光伏發(fā)電板下蘆薈需水規(guī)律及灌溉制度試驗研究

李 群，劉艷慧，饒碧玉，陳新群，貝耀平，馮峻峰

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650201；3.中國三峽新能源有限公司，昆明 650201)

0 引 言

光伏電站站臺資源的利用一直少有研究，按資源類型可分為：站臺土地資源、站臺水資源。土地資源方面，我國人多地少，以7%耕地承載著世界23%的人口，2016年4月國土資源部發(fā)布的《中國國土資源公報》顯示，截至2014年底，全國耕地面積1.35 億hm2，比上年減少10.73 萬hm2，更為嚴峻的是，我國有限的耕地資源還在繼續(xù)減少。根據(jù)云南省發(fā)展和改革委員會統(tǒng)計到的27個光伏電站項目，計算得出平均每10 MW用地面積達到15.2 hm2[1]，根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計，截至2015年6月底，全國光伏發(fā)電裝機容量達到35 780 MW，如此巨大面積的土地如果可以作為耕地被利用，對于人均占地面積排名120位的中國來說意義非常重大。水資源方面，中國水資源總量雖然在世界各國中排名比較靠前(世界第六位)，但人均占有水資源量僅相當(dāng)于世界水平的1/4，居世界110位，被聯(lián)合國列為世界上人均占有水資源最貧乏的13個國家之一。由此可見，研究光伏電站站臺水土資源的高效利用具有重要意義，目前對站臺水土資源高效利用的研究幾乎處于空白。

為有效利用光伏電站站臺水土資源，研究旨在利用光伏發(fā)電板下的土地資源種植適宜當(dāng)?shù)厣L的經(jīng)濟作物，灌溉水源來自以光伏發(fā)電板為集流面的集雨系統(tǒng)。最大限度利用光伏電站站臺土地資源、雨水資源產(chǎn)生附加經(jīng)濟價值與生態(tài)價值，為推廣該光伏電站站臺資源利用模式做基礎(chǔ)研究。該研究選用適宜當(dāng)?shù)卣九_條件生長的蘆薈進行試驗，通過現(xiàn)場田間試驗與室內(nèi)模型試驗相結(jié)合，對蘆薈需水量、需水規(guī)律及不同水文年灌溉制度進行分析研究，為光伏電站種植蘆薈提供灌溉指導(dǎo)，同時也為其他光伏電站站臺資源利用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

蘆薈屬百合科，多年生肉質(zhì)草本植物，葉片肉質(zhì)，肥厚多汁，植株生長健壯，少病蟲害，繁殖能力強，耐炎熱，耐干旱、怕低溫而不耐陰濕。蘆薈品種繁多，多達400余種，且品種間性狀差異較大[2]。本研究根據(jù)光伏電站站臺土壤、氣候條件選取不夜城蘆薈種植，此品種產(chǎn)于非洲南部，莖高30～50 cm，喜溫暖、干燥、充足而柔和的陽光，耐半陰、干旱[3]。

不夜城蘆薈具有一定藥用與觀賞價值，一年期不夜城蘆薈每株市場價約為15元人民幣，一個標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣可以種植約356株，產(chǎn)值可達5 340元人民幣。1 MW約合6 965 m2發(fā)電板面積，元謀天子山光伏電站裝機容量20 MW，合2 950個標(biāo)準(zhǔn)方陣，如果整個光伏電站發(fā)電板下種植此種蘆薈產(chǎn)值可達157.53萬元人民幣，經(jīng)濟效益顯著。

1.2 試驗地點基本情況

試驗地設(shè)在云南省楚雄彝族自治州元謀縣天子山光伏發(fā)電站，地理位置北緯25°48′東經(jīng)101°48′，海拔1 402 m,多年平均日照數(shù)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，相對濕度為53%，年平均氣溫21.9 ℃，平均無霜期300 d以上，土壤為沙質(zhì)土，其密度γd為1.48 g/cm3。

1.3 試驗設(shè)計與布置

試驗于2015年3月至同年12月進行，試驗作物不夜城蘆薈為昆明市同心亭綠植坊花卉配送中心提供的培育2個月的不夜城蘆薈幼苗，試驗設(shè)計共有3個田塊(即對應(yīng)3個標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電板方陣)，灌溉方式為滴灌，壓力補償?shù)喂鄮б?guī)格為直徑φ16，流量1.0 L/h，長度200 mm。

圖1所示為一個標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電板方陣，方陣長18 160 mm、寬3 930 mm，由36塊太陽能發(fā)電板組成，分為2行18列布置，圖中陰影部分為其中一塊光伏發(fā)電板，尺寸為1 955 mm×990 mm，各塊光伏發(fā)電板之間縱橫向縫隙寬度均為20 mm。圖2所示為太陽能發(fā)電板側(cè)向布置，光伏發(fā)電板傾角25°，最低點距水平地面650 mm，最高點距水平地面2 310 mm，為留出工作空間，選取田塊寬度為1 600 mm。一個試驗田塊長18 160 mm、寬1 600 mm (即一個標(biāo)準(zhǔn)太陽能發(fā)電板方陣下的田塊尺寸)，田塊中蘆薈種植的行距為400 mm，株距為200 mm，一個試驗田塊中種植蘆薈4行。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣平面示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic standard plane

圖2 標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣側(cè)視圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic standard plane

1.4 試驗觀測方法

土壤含水率測量取樣點：在每一個標(biāo)準(zhǔn)光伏發(fā)電板方陣對應(yīng)的試驗田塊中，順滴灌帶水流方向選取四株植物為取樣點，在垂直滴灌帶方向從滴灌帶正下方向兩邊間隔100 mm選取取樣點(共8個取樣點)，分5層(0～38、38～76、76～120、120～200、200～300 mm)測量土壤含水率(體積含水率)。測量儀器為TDR-100土壤水分快速測量儀。

各層土壤初、末時段含水率平均值：每天使用TDR100測定取樣點的土壤含水率，觀測時間為9∶00，灌水及降水前后需要加測。

植株生長發(fā)育狀況：記錄植株株高、株寬。

常規(guī)氣象資料：氣象觀測資料的采集通過試驗地安裝的小型自動氣象站，包括逐日氣溫、日照、風(fēng)速、濕度、降水等。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物需水量(ET)

作物需水量是指植株蒸騰量和株間蒸發(fā)量之和，即騰發(fā)量[4]。不夜城蘆薈需水量可根據(jù)水利部2015年最新發(fā)布《灌溉試驗規(guī)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為階段騰發(fā)量，mm；i為土壤層次號數(shù)；n為土壤層次總數(shù)目；ri為第i層土壤密度，g/cm3；Hi為第i層土壤的厚度，cm；Wi1為第i層土壤在時段始的含水率(干土重的百分率)；Wi2為第i層土壤在時段末的含水率(干土重的百分率)；M為時段內(nèi)的灌水量，mm；P為時段內(nèi)的降水量，mm，此研究中指光伏發(fā)電板縫隙下漏的有效降水量，mm；K為時段內(nèi)的地下水補給量，mm；C為時段內(nèi)的排水量，mm。

每層土壤初、末時段含水率取平均值，其計算方法為多點采樣分層平均法。

(2)

式中：θi為土壤某一層平均土壤含水率，%；θx為第x個取樣點第i層土壤含水率，%；n為總?cè)狱c數(shù)目。

試驗地在山頂，地下水埋深較深，為簡化上述計算公式(1)，認為所測土層與深層土壤水分交換可以忽略不計，即K取值為0。由于P取有效降水量，故C取值為0。公式(1)可以簡化為：

ET1-2=10∑ni=1riHi(Wi1-Wi2)+M+P

(3)

由于光伏發(fā)電板的遮擋，P值會介于0和降水量之間。為了確定P的取值，進行了室內(nèi)模型試驗，模型比例為1∶1，面板采用和光伏發(fā)電板表面糙率相近的有機玻璃(亞克力)，在人工自動模擬降雨條件下對光伏發(fā)電板雨水收集和縫隙下漏進行試驗研究。通過試驗得到降水強度與集雨效率之間關(guān)系(見表1)。試驗結(jié)果表明當(dāng)光伏發(fā)電板傾角與縫隙寬度一定的條件下(該光伏電站發(fā)電板傾角25°、板縫隙間距20 mm)，單位時間的P值僅與降水強度有關(guān)。

表1 降水強度與集雨效率表Tab.1 Precipitation intensity and rainfall collection efficiency table

分析圖3可知集雨效率和降水強度并非呈線性關(guān)系，集雨效率最小值對應(yīng)的降水強度不是最小值，相應(yīng)最大值亦是如此。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為相鄰光伏發(fā)電板間存在20 mm的縫隙，通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，降水強度過低時，縱向第一塊板收集的降水大部分會從橫向縫隙下漏；降水強度過高時，縱向第一塊板收集的降水有一部分會躍過橫向縫隙流入縱向第二塊板，但集雨效率仍低的原因在于兩塊板都會有大量雨水從縱向縫隙下漏；試驗中集雨效率最大值出現(xiàn)在降水強度為1.95 mm/min，對應(yīng)集雨效率為55.42%，在此情況下，觀察發(fā)現(xiàn)縱向第一塊板的集雨大部分都從橫向縫隙下漏，集雨量幾乎全部來自縱向第二塊板。

P=α(1-η)tP0

(4)

式中：P為從光伏發(fā)電板縫隙下漏的有效降水量，mm；α為降雨有效利用系數(shù)，次降雨小于50 mm時，α=1.0；次降雨為50～150 mm時，α=0.8 ～0.75；次降雨大于150 mm時，α=0.70；η為集雨效率，可根據(jù)圖3趨勢取值；t為降雨時間，min；P0為降水強度，mm/min。

圖3 降水強度與集雨效率Fig.3 Precipitation intensity and rainfall collection efficiency

利用上述式(1)～式(4)計算出蘆薈3-12月作物需水量如表2所示。

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

從圖4分析可得，蘆薈在3-12月不同時段的日需水量不等，變化趨勢為：先增大，后減小。隨著氣溫的升高以及城蘆薈生長速度的加快，日需水量逐漸增強，峰值為3.62 mm/d；隨著氣溫的降低，日需水量又減弱，最小值出現(xiàn)在12月份，值為1.30 mm/d。蘆薈3-12月需水量659.71 mm，蘆薈需水關(guān)鍵期為7月、8月。

2.2 參照作物需水量(ET0)

參照作物需水量的公式是由聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式，此公式也是2015最新版《灌溉試驗規(guī)范》(SL13-2015)中計算參照作物需水量的公式。

(5)

圖4 蘆薈日需水量變化Fig.4 Changes of daily water requirement of Aloe nobilis

式中：ET0為參照作物需水量，mm/d；Δ為溫度～飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2d)；γ為濕度表常數(shù)，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料計算得出蘆薈參考作物需水量(如表3)。

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

2.3 作物系數(shù)Kc

作物實際需水量可由參照作物需水量和作物系數(shù)計算，因此研究作物需水規(guī)律的一個重要環(huán)節(jié)是求出作物系數(shù)[5]。作物系數(shù)計算公式如式(6)：

(6)

式中：ET為作物實際作物需水量，mm；ET0為參照作物需水量，mm。

根據(jù)實測的蘆薈需水量，并結(jié)合參照作物需水量(ET0)的計算，得出元謀天子山光伏電站蘆薈的作物系數(shù)，結(jié)果見表4。

分析圖5可知，在不考慮水分脅迫作用下，蘆薈在3-12月這一段時期作物系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；7月和8月份

表4 蘆薈作物系數(shù)(Kc)Tab.4 The crop coefficient of Aloenobilis

是蘆薈的需水關(guān)鍵期，這個時期需要大量水滿足它的生長發(fā)育，因此Kc值較大；在3-12月這一時間段，蘆薈的作物系數(shù)0.69～1.21，平均作物系數(shù)0.92。

圖5 蘆薈各月作物系數(shù)Fig.5 Monthly crop coefficient of Aloenobilis

2.4 蘆薈灌溉制度

農(nóng)作物的灌溉制度是指作物播種前及全生育期內(nèi)的灌水次數(shù)、每次的灌水日期、灌水定額以及灌溉定額[6]。本研究通過水量平衡原理分析作物灌溉制度，灌水定額公式如式(7)：

M=1 000γH(β田-β0)

(7)

式中：M為灌水定額，mm；γ為密度，g/cm3；H為計劃濕潤層深度，m；β田為土壤田間持水率；β0為土壤最小含水率(以占干土重的百分數(shù)計)。其中β田使用TDR-100在田間直接測量得出，測出數(shù)據(jù)為體積含水率，轉(zhuǎn)化為質(zhì)量含水率β田=8.6%，由于試驗田土壤為沙土，取β0=50%，β田=4.3%；γ=1.43 g/cm3，H根據(jù)蘆薈根長取0.3 m。M計算結(jié)果為：M=18.45 mm。

由于降水量在年際之間變化很大，因此在計算確定灌溉制度時要以典型年的降水資料作為依據(jù)。根據(jù)元謀站1981-1995年間逐日降水資料，可以求得歷年各月份的降水總和，將統(tǒng)計結(jié)果按照從大到小的順序排列，并繪制出經(jīng)驗累計頻率曲線(如圖6)，從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)。最后根據(jù)灌水定額與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蘆薈3-12月灌溉制度(如表6和表7)。

圖6 元謀縣年降水量頻率曲線圖Fig.6Frequency curve of annual precipitation in Yuanmou

表5 不同水文年型各月平均降水量 mm

表6 25%、50%水文年型3-12月份灌溉制度Tab.6 25%, 50% hydrological year from March to December irrigation system

從以上灌溉制度表中可看出，豐水年灌溉定額并不是最低，原因是降水強度和集雨效率并非簡單的線性關(guān)系，在表5～表7中豐水年降雨強度下集雨效率較高，因此下漏至田間的有效降水量較少，灌溉定額相對較大。表中灌溉日期非固定灌水日期，需要根據(jù)當(dāng)時的降雨情況進行實時調(diào)整。

3 結(jié) 語

通過2015年3-12月在光伏發(fā)電板下蘆薈需水規(guī)律和灌溉制度試驗得出以下結(jié)論。

(1)計算作物需水量中一個重要的參數(shù)P為光伏發(fā)電板縫隙下漏的有效降水量，mm。通過1∶1模型試驗得出當(dāng)光伏發(fā)電板傾角、面積等確定，單位時間的P值僅與降水強度有關(guān)。

(2)蘆薈日需水量1.30～3.62 mm/d，作物系數(shù)0.69～1.21，峰值出現(xiàn)均在8月份；蘆薈3-12月需水量659.71 mm，蘆薈需水關(guān)鍵期為7月和8月。

(3)蘆薈灌溉制度中，灌水定額為20 mm，25%、50%、75%、95%典型水文年灌溉定額分別為490、480、480、510 mm。

(4)目前，國內(nèi)外對蘆薈在光伏發(fā)電板下需水規(guī)律、灌溉制度的試驗和研究幾乎沒有，此次試驗得出的結(jié)論對光伏電站蘆薈的種植起到一定指導(dǎo)作用，但由于試驗?zāi)晗掭^短，還有待后續(xù)進一步試驗去修正和完善。

表7 75%、95%水文年型3-12月份灌溉制度Tab.7 75%, 95% hydrological year from March to December irrigation system

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