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本文作者：查詠單位：水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所

在我國(guó),牧區(qū)面積約占國(guó)土面積的44.4%,有2.25億hm2可利用的草地。牧區(qū)所處的區(qū)域主要分布在干旱或半干旱地帶,由于受地理環(huán)境和自然條件的影響,水資源嚴(yán)重短缺,水土流失嚴(yán)重,加之人畜數(shù)量的增加。天然草地超載放牧和不合理的開發(fā)利用,導(dǎo)致草地植被破壞,草原退化、沙化。以內(nèi)蒙古為例,到目前,退化、沙化的草原面積為0.32億hm2,占牧區(qū)可利用草原面積的61%。導(dǎo)致草地產(chǎn)草量下降,沙塵暴等災(zāi)害的頻繁發(fā)生,使畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)不能穩(wěn)定發(fā)展,草原生態(tài)難以維持平衡。這些問題已引起人們的極大關(guān)注。以新時(shí)期“以水為中心,以水定發(fā)展”的新思路,開展草原建設(shè)。最終達(dá)到發(fā)展畜牧業(yè)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的雙贏目標(biāo)。在我國(guó)牧區(qū),可控制利用的水以開發(fā)可補(bǔ)給的淺層地下水為主,水源設(shè)施一般為機(jī)井和筒井。從水源到用水終端,中間必須有一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)以保證水可靠的輸送。但牧區(qū)幅員遼闊,且居住分散,電網(wǎng)覆蓋的區(qū)域有限,灌溉動(dòng)力只能靠?jī)?nèi)燃機(jī),這就加大了提水成本,這種提水方式經(jīng)濟(jì)效益低,難以在牧區(qū)推廣應(yīng)用。在牧區(qū),人工草場(chǎng)得不到發(fā)展的地區(qū)只能進(jìn)行放養(yǎng),當(dāng)?shù)厝罕姷纳钣媚艽蟛糠謥碓从谥参锖图倚蟮募S便,破壞了生物鏈,造成土地大量缺氮,使植物難以生存。如果利用這些地區(qū)豐富的風(fēng)能資源(80%地區(qū)年平均有效風(fēng)能密度為400～2480kW•h/m2•a)進(jìn)行提水灌溉,將是發(fā)展農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)和改善生態(tài)環(huán)境的一條重要途徑。

1風(fēng)力提水服務(wù)于牧區(qū)水利建設(shè)的切入點(diǎn)

1.1多元化牧場(chǎng)風(fēng)能節(jié)水灌溉

隨著牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,現(xiàn)代化家庭畜牧業(yè)已不再是單一的畜牧業(yè)生產(chǎn),而是集農(nóng)、林、牧各業(yè)為一體的多元化牧場(chǎng),在牧區(qū)利用風(fēng)能,對(duì)于促進(jìn)牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,是很有必要的。1kW的風(fēng)力提水機(jī),在4～8月間可提水2.5萬m3(20m3/h×10h×25d/月×5月),每灌1次水每公頃耗水按750m3計(jì)算,植物生長(zhǎng)期灌水5次,1kW的風(fēng)力提水機(jī)可灌溉人工草場(chǎng)33.3hm2,解決300只羊季節(jié)性圈養(yǎng)的飼草料問題,同時(shí)使天然草場(chǎng)得到季節(jié)性的休養(yǎng)。

1.2利用風(fēng)能凈化水質(zhì)

大部分牧區(qū)水質(zhì)較差,人畜飲水質(zhì)量不能得到保證,利用風(fēng)力提水,結(jié)合中小型的水處理設(shè)備,進(jìn)行水質(zhì)處理,以提高牧區(qū)人畜飲水的數(shù)量和質(zhì)量,提高人民的生活水平。

2利用風(fēng)能進(jìn)行沙漠綠化工程建設(shè)

就目前我國(guó)沙漠及半沙漠化的土地而言,多數(shù)是由于林木超量采伐、過渡放牧等人為原因引起的,在這些土地資源豐富的區(qū)域,水資源能滿足沙漠治理生物工程建設(shè)、牧業(yè)生產(chǎn)、人畜供水條件的地區(qū)約占總數(shù)的20%,如能保障能源的穩(wěn)定供給,在這些地區(qū)建設(shè)沙漠綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)是完全可能的,為保證沙漠綠洲建設(shè)的成功,必須采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的風(fēng)力提水機(jī)來進(jìn)行灌溉,否則又會(huì)走到“年年種樹不見樹,年年種草不見草”的老路上。

3風(fēng)力提水的經(jīng)濟(jì)性分析

以可灌牧場(chǎng)33.3hm2,單機(jī)容量為1kW的風(fēng)力提水設(shè)備,在Ⅱ類風(fēng)資源地區(qū)(占牧區(qū)面積的70%)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析如下:投資:8400元/kW;設(shè)備費(fèi):8000元(其中1kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)1臺(tái)4200元);BOS系統(tǒng)(主要指控制、變頻、變壓或逆變)2500元;專用水泵:800元;配件:500元;安裝費(fèi):400元;年維護(hù)費(fèi):250元。在Ⅱ類風(fēng)能資源區(qū),4～8月間(灌水期)可提水2.5萬t,設(shè)備折舊按10年計(jì)算,每立方米水的成本為0.04元,而柴油在同樣條件下提取每立方米水則需成本0.2元。

4典型風(fēng)力提水機(jī)型介紹

FS-4型風(fēng)力發(fā)電提水機(jī),是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制器、直流潛水電泵3大部件組成的提水系統(tǒng),沒有逆變、升壓和儲(chǔ)能系統(tǒng)。風(fēng)輪由三枚FX60-126翼型的葉片,構(gòu)成了直徑4m的水平軸、上風(fēng)向、尾翼對(duì)風(fēng)的高速風(fēng)輪系統(tǒng)。風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速300r/mint。Cp值0.35。葉片為木芯,外包玻璃鋼結(jié)構(gòu)。泵水裝置是由直流稀土永磁潛發(fā)電機(jī)和多級(jí)離心泵組成一體的泵水系統(tǒng)。該泵水裝置因沒有直接接觸的運(yùn)動(dòng)部件,所以起動(dòng)力矩非常小。且離心泵與風(fēng)輪動(dòng)力學(xué)特性極為吻合,實(shí)現(xiàn)了負(fù)載扭矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的二次方成比例即:M=f(n2)的理想匹配模式。主要性能參數(shù)與技術(shù)指標(biāo):風(fēng)輪直徑4,漿葉數(shù)3,起動(dòng)風(fēng)速2.5m/s,切入風(fēng)速3m/s,額定風(fēng)速8m/s,額定揚(yáng)程20m,額定流量20m3/h,抗大風(fēng)能力50m/s,塔高8m。FS-4風(fēng)力發(fā)電提水機(jī),在20m揚(yáng)程,年平均風(fēng)速為3m/s的地區(qū),1臺(tái)機(jī)組可灌溉農(nóng)田5hm2,每臺(tái)機(jī)組每年可增產(chǎn)糧食7500kg,產(chǎn)值約4000元。該設(shè)備用于人工草場(chǎng)灌溉,可灌草場(chǎng)7hm2,年增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)干草8萬余kg,其產(chǎn)值為1.5萬余元,這些牧草如用作冬儲(chǔ)抗災(zāi),其經(jīng)濟(jì)效益是不可簡(jiǎn)單估算的。FS-4型風(fēng)力發(fā)電提水機(jī)用于供水,可解決1000人的村鎮(zhèn)人畜飲水。同時(shí)FS-4風(fēng)力提水系統(tǒng),還具有較好的社會(huì)效益,它可以節(jié)約礦物燃料(年節(jié)燃油750L或節(jié)電3000kW•h),有利于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展,它不排CO2、不污染環(huán)境,有利于環(huán)保和緩解溫室效應(yīng)。

5結(jié)束語(yǔ)

能源作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)因素之一,對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用,牧區(qū)生態(tài)建設(shè)和牧區(qū)水利事業(yè),都離不開豐富、廉價(jià)、實(shí)用的風(fēng)能來作保證。充分利用當(dāng)?shù)刎S富、便利的風(fēng)能,來解決能源短缺或代替輸送不便、不經(jīng)濟(jì)的常規(guī)能源,是實(shí)現(xiàn)牧區(qū)水利現(xiàn)代化,促進(jìn)環(huán)境的改善和畜牧業(yè)的發(fā)展,保證西部開發(fā)順利進(jìn)行的一項(xiàng)重要措施。