光伏发电板下芦荟需水规律及灌溉制度试验研究

2017-03-22刘艳慧饶碧玉陈新群贝耀平冯峻峰

中国农村水利水电 2017年5期

李群，刘艳慧，饶碧玉，陈新群，贝耀平，冯峻峰

(1.云南农业大学水利学院，昆明 650201；2.云南农业大学建筑工程学院，昆明 650201；3.中国三峡新能源有限公司，昆明 650201)

0 引言

光伏电站站台资源的利用一直少有研究，按资源类型可分为：站台土地资源、站台水资源。土地资源方面，我国人多地少，以7%耕地承载着世界23%的人口，2016年4月国土资源部发布的《中国国土资源公报》显示，截至2014年底，全国耕地面积1.35 亿hm2，比上年减少10.73 万hm2，更为严峻的是，我国有限的耕地资源还在继续减少。根据云南省发展和改革委员会统计到的27个光伏电站项目，计算得出平均每10 MW用地面积达到15.2 hm2[1]，根据国家能源局的统计，截至2015年6月底，全国光伏发电装机容量达到35 780 MW，如此巨大面积的土地如果可以作为耕地被利用，对于人均占地面积排名120位的中国来说意义非常重大。水资源方面，中国水资源总量虽然在世界各国中排名比较靠前(世界第六位)，但人均占有水资源量仅相当于世界水平的1/4，居世界110位，被联合国列为世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一。由此可见，研究光伏电站站台水土资源的高效利用具有重要意义，目前对站台水土资源高效利用的研究几乎处于空白。

为有效利用光伏电站站台水土资源，研究旨在利用光伏发电板下的土地资源种植适宜当地生长的经济作物，灌溉水源来自以光伏发电板为集流面的集雨系统。最大限度利用光伏电站站台土地资源、雨水资源产生附加经济价值与生态价值，为推广该光伏电站站台资源利用模式做基础研究。该研究选用适宜当地站台条件生长的芦荟进行试验，通过现场田间试验与室内模型试验相结合，对芦荟需水量、需水规律及不同水文年灌溉制度进行分析研究，为光伏电站种植芦荟提供灌溉指导，同时也为其他光伏电站站台资源利用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

芦荟属百合科，多年生肉质草本植物，叶片肉质，肥厚多汁，植株生长健壮，少病虫害，繁殖能力强，耐炎热，耐干旱、怕低温而不耐阴湿。芦荟品种繁多，多达400余种，且品种间性状差异较大[2]。本研究根据光伏电站站台土壤、气候条件选取不夜城芦荟种植，此品种产于非洲南部，茎高30～50 cm，喜温暖、干燥、充足而柔和的阳光，耐半阴、干旱[3]。

不夜城芦荟具有一定药用与观赏价值，一年期不夜城芦荟每株市场价约为15元人民币，一个标准光伏发电板方阵可以种植约356株，产值可达5 340元人民币。1 MW约合6 965 m2发电板面积，元谋天子山光伏电站装机容量20 MW，合2 950个标准方阵，如果整个光伏电站发电板下种植此种芦荟产值可达157.53万元人民币，经济效益显著。

1.2 试验地点基本情况

试验地设在云南省楚雄彝族自治州元谋县天子山光伏发电站，地理位置北纬25°48′东经101°48′，海拔1 402 m,多年平均日照数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，相对湿度为53%，年平均气温21.9 ℃，平均无霜期300 d以上，土壤为沙质土，其密度γd为1.48 g/cm3。

1.3 试验设计与布置

试验于2015年3月至同年12月进行，试验作物不夜城芦荟为昆明市同心亭绿植坊花卉配送中心提供的培育2个月的不夜城芦荟幼苗，试验设计共有3个田块(即对应3个标准太阳能发电板方阵)，灌溉方式为滴灌，压力补偿滴灌带规格为直径φ16，流量1.0 L/h，长度200 mm。

图1所示为一个标准太阳能发电板方阵，方阵长18 160 mm、宽3 930 mm，由36块太阳能发电板组成，分为2行18列布置，图中阴影部分为其中一块光伏发电板，尺寸为1 955 mm×990 mm，各块光伏发电板之间纵横向缝隙宽度均为20 mm。图2所示为太阳能发电板侧向布置，光伏发电板倾角25°，最低点距水平地面650 mm，最高点距水平地面2 310 mm，为留出工作空间，选取田块宽度为1 600 mm。一个试验田块长18 160 mm、宽1 600 mm (即一个标准太阳能发电板方阵下的田块尺寸)，田块中芦荟种植的行距为400 mm，株距为200 mm，一个试验田块中种植芦荟4行。

图1 标准光伏发电板方阵平面示意图(单位：mm)Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic standard plane

图2 标准光伏发电板方阵侧视图(单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic standard plane

1.4 试验观测方法

土壤含水率测量取样点：在每一个标准光伏发电板方阵对应的试验田块中，顺滴灌带水流方向选取四株植物为取样点，在垂直滴灌带方向从滴灌带正下方向两边间隔100 mm选取取样点(共8个取样点)，分5层(0～38、38～76、76～120、120～200、200～300 mm)测量土壤含水率(体积含水率)。测量仪器为TDR-100土壤水分快速测量仪。

各层土壤初、末时段含水率平均值：每天使用TDR100测定取样点的土壤含水率，观测时间为9∶00，灌水及降水前后需要加测。

植株生长发育状况：记录植株株高、株宽。

常规气象资料：气象观测资料的采集通过试验地安装的小型自动气象站，包括逐日气温、日照、风速、湿度、降水等。

2 结果与分析

2.1 作物需水量(ET)

作物需水量是指植株蒸腾量和株间蒸发量之和，即腾发量[4]。不夜城芦荟需水量可根据水利部2015年最新发布《灌溉试验规范》(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为阶段腾发量，mm；i为土壤层次号数；n为土壤层次总数目；ri为第i层土壤密度，g/cm3；Hi为第i层土壤的厚度，cm；Wi1为第i层土壤在时段始的含水率(干土重的百分率)；Wi2为第i层土壤在时段末的含水率(干土重的百分率)；M为时段内的灌水量，mm；P为时段内的降水量，mm，此研究中指光伏发电板缝隙下漏的有效降水量，mm；K为时段内的地下水补给量，mm；C为时段内的排水量，mm。

每层土壤初、末时段含水率取平均值，其计算方法为多点采样分层平均法。

(2)

式中：θi为土壤某一层平均土壤含水率，%；θx为第x个取样点第i层土壤含水率，%；n为总取样点数目。

试验地在山顶，地下水埋深较深，为简化上述计算公式(1)，认为所测土层与深层土壤水分交换可以忽略不计，即K取值为0。由于P取有效降水量，故C取值为0。公式(1)可以简化为：

ET1-2=10∑ni=1riHi(Wi1-Wi2)+M+P

(3)

由于光伏发电板的遮挡，P值会介于0和降水量之间。为了确定P的取值，进行了室内模型试验，模型比例为1∶1，面板采用和光伏发电板表面糙率相近的有机玻璃(亚克力)，在人工自动模拟降雨条件下对光伏发电板雨水收集和缝隙下漏进行试验研究。通过试验得到降水强度与集雨效率之间关系(见表1)。试验结果表明当光伏发电板倾角与缝隙宽度一定的条件下(该光伏电站发电板倾角25°、板缝隙间距20 mm)，单位时间的P值仅与降水强度有关。

表1 降水强度与集雨效率表Tab.1 Precipitation intensity and rainfall collection efficiency table

分析图3可知集雨效率和降水强度并非呈线性关系，集雨效率最小值对应的降水强度不是最小值，相应最大值亦是如此。分析出现这种现象的原因为相邻光伏发电板间存在20 mm的缝隙，通过试验观察发现，降水强度过低时，纵向第一块板收集的降水大部分会从横向缝隙下漏；降水强度过高时，纵向第一块板收集的降水有一部分会跃过横向缝隙流入纵向第二块板，但集雨效率仍低的原因在于两块板都会有大量雨水从纵向缝隙下漏；试验中集雨效率最大值出现在降水强度为1.95 mm/min，对应集雨效率为55.42%，在此情况下，观察发现纵向第一块板的集雨大部分都从横向缝隙下漏，集雨量几乎全部来自纵向第二块板。

P=α(1-η)tP0

(4)

式中：P为从光伏发电板缝隙下漏的有效降水量，mm；α为降雨有效利用系数，次降雨小于50 mm时，α=1.0；次降雨为50～150 mm时，α=0.8 ～0.75；次降雨大于150 mm时，α=0.70；η为集雨效率，可根据图3趋势取值；t为降雨时间，min；P0为降水强度，mm/min。

图3 降水强度与集雨效率Fig.3 Precipitation intensity and rainfall collection efficiency

利用上述式(1)～式(4)计算出芦荟3-12月作物需水量如表2所示。

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

从图4分析可得，芦荟在3-12月不同时段的日需水量不等，变化趋势为：先增大，后减小。随着气温的升高以及城芦荟生长速度的加快，日需水量逐渐增强，峰值为3.62 mm/d；随着气温的降低，日需水量又减弱，最小值出现在12月份，值为1.30 mm/d。芦荟3-12月需水量659.71 mm，芦荟需水关键期为7月、8月。

2.2 参照作物需水量(ET0)

参照作物需水量的公式是由联合国粮农组织(FAO)推荐的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式，此公式也是2015最新版《灌溉试验规范》(SL13-2015)中计算参照作物需水量的公式。

(5)

图4 芦荟日需水量变化Fig.4 Changes of daily water requirement of Aloe nobilis

式中：ET0为参照作物需水量，mm/d；Δ为温度～饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；Rn为净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2d)；γ为湿度表常数，kPa/℃；T为平均气温，℃；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa。

根据当地气象资料计算得出芦荟参考作物需水量(如表3)。

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

2.3 作物系数Kc

作物实际需水量可由参照作物需水量和作物系数计算，因此研究作物需水规律的一个重要环节是求出作物系数[5]。作物系数计算公式如式(6)：

(6)

式中：ET为作物实际作物需水量，mm；ET0为参照作物需水量，mm。

根据实测的芦荟需水量，并结合参照作物需水量(ET0)的计算，得出元谋天子山光伏电站芦荟的作物系数，结果见表4。

分析图5可知，在不考虑水分胁迫作用下，芦荟在3-12月这一段时期作物系数呈现先增大后减小的趋势；7月和8月份

表4 芦荟作物系数(Kc)Tab.4 The crop coefficient of Aloenobilis

是芦荟的需水关键期，这个时期需要大量水满足它的生长发育，因此Kc值较大；在3-12月这一时间段，芦荟的作物系数0.69～1.21，平均作物系数0.92。

图5 芦荟各月作物系数Fig.5 Monthly crop coefficient of Aloenobilis

2.4 芦荟灌溉制度

农作物的灌溉制度是指作物播种前及全生育期内的灌水次数、每次的灌水日期、灌水定额以及灌溉定额[6]。本研究通过水量平衡原理分析作物灌溉制度，灌水定额公式如式(7)：

M=1 000γH(β田-β0)

(7)

式中：M为灌水定额，mm；γ为密度，g/cm3；H为计划湿润层深度，m；β田为土壤田间持水率；β0为土壤最小含水率(以占干土重的百分数计)。其中β田使用TDR-100在田间直接测量得出，测出数据为体积含水率，转化为质量含水率β田=8.6%，由于试验田土壤为沙土，取β0=50%，β田=4.3%；γ=1.43 g/cm3，H根据芦荟根长取0.3 m。M计算结果为：M=18.45 mm。

由于降水量在年际之间变化很大，因此在计算确定灌溉制度时要以典型年的降水资料作为依据。根据元谋站1981-1995年间逐日降水资料，可以求得历年各月份的降水总和，将统计结果按照从大到小的顺序排列，并绘制出经验累计频率曲线(如图6)，从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)。最后根据灌水定额与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芦荟3-12月灌溉制度(如表6和表7)。