風(fēng)力提水在南疆灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展中的潛力評估

宋 姝，牛 俊

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083）

0 引言

隨著人口的增長、全球變暖的加劇，清潔能源產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展是社會可持續(xù)發(fā)展的必然需求。風(fēng)能是一種清潔且經(jīng)濟(jì)效益更高的可再生能源?，F(xiàn)階段，在新疆主要利用風(fēng)能發(fā)電，風(fēng)力提水灌溉在新疆還未開展深入研究[1]。

風(fēng)力提水技術(shù)是指將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為水源的動(dòng)、勢能，達(dá)到農(nóng)業(yè)引水灌溉的目的。中國利用風(fēng)車提水可以溯源到1700多年前[2]。目前中國推廣的風(fēng)力提水機(jī)產(chǎn)品主要分為兩大類，具體為南方型大流量低揚(yáng)程風(fēng)力提水機(jī)組和北方型小流量高揚(yáng)程風(fēng)力提水機(jī)組，其型號豐富多樣[3]。張丹等發(fā)現(xiàn)風(fēng)力提水灌溉不僅解決了偏遠(yuǎn)山區(qū)無法用電提水灌溉的難題，而且不會產(chǎn)生環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了綠色、環(huán)保、零污染的農(nóng)田灌溉[4]。蘇建軍首次在風(fēng)力提水機(jī)組中應(yīng)用了自動(dòng)適應(yīng)偏航回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)了往復(fù)式雙作用抽水泵，具有顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，為農(nóng)村灌溉提供新思路[5]。盧月總結(jié)得出，利用風(fēng)能提水開展節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉是平原干旱地區(qū)解決農(nóng)作物灌溉的一種有效措施和方法，經(jīng)濟(jì)效益顯著[6]。Jadallah等評估在伊拉克使用風(fēng)力/光伏混合系統(tǒng)抽水的可能性，并分析了井深、環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵性能參數(shù)對系統(tǒng)生產(chǎn)率的影響[7]。Rehman等比較了沙特阿拉伯的風(fēng)力抽水系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能，所得結(jié)果表明，通過充分利用風(fēng)能，每年可以避免將近24000 t的二氧化碳的排放[8]。目前，對風(fēng)力提水的研究多數(shù)在于其系統(tǒng)本身，而實(shí)際應(yīng)用推廣必要性少有研究。本文旨在對南疆地區(qū)風(fēng)能資源進(jìn)行評估，探究風(fēng)力提水在南疆農(nóng)業(yè)中的潛力。建設(shè)風(fēng)力提水工程的意義不僅在于可以有效緩解南疆水資源短缺對農(nóng)業(yè)種植帶來的問題，而且具有一定經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。

1 研究區(qū)概況

南疆地區(qū)處于新疆維吾爾自治區(qū)南部，總面積達(dá)108萬km2，地理位置位于73°20′E～96°25′E，34°15′N～49°10′N，位于中緯度歐亞大陸腹地，四周以高山環(huán)繞，中部是中國最大的盆地：塔里木盆地[9-10]。南疆地區(qū)地貌高差明顯，戈壁灘、沙漠面積大，氣候?qū)儆诖箨懶愿珊禋夂颍⒕哂幸韵绿攸c(diǎn)：冬日酷冷，夏日干熱，晝夜溫差大，降雨量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，但日照充足，風(fēng)次多且持續(xù)時(shí)間長，具有明顯的氣候垂直運(yùn)動(dòng)。南疆是一個(gè)十分缺水的地區(qū)，多年平均降水量為123.9 mm[11]，其河流補(bǔ)給主要來自山區(qū)降水和高山積雪、冰川融水，也是農(nóng)田灌溉水源的主要來源[12]。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的土地利用類型數(shù)據(jù)來源于由GLC2000項(xiàng)目發(fā)布的基于SPOT4遙感數(shù)據(jù)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)中國子集[13]，分辨率為1km×1km，含有22種土地利用類型。本文使用的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)來源于NASA水文和地球科學(xué)研究項(xiàng)目[14]，該項(xiàng)目基于彭曼公式，根據(jù)NDVI測定的生物群落特異性冠層進(jìn)行估算，并對開放水蒸發(fā)量進(jìn)行量化。本文選取了2000—2013年月尺度的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)。

本文使用的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.gov.cn/），使用了2000—2014年日尺度上的測風(fēng)數(shù)據(jù)及降水?dāng)?shù)據(jù)，選取了南疆地區(qū)29個(gè)氣象站點(diǎn)，數(shù)據(jù)的實(shí)有率在99%以上，數(shù)據(jù)的正確率接近100%。利用ArcGIS軟件的普通克里金法進(jìn)行空間插值[15-16]，得到南疆地區(qū)的風(fēng)速分布情況。

2.2 研究方法

2.2.1 兩參數(shù)威布爾分布及風(fēng)功率密度

常見的用于擬合風(fēng)速概率分布的模型有威布爾（Weibull）分布、伽馬（Gamma）分布、瑞利（Rayleigh）分布、皮爾遜（Burr）分布和對數(shù)正態(tài)（Log-normal）分布模型等。在上述模型中，由于兩參數(shù)威布爾分布模型能夠很好的描述不同形狀的風(fēng)速概率分布[17]，且形式簡單、計(jì)算方便，因此本文選用兩參數(shù)威布爾分布。

兩參數(shù)威布爾概率密度函數(shù)如公式（1）所示[18]

式中f(v)是特定地點(diǎn)特定風(fēng)速出現(xiàn)的概率；v是實(shí)測風(fēng)速，m/s；k是形狀參數(shù)，無量綱；c是尺度參數(shù)，m/s。

本文利用最小二乘法計(jì)算得威布爾分布的形狀參數(shù)與尺度參數(shù)[19-20]，進(jìn)而計(jì)算出區(qū)域的平均風(fēng)功率密度。平均風(fēng)功率密度可以有效衡量地區(qū)風(fēng)能大小的風(fēng)能儲量，其計(jì)算公式如下[21]

式中ρ是空氣密度，kg/m3，本文中取1.225kg/m3[22]；w是平均風(fēng)功率密度，W/m2；f(v)dv是求解在特定風(fēng)速下的瞬間功率。

2.2.2 地理限制

對南疆地區(qū)可用于建設(shè)風(fēng)力提水機(jī)的區(qū)域加以地理限制，得到南疆地區(qū)可用于陸上安裝風(fēng)力提水機(jī)的土地總面積。本文排除了自然保護(hù)區(qū)、已開發(fā)區(qū)（城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、工廠、礦場等）、水域（海洋、湖泊等）、耕地、林地、坡度大于20°的區(qū)域、海拔高于3500 m的地區(qū)，選擇在河流附近30 m內(nèi)、耕地附近8 km內(nèi)建設(shè)風(fēng)力提水機(jī)，并假定風(fēng)力提水機(jī)間距為10倍轉(zhuǎn)子直徑[23-26]。根據(jù)上述地理限制條件，利用ArcGIS的鑲嵌至新柵格工具，將所有的限制疊加，生成最終的南疆可用于安裝風(fēng)力提水機(jī)的土地總面積。

2.2.3 農(nóng)業(yè)灌溉需水量

南疆地區(qū)的天然降水匱乏，導(dǎo)致供求失衡，絕大部分農(nóng)田需要依靠灌溉才能維持正常的生理特性?；诖它c(diǎn)，南疆的農(nóng)業(yè)區(qū)均與灌區(qū)完全結(jié)合。本文假設(shè)南疆地區(qū)農(nóng)作物的灌溉制度為充分灌溉，利用蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集與降水?dāng)?shù)據(jù)，引入降水有效利用系數(shù)因素的影響，最終確定南疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉需水量，如下式[27]

式中W是農(nóng)業(yè)灌溉需水量，mm；ET是蒸散發(fā)量，mm；P是降水量，mm；δ是降水有效利用系數(shù)，受降水總量、強(qiáng)度、降水時(shí)長的影響，且與土壤類別、作物種植模式有關(guān)，根據(jù)前人的研究，本文取值為0.43[28]。

2.2.4 自流灌溉區(qū)的設(shè)定

在計(jì)算風(fēng)力提水灌溉面積時(shí)，需要將南疆總耕地面積減去自流灌溉的面積。本研究根據(jù)南疆灌區(qū)數(shù)目及大小，在滿足高程的條件下，假定河流兩側(cè)緩沖區(qū)覆蓋的耕地滿足自流灌溉條件，設(shè)定其為自流灌溉區(qū)，并按照緩沖區(qū)范圍分為3種情景，如表1所示。

表1 南疆地區(qū)自流灌溉區(qū)的劃分 Table 1 Determination of gravity irrigation area in Southern Xinjiang

減去南疆地區(qū)自流灌區(qū)的面積之后，得到巴州、和田、阿克蘇、喀什、克州5個(gè)地州的可利用風(fēng)力提水技術(shù)灌溉的耕地面積，如表2所示。

2.2.5 風(fēng)力提水量的計(jì)算

根據(jù)南疆地區(qū)主要農(nóng)作物的灌溉制度可知，1月、2月及12月不進(jìn)行灌水[29]，因此本文研究計(jì)算風(fēng)力提水機(jī)量時(shí)，僅考慮3月至11月的平均風(fēng)功率密度。

表2 南疆五地（州）風(fēng)力提水灌溉面積 Table 2 Irrigation areas of wind-powered water pumping for the five prefectures in Southern Xinjiang km2

根據(jù)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪大小，風(fēng)能產(chǎn)量可按下式計(jì)算[30]

式中R是風(fēng)能產(chǎn)量，kW；ε是風(fēng)能利用率，基于前人的研究結(jié)果，本文取值為0.4[31]；D是轉(zhuǎn)子直徑，m，由風(fēng)速概率分布計(jì)算而得。

本文采用的風(fēng)力提水機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速為2 m/s，轉(zhuǎn)子直徑為7.5 m，根據(jù)2000—2014年的風(fēng)速數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出5個(gè)地州內(nèi)年3月至11月風(fēng)速大于2 m/s的累計(jì)有效小時(shí)數(shù)，并根據(jù)下式計(jì)算有效風(fēng)能[30]

式中e是有效風(fēng)能，kW·h；N是風(fēng)速大于2m/s的累計(jì)有效小時(shí)數(shù)，h。

南疆地區(qū)四周以高山環(huán)繞，中部是塔里木盆地，地勢起伏較大，本文設(shè)定風(fēng)力提水機(jī)揚(yáng)程為15 m，單臺風(fēng)力提水機(jī)的年平均抽水量可按下式計(jì)算[30]

式中q是單臺風(fēng)力提水機(jī)的年平均抽水量，m3；ρw是水的密度，取值為103kg/m3；g是重力加速度，取值為9.8m/s2；h是揚(yáng)程，取值為15 m。

3 結(jié)果與討論

3.1 南疆風(fēng)能資源的時(shí)空分布及其變化規(guī)律

根據(jù)2000—2014年南疆地區(qū)29個(gè)氣象站點(diǎn)逐日的風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算得出南疆5個(gè)地州多年月平均風(fēng)功率密度，如表3所示。圖2為南疆地區(qū)年內(nèi)平均風(fēng)功率時(shí)空變化圖，呈現(xiàn)出較為明顯的時(shí)空差異性。

從時(shí)間尺度上看，南疆地區(qū)年內(nèi)風(fēng)能資源分布不均勻，總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并隨著季節(jié)變化而波動(dòng)，且波動(dòng)幅度較大，體現(xiàn)出強(qiáng)烈的季節(jié)相關(guān)性。南疆地區(qū)4月的風(fēng)能資源最為豐富，平均風(fēng)功率密度達(dá)25.14 W/m2，其次是5月的平均風(fēng)功率密度，其值為22.51 W/m2，而1 月的風(fēng)能資源最小，平均風(fēng)功率密度僅為3.09 W/m2。

表3 南疆五地（州）各月平均風(fēng)功率密度 Table 3 Average wind power density for the five prefectures in Southern Xinjiang of each month W·m-2

從空間尺度上看，平均風(fēng)功率密度在空間上呈現(xiàn)出從西部至東部由高降低再升高的特點(diǎn)?？酥菖c巴州的風(fēng)能資源較為豐富，整體風(fēng)功率密度高于其他地州的風(fēng)功率密度，并且每個(gè)月份的風(fēng)功率密度值也相對較大。巴州、和田、阿克蘇、喀什、克州的年平均風(fēng)功率密度分別為15.75、9.73、10.47、10.98、23.74 W/m2。南疆東西部的整體風(fēng)功率較大，更加適宜建設(shè)風(fēng)力提水工程，開發(fā)利用風(fēng)能資源。

3.2 南疆農(nóng)業(yè)灌溉需水量的時(shí)空分布及其變化規(guī)律

根據(jù)式（2）～（3）計(jì)算了南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)多年平均灌溉需水量，得到2000—2013年灌溉需水量的年內(nèi)變化，如圖3所示。從時(shí)間分布特征分析，1月至8月的灌溉需水量呈上升趨勢，并在8月達(dá)到峰值，其值為9.02億m3。此后灌溉需水量逐漸減少，直至12月結(jié)束。從空間分布特征分析，由于南疆地理?xiàng)l件相差較大，各地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量存在一定的差異。總體而言呈現(xiàn)東北高，西南低的空間格局，其中，阿克蘇及巴州北部單位面積的灌溉需水較高。由于南疆地區(qū)耕地面積主要分布于東部，5個(gè)地州的耕地面積有所不同，喀什的耕地面積大于巴州的耕地面積。所以，雖然喀什的單位面積灌溉需水量較小，但是其體積農(nóng)業(yè)灌溉需水量依然大于巴州的體積農(nóng)業(yè)灌溉需水量。

表4 南疆五地（州）各月灌溉需水量 Table 4 irrigation water requirement for the five prefectures in Southern Xinjiang of each month 107km3

3.3 南疆風(fēng)力提水量及風(fēng)力提水機(jī)數(shù)目計(jì)算

本文根據(jù)2.2中公式和地理限制條件，分別計(jì)算得到南疆地區(qū)5個(gè)地州單臺風(fēng)力提水量及風(fēng)力提水機(jī)數(shù)目，進(jìn)而計(jì)算得各個(gè)地州的總風(fēng)力提水量?？酥萦捎谄骄L(fēng)功率密度較高，在5個(gè)地州中，克州單臺風(fēng)力提水機(jī)的年提水量最大，其值為5.84×104m3，和田的單臺風(fēng)力提水機(jī)的年提水量最小，其值為0.79×104m3，巴州、阿克蘇、喀什的單臺風(fēng)力提水機(jī)的年提水量分別為2.27×104、1.31×104、1.27×104m3，具體情況如表5所示。

表5 南疆五地（州）風(fēng)力提水量 Table 5 Amount of wind-powered water pumping for the five prefectures in Southern Xinjiang ×104m3

在情景一、情景二、情景三中，由于設(shè)置的緩沖區(qū)依次增大，相應(yīng)的自流灌溉區(qū)依次增大，非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量依次減小，風(fēng)力提水總量占非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量依次增大。由于5個(gè)地州的耕地面積、耕地與河流的距離、作物蒸散發(fā)量、有效降雨量均有所不同，因而其灌溉需水量相差較大。阿克蘇地區(qū)非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量最大，在3種情景中均大于10.00×108m3；克州非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量最小，在3種情景中最大值不超過1.50×108m3。

風(fēng)力提水滿足率指的是區(qū)域內(nèi)風(fēng)力提水量除以其非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量的比值。南疆5個(gè)地州非自流灌溉區(qū)風(fēng)力提水滿足率如表6所示，在情景一、情景二、情景三中，風(fēng)力提水滿足率依次增加。在3種情景中，克州風(fēng)力提水量占其非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量的比值最高，而和田、阿克蘇、喀什相對較低。在情景三中，克州的風(fēng)力提水滿足率高達(dá)1.17，更加適合建設(shè)風(fēng)力提水工程。相比而言，其他地州由于風(fēng)能資源較少、可用于建設(shè)風(fēng)力提水機(jī)的土地較少，或非自流灌溉區(qū)的灌溉需水量相對較大，因而風(fēng)力提水滿足率不高，在建設(shè)風(fēng)力提水工程時(shí)需要考慮其經(jīng)濟(jì)效益。

表6 南疆5地（州）非自流灌溉區(qū)灌溉需水量及風(fēng)力提水滿足率 Table 6 Irrigation water requirement and satisfaction rate of wind-powered water pumping in non-gravity irrigation area for the five prefectures in Southern Xinjiang

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

建設(shè)風(fēng)力提水工程是彌補(bǔ)邊遠(yuǎn)農(nóng)村、農(nóng)場、農(nóng)牧區(qū)的能源不足途徑之一。在建設(shè)風(fēng)力提水工程時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制工程投資，主要投入包括風(fēng)力發(fā)電提水機(jī)組、儲水池、田間灌溉設(shè)備及人力資源等。為保證在枯風(fēng)期因風(fēng)力提水微小的不足，必要時(shí)可選取靈活的設(shè)備補(bǔ)灌，來確保經(jīng)濟(jì)效益[32]。李亮等在風(fēng)能提水試驗(yàn)點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)分析中，采用年費(fèi)用最小法計(jì)算進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，研究得到在風(fēng)力提水機(jī)使用期中，不考慮拉水效益情況下，風(fēng)力提水年均節(jié)約1.77萬元/a，是內(nèi)燃機(jī)組費(fèi)用的57.12%；考慮拉水效益情況下，風(fēng)力提水年均節(jié)約7.23萬元/a，是內(nèi)燃機(jī)組和拉水總費(fèi)用的84.45%[33]。胡建棟等按506臺提水機(jī)組（FSH-200，350型系列風(fēng)力提水機(jī)）完成的提水量，相對8.8 kW柴油機(jī)組，每年可少消耗柴油443256 kg，減排二氧化碳1413 986.64 kg，使用風(fēng)力提水機(jī)的價(jià)格與使用8.8 kW柴油機(jī)的價(jià)格比為1∶6.7，與使用2.2 kW汽油機(jī)的價(jià)格比為1∶4.25[34]。風(fēng)力提水機(jī)每年維修1次，費(fèi)用為0.5萬元；管理費(fèi)用為0.1萬元，使用壽命為15 a左右[33]，整體來看長期投入小。同時(shí)，使用風(fēng)力提水灌溉降低了農(nóng)民體力勞動(dòng)，提高了用水方便程度，總體減少了用水費(fèi)用，節(jié)約了燃料，具有較好的環(huán)境效益和社會效益。

5 結(jié)論

本文對研究期2000—2014年內(nèi)南疆地區(qū)風(fēng)速及降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用兩參數(shù)威布爾分布模型對南疆的風(fēng)能資源進(jìn)行評估，借助ArcGIS軟件可視化表達(dá)。通過作物蒸散發(fā)量及有效降雨量計(jì)算南疆灌溉需水量，探尋風(fēng)能資源與灌溉需水量的時(shí)空分布變化規(guī)律。計(jì)算南疆5個(gè)地（州）的風(fēng)力提水總量，開展風(fēng)力提水在區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)中的潛力研究。本文通過研究得到以下結(jié)論：

1）南疆地區(qū)4月的平均風(fēng)功率密度最大，其值為25.14 W/m2?？酥菖c巴州的風(fēng)能資源較為豐富，其他地區(qū)的風(fēng)能資源相對較低，在開發(fā)利用風(fēng)能時(shí)，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益。

2）南疆地區(qū)8月的灌溉需水量最大，需水高峰期及季節(jié)的變化與南疆地區(qū)種植制度密切相關(guān)。單位面積上的灌溉需水較高的地區(qū)主要位于南疆阿克蘇及巴州北部部分地區(qū)，呈現(xiàn)東北高，西南低的空間格局。結(jié)合耕地面積大小，阿克蘇和喀什農(nóng)業(yè)灌溉需水量大。

3）根據(jù)南疆5個(gè)地（州）的年風(fēng)能有效小時(shí)數(shù)、年平均風(fēng)功率密度分布、農(nóng)業(yè)灌溉需水量以及適宜建設(shè)風(fēng)力提水工程的面積，計(jì)算獲得不同地區(qū)的風(fēng)力提水滿足率，揭示利用清潔風(fēng)能資源服務(wù)灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)撃?，其中，在克州建設(shè)風(fēng)力提水工程的效益更高。

南疆地區(qū)極度干旱少雨，植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)種植對灌溉用水十分依賴。利用風(fēng)能資源進(jìn)行“綠色灌溉”，減輕南疆對化石能源的依賴，并且減少使用產(chǎn)生的環(huán)境污染物，帶來更多的生態(tài)效益。本文將研究區(qū)以地（州）進(jìn)行劃分，從年風(fēng)能有效小時(shí)數(shù)、平均風(fēng)功率密度、單位面積農(nóng)業(yè)灌溉需水量及可安裝風(fēng)力提水機(jī)的面積等四個(gè)方面評估南疆更加適合建設(shè)風(fēng)力提水工程的地（州），得到克州具有更大的建設(shè)風(fēng)力提水工程的潛力。區(qū)域利用風(fēng)能資源提水的初步潛力評估，有助于在南疆布局風(fēng)力提水開發(fā)利用前對區(qū)域情況有一個(gè)整體的認(rèn)知和了解。