新型风力提水灌溉系统在果园灌溉中的应用研究

张 丹，邵子玉，孟维忠，韩树君，徐 迪（.辽宁省水利水电科学研究院，000，沈阳；.辽宁省水利厅，000，沈阳；.辽宁省农村水利建设管理局，000，沈阳）

新型风力提水灌溉系统在果园灌溉中的应用研究

张 丹1，邵子玉1，孟维忠1，韩树君2，徐 迪3
（1.辽宁省水利水电科学研究院，110003，沈阳；2.辽宁省水利厅，110003，沈阳；3.辽宁省农村水利建设管理局，110003，沈阳）

风力提水；节水灌溉；果树灌溉；辽宁

利用风能提水进行节水型农业灌溉，省水节能，是缺电和水资源贫乏的偏远山区解决农作物灌溉的一种有效措施和方法。辽宁省水利部门组织开展研究，将新型风力提水灌溉系统与高效节水灌溉技术有机结合，应用于坡耕地的果园灌溉示范区中，增产、节电效益显著。工程自建成投入使用至今已2年，新型风力提水灌溉系统的运行状况良好，设备性能稳定，提水能力完全可以满足灌溉要求。

一、新型风力提水灌溉系统研发意义

农业是我国的基础产业，农业增产的一个重要突破口是进一步扩大灌溉面积，但由于边远地区能源短缺和架设电网不便等原因，限制了灌溉面积的进一步扩大。我国解决能源问题的方针是开发和节能两方面并举，近期应把节能放在优先的地位，但长远看则应把开发和利用再生能源和新能源作为战略目标。广泛利用风力提水灌溉，连片开发，形成小农户大农业的局面，是我国中低产田改造的一条重要捷径。

我国风力资源丰富，全国平均风能密度为100 W/m2，风能总量为10亿kW。我国10 m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW，其中实际可开发利用的风能资源储量为 2.53亿kW，这为发展风力提水和合理利用风能提供了充足的资源。风力提水作为风能利用的重要方式之一，在解决农业灌溉和农村饮水等方面都不失为一项简单、可靠、实用而有效的应用技术，特别适用于辽宁省风力资源丰富的边远山区。

二、新型风力提水机的优点

在新型风力提水灌溉系统设计中，科研团队突破传统设计理念和思路，对风力提水机的结构进行深入研究，化繁为简，历经4年的不懈努力，经过数十次的改造试用，先后设计出4代产品，同时配套开发出相应的配件，并获得了国家发明专利。

新型风力提水机由6部分构成（图1），即机舱、塔架、风力传动部分、机械传动部分、液压传动部分和蓄水灌溉部分。

新型风力提水机组工作原理：当风吹向风叶时，风轮在风的吹动下转动，叶片得到升力，风轮在叶片的升力作用下开始转动，风能转换成旋转的机械能，风轮带动机舱内减速机齿轮转动，通过齿轮轴带动曲轴转动，曲轴带动推拉连杆做上下往复运动（将旋转机械能转换成上下往复运动的机械能）。推拉连杆通过活塞杆带动往复式双作用水泵活塞做上下往复运动。水泵活塞向上运动一次，水泵就完成一次吸水和一次压水。水泵活塞向下运动一次，水泵同样完成一次吸水和一次压水。这样在风的作用下，水泵内的活塞不停地做上下往复运动，水井中的水就会被连续不断地提到蓄水池中供人们使用，实现了风力提水。

新型风力提水机是一种利用风力直接提水，完全不用电、不用油的提水机。这种实用新型风力提水机具有结构简单、容易制作、安装方便、使用寿命长、经济实用、产品性能质量稳定及微风提水等显著特点。

三、新型风力提水机在果园灌溉中的应用

1.示范区简介

项目区芳山镇绿色芳山基地位于辽宁省锦州市黑山县北部，距黑山县城25 km。该区域属大陆性季风气候，多年平均降雨量为568 mm，平均蒸发量为1 737.88 mm，多年平均气温为7℃，最大冻土层深度为1.2 m。

2.灌溉方式选择

根据示范区水源、地形、当地实际运行方式，灌溉方式采用果树滴灌系统。设计灌溉地块面积500亩（1亩=1/15 hm2，下同），水源为山脚处新打机电井2眼，出水量为15～20 m3/h，用2台风力提水机向山顶已建的蓄水池供水，每台风力提水机出水量为15 m3/h，圆形蓄水池的内径为18 m，高2.5 m，容积为500 m3。利用机电井和风力提水机提取地下水，PE 90 mm上水管路埋于地下1.2 m深土中，把水引到蓄水池后进行自流灌溉。

图1 新型风力提水系统结构示意图

3.水源条件

示范区地下水源充足，适宜发展果树节水滴灌。蓄水池蓄水量为500 m3，山脚处水泵及风力提水机每天工作22小时向蓄水罐供水，蓄水罐实现24小时自流，可以满足500亩地块灌溉要求。

4.管网总体布置

典型地块为丘陵地区。区内种植果树，果树间距5 m×5 m，株距5 m，行距5 m。根据典型计算结果，最大净灌水定额为13.4 m3/亩，设计灌水周期为5天，设计灌水定额21 mm，一次灌水延续时间8.75小时。

根据计算结果，毛管采用Φ20PE塑料管材，设计工作压力0.6 MPa。 干管选择外径PEΦ90塑料管材，支管选择外径Φ90PE塑料管材，分支管选取Φ63PE塑料管材，毛管选取Φ20PE塑料管材。平均长度为150 m，分支管的平均长度为300 m，双向布置毛管，每条毛管的平均长度为50 m。干管、支管、分支管分别埋于地下1.2 m深，毛管附于地面上。毛管垂直于分支管布置，毛管间距为5 m，毛管上的稳流器间距为2.5 m（每株果树上布置2个灌水稳流器），灌水器通过毛细管（长度0.5 m）引出一个出水口，用插杆将出水口固定在果树下。系统轮灌制度及运行方案：计划分13个轮灌组，每次同时开启2条分支管，系统每天运行24小时，每天运行3个轮灌组。

水源至山上蓄水池高差为50 m，距离300 m，利用2台风力提水机提水，风力提水机单井出水量为15 m3/h。风力提水机（型号为JFT 6-15-10/2.5）主要技术参数：风机结构形式为风轮式，风轮直径9 m，风轮叶片数4片，塔架高度15 m，启动风速为2.5 m/s，风力空压泵结构形式为往复泵，风力空压泵工作压力0.6 MPa，风力机扬程80～100 m，流量10～20 m3/h。

5.工程投资与效益

工程投资57.20万元，共覆盖果园灌溉面积500亩，亩均投资1 144元。其中：水源工程4.98万元，蓄水池5.30万元，首部工程2.93万元，灌溉管网工程28.59万元，风力提水机及基础建设15.40万元。

项目实施后，亩均增产苹果150 kg，按照2.8元/kg计算，每年增加收入21.0万元，同时每年节约电费1.35万元，经济效益显著。同时，新型风力提水灌溉系统的应用，除了对区域产生增产增收、节水节能效益外，还缓解了区域农业用电紧张局面，在减少空气和环境污染等方面都具有显著的效益。

四、结语

工程自建成投入使用至今已两年，新型风力提水灌溉系统的运行状况良好，设备性能稳定，提水能力完全可以满足500亩果园灌溉要求。新型风力提水灌溉系统是绿色环保清洁能源，不仅解决了偏远山区无电提水灌溉难的问题，而且不产生空气环境污染，实现了农田灌溉绿色、环保、零污染。该项技术的推广和应用可节省化石能源，减少环境污染，对环境改善具有积极作用。

[1]王爱国.关于发展节水灌溉的方向与对策思考[J].中国水利，2011（6）.

[2]韩栋，赵越.我国粮食安全与节水灌溉问题的探讨[J].中国水利，2011（15）.

[3]孙伟.中国农业节水技术推广关键影响因素研究[D].东北农业大学，2012.

[4]马国波.湖南新能源和可再生能源开发利用问题研究[D].湖南农业大学，2010.

[5]施鹏飞.全球及中国风电产业发展态势[J].电器工业，2014（7）.

[6]倪小光，等.风力提水（光伏提水）在草原生态建设中的应用前景[J].内蒙古草业，2011（4）.

[7]韩树君.风力提水灌溉系统 [P].中国专利，202300852，2012-07-04.

责任编辑 张金慧

S27

B

1000-1123（2017）03-0050-02

2016-12-24

张丹，高级工程师。

国家“十二五”科技支撑课题（2014BAD12B04）；辽宁省农业领域青年科技创新人才项目（2015033）；辽宁省水利厅科技指导计划项目“新型风力提水灌溉系统研发与应用”。