相對較低。在情景三中，克州的風力提水滿足率高達1.17，更加適合建設風力提水工程。相比而言，其他地州由于風能資源較少、可用于建設風力提水機的土地較少，或非自流灌溉區的灌溉需水量相對較大，因而風力提水滿足率不高，在建設風力提水工程時需要考慮其經濟效益。

表6 南疆5地（州）非自流灌溉區灌溉需水量及風力提水滿足率 Table 6 Irrigation water requirement and satisfaction rate of wind-powered water pumping in non-gravity irrigation area for the five prefectures in Southern Xinjiang

4 經濟效益分析

建設風力提水工程是彌補邊遠農村、農場、農牧區的能源不足途徑之一。在建設風力提水工程時，應嚴格控制工程投資，主要投入包括風力發電提水機組、儲水池、田間灌溉設備及人力資源等。為保證在枯風期因風力提水微小的不足，必要時可選取靈活的設備補灌，來確保經濟效益[32]。李亮等在風能提水試驗點的經濟分析中，采用年費用最小法計算進行經濟效益分析，研究得到在風力提水機使用期中，不考慮拉水效益情況下，風力提水年均節約1.77萬元/a，是內燃機組費用的57.12%；考慮拉水效益情況下，風力提水年均節約7.23萬元/a，是內燃機組和拉水總費用的84.45%[33]。胡建棟等按506臺提水機組（FSH-200，350型系列風力提水機）完成的提水量，相對8.8 kW柴油機組，每年可少消耗柴油443256 kg，減排二氧化碳1413 986.64 kg，使用風力提水機的價格與使用8.8 kW柴油機的價格比為1∶6.7，與使用2.2 kW汽油機的價格比為1∶4.25[34]。風力提水機每年維修1次，費用為0.5萬元；管理費用為0.1萬元，使用壽命為15 a左右[33]，整體來看長期投入小。同時，使用風力提水灌溉降低了農民體力勞動，提高了用水方便程度，總體減少了用水費用，節約了燃料，具有較好的環境效益和社會效益。

5 結論

本文對研究期2000—2014年內南疆地區風速及降水數據進行分析，采用兩參數威布爾分布模型對南疆的風能資源進行評估，借助ArcGIS軟件可視化表達。通過作物蒸散發量及有效降雨量計算南疆灌溉需水量，探尋風能資源與灌溉需水量的時空分布變化規律。計算南疆5個地（州）的風力提水總量，開展風力提水在區域灌溉農業中的潛力研究。本文通過研究得到以下結論：

1）南疆地區4月的平均風功率密度最大，其值為25.14 W/m2。克州與巴州的風能資源較為豐富，其他地區的風能資源相對較低，在開發利用風能時，需要綜合考慮經濟效益。

2）南疆地區8月的灌溉需水量最大，需水高峰期及季節的變化與南疆地區種植制度密切相關。單位面積上的灌溉需水較高的地區主要位于南疆阿克蘇及巴州北部部分地區，呈現東北高，西南低的空間格局。結合耕地面積大小，阿克蘇和喀什農業灌溉需水量大。

3）根據南疆5個地（州）的年風能有效小時數、年平均風功率密度分布、農業灌溉需水量以及適宜建設風力提水工程的面積，計算獲得不同地區的風力提水滿足率，揭示利用清潔風能資源服務灌溉農業的發展潛能，其中，在克州建設風力提水工程的效益更高。

南疆地區極度干旱少雨，植被覆蓋度低，生態環境脆弱，農業種植對灌溉用水十分依賴。利用風能資源進行“綠色灌溉”，減輕南疆對化石能源的依賴，并且減少使用產生的環境污染物，帶來更多的生態效益。本文將研究區以地（州）進行劃分，從年風能有效小時數、平均風功率密度、單位面積農業灌溉需水量及可安裝風力提水機的面積等四個方面評估南疆更加適合建設風力提水工程的地（州），得到克州具有更大的建設風力提水工程的潛力。區域利用風能資源提水的初步潛力評估，有助于在南疆布局風力提水開發利用前對區域情況有一個整體的認知和了解。