太陽能在旱井區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與研究

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原030002）

0 引言

山西省是全國新型能源和工業(yè)基地，也是全國水資源嚴(yán)重匱乏的省份，水資源供需矛盾突出，但是一些采用大水漫灌、畦灌等灌溉方式的地區(qū)的水資源的利用率較低，加之部分地區(qū)存在能源動力缺乏的問題，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水得不到有效解決，在干旱、半干旱的山區(qū)，問題尤為突出，因此解決能源動力問題和發(fā)展的節(jié)水灌溉技術(shù)成了當(dāng)務(wù)之急。這也是解決糧食增產(chǎn)、調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、干旱貧困山區(qū)脫貧致富等問題的有效途徑[1]。

1 項目區(qū)概況

本項目實施地選擇在山西省忻州市河曲縣沙泉鄉(xiāng)戲皇村，屬于半干旱區(qū)。河曲縣地勢東高西低，東部和西部地勢高差達(dá)700 m 左右，境內(nèi)主要是丘陵地帶，平均海拔在1 000 m 以上，由于地表破碎，植被稀少，縣域內(nèi)水土流失比較嚴(yán)重。

河曲縣氣候干寒，年平均氣溫8.8℃，年降雨量460 mm，無霜期在150 d 左右，全境屬于光能資源高值區(qū)，年總輻射量在482～600 KJ/cm2之間，年日照小時數(shù)在3 000 h 左右。

項目區(qū)太陽能資源充足，為本項目的實施推廣提供了良好的條件。

2 項目主要解決的問題

項目實施后，主要解決旱井區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉能源動力、水源、節(jié)水灌溉方式、增產(chǎn)等問題，具體如下：

1）在有限的能源條件下，使用半柔性智能光伏水泵抽水灌溉系統(tǒng)，既節(jié)省電力資源、安全環(huán)保，又能實現(xiàn)自動化控制，無需人員值守。

2）在水資源匱乏地區(qū)和有限灌溉條件下，充分利用雨水積蓄解決水源問題，通過膜下滴灌實施節(jié)水灌溉，并且提高灌溉水利用系數(shù)，起到節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉用水的示范作用。

3）水肥一體化技術(shù)采用水溶性肥或者液態(tài)肥通過水肥同步滴灌，提高肥料利用率，有效提高作物產(chǎn)量。

4）集成集雨、光伏節(jié)能、節(jié)水灌溉系統(tǒng)、采集系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，調(diào)整系統(tǒng)灌溉效率，提高作物產(chǎn)量。

3 旱井區(qū)太陽能抽水灌溉系統(tǒng)

系統(tǒng)集成太陽能光伏供電技術(shù)、雨水積蓄利用技術(shù)、膜下滴灌節(jié)水技術(shù)和水肥一體化技術(shù)，系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 旱井區(qū)太陽能抽水灌溉系統(tǒng)示意圖

3.1 雨水積蓄利用技術(shù)

項目示范區(qū)位于戲皇村混凝土硬化機(jī)耕道路旁，道路寬4 m，道路長約4 000 m，可利用的集雨路面面積達(dá)到2 000 m2。集雨池池深3 m，長7 m，寬4 m，總?cè)莘e84 m3，集雨池結(jié)構(gòu)為導(dǎo)池、過濾池、凈水池、導(dǎo)墻、蓋板五部分，集雨池凈容積達(dá)到84 m3，距離池底8 cm 處設(shè)有出水孔，池周圍覆土夯實，集雨池周圍混凝土硬化，外延寬2 m，厚10 cm。

3.2 太陽能光伏技術(shù)

太陽電池由五塊太陽電池組件串并聯(lián)而成，吸收日照輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，為整個系統(tǒng)提供動力電源?？刂破鲗ο到y(tǒng)的運(yùn)行實施控制和調(diào)節(jié)，將太陽電池陣列發(fā)出的直流電通過一系列控制系統(tǒng)驅(qū)動水泵作業(yè)，并根據(jù)日照強(qiáng)度的變化實時地調(diào)節(jié)輸出頻率，最大限度地利用太陽能[2]。

本項目采用的太陽能水泵自動控制系統(tǒng)，可以自動控制太陽能水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，而不需要專人看護(hù)，同時系統(tǒng)中還有欠壓保護(hù)電路，當(dāng)太陽能光伏板的輸出電壓不夠時，能避免太陽能水泵在欠壓狀態(tài)下運(yùn)行，進(jìn)而避免燒壞太陽能水泵。此項技術(shù)應(yīng)用的是山西省水利水電科學(xué)研究院的《太陽能水泵的自動控制系統(tǒng)》實用新型專利，專利號：201320820690.6。

3.3 膜下滴管節(jié)水

田間膜下滴管采用椎63 PE 為主管路，支管路為椎32 PE，滴灌帶管徑為椎16 mm，設(shè)計工作壓力為0.1 MPa，采用“一膜一管兩行”的粟米種植方式和滴灌帶布置模式，滴管過程平均滴頭流量1.38 L/h。

3.4 水肥一體化及過濾器

本項目水源是雨水積蓄，因此在經(jīng)過集雨池二次沉淀過濾后，水質(zhì)中還是存在絮狀物、顆粒和漂浮物，這對膜下滴灌系統(tǒng)極為不利，因此采用了DYLWY 離心+網(wǎng)式過濾器，設(shè)計工作壓力0.4 MPa，精度為100 目，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 LWY 型過濾器示意圖

4 灌溉制度設(shè)計

旱井區(qū)膜下滴管粟米田間試驗于2016年5-9月在山西省河曲縣沙泉鄉(xiāng)戲皇村節(jié)水示范點進(jìn)行。

4.1 凈灌水定額

凈灌水定額按照如下公式（1）計算，計算結(jié)果為20.5 mm。

式中：Mmax——最大凈灌水定額，mm；

Z——濕潤層深度為30 cm；

γ——土壤容重g/cm3，取1.46 g/cm3；

p——設(shè)計土壤濕潤比取60%；

θmax——土壤含水率上限，%；

θmin——土壤含水率下限，%。

4.2 灌水周期計算

式中：T——灌水周期；

Ia——設(shè)計日耗水強(qiáng)度采用微灌工程技術(shù)規(guī)范，取5 mm；

η——灌溉水有效利用系數(shù)，取值為0.95。

按照公式（2）計算灌水周期為4 d，取設(shè)計灌溉周期為4 d，實際運(yùn)行管理時，需要根據(jù)季節(jié)調(diào)整灌溉周期。

4.3 設(shè)計毛灌水定額

4.4 設(shè)計一次灌水延續(xù)時間

式中：Md——設(shè)計毛灌水定額；

Se——滴頭間距；

S1——毛管間距；

Qd——滴頭的設(shè)計流量，L/h；

t——一次灌水延續(xù)時間。

4.5 輪灌組數(shù)

試驗中將編號為A 和B 地塊分為兩個輪灌組，A地塊的大小為0.2 hm2，B 地塊的大小為0.19 hm2。

4.6 設(shè)計流量

式中：Q——系統(tǒng)設(shè)計流量；

qd——滴頭的設(shè)計流量；

n0——同時工作的滴頭個數(shù)。

根據(jù)設(shè)計流量和農(nóng)戶擴(kuò)大種植面積要求，確定主管PEΦ63，支管PEΦ32，滴灌帶為PEΦ16。

5 種植方式及管網(wǎng)布置

粟米種植方式和滴灌帶布置方式采用“一膜一管四行”，覆膜寬度50 cm，膜間寬度為50 cm，滴灌帶在膜下正中位置，粟米對稱布置在兩側(cè)，滴頭間距為30 cm，滴頭流量1.38 L/h。粟米種子為金谷7 號，在5月20日播種，第一次灌溉時間6月10日。

6 試驗方案

項目試驗的主要目的：試驗測定便攜式太陽能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的工作參數(shù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可操作性，從而確定其在旱井區(qū)推廣的價值和意義。

6.1 太陽能光伏水泵試驗

本項目采用5 塊功率為200 W 的太陽能板組成光伏列陣提供動力能源，連接方式為串聯(lián)，功率總共為1 000 W。潛水泵采用550 W 的離心泵，潛水泵配備水位傳感器。在系統(tǒng)試驗中，測定太陽能抽水系統(tǒng)電壓和電流參數(shù)能否滿足灌溉系統(tǒng)的工作要求。

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用自主研發(fā)的MPPT 轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以有效提高光伏陣列的利用率，達(dá)到70%以上。采用具有可靠性高的高效三菱IPM 功率模塊。數(shù)字控制：自動操作和數(shù)據(jù)采集、存儲及有效的保護(hù)。LED 顯示屏操作面板可檢查和設(shè)置不同的操作參數(shù)，太陽能光伏泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2）太陽能光伏水泵的選擇

太陽能光伏水泵設(shè)備的選定主要由額定功率和揚(yáng)程有關(guān)，且能滿足系統(tǒng)工作要求和正常運(yùn)行，如表1太陽能水泵指標(biāo)表。

表1 太陽能水泵指標(biāo)表

經(jīng)計算，水泵的揚(yáng)程≧高差+過濾系統(tǒng)的水頭損失+管網(wǎng)沿程水頭損失+設(shè)計工作壓力之和（經(jīng)測量為70 m 水頭），選擇揚(yáng)程為75 m 的SJ370 和SJ550 的水泵，經(jīng)試驗SJ370 功率較小，不能滿足系統(tǒng)工作要求，因此選擇了SJ550 型號太陽能水泵，并對其進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)試，滿足設(shè)計揚(yáng)程和系統(tǒng)工作要求。在實際應(yīng)用中，需要準(zhǔn)確把握過濾器在整個系統(tǒng)的水頭損失，且占整個水頭損失比重較大。

3）變頻控制器

變頻控制器主要是控制開關(guān)和顯示光伏系統(tǒng)輸出電壓和電流，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

在試驗過程中，太陽能光伏陣列電壓和電流的輸出效率進(jìn)行了反復(fù)試驗，實驗結(jié)果如表2所示。

在試驗過程中，太陽能光伏陣列電壓和電流的輸出效率進(jìn)行了試驗，實驗結(jié)果如下：

圖4 變頻控制器

表2 太陽能光伏系統(tǒng)輸出效率試驗表

根據(jù)試驗結(jié)果，便攜式太陽能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是變頻式，慢加速方式啟動，光伏陣列出廠標(biāo)定的轉(zhuǎn)換效率為75%，在試驗中，光伏陣列達(dá)到最低轉(zhuǎn)換效率達(dá)到71.8%，系統(tǒng)才能啟動，最低轉(zhuǎn)換效率才是這套系統(tǒng)的真正的啟動加速點；在設(shè)備一定的情況下，系統(tǒng)受季節(jié)和天氣的影響和制約，系統(tǒng)的啟動加速點在電壓和電流表現(xiàn)值不同，效率轉(zhuǎn)換如公式（5）：

當(dāng)不滿足最低轉(zhuǎn)換效率（啟動加速點）要求時，該系統(tǒng)自帶有欠壓保護(hù)系統(tǒng)，可以自動控制太能能水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，而不需要專人看護(hù)，同時系統(tǒng)中的欠壓保護(hù)電路，在太陽能光伏板的輸出電壓不夠時，能避免太陽能水泵在欠壓狀態(tài)運(yùn)行，進(jìn)而避免燒壞太陽能水泵。

6.2 田間灌溉試驗

測試內(nèi)容及方法：在定植前、每次灌水前和各生育期變化時，用土壤墑情測試儀測定0～20、20～40、40～60 cm 不同深度土層土壤含水量（飽墑達(dá)到23%以上，低于15%即需要及時灌溉），試驗區(qū)土壤灌溉濕潤率要達(dá)到90%以上，測點設(shè)在試驗小區(qū)中心區(qū)域，測定時間為每天早上8：00。

由于儀器誤差率和操作誤差，試驗數(shù)據(jù)去掉最高值和最低值，然后取平均值，以該含水率作為土壤含水率實測值，同時采用烘干法作為校正值，在土壤含水率低于15%時，及時進(jìn)行灌溉，具體試驗數(shù)據(jù)如表3灌溉前后土壤含水量試驗表。

表3 灌溉前土壤含水量試驗表

在作物生長期內(nèi)，依據(jù)土壤墑情和作物需水規(guī)律，把積蓄的雨水進(jìn)行最有效分配，提高作物產(chǎn)量和產(chǎn)值；同時膜下滴灌節(jié)水灌溉方式抑制土壤水分蒸發(fā)，減少地表徑流，提高地溫，改善了土壤理化性狀，真正起到節(jié)水增產(chǎn)的效果。

7 小結(jié)及存在問題

實驗表明旱井區(qū)便攜式太陽能系統(tǒng)試運(yùn)行狀態(tài)良好，滿足膜下滴灌節(jié)水灌溉流量和工作壓力要求，有效解決了旱井區(qū)在農(nóng)業(yè)灌溉過程中存在缺水缺電的問題，可以在旱井區(qū)和貧困山區(qū)扶貧投入資金和設(shè)備，大面積推廣與示范。

通過實驗，系統(tǒng)運(yùn)行存在以下問題和注意事項：

1）系統(tǒng)由于受到季節(jié)和氣候的影響，太陽能光伏水泵系統(tǒng)應(yīng)用時，經(jīng)過實驗，總結(jié)出不同季節(jié)、不同氣候的啟動加速點，掌握系統(tǒng)的工作參數(shù)，保證系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

2）過濾器組合方式不同，過濾器水頭損失相應(yīng)也不同，且占整個水頭損失比重較大，因此要準(zhǔn)確把握過濾器的水頭損失。

8 效益及成果

本項目建成旱井區(qū)太陽能抽水灌溉推廣示范點，項目實施完成后，起到積極示范作用，周邊地區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉面積6.7 hm2。雨水積蓄利用、水肥一體化、太陽能光伏技術(shù)與膜下滴灌技術(shù)的在項目中的結(jié)合使用，可為山西省干旱、半干旱地區(qū)利用太陽能進(jìn)行節(jié)水灌溉提供技術(shù)支撐。在水資源短缺、太陽能資源豐富的干旱、半干旱地區(qū)，能夠獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

8.1 經(jīng)濟(jì)效益

項目使用的光伏水泵雖然一次性投資較大，但其運(yùn)行費(fèi)用極低，每方水提水成本與內(nèi)燃機(jī)提水和電力提水相比是最經(jīng)濟(jì)的，由于它的運(yùn)行費(fèi)用低和少維護(hù)或免維護(hù)等特點，其水的成本上升很緩慢，5年以后，柴油機(jī)水泵的水成本將是光伏水泵水成本的兩倍多[3]。

該系統(tǒng)集成了多項先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)實驗取得顯著的增產(chǎn)增收效益，增產(chǎn)幅度37%。

8.2 社會效益和生態(tài)效益

1）為干旱半干旱地區(qū)的灌溉用水提出新的解決辦法。

干旱山區(qū)充分利用田間地頭修建的集雨井、集雨窖、集雨池，大力發(fā)展雨水集流工程，結(jié)合新的滴灌和管灌節(jié)水技術(shù)用于灌溉農(nóng)田，進(jìn)行點澆點灌；由太陽能技術(shù)提供灌溉動力，省水、省電、省力、省時，光伏水泵灌溉系統(tǒng)具有噪聲小、穩(wěn)定性高、維護(hù)操作簡單、環(huán)境污染小，以太陽能為動力，系統(tǒng)全自動運(yùn)行，可保持推廣示范區(qū)的生態(tài)環(huán)境不受任何污染，為新能源和低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)；系統(tǒng)應(yīng)用了水肥一體化技術(shù)，大幅度提高作物產(chǎn)量，增加干旱山區(qū)百姓的經(jīng)濟(jì)收入，是干旱山區(qū)農(nóng)業(yè)抗旱和脫貧致富新路子。

2）在干旱山區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了水源和技術(shù)保證。

膜下滴灌技術(shù)、水肥一體化技術(shù)、太陽能技術(shù)和雨水積蓄技術(shù)都是相對成熟的技術(shù)，將這種四種技術(shù)結(jié)合在一起，解決干旱山區(qū)農(nóng)業(yè)用水問題，逐步改善干旱山區(qū)以種糧為主的局面，可以逐步增加經(jīng)濟(jì)作物種植面積，建設(shè)大棚種植，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，提高作物附加值。對于干旱山區(qū)，廣泛推廣這項集成系統(tǒng)，有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，改善山區(qū)人民的生活質(zhì)量；在具備一定條件和基礎(chǔ)的地區(qū)，可以建成集雨、提水、節(jié)水系統(tǒng)工程，形成融水土保持、集雨灌溉、科技推廣為一體的大型農(nóng)業(yè)示范區(qū)。

9 成果應(yīng)用、推廣的前景預(yù)測分析

山西是具有豐富的太陽能資源的地區(qū)，便攜式太陽能抽水灌溉系統(tǒng)示范點的建成，是水利科研工作拓展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的創(chuàng)新點，為山西省干旱、半干旱貧困地區(qū)，特別是無電地區(qū)的農(nóng)業(yè)、林業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，提供了一個可資借鑒的樣板，項目技術(shù)集成系統(tǒng)具有很好的推廣價值。目前，光伏揚(yáng)水技術(shù)在農(nóng)林業(yè)灌溉、禽畜養(yǎng)殖、沙化土地治理、生活供水、城市水景以及海水淡化等領(lǐng)域，都具有良好的推廣應(yīng)用前景。