基于風(fēng)光互補(bǔ)的藏北干旱地區(qū)節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

佘權(quán)威， 衛(wèi) 魏， 張廉灝

（西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

0 引言

藏北高原又稱(chēng)羌塘高原，羌塘系藏語(yǔ)，意為“北部高地”，因位于西藏區(qū)境北部，故通稱(chēng)藏北高原。藏北高原是青藏高原的主體與核心部分，地域遼闊，橫跨阿里、那曲兩個(gè)地區(qū)，西到阿里地區(qū)的日土縣東部高地，東到那曲市的色尼區(qū)縣城以東的念青唐古拉山脈的西方，東西長(zhǎng)約1 200 km，南北寬約700 km，面積約占西藏的2/5，平均海拔4 500 m 以上，許多地方無(wú)人居住，是西藏畜牧業(yè)生產(chǎn)主產(chǎn)區(qū)。藏北高原屬于高原亞寒帶氣候，冬季嚴(yán)寒干燥，夏季溫和濕潤(rùn)，年平均氣溫-2.8～1.7 °C，氣溫最高的7 月不超過(guò)10 °C，總體而言6-8 月較溫暖，屬雨季，雨季多夜雨，冬春多大風(fēng)；年平均降水量在320～460 mm，遠(yuǎn)低于全國(guó)年平均降水量630 mm，但蒸發(fā)強(qiáng)烈，全年蒸發(fā)量超過(guò)1 500 mm。由于人類(lèi)活動(dòng)加劇，藏北高原季節(jié)性干旱風(fēng)險(xiǎn)增大，草地退化變得嚴(yán)重[1]。

水是牧草生長(zhǎng)的首要影響因素，草地水分的供應(yīng)情況決定著牧草生長(zhǎng)狀況，降水不足導(dǎo)致植被不能充分分解有機(jī)物，難以溶解吸收礦物營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)也難以充分吸收有機(jī)肥料[2]。充足的水分供應(yīng)，可有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，確保牧草生長(zhǎng)產(chǎn)量高、品質(zhì)好，同時(shí)可改善牧草群落構(gòu)成，調(diào)節(jié)草地局部氣候條件，延長(zhǎng)牧草生長(zhǎng)期。降水不足是制約藏北高原牧草生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[3]。但另一方面，全球氣候變暖加速了西藏雪山和冰川融化，使地表水位上漲、徑流量增加，為周邊區(qū)域退化草地提供了水源，因此灌溉對(duì)藏北牧區(qū)具有特殊意義[4]。

為了充分利用河流、湖泊等地表水資源，發(fā)揮藏北高原豐富的地?zé)崮堋⑻?yáng)能、風(fēng)能等清潔能源優(yōu)勢(shì)，并且結(jié)合藏北高原電力短缺、幅員遼闊和高海拔下人工大面積灌溉困難等特點(diǎn)，通過(guò)多次試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究出一套適用于藏北干旱地區(qū)牧區(qū)灌溉的節(jié)能系統(tǒng)裝置-混合式風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電裝置，這是一種基于創(chuàng)新型的清潔發(fā)電裝置，具有節(jié)能、占用面積小、覆蓋面積大及利于藏北地區(qū)灌溉牧區(qū)等優(yōu)勢(shì)，真正體現(xiàn)了小身板、大力量的特點(diǎn)。

1 工作原理及性能分析

采用清潔能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能）作為動(dòng)力源，主要部件包括架體、電源部、水泵組件、太陽(yáng)能發(fā)電組件、風(fēng)力發(fā)電組件和控制組件[5]。灌溉水源使用地下水，能適應(yīng)藏北大多數(shù)地區(qū)的環(huán)境，從根本上平衡了地下儲(chǔ)水量與灌溉需水量、能源吸取量與水泵所需電量間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了能源的充分利用與環(huán)境的零污染。

1.1 主體結(jié)構(gòu)

采用一體式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1 和圖2 所示。頂部設(shè)置有整臺(tái)裝置的控制器，用以控制灌溉系統(tǒng)的啟停。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片安置在裝置機(jī)架周?chē)?，并根?jù)具體環(huán)境要求設(shè)置2～4 組葉片，葉片為環(huán)繞布置，形狀為螺旋型或垂直L 型。根據(jù)小型水泵的需電量選擇蓄電池；根據(jù)灌溉環(huán)境的需求選擇小型水泵的揚(yáng)程。水管分為灌溉水管和輸水水管，輸水水管安裝在小型水泵的入水口，灌溉水管安裝在小型水泵的出水口，灌溉水管根據(jù)需求可選擇滴灌管、滲灌管。機(jī)架為支撐裝置的整體結(jié)構(gòu)，選材為角鐵或細(xì)鋼管?？刂破髂芸刂菩铍姵爻?、放電；蓄電池、光伏逆變器垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)均位于裝置中部保護(hù)管內(nèi)。電源和水泵組件均連接在架體上并且電源與水泵組件電連接，太陽(yáng)能發(fā)電組件連接在架體的頂部并且與電源電連接，風(fēng)力發(fā)電組件連接在架體上并且與電源電連接，控制組件連接在架體的頂部，太陽(yáng)能發(fā)電組件和風(fēng)力發(fā)電組件均能夠?yàn)殡娫垂╇姡鱾€(gè)零件的具體連接方式均采用現(xiàn)有技術(shù)中成熟的螺栓、鉚釘、焊接等常規(guī)手段，零件和設(shè)備均采用常規(guī)型號(hào)，電路連接采用常規(guī)連接方式。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)節(jié)水灌溉裝置示意Fig.1 Schematic diagram of complementary wind and solar watersaving irrigation device

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)節(jié)水灌溉裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of complementary wind and light water-saving irrigation device

1.2 工作原理

混合式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力葉片發(fā)電系統(tǒng)和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成，包括風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池組、支架、直流配電柜、逆變器等設(shè)備，同時(shí)配備供電監(jiān)控裝置和環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置[6]。

采用自動(dòng)控制裝置控制電器部分，該裝置的總開(kāi)關(guān)位于太陽(yáng)能電池板頂部中間，控制器能控制太陽(yáng)能發(fā)電板和風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)所發(fā)電為蓄電池充電；同時(shí)根據(jù)供電需要，也能控制蓄電池對(duì)小型水泵的供電[7-8]。在開(kāi)關(guān)中存在功率可調(diào)節(jié)化系統(tǒng)，共有低中高3 種擋位調(diào)節(jié)，可根據(jù)自身需要調(diào)節(jié)灌溉面積，避免水資源的浪費(fèi)。

根據(jù)灌溉環(huán)境確定的揚(yáng)程選擇小型水泵，根據(jù)灌溉水泵的功率選擇蓄電池[9]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片運(yùn)用特殊的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，使其在低風(fēng)速條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電量也較大。旋轉(zhuǎn)葉片選用翼形設(shè)計(jì)，在葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)因外力變形而影響效率，風(fēng)能利用率高，啟動(dòng)風(fēng)速低，基本不產(chǎn)生噪聲[10-11]。根據(jù)使用環(huán)境，該裝置的風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)由4～6 個(gè)葉片組成，環(huán)繞布置在機(jī)架周?chē)?，由輪轂固定并連接葉片的連桿組成風(fēng)輪，風(fēng)輪帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電送往控制器進(jìn)行控制，輸配負(fù)載所用電能[12]。

1.3 工作模式

（1）混合功率模式：太陽(yáng)能電池板與風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)同時(shí)提供能量，如在白天有風(fēng)無(wú)云的天氣，可同時(shí)將太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)投入使用，最大效率地轉(zhuǎn)換可用能量。

（2）無(wú)風(fēng)模式：風(fēng)速不足，風(fēng)力發(fā)電機(jī)未啟動(dòng)，僅太陽(yáng)能電池板提供負(fù)荷于電池組所需能量，適用于天晴無(wú)風(fēng)或風(fēng)力較小的天氣，最大效率地轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能。

（3）無(wú)光模式：僅風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)工作，適用于有風(fēng)夜晚及天陰有風(fēng)的天氣，最大效率地轉(zhuǎn)換可用風(fēng)能。

（4）電池放電模式：風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)與太陽(yáng)能電池板均不工作，由備用電池組提供負(fù)荷所需能量，適用于天陰無(wú)風(fēng)及夜晚無(wú)風(fēng)的天氣及時(shí)間段。

1.4 性能分析

太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)為一體式發(fā)電設(shè)計(jì)，從發(fā)電到用電過(guò)程大大減少了電能的損耗，使其能夠充分、迅速進(jìn)行充放電。太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力葉片發(fā)電機(jī)能夠利用藏北地區(qū)得天獨(dú)厚的氣候優(yōu)勢(shì)-日平均光照，風(fēng)力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大。兩個(gè)裝置互補(bǔ)發(fā)電能夠持續(xù)對(duì)底部鉛蓄電池供應(yīng)能源。鉛蓄電池儲(chǔ)存的電能可保證水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?？筛鶕?jù)不同地區(qū)更換適應(yīng)該地區(qū)的可拆卸水泵，多功能管道下接水泵，避免了能量流失，使抽上來(lái)的水經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)接器直接連接到不同結(jié)構(gòu)的灌溉口，適用于絕大多數(shù)的復(fù)雜地形，可以很好地解決藏北地區(qū)的農(nóng)田灌溉難題，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2 灌溉方式選擇

根據(jù)不同地勢(shì)地形的牧場(chǎng)生態(tài)區(qū)草場(chǎng)植物本身的需水特性確定節(jié)水灌溉方式，才能充分發(fā)揮各種節(jié)水灌溉方式的優(yōu)勢(shì)和作物的節(jié)水潛力[13-14]。我國(guó)西南地區(qū)地形地貌以丘陵山地為主，地形起伏大，土壤蓄水保肥能力弱，水土流失相當(dāng)嚴(yán)重，迫切需要發(fā)展以噴灌為主的水肥一體化技術(shù)，達(dá)到節(jié)水省肥、節(jié)約勞動(dòng)成本和提質(zhì)增效的目的[15]。藏北牧區(qū)草場(chǎng)合理灌溉能夠預(yù)防草場(chǎng)退化，有效控制草場(chǎng)沙化，改善草場(chǎng)的土壤結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大草場(chǎng)可種植面積，降低地表水蒸發(fā)，從而更好地保護(hù)藏北草原生態(tài)環(huán)境[3,16]。

噴灌是用水泵和管道系統(tǒng)或者利用自然水源的落差，把具有一定壓力的水噴到空中，然后散成小水滴或者形成彌霧降落到植物和地面上，是一種先進(jìn)的機(jī)械化或半機(jī)械化的節(jié)水灌溉方式[17]。噴灌對(duì)各種地形適應(yīng)性強(qiáng)，不需要整平土地，在坡地和起伏不平的地面都可以實(shí)施，特別是在土層薄、透水性強(qiáng)的沙質(zhì)土，非常適合采用噴灌。與傳統(tǒng)地面灌相比，噴灌具有明顯的“三省一增”的優(yōu)點(diǎn)[18]。一是省水，大田作物噴灌一般可省水20%～30%；二是省地，節(jié)省了田間修建各級(jí)溝渠的土地，可增加作物播種面積10%左右；三是省工，噴灌機(jī)械化程度高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提高生產(chǎn)效率，節(jié)省勞動(dòng)力。而“一增”指的是增產(chǎn)，噴灌可實(shí)現(xiàn)少澆勤灌，便于控制土壤水分，使土壤水分保持在作物生長(zhǎng)最適宜的范圍，灌水后土壤疏松、通氣性好，有利于增產(chǎn)。藏北高原草地在夏季6-9 月灌溉期間風(fēng)力相對(duì)較小，很適合推廣噴灌節(jié)水技術(shù)。

配合滴灌，可達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)減肥的效果[19]。滴灌可以將肥料溶入灌溉水，按照作物的需肥特性隨水施肥，大幅提高了肥料利用效率，灌水后不破壞土壤結(jié)構(gòu)，作物根區(qū)土壤水、肥、氣、熱經(jīng)常保持在適宜于作物生長(zhǎng)的良好狀態(tài)，更利于作物增產(chǎn)[20]。

3 應(yīng)用實(shí)例

班戈縣地處藏北西部，位于納木錯(cuò)、色林錯(cuò)兩大湖之間，屬高原山地氣候，平均海拔4 700 m。區(qū)域面積30 138 km2，可利用草場(chǎng)面積約2 87 萬(wàn)hm2，總?cè)丝诮?.9 萬(wàn)，轄1 個(gè)區(qū)、18 個(gè)鄉(xiāng)、134 個(gè)村。該縣地勢(shì)北高南低，南部屬南羌塘高原湖盆地區(qū)，位于納木錯(cuò)畔，山勢(shì)平緩、草原開(kāi)闊、水草豐美，適宜飼養(yǎng)牦牛。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的水位、土地分布情況，將項(xiàng)目區(qū)分成兩大區(qū)，每區(qū)面積為10 hm2，采用自動(dòng)化滴灌方式。風(fēng)光互補(bǔ)灌溉工程分布在A(yíng) 區(qū)，普通灌溉工程分布在B 區(qū)。

由表1 可知，與普通灌溉工程相比，風(fēng)光互補(bǔ)灌溉系統(tǒng)投資增加了2 倍多，但20 年后的凈現(xiàn)值提高了7倍多，年效益也提高了2 倍，故從長(zhǎng)期效果來(lái)看，風(fēng)光互補(bǔ)灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益較高。

表1 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of economic benefit indicators

在經(jīng)濟(jì)效益上，項(xiàng)目開(kāi)展后，長(zhǎng)遠(yuǎn)收益和年效益均比普通灌溉高，如果再融入水肥一體相關(guān)技術(shù)，效益預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步增加。在生態(tài)效益上，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施，一是可使當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能和風(fēng)能等清潔可再生能源的利用進(jìn)一步加深，減少傳統(tǒng)化石能源的消耗，為我國(guó)碳中和事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量；二是充分利用當(dāng)?shù)厮Y源進(jìn)行精準(zhǔn)有效的灌溉，有助于節(jié)約用水，保護(hù)脆弱的藏北生態(tài)環(huán)境。在社會(huì)效益上，環(huán)保宣傳、模范展示、技術(shù)指導(dǎo)和效益對(duì)比等方式可以改變當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的灌溉理念，提高對(duì)國(guó)家相關(guān)政策和環(huán)保理念的理解，增強(qiáng)對(duì)新事物、新技術(shù)的興趣。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于混合式風(fēng)光互補(bǔ)節(jié)水灌溉裝置采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電板的混合利用，整體采用清潔能源和天然水，基本實(shí)現(xiàn)了零污染。因無(wú)需外接電源，占用面積小、覆蓋面積廣，在藏北高原用電困難地區(qū)，這種灌溉裝置具有至關(guān)重要的作用。與其他的混合能源發(fā)電裝置相比，該裝置更節(jié)約材料，整個(gè)裝置的核心部分均在管道中，從發(fā)電到用電縮短了距離，減少了能量轉(zhuǎn)化的損失。