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摘要 针对川西北藏区土地沙化日益严重、地区降雨量少、水源含沙量大，无法满足沙化治理用水需求的问题，进行了节水灌溉关键技术研究，并将其应用于阿坝州红原县瓦切乡的沙化生态修复中，介绍其具体系统方案，以期为破解沙化治理用水难题提供借鉴。
关键词 太阳能；节水灌溉；沙化；生态修复；四川红原
中图分类号 S275 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）23-0214-02
截至2004年，四川省阿坝州沙化面积达166 778.4 hm2，较1999年增幅达68.2%，沙化态势急剧恶化。2009年，川西北沙化土地面积达82.19万hm2。据四川省沙化荒漠化监测中心提供的资料显示，截至2009年，若尔盖县沙化土地面积达7万hm2以上，且正以每年11.65%的速度沙漠化。严重的沙漠化已经导致四川省部分地区出现恶劣的局部沙尘天气，引起人们的高度重视。因部分沙化严重地区人居分散、交通不便、能源供给困难，而电网建设又因线损高、无法架设等原因造成能源短缺，致使提水动力无法解决，成为限制该地区人畜供水和灌溉发展的关键因素。但该地区太阳能辐射强、日照时间长，太阳能资源丰富，为人畜饮水和提水灌溉提供了可靠的能源保障。本文介绍了节水灌溉关键技术，并将该研究成果应用于阿坝州红原县瓦切乡的沙化生态修复中，介绍其具体系统方案，以期为破解沙化治理用水难题提供借鉴。
1 关键技术研究
1.1 多水源综合利用方式研究
研究河流、机井、水池、集雨节灌等多种取水方式各自的特点。根据当地水源条件，结合其水量及水质，选择合适的取水方式。对于附近有天然河流、湖泊、水库、水池、塘、堰等水源条件较好的取水点，可考虑配套相应的取水建筑物就近取水。对于无现有水源点的取水较为困难的项目区，可考虑新建机井取水或采用集雨节灌。研究如何将其进行有机结合，搭建一个多水源综合利用灌溉系统，将宝贵的、有限的水资源充分利用起来，发挥最佳的综合效益。
1.2 川西北高原地区的太阳能节水提灌专用高效水泵研究
研究川西北高原地区降雨量少、海拔高、水源含沙量大的条件下，各种型式水泵的运行方式、适用性。由于传统离心泵工作受输入功率变化的影响非常大，在能量供给下降时，转速降低，水泵不能稳定在设计工作点，甚至无法抽水，且磨蚀严重。使用离心泵作为光伏扬水系统的泵时，通常在10：00—15：30时间段工作，为使工作时间延长，必须加大太阳能电池组件的匹配功率。通过分析试验数据，研制太阳能节水提灌专用高效水泵，作为核心设备进行提灌，效率比较高，在提高可靠性的同时，可发挥更大的综合效益。
1.3 川西北高原地区多水源综合利用条件下专用控制装置研究
研究川西北高原地区降雨量少、高海拔的气候条件下，水源含沙量大的水源条件下，河流、机井、水池、集雨节灌等多种取水方式有机结合搭建多水源综合利用灌溉系统条件下，各种型式控制装置的运行状态、适用性。传统控制装置主要在海拔2 000 m以下使用，高海拔地区控制装置降档使用。通过试验数据的分析、对比，研制能够整体联动、可靠运行的太阳能节水提灌专用控制装置，可实现能量跟踪控制、智能故障保护等功能。该装置采集开机指令信号、电压传感器反馈信号、液位信号、系统压力等，通过与预设值的比较，进行PID计算，不断调节频率输出，进行动态控制，自动调整灌溉输出流量，对作物进行适时高效灌溉，并实时显示参数信息，系统自动运行，自动化程度高[1-2]。
2 项目实施方案
2.1 项目概况
项目地位于四川省阿坝州红原县的一个高原草地，目前土地沙化不断扩张，呈继续恶化的趋势。项目区主要种植秦椒、红景天、沙棘、大黄等适生作物，对沙化土地进行生态修复，通过应用太阳能节水灌溉技术，有效解决作物用水难题。
2.2 系统总体方案
综合考虑当地水源、日照条件，适宜种植作物种类、面积及分布等因素，结合项目区适生中藏药材需水规律，探寻多水源综合利用方式，利用项目区丰富的太阳能资源，采用太阳能节水灌溉技术，研究其方式、方法及适用性，制订节水灌溉技术方案，解决适生中藏药材的用水问题。太阳能节水灌溉系统主要由水源工程、水泵机组系统、太阳能发电系统、控制系统、管道系统、出水终端等组成（图1）[3-4]。
2.3 具体方案
2.3.1 水源工程。通过实地踏勘、探寻，可采用项目地天然形成的2处水池，1处牧民挖的水井、打机井从河流取水、集雨节灌等多水源综合利用方式。由于前期已经新建了1口机井（直径300 mm，深20 m）作为取水水源，系统在机井取水的基础上，又利用项目地天然形成的其中1处水池（距离项目区约1 km），2种取水方式互为备用、相互联动。
2.3.2 水泵机组系统。由于项目区水源水位变幅较大，因此在系统设计时采用1台太阳能节水灌溉专用高效潜水泵（25 m3/h，17 m，2.2 kW）与1台太阳能节水灌溉专用高效地面泵（20 m3/h，80 m，5.5 kW）串联运行。
2.3.3 太阳能发电系统。由于光伏提灌系统获取能量的代价是定值，其能量的密度随着每日早晚各时刻曲线接近正态分布，当配以蓄电池进行能量平衡时，其系统的能量损失为10%～30%，同时蓄电池对环境存在污染，且在系统构成中使用寿命有限，使用成本较高。因此，系统取消了蓄电池组，通过编制光照检测、动作延时等程序，扩大了系统工作适应范围。在确保系统稳定运行的同时，大大降低了成本，避免了使用过程中因电池老化需更换电池产生的使用费用。
通过在不同太阳光辐射强度下，对太阳电池组件的输出电压、输出电流进行测试，找到其最佳工作电压、最佳工作电流，即最大功率点。在无蓄电池条件下实现太阳能电池发电最大功率点动态跟踪，保证系统稳定运行。该系统采用了38块太阳电池组件（29.7 V，230 W），19块串联为1路，2路并联。同时，根据太阳电池组件布置型式，配套设计太阳电池组件支架型式。对于地势较平坦的区域，可采用钢支架；对于地势较陡且要求继续耕作的区域，可采用高立柱支架。基础必须置于稳固的土层上，太阳电池组件斜面朝南±5°以内，与水平面安装角根据当地纬度适当调整。 由于传统单体独立式、整体式钢支架占地面积大、造价相对较高且易受牦牛撞击，系统采用了高立柱支架（可调节组件方向），它不额外占用耕（草）地，组件下方仍可种植，不破坏当地环境，同时可防止当地牦牛的撞击，保证系统安全可靠运行。高立柱支架结构如图2所示。
2.3.4 控制系统。控制装置内安装有2台太阳能节水灌溉专用逆变控制器，分别控制2台水泵机组的起停。在太阳能节水灌溉专用高效潜水泵的出水管道上安装有电接点压力表。电接点压力表检测到潜水泵出水压力达到一定值时才起动太阳能节水灌溉专用高效地面泵。控制装置内装有可编程控制器（PLC）、可视化界面。PLC用于接收手动指令输入、电接点信号、液位信号、光照强度信号等，根据控制逻辑起动各水泵，并与太阳能节水灌溉专用逆变控制器、可视化界面进行通讯，执行相应控制动作，采集相关运行参数，并在可视化界面上显示系统运行参数。当系统检测到缺水信号时，系统自动停机，进行缺水保护，当水源满足系统运行条件时，系统自动起动进行提水。供电接线如图3所示。
2.3.5 管道系统。根据项目管路走向地形，选择合适的管材。地势较陡，适宜采用钢管，安装施工方便；地势较平，管沟开挖条件较好，适宜采用HDPE管，安装施工方便、管路损失较小、输水效率较高。对于需要防冻且要求移动方便时，可考虑采用消防水带等。本项目管道采用低压流体输送焊接钢管（主要为井下部分）和消防水带（主要为地面输水部分，移动及拆卸方便，可有效防冻）。
2.3.6 出水终端。根据片区地形选择合适的灌溉方式。较为平坦的地势，可采用固定式立管及喷头等；局部高地可采用射程较大的圆盘喷灌机，局部边角地可采用移动喷灌机组。管路、喷头及圆盘喷灌机、移动喷灌机组具体位置及数量（比例）可根据现场实际适当调整。
本项目出水终端根据现场地形采用固定式立管及喷头、射程较大的圆盘喷灌机、移动喷灌机组等进行有机组合、布置，因地制宜，有效提高了灌溉效果。
3 结语
介绍了太阳能节水灌溉技术研究及其实际应用。运行结果表明：系统运行可靠，效果优良，可为有效解决沙化生态修复的用水难题提供借鉴。
4 参考文献
[1] 刘伟，吴永忠，刘惠敏，等.太阳能光伏提水节水灌溉技术[J].节水灌溉，2004（5）：49-50.
[2] 刘叶，刘程，林荣玉.适用于牧区的太阳能扬水节水灌溉模式[J].中国农村水利水电，2011（11）：60-61，66.
[3] 孟小涛，王春生.浅析农业水利灌溉模式与节水技术措施[J].中国西部科技，2009（17）：36-37.
[4] 董波，魏新平.太阳能应用于节水灌溉发展现状与发展趋势[J].中国农村水利水电，2014（7）：27-30，34.
关键词 太阳能；节水灌溉；沙化；生态修复；四川红原
中图分类号 S275 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）23-0214-02
截至2004年，四川省阿坝州沙化面积达166 778.4 hm2，较1999年增幅达68.2%，沙化态势急剧恶化。2009年，川西北沙化土地面积达82.19万hm2。据四川省沙化荒漠化监测中心提供的资料显示，截至2009年，若尔盖县沙化土地面积达7万hm2以上，且正以每年11.65%的速度沙漠化。严重的沙漠化已经导致四川省部分地区出现恶劣的局部沙尘天气，引起人们的高度重视。因部分沙化严重地区人居分散、交通不便、能源供给困难，而电网建设又因线损高、无法架设等原因造成能源短缺，致使提水动力无法解决，成为限制该地区人畜供水和灌溉发展的关键因素。但该地区太阳能辐射强、日照时间长，太阳能资源丰富，为人畜饮水和提水灌溉提供了可靠的能源保障。本文介绍了节水灌溉关键技术，并将该研究成果应用于阿坝州红原县瓦切乡的沙化生态修复中，介绍其具体系统方案，以期为破解沙化治理用水难题提供借鉴。
1 关键技术研究
1.1 多水源综合利用方式研究
研究河流、机井、水池、集雨节灌等多种取水方式各自的特点。根据当地水源条件，结合其水量及水质，选择合适的取水方式。对于附近有天然河流、湖泊、水库、水池、塘、堰等水源条件较好的取水点，可考虑配套相应的取水建筑物就近取水。对于无现有水源点的取水较为困难的项目区，可考虑新建机井取水或采用集雨节灌。研究如何将其进行有机结合，搭建一个多水源综合利用灌溉系统，将宝贵的、有限的水资源充分利用起来，发挥最佳的综合效益。
1.2 川西北高原地区的太阳能节水提灌专用高效水泵研究
研究川西北高原地区降雨量少、海拔高、水源含沙量大的条件下，各种型式水泵的运行方式、适用性。由于传统离心泵工作受输入功率变化的影响非常大，在能量供给下降时，转速降低，水泵不能稳定在设计工作点，甚至无法抽水，且磨蚀严重。使用离心泵作为光伏扬水系统的泵时，通常在10：00—15：30时间段工作，为使工作时间延长，必须加大太阳能电池组件的匹配功率。通过分析试验数据，研制太阳能节水提灌专用高效水泵，作为核心设备进行提灌，效率比较高，在提高可靠性的同时，可发挥更大的综合效益。
1.3 川西北高原地区多水源综合利用条件下专用控制装置研究
研究川西北高原地区降雨量少、高海拔的气候条件下，水源含沙量大的水源条件下，河流、机井、水池、集雨节灌等多种取水方式有机结合搭建多水源综合利用灌溉系统条件下，各种型式控制装置的运行状态、适用性。传统控制装置主要在海拔2 000 m以下使用，高海拔地区控制装置降档使用。通过试验数据的分析、对比，研制能够整体联动、可靠运行的太阳能节水提灌专用控制装置，可实现能量跟踪控制、智能故障保护等功能。该装置采集开机指令信号、电压传感器反馈信号、液位信号、系统压力等，通过与预设值的比较，进行PID计算，不断调节频率输出，进行动态控制，自动调整灌溉输出流量，对作物进行适时高效灌溉，并实时显示参数信息，系统自动运行，自动化程度高[1-2]。
2 项目实施方案
2.1 项目概况
项目地位于四川省阿坝州红原县的一个高原草地，目前土地沙化不断扩张，呈继续恶化的趋势。项目区主要种植秦椒、红景天、沙棘、大黄等适生作物，对沙化土地进行生态修复，通过应用太阳能节水灌溉技术，有效解决作物用水难题。
2.2 系统总体方案
综合考虑当地水源、日照条件，适宜种植作物种类、面积及分布等因素，结合项目区适生中藏药材需水规律，探寻多水源综合利用方式，利用项目区丰富的太阳能资源，采用太阳能节水灌溉技术，研究其方式、方法及适用性，制订节水灌溉技术方案，解决适生中藏药材的用水问题。太阳能节水灌溉系统主要由水源工程、水泵机组系统、太阳能发电系统、控制系统、管道系统、出水终端等组成（图1）[3-4]。
2.3 具体方案
2.3.1 水源工程。通过实地踏勘、探寻，可采用项目地天然形成的2处水池，1处牧民挖的水井、打机井从河流取水、集雨节灌等多水源综合利用方式。由于前期已经新建了1口机井（直径300 mm，深20 m）作为取水水源，系统在机井取水的基础上，又利用项目地天然形成的其中1处水池（距离项目区约1 km），2种取水方式互为备用、相互联动。
2.3.2 水泵机组系统。由于项目区水源水位变幅较大，因此在系统设计时采用1台太阳能节水灌溉专用高效潜水泵（25 m3/h，17 m，2.2 kW）与1台太阳能节水灌溉专用高效地面泵（20 m3/h，80 m，5.5 kW）串联运行。
2.3.3 太阳能发电系统。由于光伏提灌系统获取能量的代价是定值，其能量的密度随着每日早晚各时刻曲线接近正态分布，当配以蓄电池进行能量平衡时，其系统的能量损失为10%～30%，同时蓄电池对环境存在污染，且在系统构成中使用寿命有限，使用成本较高。因此，系统取消了蓄电池组，通过编制光照检测、动作延时等程序，扩大了系统工作适应范围。在确保系统稳定运行的同时，大大降低了成本，避免了使用过程中因电池老化需更换电池产生的使用费用。
通过在不同太阳光辐射强度下，对太阳电池组件的输出电压、输出电流进行测试，找到其最佳工作电压、最佳工作电流，即最大功率点。在无蓄电池条件下实现太阳能电池发电最大功率点动态跟踪，保证系统稳定运行。该系统采用了38块太阳电池组件（29.7 V，230 W），19块串联为1路，2路并联。同时，根据太阳电池组件布置型式，配套设计太阳电池组件支架型式。对于地势较平坦的区域，可采用钢支架；对于地势较陡且要求继续耕作的区域，可采用高立柱支架。基础必须置于稳固的土层上，太阳电池组件斜面朝南±5°以内，与水平面安装角根据当地纬度适当调整。 由于传统单体独立式、整体式钢支架占地面积大、造价相对较高且易受牦牛撞击，系统采用了高立柱支架（可调节组件方向），它不额外占用耕（草）地，组件下方仍可种植，不破坏当地环境，同时可防止当地牦牛的撞击，保证系统安全可靠运行。高立柱支架结构如图2所示。
2.3.4 控制系统。控制装置内安装有2台太阳能节水灌溉专用逆变控制器，分别控制2台水泵机组的起停。在太阳能节水灌溉专用高效潜水泵的出水管道上安装有电接点压力表。电接点压力表检测到潜水泵出水压力达到一定值时才起动太阳能节水灌溉专用高效地面泵。控制装置内装有可编程控制器（PLC）、可视化界面。PLC用于接收手动指令输入、电接点信号、液位信号、光照强度信号等，根据控制逻辑起动各水泵，并与太阳能节水灌溉专用逆变控制器、可视化界面进行通讯，执行相应控制动作，采集相关运行参数，并在可视化界面上显示系统运行参数。当系统检测到缺水信号时，系统自动停机，进行缺水保护，当水源满足系统运行条件时，系统自动起动进行提水。供电接线如图3所示。
2.3.5 管道系统。根据项目管路走向地形，选择合适的管材。地势较陡，适宜采用钢管，安装施工方便；地势较平，管沟开挖条件较好，适宜采用HDPE管，安装施工方便、管路损失较小、输水效率较高。对于需要防冻且要求移动方便时，可考虑采用消防水带等。本项目管道采用低压流体输送焊接钢管（主要为井下部分）和消防水带（主要为地面输水部分，移动及拆卸方便，可有效防冻）。
2.3.6 出水终端。根据片区地形选择合适的灌溉方式。较为平坦的地势，可采用固定式立管及喷头等；局部高地可采用射程较大的圆盘喷灌机，局部边角地可采用移动喷灌机组。管路、喷头及圆盘喷灌机、移动喷灌机组具体位置及数量（比例）可根据现场实际适当调整。
本项目出水终端根据现场地形采用固定式立管及喷头、射程较大的圆盘喷灌机、移动喷灌机组等进行有机组合、布置，因地制宜，有效提高了灌溉效果。
3 结语
介绍了太阳能节水灌溉技术研究及其实际应用。运行结果表明：系统运行可靠，效果优良，可为有效解决沙化生态修复的用水难题提供借鉴。
4 参考文献
[1] 刘伟，吴永忠，刘惠敏，等.太阳能光伏提水节水灌溉技术[J].节水灌溉，2004（5）：49-50.
[2] 刘叶，刘程，林荣玉.适用于牧区的太阳能扬水节水灌溉模式[J].中国农村水利水电，2011（11）：60-61，66.
[3] 孟小涛，王春生.浅析农业水利灌溉模式与节水技术措施[J].中国西部科技，2009（17）：36-37.
[4] 董波，魏新平.太阳能应用于节水灌溉发展现状与发展趋势[J].中国农村水利水电，2014（7）：27-30，34.