張運(yùn)鑫，姚 彬，王 鵬

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021；2.河北省生態(tài)文明及社會(huì)治理研究中心，河北 邯鄲056038 3.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京100053；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048)

西藏位于我國(guó)西南邊陲，素有“世界屋脊”之稱。以高、寒、旱為主要特征，加之水、熱資源時(shí)空分配不均，土壤貧瘠，草場(chǎng)成為西藏地區(qū)最廣闊、最重要的綠色生態(tài)屏障，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民提供了最基本的生存和發(fā)展保障[1]。近年來(lái)，由于氣候變化、利用不當(dāng)?shù)茸匀缓腿藶橐蛩?，草地生態(tài)系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，約52%的天然草原發(fā)生不同程度退化，草場(chǎng)一旦破壞，便很難恢復(fù)[2]。西藏將如何合理地保護(hù)、開發(fā)草地資源，高效利用水資源，發(fā)展灌溉草地，促進(jìn)草地生態(tài)修復(fù)已成為當(dāng)前亟待解決的問題。

隨著太陽(yáng)能技術(shù)和光伏提水技術(shù)的成熟，建設(shè)、運(yùn)行成本不斷下降，利用光伏提水進(jìn)行灌溉在很多無(wú)常規(guī)能源地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用[3]。這一技術(shù)非常適用于像阿里這樣人口分散、交通不便、地域廣闊、電力缺乏、但光熱資源十分豐富的地區(qū)。光伏提水灌溉不但克服了當(dāng)?shù)啬茉床蛔銌栴}，而且還能夠充分利用當(dāng)?shù)厮Y源，解決牧草灌溉問題，從而提高牧草的產(chǎn)量，減輕天然草場(chǎng)放牧壓力，利于草場(chǎng)植被的恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境的改善。為此，以阿里地區(qū)為應(yīng)用區(qū)域，利用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中噶爾站的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)條件下光伏陣列系統(tǒng)的峰值功率，為工程優(yōu)化配置了光伏板，驅(qū)動(dòng)水泵正常運(yùn)行，滿足當(dāng)?shù)啬敛?---燕麥的灌水需求，為草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、光伏提水技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)與參考。

1 項(xiàng)目概況

阿里地區(qū)位于東經(jīng)78°20′～86°10′，北緯29°40′～35°40′之間，東西長(zhǎng)700 km，南北寬650余km。境內(nèi)地勢(shì)高亢、山脈縱橫，平均海拔4 500 m?？偼恋孛娣e2 866.7 萬(wàn)hm2，草原面積2 133 萬(wàn)hm2，占土地總面積的70%左右，可利用的草場(chǎng)面積約1 733 萬(wàn)hm2，主要分布在自拉達(dá)克山以西，那不拉尼峰以南，包括札達(dá)、普蘭兩縣域內(nèi)的高山峽谷區(qū)域，以及革吉縣色麥淌嘎的東部、北部、日土、改則、措勤三縣大部分的高山湖盆區(qū)域。

阿里地區(qū)自然地理環(huán)境特殊，降水量少且時(shí)空不均，地處干旱地帶，草地多處于高山峽谷、湖盆區(qū)域，土層相對(duì)較厚、氣候相對(duì)適宜作物生長(zhǎng)，但因河床切割較深、水源地勢(shì)較低、水流流速平緩，修渠引水難度較大，干旱缺水致使牧草產(chǎn)量低、草場(chǎng)廢棄，嚴(yán)重阻礙了牧區(qū)草地的發(fā)展，灌溉工程建設(shè)已成為當(dāng)?shù)匕l(fā)展飼草料基地的必要條件。

阿里地區(qū)人口少居住分散，電網(wǎng)稀疏，線路少、架設(shè)電網(wǎng)成本高，電力資源缺乏嚴(yán)重影響灌溉工程的發(fā)展。但阿里地區(qū)太陽(yáng)能豐富，輻射總量達(dá)186 485.1 卡/cm2，全年日照時(shí)數(shù)在3 153.2～3 549.8 h之間，同時(shí)光伏提水技術(shù)成熟、成本低，光伏發(fā)電能夠彌補(bǔ)電力不足問題，為灌溉工程發(fā)展提供動(dòng)力。

項(xiàng)目區(qū)位于新開發(fā)灌區(qū)，屬阿里地區(qū)革吉縣文布當(dāng)桑鄉(xiāng)夏瑪村，距文布當(dāng)桑鄉(xiāng)政府5 km，平均海拔4 459 m，設(shè)計(jì)灌溉面積2.67 hm2。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.1 氣象資料

區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平緩，草原面積遼闊，草原資源較為豐富，是當(dāng)?shù)刂饕翗I(yè)生產(chǎn)基地。年平均降雨量189.6 mm，年平均氣溫-0.2 ℃，最高氣溫8.0 ℃，最低氣溫-9.1 ℃，平均風(fēng)速4.4 m/s。

2.2 土壤條件

區(qū)內(nèi)土壤厚度25 cm，沙壤土，耕作層土壤容重1.44 g/cm3，田間持水量23.5%，土壤飽和含水率35.3%。

2.3 草原利用情況

阿里地區(qū)人口密度稀疏，草原承載力弱，放牧強(qiáng)度增加導(dǎo)致草甸群落的高度、蓋度及地上生物量都呈顯著降低，牲畜平均占有草地面積逐年增加，草地退化、沙化和荒漠化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，草畜矛盾突出。據(jù)阿里地區(qū)農(nóng)牧局草原站2010年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：阿里地區(qū)理論載畜量為299.37萬(wàn)綿羊單位，現(xiàn)有載畜量346.66萬(wàn)綿羊單位，超載15.81%，阿里轄區(qū)7個(gè)縣中有6個(gè)縣超載，其中措勤縣超載最嚴(yán)重，達(dá)36.04%，其次為普蘭縣，超載28.92%，革吉縣位居第三，超載23.10%。

2.4 人工牧草種植情況

為保護(hù)和改善草原生態(tài)環(huán)境，阿里地區(qū)自20世紀(jì)80年代起開始引種試驗(yàn)，發(fā)展灌溉飼草料地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，阿里地區(qū)栽培草地面積約4 746.67 hm2，種植草種主要為燕麥草、披堿草和少量紫花苜蓿，平均鮮草量超過4 500 kg/hm2。種植面積最大的為噶爾縣，人工草地種植面積為1 156.67 hm2，單產(chǎn)4 597.48 kg/hm2，其次為革吉縣，人工種植草地面積1 072 hm2，單產(chǎn)4 558.71 kg/hm2[4]。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 作物需水量

項(xiàng)目區(qū)主要種植作物為燕麥，據(jù)《西藏典型地區(qū)燕麥、飼草青稞需耗水規(guī)律與灌溉制度》[5]，干旱地區(qū)燕麥設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度取5 mm，灌溉制度設(shè)計(jì)見表1。

表1 燕麥灌溉制度設(shè)計(jì)Tab.1 Design of oat irrigation system

3.2 工程設(shè)計(jì)與主要參數(shù)

(1)噴灌系統(tǒng)布置。噴灌水源從革吉縣新建灌區(qū)輸水管道上取水至蓄水池，光伏水泵從蓄水池中取水。

主管和支管均采用DN63聚乙烯半軟管，呈梳齒型布置，主管長(zhǎng)度145 m，支管長(zhǎng)度1 728 m。

噴頭采用阻尼式噴頭，額定工作壓力0.2～0.25 MPa, 額定流量1～1.2 m3/h，射程12.4～13.4。

(2)灌溉制度。噴頭組合為正方形，噴頭間距為12 m×12 m、灌水周期為3 d，系統(tǒng)每天運(yùn)行時(shí)間8 h，一個(gè)噴點(diǎn)工作時(shí)間2.0 h，采取輪灌制度，單條支管為一個(gè)輪灌組。

考慮到當(dāng)?shù)赝翆虞^薄，按照傳統(tǒng)灌水方式，一次性滿足作物灌水定額需求，會(huì)造成土壤深層滲漏，故本工程灌溉制度設(shè)定時(shí)，采用小水勤澆方式。

(3)水泵。光伏系統(tǒng)電力輸出為直流電，為與水泵相匹配，在光伏板與水泵中間設(shè)置逆變器，用于直流電向交流電的轉(zhuǎn)換。經(jīng)水力計(jì)算，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量15 m3/h，設(shè)計(jì)水頭35 m；配套水泵型號(hào)為SPB6-15-4，額定功率4 kW，效率為0.82，水泵適用交流電源。

4 光伏模型匹配優(yōu)化計(jì)算

4.1 日照分布函數(shù)模型構(gòu)建

基于噶爾站太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)及晴天條件下日照分布函數(shù)模型[6]，對(duì)項(xiàng)目區(qū)晴天日間太陽(yáng)輻射變化進(jìn)行模擬，日照分布函數(shù)模型如下：

(1)

式中：E(t)為日最大輻照度，W/m2；T為日照時(shí)長(zhǎng)，h；t為1天中的某個(gè)時(shí)刻。

表1中各灌水時(shí)間起始日為代表，以2016年5月31日為典型日，對(duì)各日光照輻射進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 光照輻射強(qiáng)度小時(shí)分布模擬計(jì)算成果(2016年5月31日典型日)Tab.2 Simulation results of hourly distribution of light radiation intensity (typical day on May 31, 2016)

4.2 光伏陣列最大輸出功率模型構(gòu)建

光伏陣列最大輸出功率模型構(gòu)建如下：

Ppvm=η1η2APVEi

(2)

式中：Ppvm為光伏陣列最大輸出功率，kW；η1為光伏板轉(zhuǎn)換效率，取17%；η2為控制器轉(zhuǎn)換效率，取98%；APV為光伏面板面積，m2，其中單塊光伏板面積為1.65 m×0.992 m，峰值功率為215 W；Ei為落在光伏面板上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2。

4.3 光伏板系統(tǒng)峰值功率確定

對(duì)典型日(2016年5月31日)光伏發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)輸出功率進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，不同峰值功率下的逐時(shí)輸出功率計(jì)算結(jié)果見表3。

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)[7]，當(dāng)水泵的輸入功率大于其額定功率時(shí)，水泵按照其額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即水泵提水流量為水泵的額定流量。

從計(jì)算結(jié)果知：當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配備光伏板數(shù)量為32塊時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)日輸出功率大于4 kW的小時(shí)數(shù)為8 h，可以滿足灌溉用水需求。

表3 典型日光伏發(fā)電系統(tǒng)逐時(shí)輸出功率優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Tab.3 Optimization results of hourly output power of typical daily photovoltaic power generation system

針對(duì)作物整個(gè)生育期，各灌水起始日光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大于4 kW的小時(shí)數(shù)的數(shù)量?jī)?yōu)化結(jié)果見表4。

表4 光伏發(fā)電系統(tǒng)不同峰值功率條件下各灌水起始日滿足灌水需求的小時(shí)數(shù)Tab.4 The number of hours on each irrigation starting date to meet the irrigation demand under different peak power conditions of the photovoltaic power generation system

由表4可知：對(duì)于作物整個(gè)生育期，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏板數(shù)量為32塊，即峰值功率為6.88 kW時(shí)，可以滿足整個(gè)生育期的灌水需求。按照優(yōu)化結(jié)果，工程配置了32塊光伏板。

2018年，光伏提水灌溉設(shè)備在革吉縣文布當(dāng)桑鄉(xiāng)夏瑪村項(xiàng)目點(diǎn)安裝完成，經(jīng)試運(yùn)行，光伏提水水量完全滿足灌溉需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合高寒地區(qū)燕麥噴灌工程設(shè)計(jì)成果，利用中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中噶爾站的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，建立日照分布函數(shù)模型，分解出典型日逐時(shí)輻射強(qiáng)度，構(gòu)建光伏陣列最大輸出功率模型，得出光伏陣列逐時(shí)輸出功率，計(jì)算了相應(yīng)條件下光伏陣列系統(tǒng)的峰值功率，為工程優(yōu)化配置了光伏板數(shù)量。工程應(yīng)用表明：光伏匹配模型和優(yōu)化計(jì)算所確定的光伏板數(shù)量和功率是可行的，能夠驅(qū)動(dòng)水泵正常運(yùn)行，滿足燕麥灌水需求。