青海高寒干旱區草原光伏提水灌溉模式研究

連利葉，李潤杰，劉得俊

(1.青海省水利水電科學研究院有限公司，西寧 810001；2.青海省流域水循環與生態重點實驗室，西寧 810001；3.青海省水資源高效利用工程技術研究中心，西寧 810001)

再生新能源的開發利用是實現綠色和可持續發展的重要途徑，受到了全世界的廣泛關注，太陽能光伏提水灌溉是其主要研究和應用領域之一[1-4]。太陽能光伏提水灌溉系統主要包括太陽能電池、逆變器、水泵、蓄水池和田間灌溉設備等部分[5]?；驹硎牵禾柲茈姵匕褰邮仗栞椛鋵⒐饽苻D換為電能，并帶動水泵將水從水源提出，輸送至蓄水設施或通過輸水管路直接進行灌溉。研究表明[6,7]，相比于柴油機發電、市電等，光伏提水灌溉技術具有經濟、環保、節能、簡便的優勢。近年來，在農業灌溉、防護林建設、生態修復等方面得到了廣泛推廣應用[8-11]，并取得了良好的經濟效益和社會效益。

青海省是我國的四大牧區之一，由于地廣人稀，遠離電網，牧民飲水及牧草補灌增效一直是影響農牧民發展的重要因素。2004年，李潤杰、馮玲正[12,13]等人從青海獨特的光能資源出發，對青海適宜推廣光伏提水灌溉技術區域進行研究，提出了不同地區光伏設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草場對降水量、地下水埋深、地表水供水距離、水質、地形坡度的要求。這為解決青海牧區灌溉和飲水問題提供了一定技術基礎，但系統地對青海高寒干旱區草原光伏節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、總結已有成功經驗和推廣成果，提出適宜的配套模式，以解決牧區的草地灌溉及人畜飲水，為經濟和社會可持續發展提供技術保障。

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、瀾滄江的發源地，素有“中華水塔”之美譽。地理位置介于東經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，較同緯度內地高出20萬～30 萬J/cm2；年日照時數為2 328～3 575 h，較我國同緯度地區約多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，是中國第二高值區[13]。因此，在邊緣無電網農牧區，可以充分利用當地太陽能資源優勢，發展光伏提水技術，以解決當地用能和用水問題。

2 適宜光伏提水的節水灌溉技術

在草原地區，光伏提水必須結合節水灌溉才具有生命力。青海地區屬于高原大陸性氣候，干旱少雨，風沙大。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，在青海推廣應用太陽能光伏提水灌溉技術，通常采用工作壓力水頭較低的滴灌和微噴灌等高效節水灌溉技術。主要有微噴灌技術、滴灌(含地下滴灌)技術和微潤灌溉技術等。目前，微噴灌和滴灌兩種灌溉技術在我國及美國、以色列和澳大利亞等農業發達國家被普遍應用，已經成為國際上最先進的節水灌溉技術[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、地下水缺乏地區發展集雨灌溉[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)”技術鏈，見圖1。集雨灌溉模式主要適宜于青海東部淺腦山區和牧區。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，合理灌溉規模0.07～0.2 hm2，節水灌溉技術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。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水灌溉技術。微噴帶的間距通常為4 m，見圖2。此模式下，太陽能光伏提水設備可選用規格為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?？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，合理規模1 hm2左右；牧草作物宜選用苜蓿、青貯玉米、草谷子等。節水灌溉形式優先選滴灌，對于多年生牧草還可以選擇微潤灌溉或微噴灌。牧草滴灌設計耗水強度為4 mm/d，設計灌水定額270 m3/hm2，灌水周期6 d，灌溉5～6 次，灌溉定額1 350～1 650 m3/hm2。其他形式節水灌溉(如微噴灌、微潤灌)設計時可酌情參考。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。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。大型太陽能光伏提水系統的功率一般為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”國家科技攻關重大項目“防沙治沙關鍵技術研究與示范”及水利部科技推廣項目“草場太陽能提水灌溉成套技術的推廣應用”等科技計劃項目，已在青海省柴達木盆地、果洛州、黃南州等地區推廣應用265套光伏提水灌溉技術，并取得了良好的經濟和社會效益。

(1) 經濟效益。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。對應的光伏提水系統和柴油發電系統的經濟對比可見表1，兩種系統的運行時間均按25年計算。通過分析可得：①從年運行總成本來分析，柴油發電系統是光伏提水系統的5.72 倍；②光伏提水系統每峰瓦成本是7.0元；③與柴油發電相比，光伏提水系統節油量337.5 t，二氧化碳減排量1 032.75 t；④與火力發電相比，光伏提水系統可節省標準煤491.77 t。

表1 光伏提水系統與柴油發電系統的經濟性對比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采用先進的節水灌溉技術可實現不同程度的節水增產，與傳統地面灌溉相比，可節水55.56%；②與天然草場相比生產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20%～45%；③農牧民收入有顯著提高，凈效益增加7 725 元/hm2。

(2)社會和生態效益光伏提水技術不僅解決了青海邊遠、無電地區的人畜飲水問題，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條件，使草原生態得到保護和修復[20]，且對提高當地農牧民生活水平，促進青海民族地區社會穩定和經濟可持續發展具有重要意義。

5 結 語

本文根據光伏提水技術在青海省的研究、推廣及應用情況，梳理、總結了適宜青海高寒干旱區的草原光伏提水灌溉模式及其適用參數，主要得出以下結論。

(1)提出了4種適宜青海高寒干旱區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。利用的節水灌溉技術以微噴灌和滴灌為主。該模式適宜于偏遠牧區家庭牧場(小功率系統)和聯戶草場(大功率系統)的灌溉及人畜飲水。

(2)截止目前，光伏提水系統已在青海推廣應用265套，可實現節約水量約55.56%，增產20%～45%。該項技術不僅為邊遠、無電地區的人畜飲水安全和灌溉技術開發提供了新的途徑，而且對提高人民生活水平、促進生態改善和當地經濟的發展有著重要的推動作用，具有良好的推廣應用前景。