风力提水在南疆灌溉农业发展中的潜力评估

宋 姝，牛 俊

（中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京 100083）

0 引言

随着人口的增长、全球变暖的加剧，清洁能源产业的产生与发展是社会可持续发展的必然需求。风能是一种清洁且经济效益更高的可再生能源。现阶段，在新疆主要利用风能发电，风力提水灌溉在新疆还未开展深入研究[1]。

风力提水技术是指将风能转换为水源的动、势能，达到农业引水灌溉的目的。中国利用风车提水可以溯源到1700多年前[2]。目前中国推广的风力提水机产品主要分为两大类，具体为南方型大流量低扬程风力提水机组和北方型小流量高扬程风力提水机组，其型号丰富多样[3]。张丹等发现风力提水灌溉不仅解决了偏远山区无法用电提水灌溉的难题，而且不会产生环境污染，实现了绿色、环保、零污染的农田灌溉[4]。苏建军首次在风力提水机组中应用了自动适应偏航回转系统，自主设计了往复式双作用抽水泵，具有显著的社会经济效益，为农村灌溉提供新思路[5]。卢月总结得出，利用风能提水开展节水型农业灌溉是平原干旱地区解决农作物灌溉的一种有效措施和方法，经济效益显著[6]。Jadallah等评估在伊拉克使用风力/光伏混合系统抽水的可能性，并分析了井深、环境温度、太阳辐射强度和风力机转子结构等关键性能参数对系统生产率的影响[7]。Rehman等比较了沙特阿拉伯的风力抽水系统和柴油发电机系统的性能，所得结果表明，通过充分利用风能，每年可以避免将近24000 t的二氧化碳的排放[8]。目前，对风力提水的研究多数在于其系统本身，而实际应用推广必要性少有研究。本文旨在对南疆地区风能资源进行评估，探究风力提水在南疆农业中的潜力。建设风力提水工程的意义不仅在于可以有效缓解南疆水资源短缺对农业种植带来的问题，而且具有一定经济、生态效益。

1 研究区概况

南疆地区处于新疆维吾尔自治区南部，总面积达108万km2，地理位置位于73°20′E～96°25′E，34°15′N～49°10′N，位于中纬度欧亚大陆腹地，四周以高山环绕，中部是中国最大的盆地：塔里木盆地[9-10]。南疆地区地貌高差明显，戈壁滩、沙漠面积大，气候属于大陆性干旱气候，并具有以下特点：冬日酷冷，夏日干热，昼夜温差大，降雨量少，蒸发量大，气候干燥，但日照充足，风次多且持续时间长，具有明显的气候垂直运动。南疆是一个十分缺水的地区，多年平均降水量为123.9 mm[11]，其河流补给主要来自山区降水和高山积雪、冰川融水，也是农田灌溉水源的主要来源[12]。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文使用的土地利用类型数据来源于由GLC2000项目发布的基于SPOT4遥感数据的全球土地覆盖数据中国子集[13]，分辨率为1km×1km，含有22种土地利用类型。本文使用的蒸散发数据来源于NASA水文和地球科学研究项目[14]，该项目基于彭曼公式，根据NDVI测定的生物群落特异性冠层进行估算，并对开放水蒸发量进行量化。本文选取了2000—2013年月尺度的蒸散发数据。

本文使用的气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.gov.cn/），使用了2000—2014年日尺度上的测风数据及降水数据，选取了南疆地区29个气象站点，数据的实有率在99%以上，数据的正确率接近100%。利用ArcGIS软件的普通克里金法进行空间插值[15-16]，得到南疆地区的风速分布情况。

2.2 研究方法

2.2.1 两参数威布尔分布及风功率密度

常见的用于拟合风速概率分布的模型有威布尔（Weibull）分布、伽马（Gamma）分布、瑞利（Rayleigh）分布、皮尔逊（Burr）分布和对数正态（Log-normal）分布模型等。在上述模型中，由于两参数威布尔分布模型能够很好的描述不同形状的风速概率分布[17]，且形式简单、计算方便，因此本文选用两参数威布尔分布。

两参数威布尔概率密度函数如公式（1）所示[18]

式中f(v)是特定地点特定风速出现的概率；v是实测风速，m/s；k是形状参数，无量纲；c是尺度参数，m/s。

本文利用最小二乘法计算得威布尔分布的形状参数与尺度参数[19-20]，进而计算出区域的平均风功率密度。平均风功率密度可以有效衡量地区风能大小的风能储量，其计算公式如下[21]

式中ρ是空气密度，kg/m3，本文中取1.225kg/m3[22]；w是平均风功率密度，W/m2；f(v)dv是求解在特定风速下的瞬间功率。

2.2.2 地理限制

对南疆地区可用于建设风力提水机的区域加以地理限制，得到南疆地区可用于陆上安装风力提水机的土地总面积。本文排除了自然保护区、已开发区（城市、乡镇、工厂、矿场等）、水域（海洋、湖泊等）、耕地、林地、坡度大于20°的区域、海拔高于3500 m的地区，选择在河流附近30 m内、耕地附近8 km内建设风力提水机，并假定风力提水机间距为10倍转子直径[23-26]。根据上述地理限制条件，利用ArcGIS的镶嵌至新栅格工具，将所有的限制叠加，生成最终的南疆可用于安装风力提水机的土地总面积。

2.2.3 农业灌溉需水量

南疆地区的天然降水匮乏，导致供求失衡，绝大部分农田需要依靠灌溉才能维持正常的生理特性。基于此点，南疆的农业区均与灌区完全结合。本文假设南疆地区农作物的灌溉制度为充分灌溉，利用蒸散发数据集与降水数据，引入降水有效利用系数因素的影响，最终确定南疆地区的农业灌溉需水量，如下式[27]

式中W是农业灌溉需水量，mm；ET是蒸散发量，mm；P是降水量，mm；δ是降水有效利用系数，受降水总量、强度、降水时长的影响，且与土壤类别、作物种植模式有关，根据前人的研究，本文取值为0.43[28]。

2.2.4 自流灌溉区的设定

在计算风力提水灌溉面积时，需要将南疆总耕地面积减去自流灌溉的面积。本研究根据南疆灌区数目及大小，在满足高程的条件下，假定河流两侧缓冲区覆盖的耕地满足自流灌溉条件，设定其为自流灌溉区，并按照缓冲区范围分为3种情景，如表1所示。

表1 南疆地区自流灌溉区的划分 Table 1 Determination of gravity irrigation area in Southern Xinjiang

减去南疆地区自流灌区的面积之后，得到巴州、和田、阿克苏、喀什、克州5个地州的可利用风力提水技术灌溉的耕地面积，如表2所示。

2.2.5 风力提水量的计算

根据南疆地区主要农作物的灌溉制度可知，1月、2月及12月不进行灌水[29]，因此本文研究计算风力提水机量时，仅考虑3月至11月的平均风功率密度。

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

根据风力机的风轮大小，风能产量可按下式计算[30]

式中R是风能产量，kW；ε是风能利用率，基于前人的研究结果，本文取值为0.4[31]；D是转子直径，m，由风速概率分布计算而得。

本文采用的风力提水机的启动风速为2 m/s，转子直径为7.5 m，根据2000—2014年的风速数据，统计出5个地州内年3月至11月风速大于2 m/s的累计有效小时数，并根据下式计算有效风能[30]

式中e是有效风能，kW·h；N是风速大于2m/s的累计有效小时数，h。

南疆地区四周以高山环绕，中部是塔里木盆地，地势起伏较大，本文设定风力提水机扬程为15 m，单台风力提水机的年平均抽水量可按下式计算[30]

式中q是单台风力提水机的年平均抽水量，m3；ρw是水的密度，取值为103kg/m3；g是重力加速度，取值为9.8m/s2；h是扬程，取值为15 m。

3 结果与讨论

3.1 南疆风能资源的时空分布及其变化规律

根据2000—2014年南疆地区29个气象站点逐日的风速数据，计算得出南疆5个地州多年月平均风功率密度，如表3所示。图2为南疆地区年内平均风功率时空变化图，呈现出较为明显的时空差异性。

从时间尺度上看，南疆地区年内风能资源分布不均匀，总体呈现出先增大后减小的趋势，并随着季节变化而波动，且波动幅度较大，体现出强烈的季节相关性。南疆地区4月的风能资源最为丰富，平均风功率密度达25.14 W/m2，其次是5月的平均风功率密度，其值为22.51 W/m2，而1 月的风能资源最小，平均风功率密度仅为3.09 W/m2。

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

从空间尺度上看，平均风功率密度在空间上呈现出从西部至东部由高降低再升高的特点。克州与巴州的风能资源较为丰富，整体风功率密度高于其他地州的风功率密度，并且每个月份的风功率密度值也相对较大。巴州、和田、阿克苏、喀什、克州的年平均风功率密度分别为15.75、9.73、10.47、10.98、23.74 W/m2。南疆东西部的整体风功率较大，更加适宜建设风力提水工程，开发利用风能资源。

3.2 南疆农业灌溉需水量的时空分布及其变化规律

根据式（2）～（3）计算了南疆地区农业多年平均灌溉需水量，得到2000—2013年灌溉需水量的年内变化，如图3所示。从时间分布特征分析，1月至8月的灌溉需水量呈上升趋势，并在8月达到峰值，其值为9.02亿m3。此后灌溉需水量逐渐减少，直至12月结束。从空间分布特征分析，由于南疆地理条件相差较大，各地区农业灌溉需水量存在一定的差异。总体而言呈现东北高，西南低的空间格局，其中，阿克苏及巴州北部单位面积的灌溉需水较高。由于南疆地区耕地面积主要分布于东部，5个地州的耕地面积有所不同，喀什的耕地面积大于巴州的耕地面积。所以，虽然喀什的单位面积灌溉需水量较小，但是其体积农业灌溉需水量依然大于巴州的体积农业灌溉需水量。

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 南疆风力提水量及风力提水机数目计算

本文根据2.2中公式和地理限制条件，分别计算得到南疆地区5个地州单台风力提水量及风力提水机数目，进而计算得各个地州的总风力提水量。克州由于平均风功率密度较高，在5个地州中，克州单台风力提水机的年提水量最大，其值为5.84×104m3，和田的单台风力提水机的年提水量最小，其值为0.79×104m3，巴州、阿克苏、喀什的单台风力提水机的年提水量分别为2.27×104、1.31×104、1.27×104m3，具体情况如表5所示。

表5 南疆五地（州）风力提水量 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，由于设置的缓冲区依次增大，相应的自流灌溉区依次增大，非自流灌溉区的灌溉需水量依次减小，风力提水总量占非自流灌溉区的灌溉需水量依次增大。由于5个地州的耕地面积、耕地与河流的距离、作物蒸散发量、有效降雨量均有所不同，因而其灌溉需水量相差较大。阿克苏地区非自流灌溉区的灌溉需水量最大，在3种情景中均大于10.00×108m3；克州非自流灌溉区的灌溉需水量最小，在3种情景中最大值不超过1.50×108m3。

风力提水满足率指的是区域内风力提水量除以其非自流灌溉区的灌溉需水量的比值。南疆5个地州非自流灌溉区风力提水满足率如表6所示，在情景一、情景二、情景三中，风力提水满足率依次增加。在3种情景中，克州风力提水量占其非自流灌溉区的灌溉需水量的比值最高，而和田、阿克苏、喀什相对较低。在情景三中，克州的风力提水满足率高达1.17，更加适合建设风力提水工程。相比而言，其他地州由于风能资源较少、可用于建设风力提水机的土地较少，或非自流灌溉区的灌溉需水量相对较大，因而风力提水满足率不高，在建设风力提水工程时需要考虑其经济效益。

表6 南疆5地（州）非自流灌溉区灌溉需水量及风力提水满足率 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 经济效益分析

建设风力提水工程是弥补边远农村、农场、农牧区的能源不足途径之一。在建设风力提水工程时，应严格控制工程投资，主要投入包括风力发电提水机组、储水池、田间灌溉设备及人力资源等。为保证在枯风期因风力提水微小的不足，必要时可选取灵活的设备补灌，来确保经济效益[32]。李亮等在风能提水试验点的经济分析中，采用年费用最小法计算进行经济效益分析，研究得到在风力提水机使用期中，不考虑拉水效益情况下，风力提水年均节约1.77万元/a，是内燃机组费用的57.12%；考虑拉水效益情况下，风力提水年均节约7.23万元/a，是内燃机组和拉水总费用的84.45%[33]。胡建栋等按506台提水机组（FSH-200，350型系列风力提水机）完成的提水量，相对8.8 kW柴油机组，每年可少消耗柴油443256 kg，减排二氧化碳1413 986.64 kg，使用风力提水机的价格与使用8.8 kW柴油机的价格比为1∶6.7，与使用2.2 kW汽油机的价格比为1∶4.25[34]。风力提水机每年维修1次，费用为0.5万元；管理费用为0.1万元，使用寿命为15 a左右[33]，整体来看长期投入小。同时，使用风力提水灌溉降低了农民体力劳动，提高了用水方便程度，总体减少了用水费用，节约了燃料，具有较好的环境效益和社会效益。

5 结论

本文对研究期2000—2014年内南疆地区风速及降水数据进行分析，采用两参数威布尔分布模型对南疆的风能资源进行评估，借助ArcGIS软件可视化表达。通过作物蒸散发量及有效降雨量计算南疆灌溉需水量，探寻风能资源与灌溉需水量的时空分布变化规律。计算南疆5个地（州）的风力提水总量，开展风力提水在区域灌溉农业中的潜力研究。本文通过研究得到以下结论：

1）南疆地区4月的平均风功率密度最大，其值为25.14 W/m2。克州与巴州的风能资源较为丰富，其他地区的风能资源相对较低，在开发利用风能时，需要综合考虑经济效益。

2）南疆地区8月的灌溉需水量最大，需水高峰期及季节的变化与南疆地区种植制度密切相关。单位面积上的灌溉需水较高的地区主要位于南疆阿克苏及巴州北部部分地区，呈现东北高，西南低的空间格局。结合耕地面积大小，阿克苏和喀什农业灌溉需水量大。

3）根据南疆5个地（州）的年风能有效小时数、年平均风功率密度分布、农业灌溉需水量以及适宜建设风力提水工程的面积，计算获得不同地区的风力提水满足率，揭示利用清洁风能资源服务灌溉农业的发展潜能，其中，在克州建设风力提水工程的效益更高。

南疆地区极度干旱少雨，植被覆盖度低，生态环境脆弱，农业种植对灌溉用水十分依赖。利用风能资源进行“绿色灌溉”，减轻南疆对化石能源的依赖，并且减少使用产生的环境污染物，带来更多的生态效益。本文将研究区以地（州）进行划分，从年风能有效小时数、平均风功率密度、单位面积农业灌溉需水量及可安装风力提水机的面积等四个方面评估南疆更加适合建设风力提水工程的地（州），得到克州具有更大的建设风力提水工程的潜力。区域利用风能资源提水的初步潜力评估，有助于在南疆布局风力提水开发利用前对区域情况有一个整体的认知和了解。