基于风光互补的藏北干旱地区节水灌溉系统设计

佘权威， 卫 魏， 张廉灏

（西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000）

0 引言

藏北高原又称羌塘高原，羌塘系藏语，意为“北部高地”，因位于西藏区境北部，故通称藏北高原。藏北高原是青藏高原的主体与核心部分，地域辽阔，横跨阿里、那曲两个地区，西到阿里地区的日土县东部高地，东到那曲市的色尼区县城以东的念青唐古拉山脉的西方，东西长约1 200 km，南北宽约700 km，面积约占西藏的2/5，平均海拔4 500 m 以上，许多地方无人居住，是西藏畜牧业生产主产区。藏北高原属于高原亚寒带气候，冬季严寒干燥，夏季温和湿润，年平均气温-2.8～1.7 °C，气温最高的7 月不超过10 °C，总体而言6-8 月较温暖，属雨季，雨季多夜雨，冬春多大风；年平均降水量在320～460 mm，远低于全国年平均降水量630 mm，但蒸发强烈，全年蒸发量超过1 500 mm。由于人类活动加剧，藏北高原季节性干旱风险增大，草地退化变得严重[1]。

水是牧草生长的首要影响因素，草地水分的供应情况决定着牧草生长状况，降水不足导致植被不能充分分解有机物，难以溶解吸收矿物营养，同时也难以充分吸收有机肥料[2]。充足的水分供应，可有效改善土壤结构，增加土壤肥力，确保牧草生长产量高、品质好，同时可改善牧草群落构成，调节草地局部气候条件，延长牧草生长期。降水不足是制约藏北高原牧草生长的关键因素[3]。但另一方面，全球气候变暖加速了西藏雪山和冰川融化，使地表水位上涨、径流量增加，为周边区域退化草地提供了水源，因此灌溉对藏北牧区具有特殊意义[4]。

为了充分利用河流、湖泊等地表水资源，发挥藏北高原丰富的地热能、太阳能、风能等清洁能源优势，并且结合藏北高原电力短缺、幅员辽阔和高海拔下人工大面积灌溉困难等特点，通过多次试验设计，研究出一套适用于藏北干旱地区牧区灌溉的节能系统装置-混合式风光互补系统发电装置，这是一种基于创新型的清洁发电装置，具有节能、占用面积小、覆盖面积大及利于藏北地区灌溉牧区等优势，真正体现了小身板、大力量的特点。

1 工作原理及性能分析

采用清洁能源（风能、太阳能）作为动力源，主要部件包括架体、电源部、水泵组件、太阳能发电组件、风力发电组件和控制组件[5]。灌溉水源使用地下水，能适应藏北大多数地区的环境，从根本上平衡了地下储水量与灌溉需水量、能源吸取量与水泵所需电量间的关系，实现了能源的充分利用与环境的零污染。

1.1 主体结构

采用一体式设计结构，如图1 和图2 所示。顶部设置有整台装置的控制器，用以控制灌溉系统的启停。垂直轴风力发电机的叶片安置在装置机架周围，并根据具体环境要求设置2～4 组叶片，叶片为环绕布置，形状为螺旋型或垂直L 型。根据小型水泵的需电量选择蓄电池；根据灌溉环境的需求选择小型水泵的扬程。水管分为灌溉水管和输水水管，输水水管安装在小型水泵的入水口，灌溉水管安装在小型水泵的出水口，灌溉水管根据需求可选择滴灌管、渗灌管。机架为支撑装置的整体结构，选材为角铁或细钢管。控制器能控制蓄电池充、放电；蓄电池、光伏逆变器垂直轴风力发电机均位于装置中部保护管内。电源和水泵组件均连接在架体上并且电源与水泵组件电连接，太阳能发电组件连接在架体的顶部并且与电源电连接，风力发电组件连接在架体上并且与电源电连接，控制组件连接在架体的顶部，太阳能发电组件和风力发电组件均能够为电源供电，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，零件和设备均采用常规型号，电路连接采用常规连接方式。

图1 风光互补节水灌溉装置示意Fig.1 Schematic diagram of complementary wind and solar watersaving irrigation device

图2 风光互补节水灌溉装置结构Fig.2 Structure of complementary wind and light water-saving irrigation device

1.2 工作原理

混合式风光互补发电系统由风力叶片发电系统和太阳能光伏发电系统组成，包括风力叶片发电机、太阳能电池组、支架、直流配电柜、逆变器等设备，同时配备供电监控装置和环境监测装置[6]。

采用自动控制装置控制电器部分，该装置的总开关位于太阳能电池板顶部中间，控制器能控制太阳能发电板和风力叶片发电机所发电为蓄电池充电；同时根据供电需要，也能控制蓄电池对小型水泵的供电[7-8]。在开关中存在功率可调节化系统，共有低中高3 种挡位调节，可根据自身需要调节灌溉面积，避免水资源的浪费。

根据灌溉环境确定的扬程选择小型水泵，根据灌溉水泵的功率选择蓄电池[9]。

风力发电机叶片运用特殊的空气动力学设计，使其在低风速条件下运转时，发电量也较大。旋转叶片选用翼形设计，在叶片旋转时，不会因外力变形而影响效率，风能利用率高，启动风速低，基本不产生噪声[10-11]。根据使用环境，该装置的风力叶片发电机由4～6 个叶片组成，环绕布置在机架周围，由轮毂固定并连接叶片的连杆组成风轮，风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用电能[12]。

1.3 工作模式

（1）混合功率模式：太阳能电池板与风力叶片发电机同时提供能量，如在白天有风无云的天气，可同时将太阳能电池板和风力叶片发电机投入使用，最大效率地转换可用能量。

（2）无风模式：风速不足，风力发电机未启动，仅太阳能电池板提供负荷于电池组所需能量，适用于天晴无风或风力较小的天气，最大效率地转换太阳能。

（3）无光模式：仅风力叶片发电机工作，适用于有风夜晚及天阴有风的天气，最大效率地转换可用风能。

（4）电池放电模式：风力叶片发电机与太阳能电池板均不工作，由备用电池组提供负荷所需能量，适用于天阴无风及夜晚无风的天气及时间段。

1.4 性能分析

太阳能电池板和风力叶片发电机为一体式发电设计，从发电到用电过程大大减少了电能的损耗，使其能够充分、迅速进行充放电。太阳能电池板和风力叶片发电机能够利用藏北地区得天独厚的气候优势-日平均光照，风力持续时间长、强度大。两个装置互补发电能够持续对底部铅蓄电池供应能源。铅蓄电池储存的电能可保证水泵的正常运转。可根据不同地区更换适应该地区的可拆卸水泵，多功能管道下接水泵，避免了能量流失，使抽上来的水经过转接器直接连接到不同结构的灌溉口，适用于绝大多数的复杂地形，可以很好地解决藏北地区的农田灌溉难题，促进当地经济的发展。

2 灌溉方式选择

根据不同地势地形的牧场生态区草场植物本身的需水特性确定节水灌溉方式，才能充分发挥各种节水灌溉方式的优势和作物的节水潜力[13-14]。我国西南地区地形地貌以丘陵山地为主，地形起伏大，土壤蓄水保肥能力弱，水土流失相当严重，迫切需要发展以喷灌为主的水肥一体化技术，达到节水省肥、节约劳动成本和提质增效的目的[15]。藏北牧区草场合理灌溉能够预防草场退化，有效控制草场沙化，改善草场的土壤结构，扩大草场可种植面积，降低地表水蒸发，从而更好地保护藏北草原生态环境[3,16]。

喷灌是用水泵和管道系统或者利用自然水源的落差，把具有一定压力的水喷到空中，然后散成小水滴或者形成弥雾降落到植物和地面上，是一种先进的机械化或半机械化的节水灌溉方式[17]。喷灌对各种地形适应性强，不需要整平土地，在坡地和起伏不平的地面都可以实施，特别是在土层薄、透水性强的沙质土，非常适合采用喷灌。与传统地面灌相比，喷灌具有明显的“三省一增”的优点[18]。一是省水，大田作物喷灌一般可省水20%～30%；二是省地，节省了田间修建各级沟渠的土地，可增加作物播种面积10%左右；三是省工，喷灌机械化程度高，可实现自动化操作，提高生产效率，节省劳动力。而“一增”指的是增产，喷灌可实现少浇勤灌，便于控制土壤水分，使土壤水分保持在作物生长最适宜的范围，灌水后土壤疏松、通气性好，有利于增产。藏北高原草地在夏季6-9 月灌溉期间风力相对较小，很适合推广喷灌节水技术。

配合滴灌，可达到节水增产减肥的效果[19]。滴灌可以将肥料溶入灌溉水，按照作物的需肥特性随水施肥，大幅提高了肥料利用效率，灌水后不破坏土壤结构，作物根区土壤水、肥、气、热经常保持在适宜于作物生长的良好状态，更利于作物增产[20]。

3 应用实例

班戈县地处藏北西部，位于纳木错、色林错两大湖之间，属高原山地气候，平均海拔4 700 m。区域面积30 138 km2，可利用草场面积约2 87 万hm2，总人口近2.9 万，辖1 个区、18 个乡、134 个村。该县地势北高南低，南部属南羌塘高原湖盆地区，位于纳木错畔，山势平缓、草原开阔、水草丰美，适宜饲养牦牛。

根据项目区的水位、土地分布情况，将项目区分成两大区，每区面积为10 hm2，采用自动化滴灌方式。风光互补灌溉工程分布在A 区，普通灌溉工程分布在B 区。

由表1 可知，与普通灌溉工程相比，风光互补灌溉系统投资增加了2 倍多，但20 年后的净现值提高了7倍多，年效益也提高了2 倍，故从长期效果来看，风光互补灌溉系统的经济效益较高。

表1 经济效益指标对比Tab.1 Comparison of economic benefit indicators

在经济效益上，项目开展后，长远收益和年效益均比普通灌溉高，如果再融入水肥一体相关技术，效益预计会进一步增加。在生态效益上，通过项目实施，一是可使当地的太阳能和风能等清洁可再生能源的利用进一步加深，减少传统化石能源的消耗，为我国碳中和事业贡献一份力量；二是充分利用当地水资源进行精准有效的灌溉，有助于节约用水，保护脆弱的藏北生态环境。在社会效益上，环保宣传、模范展示、技术指导和效益对比等方式可以改变当地农牧民的灌溉理念，提高对国家相关政策和环保理念的理解，增强对新事物、新技术的兴趣。

4 结束语

基于混合式风光互补节水灌溉装置采用垂直轴风力发电机和太阳能发电板的混合利用，整体采用清洁能源和天然水，基本实现了零污染。因无需外接电源，占用面积小、覆盖面积广，在藏北高原用电困难地区，这种灌溉装置具有至关重要的作用。与其他的混合能源发电装置相比，该装置更节约材料，整个装置的核心部分均在管道中，从发电到用电缩短了距离，减少了能量转化的损失。