沙漠地區地下汲水灌溉技術研究*

王新利 ， 王永奇 ， 李豪文 ， 周怡博 ， 王艷秋 ， 劉新英

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

我國沙漠面積71萬km2，相當于青海省的面積，居世界第3位，我國是被荒漠化嚴重威脅的國家之一。草方格[1]有防風沙的作用，但偶爾草方格會被埋在風沙之中，需要人力手工重新種植。就目前而言，沙漠中嚴重缺水，植物不能從大自然中得到水分無法正常生長，如何獲得種植所需的水存在嚴重問題。基于此，課題組設計了一種可以從沙子中提取水的沙漠滴灌[2]設備。研究表明，在沙漠表面約5 cm以下，已經有濕潤的沙土出現，這表明在潮濕的沙子中完成水收集活動是可行的。自20世紀70年代中國沙控項目啟動以來，一代代控沙英雄不斷涌現，塞罕坎林場建設者2017年榮獲地球衛士獎“激勵與行動獎”。其中，庫布齊沙漠經過30多年的治理，生態恢復，降水量顯著增加。在改善當地氣候的同時，逐步形成沙漠旅游、種植、光伏等產業鏈領域，創造生態資產5 000多億元，實現從“沙進人退”向“綠進沙退”的轉變。而尤為可喜的是，毛烏素沙漠已基本“消失”。治沙人一步一步地種植植被，一點一滴地努力著且不停歇地灌溉植被。課題組研究發現，有了地下水灌溉技術后，不僅能大大節省人力物力，還能使草方格植根于地面，減緩土地沙漠化，大大增加沙漠地區草方格成活的概率。

1 地下水收集研究現狀

“地下水收集”即“地下汲水”，是指在一定條件下，位于沙漠地表之下一定深度的設備進行地下水汽的收集，在收集的水分集滿水箱之后，水箱中的抽水機工作，將水分以滴灌的方式供給植物，用于作物的吸收和處理，而不是由人類灌溉給作物供水：通過根系土壤水分向根系距離的轉移，即作物生理活性產生需要吸收的水，以滿足其蒸發效應[3]。供水時間、供水強度、供水量等主要取決于作物的生理需要，并設置了智能滴灌系統。

根據澆灌、畦灌、溝灌、噴灌、滴灌、有壓滲灌等傳統灌溉技術，外界的水分進入土壤的滲入過程完全取決于人潑、噴、灌、滴、壓等措施或高低水位的自然差異流入土地中，在運輸過程中會消耗大量能量，導致資源浪費。

2 技術核心

課題組設計的整套設備可通過外接的太陽能板實現清潔能源獨立工作。該裝置的目的是將前期通過集水器收集的水分運輸至地面。其中智能集合水箱部分置于地下2 m處，待水位傳感器[4]檢測到水充滿集水箱后，結合當下的季節與天氣狀況酌情發出工作指令，工作指令傳達到位后，水箱內水泵（直流12 V）開始向上抽水，水流經過塑膠軟管運輸到達地面后浸潤地面上種子周圍[5]，在自動控制系統的控制下，水箱內部裝有水位傳感器，會將水位數據傳輸至控制系統中心。地下汲水裝置側視圖如圖1所示。

圖1 地下汲水裝置側視圖

2.1 集水裝置

地下水蒸氣回收裝置呈圓底燒杯型，內部空心，外側二分之一以下有均勻分布的小孔，孔徑在1 mm左右，在保證地下水汽能夠進入汲水器的同時防止沙土落入瓶中。水汽冷凝瓶的下半部分埋藏在沙土下面，上端暴露在空氣中，利用白天的陽光和空氣的高溫將地下的水分蒸發，當水蒸氣上升以后冷凝形成液態水于汲水器壁上凝結后通過重力作用落入其下方的水箱之中，水箱由單片機[6]控制，在水分收集到一定量后自動閉口以防箱中水分流失。

2.2 種子處理部分

在開始滴灌植物前，種子要先進行處理，用可分解的有機塑料[7]包裹種子，以保護種子完整性與發芽率，在處理完種子后，先種植于地下。在集水箱部分有水位傳感器檢測水箱內水位，水量足夠使得種子健康發育到能自己汲取到沙漠中的水分后，集水箱部分開始工作，水箱內的水泵將水抽到沙土中種子的周圍，當包裹種子的環保塑料小袋遇水后，種子汲取到水分后開始生長發育。

3 關鍵部件的設計

草方格有著防風固沙的作用，但是草方格每過一段時間就會被沙子埋沒，就需要人工重新制作，如果有一種可以生長的草方格就可以大大減少人力和物力的投入。現在有一個嚴峻的問題，沙漠中嚴重缺水，難以獲取滿足植物生長所需的水。于是，課題組設計了一種可以從沙土中提取水的沙漠制水滴灌裝置。研究表明，沙漠表面以下5 cm左右，沙土已經開始潮濕，這說明在濕潤的沙土中完成汲水作業是完全可行的；沙漠表層[8]以下土壤含有大量的水分，將下層沙漠中的水分進行一定程度上的可控式遷移，使得各種沙生植被能夠快速萌發。

3.1 液態水的冷凝部分設計

通過實地考察發現，沙漠表面以下5 cm左右沙土已經開始潮濕，并且在一定范圍內隨著深度的增加濕度增加，由此可以說明在濕潤的沙土中收集可用于植物生長的水分是可行的。本裝置則正適用于地下水分的冷凝收集，水分蒸發回收裝置冷凝[9]瓶的高度在1 m左右，外部形體呈圓柱形，內部空心，外側二分之一以下有均勻分布的小孔，孔徑在1 mm左右，在保證地下水汽能夠進入收集器的同時防止沙土落入瓶中，收集瓶的材質選用玻璃或亞克力材料制作。水汽冷凝瓶的下半部分埋藏在沙土下面，上端暴露在空氣中，利用白天的陽光和空氣的高溫將地下的水分蒸發，當水蒸氣上升以后冷凝形成液態水于冷凝瓶中，從而完成沙漠制水的關鍵一步。通過實驗結論得知生成的水滴由于液體表面張力大部分集中于水汽冷凝瓶的頂部，所以在瓶內部設計有縱向的條紋狀結構，條紋狀結構的作用是讓生成的水滴沿著條紋狀結構流到下部的出水口。

3.2 液態水的分配系統設計

1）在水量不足的情況下，最大量保證植物的成活率的方案：在沙漠中，不同的位置沙土中含有的水分量不同，所以收集的水分量也不同，在這樣不確定水量的情況下，要盡可能保證最多的植物成活生長，需要一種最合理的灌溉方法。這里將一個沙漠制水裝置稱為一個制水單元，一個制水單元中配套種植8棵植物，將這8棵植物分別標號為1至8號，通過對水分的平均收集量計算，得出可以供幾棵植物生長，假定一個制水單元的制水量可供5棵植物生長，則在灌溉的時候只灌溉1至5號植物，放棄6至8號植物生長。如果集水量有所下降，則放棄5號植物的灌溉，保證1至4號植物能夠正常生長。此方案可以保證在積水量一定的情況下，讓最多的植物成活生長。滴灌作業示意圖如圖2所示。

圖2 滴灌作業示意圖

2）對于上述方案的具體實施方法，采用Arduino控制系統，由積水箱中的水位傳感器將水量數據傳輸至控制系統[10-11]，控制系統進行聯網，并將水位數據上傳至服務器進行數據分析。服務器中對每一個制水單元建立數據庫，對制水單元上傳的數據進行分析計算出該制水單元的平均制水量，并處理數據，得出合適的灌溉植物數量。再將數據傳輸至相應的制水單元，從而對每一個制水單元中的8棵植物實施不同的供水方式，保證最大數量的植物成活。

3.3 電能提供裝置的設計

由于沙漠制水裝置工作環境是荒無人煙的沙漠，而且此裝置的水量分配系統、控制系統和數據傳輸分析等各種功能的實現都需要有電能提供動力。因此，在電能提供方面進行以下設計：對于電能的生產系統，采用風力發電和太陽能發電相結合的方式，通過變壓處理以后的電能均為12 V直流電，并且配備有12 V的蓄電池作為儲電裝置，因此可以在有風或者陽光強烈的時間段將發電裝置產生的電能用于負載共工作，并將剩余的電能儲存在蓄電池[12]中。在晚上、陰天或沒有風的情況下，發電裝置無法正常提供電能時，系統將自動切換至蓄電池供電以保證設備的正常運轉。

4 總結

該裝置具有以下優點：

1）直接從沙漠的沙中取水，在治理沙漠問題時可以減少水的輸送，解決沙漠中長途輸水成本高的問題，從而大大降低治沙成本。

2）該裝置可以選擇性灌溉植物，指沙漠制水裝置，對于一個造沙單位，一個支持種植8棵植物的制水裝置，通過計算平均數量，將8棵植物分別標記為1至8號。集水，可用于幾株植物生長，假設一個制水單位系統水可以種植5棵植物，只有植物1至5號在灌溉過程中灌溉，放棄6至8號植物生長。如果集水量減少，放棄灌溉植物5號，以確保植物1至4號可以正常生長。植物的最大數量可以以相同的成本正常生長，降低治沙成本，提高防沙效率。

3）該設備嵌入互聯網[13]模塊，實現互聯網數據共享，可隨時在計算機和控制水系統上查看，不僅可以進行大量管理，還可以進行單一水單元管理，使防沙工作數字化、智能化[14]，降低防沙成本，減少人工投入，提高防沙效率。