新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)在果園灌溉中的應(yīng)用研究

張 丹，邵子玉，孟維忠，韓樹君，徐 迪（.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，000，沈陽(yáng)；.遼寧省水利廳，000，沈陽(yáng)；.遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，000，沈陽(yáng)）

新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)在果園灌溉中的應(yīng)用研究

張 丹1，邵子玉1，孟維忠1，韓樹君2，徐 迪3
（1.遼寧省水利水電科學(xué)研究院，110003，沈陽(yáng)；2.遼寧省水利廳，110003，沈陽(yáng)；3.遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，110003，沈陽(yáng)）

風(fēng)力提水；節(jié)水灌溉；果樹灌溉；遼寧

利用風(fēng)能提水進(jìn)行節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉，省水節(jié)能，是缺電和水資源貧乏的偏遠(yuǎn)山區(qū)解決農(nóng)作物灌溉的一種有效措施和方法。遼寧省水利部門組織開展研究，將新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)與高效節(jié)水灌溉技術(shù)有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用于坡耕地的果園灌溉示范區(qū)中，增產(chǎn)、節(jié)電效益顯著。工程自建成投入使用至今已2年，新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，設(shè)備性能穩(wěn)定，提水能力完全可以滿足灌溉要求。

一、新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)研發(fā)意義

農(nóng)業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的一個(gè)重要突破口是進(jìn)一步擴(kuò)大灌溉面積，但由于邊遠(yuǎn)地區(qū)能源短缺和架設(shè)電網(wǎng)不便等原因，限制了灌溉面積的進(jìn)一步擴(kuò)大。我國(guó)解決能源問(wèn)題的方針是開發(fā)和節(jié)能兩方面并舉，近期應(yīng)把節(jié)能放在優(yōu)先的地位，但長(zhǎng)遠(yuǎn)看則應(yīng)把開發(fā)和利用再生能源和新能源作為戰(zhàn)略目標(biāo)。廣泛利用風(fēng)力提水灌溉，連片開發(fā)，形成小農(nóng)戶大農(nóng)業(yè)的局面，是我國(guó)中低產(chǎn)田改造的一條重要捷徑。

我國(guó)風(fēng)力資源豐富，全國(guó)平均風(fēng)能密度為100 W/m2，風(fēng)能總量為10億kW。我國(guó)10 m高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.26億kW，其中實(shí)際可開發(fā)利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為 2.53億kW，這為發(fā)展風(fēng)力提水和合理利用風(fēng)能提供了充足的資源。風(fēng)力提水作為風(fēng)能利用的重要方式之一，在解決農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村飲水等方面都不失為一項(xiàng)簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用而有效的應(yīng)用技術(shù)，特別適用于遼寧省風(fēng)力資源豐富的邊遠(yuǎn)山區(qū)。

二、新型風(fēng)力提水機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

在新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，科研團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和思路，對(duì)風(fēng)力提水機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，化繁為簡(jiǎn)，歷經(jīng)4年的不懈努力，經(jīng)過(guò)數(shù)十次的改造試用，先后設(shè)計(jì)出4代產(chǎn)品，同時(shí)配套開發(fā)出相應(yīng)的配件，并獲得了國(guó)家發(fā)明專利。

新型風(fēng)力提水機(jī)由6部分構(gòu)成（圖1），即機(jī)艙、塔架、風(fēng)力傳動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)部分、液壓傳動(dòng)部分和蓄水灌溉部分。

新型風(fēng)力提水機(jī)組工作原理：當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)葉時(shí)，風(fēng)輪在風(fēng)的吹動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片得到升力，風(fēng)輪在葉片的升力作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，風(fēng)輪帶動(dòng)機(jī)艙內(nèi)減速機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪軸帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸帶動(dòng)推拉連桿做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)（將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能）。推拉連桿通過(guò)活塞桿帶動(dòng)往復(fù)式雙作用水泵活塞做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。水泵活塞向上運(yùn)動(dòng)一次，水泵就完成一次吸水和一次壓水。水泵活塞向下運(yùn)動(dòng)一次，水泵同樣完成一次吸水和一次壓水。這樣在風(fēng)的作用下，水泵內(nèi)的活塞不停地做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水井中的水就會(huì)被連續(xù)不斷地提到蓄水池中供人們使用，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力提水。

新型風(fēng)力提水機(jī)是一種利用風(fēng)力直接提水，完全不用電、不用油的提水機(jī)。這種實(shí)用新型風(fēng)力提水機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作、安裝方便、使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、產(chǎn)品性能質(zhì)量穩(wěn)定及微風(fēng)提水等顯著特點(diǎn)。

三、新型風(fēng)力提水機(jī)在果園灌溉中的應(yīng)用

1.示范區(qū)簡(jiǎn)介

項(xiàng)目區(qū)芳山鎮(zhèn)綠色芳山基地位于遼寧省錦州市黑山縣北部，距黑山縣城25 km。該區(qū)域?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量為568 mm，平均蒸發(fā)量為1 737.88 mm，多年平均氣溫為7℃，最大凍土層深度為1.2 m。

2.灌溉方式選擇

根據(jù)示范區(qū)水源、地形、當(dāng)?shù)貙?shí)際運(yùn)行方式，灌溉方式采用果樹滴灌系統(tǒng)。設(shè)計(jì)灌溉地塊面積500畝（1畝=1/15 hm2，下同），水源為山腳處新打機(jī)電井2眼，出水量為15～20 m3/h，用2臺(tái)風(fēng)力提水機(jī)向山頂已建的蓄水池供水，每臺(tái)風(fēng)力提水機(jī)出水量為15 m3/h，圓形蓄水池的內(nèi)徑為18 m，高2.5 m，容積為500 m3。利用機(jī)電井和風(fēng)力提水機(jī)提取地下水，PE 90 mm上水管路埋于地下1.2 m深土中，把水引到蓄水池后進(jìn)行自流灌溉。

圖1 新型風(fēng)力提水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.水源條件

示范區(qū)地下水源充足，適宜發(fā)展果樹節(jié)水滴灌。蓄水池蓄水量為500 m3，山腳處水泵及風(fēng)力提水機(jī)每天工作22小時(shí)向蓄水罐供水，蓄水罐實(shí)現(xiàn)24小時(shí)自流，可以滿足500畝地塊灌溉要求。

4.管網(wǎng)總體布置

典型地塊為丘陵地區(qū)。區(qū)內(nèi)種植果樹，果樹間距5 m×5 m，株距5 m，行距5 m。根據(jù)典型計(jì)算結(jié)果，最大凈灌水定額為13.4 m3/畝，設(shè)計(jì)灌水周期為5天，設(shè)計(jì)灌水定額21 mm，一次灌水延續(xù)時(shí)間8.75小時(shí)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，毛管采用Φ20PE塑料管材，設(shè)計(jì)工作壓力0.6 MPa。 干管選擇外徑PEΦ90塑料管材，支管選擇外徑Φ90PE塑料管材，分支管選取Φ63PE塑料管材，毛管選取Φ20PE塑料管材。平均長(zhǎng)度為150 m，分支管的平均長(zhǎng)度為300 m，雙向布置毛管，每條毛管的平均長(zhǎng)度為50 m。干管、支管、分支管分別埋于地下1.2 m深，毛管附于地面上。毛管垂直于分支管布置，毛管間距為5 m，毛管上的穩(wěn)流器間距為2.5 m（每株果樹上布置2個(gè)灌水穩(wěn)流器），灌水器通過(guò)毛細(xì)管（長(zhǎng)度0.5 m）引出一個(gè)出水口，用插桿將出水口固定在果樹下。系統(tǒng)輪灌制度及運(yùn)行方案：計(jì)劃分13個(gè)輪灌組，每次同時(shí)開啟2條分支管，系統(tǒng)每天運(yùn)行24小時(shí)，每天運(yùn)行3個(gè)輪灌組。

水源至山上蓄水池高差為50 m，距離300 m，利用2臺(tái)風(fēng)力提水機(jī)提水，風(fēng)力提水機(jī)單井出水量為15 m3/h。風(fēng)力提水機(jī)（型號(hào)為JFT 6-15-10/2.5）主要技術(shù)參數(shù)：風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式為風(fēng)輪式，風(fēng)輪直徑9 m，風(fēng)輪葉片數(shù)4片，塔架高度15 m，啟動(dòng)風(fēng)速為2.5 m/s，風(fēng)力空壓泵結(jié)構(gòu)形式為往復(fù)泵，風(fēng)力空壓泵工作壓力0.6 MPa，風(fēng)力機(jī)揚(yáng)程80～100 m，流量10～20 m3/h。

5.工程投資與效益

工程投資57.20萬(wàn)元，共覆蓋果園灌溉面積500畝，畝均投資1 144元。其中：水源工程4.98萬(wàn)元，蓄水池5.30萬(wàn)元，首部工程2.93萬(wàn)元，灌溉管網(wǎng)工程28.59萬(wàn)元，風(fēng)力提水機(jī)及基礎(chǔ)建設(shè)15.40萬(wàn)元。

項(xiàng)目實(shí)施后，畝均增產(chǎn)蘋果150 kg，按照2.8元/kg計(jì)算，每年增加收入21.0萬(wàn)元，同時(shí)每年節(jié)約電費(fèi)1.35萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)，新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用，除了對(duì)區(qū)域產(chǎn)生增產(chǎn)增收、節(jié)水節(jié)能效益外，還緩解了區(qū)域農(nóng)業(yè)用電緊張局面，在減少空氣和環(huán)境污染等方面都具有顯著的效益。

四、結(jié)語(yǔ)

工程自建成投入使用至今已兩年，新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，設(shè)備性能穩(wěn)定，提水能力完全可以滿足500畝果園灌溉要求。新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)是綠色環(huán)保清潔能源，不僅解決了偏遠(yuǎn)山區(qū)無(wú)電提水灌溉難的問(wèn)題，而且不產(chǎn)生空氣環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉綠色、環(huán)保、零污染。該項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用可節(jié)省化石能源，減少環(huán)境污染，對(duì)環(huán)境改善具有積極作用。

[1]王愛(ài)國(guó).關(guān)于發(fā)展節(jié)水灌溉的方向與對(duì)策思考[J].中國(guó)水利，2011（6）.

[2]韓棟，趙越.我國(guó)糧食安全與節(jié)水灌溉問(wèn)題的探討[J].中國(guó)水利，2011（15）.

[3]孫偉.中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣關(guān)鍵影響因素研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[4]馬國(guó)波.湖南新能源和可再生能源開發(fā)利用問(wèn)題研究[D].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[5]施鵬飛.全球及中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)[J].電器工業(yè)，2014（7）.

[6]倪小光，等.風(fēng)力提水（光伏提水）在草原生態(tài)建設(shè)中的應(yīng)用前景[J].內(nèi)蒙古草業(yè)，2011（4）.

[7]韓樹君.風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng) [P].中國(guó)專利，202300852，2012-07-04.

責(zé)任編輯 張金慧

S27

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1000-1123（2017）03-0050-02

2016-12-24

張丹，高級(jí)工程師。

國(guó)家“十二五”科技支撐課題（2014BAD12B04）；遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目（2015033）；遼寧省水利廳科技指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目“新型風(fēng)力提水灌溉系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用”。