沙漠地區(qū)地下汲水灌溉技術(shù)研究*

王新利 ， 王永奇 ， 李豪文 ， 周怡博 ， 王艷秋 ， 劉新英

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

我國(guó)沙漠面積71萬(wàn)km2，相當(dāng)于青海省的面積，居世界第3位，我國(guó)是被荒漠化嚴(yán)重威脅的國(guó)家之一。草方格[1]有防風(fēng)沙的作用，但偶爾草方格會(huì)被埋在風(fēng)沙之中，需要人力手工重新種植。就目前而言，沙漠中嚴(yán)重缺水，植物不能從大自然中得到水分無(wú)法正常生長(zhǎng)，如何獲得種植所需的水存在嚴(yán)重問(wèn)題?；诖耍n題組設(shè)計(jì)了一種可以從沙子中提取水的沙漠滴灌[2]設(shè)備。研究表明，在沙漠表面約5 cm以下，已經(jīng)有濕潤(rùn)的沙土出現(xiàn)，這表明在潮濕的沙子中完成水收集活動(dòng)是可行的。自20世紀(jì)70年代中國(guó)沙控項(xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)，一代代控沙英雄不斷涌現(xiàn)，塞罕坎林場(chǎng)建設(shè)者2017年榮獲地球衛(wèi)士獎(jiǎng)“激勵(lì)與行動(dòng)獎(jiǎng)”。其中，庫(kù)布齊沙漠經(jīng)過(guò)30多年的治理，生態(tài)恢復(fù)，降水量顯著增加。在改善當(dāng)?shù)貧夂虻耐瑫r(shí)，逐步形成沙漠旅游、種植、光伏等產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域，創(chuàng)造生態(tài)資產(chǎn)5 000多億元，實(shí)現(xiàn)從“沙進(jìn)人退”向“綠進(jìn)沙退”的轉(zhuǎn)變。而尤為可喜的是，毛烏素沙漠已基本“消失”。治沙人一步一步地種植植被，一點(diǎn)一滴地努力著且不停歇地灌溉植被。課題組研究發(fā)現(xiàn)，有了地下水灌溉技術(shù)后，不僅能大大節(jié)省人力物力，還能使草方格植根于地面，減緩?fù)恋厣衬?，大大增加沙漠地區(qū)草方格成活的概率。

1 地下水收集研究現(xiàn)狀

“地下水收集”即“地下汲水”，是指在一定條件下，位于沙漠地表之下一定深度的設(shè)備進(jìn)行地下水汽的收集，在收集的水分集滿水箱之后，水箱中的抽水機(jī)工作，將水分以滴灌的方式供給植物，用于作物的吸收和處理，而不是由人類灌溉給作物供水：通過(guò)根系土壤水分向根系距離的轉(zhuǎn)移，即作物生理活性產(chǎn)生需要吸收的水，以滿足其蒸發(fā)效應(yīng)[3]。供水時(shí)間、供水強(qiáng)度、供水量等主要取決于作物的生理需要，并設(shè)置了智能滴灌系統(tǒng)。

根據(jù)澆灌、畦灌、溝灌、噴灌、滴灌、有壓滲灌等傳統(tǒng)灌溉技術(shù)，外界的水分進(jìn)入土壤的滲入過(guò)程完全取決于人潑、噴、灌、滴、壓等措施或高低水位的自然差異流入土地中，在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)消耗大量能量，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。

2 技術(shù)核心

課題組設(shè)計(jì)的整套設(shè)備可通過(guò)外接的太陽(yáng)能板實(shí)現(xiàn)清潔能源獨(dú)立工作。該裝置的目的是將前期通過(guò)集水器收集的水分運(yùn)輸至地面。其中智能集合水箱部分置于地下2 m處，待水位傳感器[4]檢測(cè)到水充滿集水箱后，結(jié)合當(dāng)下的季節(jié)與天氣狀況酌情發(fā)出工作指令，工作指令傳達(dá)到位后，水箱內(nèi)水泵（直流12 V）開始向上抽水，水流經(jīng)過(guò)塑膠軟管運(yùn)輸?shù)竭_(dá)地面后浸潤(rùn)地面上種子周圍[5]，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，水箱內(nèi)部裝有水位傳感器，會(huì)將水位數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)中心。地下汲水裝置側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 地下汲水裝置側(cè)視圖

2.1 集水裝置

地下水蒸氣回收裝置呈圓底燒杯型，內(nèi)部空心，外側(cè)二分之一以下有均勻分布的小孔，孔徑在1 mm左右，在保證地下水汽能夠進(jìn)入汲水器的同時(shí)防止沙土落入瓶中。水汽冷凝瓶的下半部分埋藏在沙土下面，上端暴露在空氣中，利用白天的陽(yáng)光和空氣的高溫將地下的水分蒸發(fā)，當(dāng)水蒸氣上升以后冷凝形成液態(tài)水于汲水器壁上凝結(jié)后通過(guò)重力作用落入其下方的水箱之中，水箱由單片機(jī)[6]控制，在水分收集到一定量后自動(dòng)閉口以防箱中水分流失。

2.2 種子處理部分

在開始滴灌植物前，種子要先進(jìn)行處理，用可分解的有機(jī)塑料[7]包裹種子，以保護(hù)種子完整性與發(fā)芽率，在處理完種子后，先種植于地下。在集水箱部分有水位傳感器檢測(cè)水箱內(nèi)水位，水量足夠使得種子健康發(fā)育到能自己汲取到沙漠中的水分后，集水箱部分開始工作，水箱內(nèi)的水泵將水抽到沙土中種子的周圍，當(dāng)包裹種子的環(huán)保塑料小袋遇水后，種子汲取到水分后開始生長(zhǎng)發(fā)育。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

草方格有著防風(fēng)固沙的作用，但是草方格每過(guò)一段時(shí)間就會(huì)被沙子埋沒，就需要人工重新制作，如果有一種可以生長(zhǎng)的草方格就可以大大減少人力和物力的投入?，F(xiàn)在有一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，沙漠中嚴(yán)重缺水，難以獲取滿足植物生長(zhǎng)所需的水。于是，課題組設(shè)計(jì)了一種可以從沙土中提取水的沙漠制水滴灌裝置。研究表明，沙漠表面以下5 cm左右，沙土已經(jīng)開始潮濕，這說(shuō)明在濕潤(rùn)的沙土中完成汲水作業(yè)是完全可行的；沙漠表層[8]以下土壤含有大量的水分，將下層沙漠中的水分進(jìn)行一定程度上的可控式遷移，使得各種沙生植被能夠快速萌發(fā)。

3.1 液態(tài)水的冷凝部分設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，沙漠表面以下5 cm左右沙土已經(jīng)開始潮濕，并且在一定范圍內(nèi)隨著深度的增加濕度增加，由此可以說(shuō)明在濕潤(rùn)的沙土中收集可用于植物生長(zhǎng)的水分是可行的。本裝置則正適用于地下水分的冷凝收集，水分蒸發(fā)回收裝置冷凝[9]瓶的高度在1 m左右，外部形體呈圓柱形，內(nèi)部空心，外側(cè)二分之一以下有均勻分布的小孔，孔徑在1 mm左右，在保證地下水汽能夠進(jìn)入收集器的同時(shí)防止沙土落入瓶中，收集瓶的材質(zhì)選用玻璃或亞克力材料制作。水汽冷凝瓶的下半部分埋藏在沙土下面，上端暴露在空氣中，利用白天的陽(yáng)光和空氣的高溫將地下的水分蒸發(fā)，當(dāng)水蒸氣上升以后冷凝形成液態(tài)水于冷凝瓶中，從而完成沙漠制水的關(guān)鍵一步。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論得知生成的水滴由于液體表面張力大部分集中于水汽冷凝瓶的頂部，所以在瓶?jī)?nèi)部設(shè)計(jì)有縱向的條紋狀結(jié)構(gòu)，條紋狀結(jié)構(gòu)的作用是讓生成的水滴沿著條紋狀結(jié)構(gòu)流到下部的出水口。

3.2 液態(tài)水的分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）在水量不足的情況下，最大量保證植物的成活率的方案：在沙漠中，不同的位置沙土中含有的水分量不同，所以收集的水分量也不同，在這樣不確定水量的情況下，要盡可能保證最多的植物成活生長(zhǎng)，需要一種最合理的灌溉方法。這里將一個(gè)沙漠制水裝置稱為一個(gè)制水單元，一個(gè)制水單元中配套種植8棵植物，將這8棵植物分別標(biāo)號(hào)為1至8號(hào)，通過(guò)對(duì)水分的平均收集量計(jì)算，得出可以供幾棵植物生長(zhǎng)，假定一個(gè)制水單元的制水量可供5棵植物生長(zhǎng)，則在灌溉的時(shí)候只灌溉1至5號(hào)植物，放棄6至8號(hào)植物生長(zhǎng)。如果集水量有所下降，則放棄5號(hào)植物的灌溉，保證1至4號(hào)植物能夠正常生長(zhǎng)。此方案可以保證在積水量一定的情況下，讓最多的植物成活生長(zhǎng)。滴灌作業(yè)示意圖如圖2所示。

圖2 滴灌作業(yè)示意圖

2）對(duì)于上述方案的具體實(shí)施方法，采用Arduino控制系統(tǒng)，由積水箱中的水位傳感器將水量數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)[10-11]，控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并將水位數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。服務(wù)器中對(duì)每一個(gè)制水單元建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)制水單元上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算出該制水單元的平均制水量，并處理數(shù)據(jù)，得出合適的灌溉植物數(shù)量。再將數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)的制水單元，從而對(duì)每一個(gè)制水單元中的8棵植物實(shí)施不同的供水方式，保證最大數(shù)量的植物成活。

3.3 電能提供裝置的設(shè)計(jì)

由于沙漠制水裝置工作環(huán)境是荒無(wú)人煙的沙漠，而且此裝置的水量分配系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸分析等各種功能的實(shí)現(xiàn)都需要有電能提供動(dòng)力。因此，在電能提供方面進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：對(duì)于電能的生產(chǎn)系統(tǒng)，采用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電相結(jié)合的方式，通過(guò)變壓處理以后的電能均為12 V直流電，并且配備有12 V的蓄電池作為儲(chǔ)電裝置，因此可以在有風(fēng)或者陽(yáng)光強(qiáng)烈的時(shí)間段將發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能用于負(fù)載共工作，并將剩余的電能儲(chǔ)存在蓄電池[12]中。在晚上、陰天或沒有風(fēng)的情況下，發(fā)電裝置無(wú)法正常提供電能時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換至蓄電池供電以保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 總結(jié)

該裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）直接從沙漠的沙中取水，在治理沙漠問(wèn)題時(shí)可以減少水的輸送，解決沙漠中長(zhǎng)途輸水成本高的問(wèn)題，從而大大降低治沙成本。

2）該裝置可以選擇性灌溉植物，指沙漠制水裝置，對(duì)于一個(gè)造沙單位，一個(gè)支持種植8棵植物的制水裝置，通過(guò)計(jì)算平均數(shù)量，將8棵植物分別標(biāo)記為1至8號(hào)。集水，可用于幾株植物生長(zhǎng)，假設(shè)一個(gè)制水單位系統(tǒng)水可以種植5棵植物，只有植物1至5號(hào)在灌溉過(guò)程中灌溉，放棄6至8號(hào)植物生長(zhǎng)。如果集水量減少，放棄灌溉植物5號(hào)，以確保植物1至4號(hào)可以正常生長(zhǎng)。植物的最大數(shù)量可以以相同的成本正常生長(zhǎng)，降低治沙成本，提高防沙效率。

3）該設(shè)備嵌入互聯(lián)網(wǎng)[13]模塊，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享，可隨時(shí)在計(jì)算機(jī)和控制水系統(tǒng)上查看，不僅可以進(jìn)行大量管理，還可以進(jìn)行單一水單元管理，使防沙工作數(shù)字化、智能化[14]，降低防沙成本，減少人工投入，提高防沙效率。