沙漠地区地下汲水灌溉技术研究*

王新利 ， 王永奇 ， 李豪文 ， 周怡博 ， 王艳秋 ， 刘新英

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

我国沙漠面积71万km2，相当于青海省的面积，居世界第3位，我国是被荒漠化严重威胁的国家之一。草方格[1]有防风沙的作用，但偶尔草方格会被埋在风沙之中，需要人力手工重新种植。就目前而言，沙漠中严重缺水，植物不能从大自然中得到水分无法正常生长，如何获得种植所需的水存在严重问题。基于此，课题组设计了一种可以从沙子中提取水的沙漠滴灌[2]设备。研究表明，在沙漠表面约5 cm以下，已经有湿润的沙土出现，这表明在潮湿的沙子中完成水收集活动是可行的。自20世纪70年代中国沙控项目启动以来，一代代控沙英雄不断涌现，塞罕坎林场建设者2017年荣获地球卫士奖“激励与行动奖”。其中，库布齐沙漠经过30多年的治理，生态恢复，降水量显著增加。在改善当地气候的同时，逐步形成沙漠旅游、种植、光伏等产业链领域，创造生态资产5 000多亿元，实现从“沙进人退”向“绿进沙退”的转变。而尤为可喜的是，毛乌素沙漠已基本“消失”。治沙人一步一步地种植植被，一点一滴地努力着且不停歇地灌溉植被。课题组研究发现，有了地下水灌溉技术后，不仅能大大节省人力物力，还能使草方格植根于地面，减缓土地沙漠化，大大增加沙漠地区草方格成活的概率。

1 地下水收集研究现状

“地下水收集”即“地下汲水”，是指在一定条件下，位于沙漠地表之下一定深度的设备进行地下水汽的收集，在收集的水分集满水箱之后，水箱中的抽水机工作，将水分以滴灌的方式供给植物，用于作物的吸收和处理，而不是由人类灌溉给作物供水：通过根系土壤水分向根系距离的转移，即作物生理活性产生需要吸收的水，以满足其蒸发效应[3]。供水时间、供水强度、供水量等主要取决于作物的生理需要，并设置了智能滴灌系统。

根据浇灌、畦灌、沟灌、喷灌、滴灌、有压渗灌等传统灌溉技术，外界的水分进入土壤的渗入过程完全取决于人泼、喷、灌、滴、压等措施或高低水位的自然差异流入土地中，在运输过程中会消耗大量能量，导致资源浪费。

2 技术核心

课题组设计的整套设备可通过外接的太阳能板实现清洁能源独立工作。该装置的目的是将前期通过集水器收集的水分运输至地面。其中智能集合水箱部分置于地下2 m处，待水位传感器[4]检测到水充满集水箱后，结合当下的季节与天气状况酌情发出工作指令，工作指令传达到位后，水箱内水泵（直流12 V）开始向上抽水，水流经过塑胶软管运输到达地面后浸润地面上种子周围[5]，在自动控制系统的控制下，水箱内部装有水位传感器，会将水位数据传输至控制系统中心。地下汲水装置侧视图如图1所示。

图1 地下汲水装置侧视图

2.1 集水装置

地下水蒸气回收装置呈圆底烧杯型，内部空心，外侧二分之一以下有均匀分布的小孔，孔径在1 mm左右，在保证地下水汽能够进入汲水器的同时防止沙土落入瓶中。水汽冷凝瓶的下半部分埋藏在沙土下面，上端暴露在空气中，利用白天的阳光和空气的高温将地下的水分蒸发，当水蒸气上升以后冷凝形成液态水于汲水器壁上凝结后通过重力作用落入其下方的水箱之中，水箱由单片机[6]控制，在水分收集到一定量后自动闭口以防箱中水分流失。

2.2 种子处理部分

在开始滴灌植物前，种子要先进行处理，用可分解的有机塑料[7]包裹种子，以保护种子完整性与发芽率，在处理完种子后，先种植于地下。在集水箱部分有水位传感器检测水箱内水位，水量足够使得种子健康发育到能自己汲取到沙漠中的水分后，集水箱部分开始工作，水箱内的水泵将水抽到沙土中种子的周围，当包裹种子的环保塑料小袋遇水后，种子汲取到水分后开始生长发育。

3 关键部件的设计

草方格有着防风固沙的作用，但是草方格每过一段时间就会被沙子埋没，就需要人工重新制作，如果有一种可以生长的草方格就可以大大减少人力和物力的投入。现在有一个严峻的问题，沙漠中严重缺水，难以获取满足植物生长所需的水。于是，课题组设计了一种可以从沙土中提取水的沙漠制水滴灌装置。研究表明，沙漠表面以下5 cm左右，沙土已经开始潮湿，这说明在湿润的沙土中完成汲水作业是完全可行的；沙漠表层[8]以下土壤含有大量的水分，将下层沙漠中的水分进行一定程度上的可控式迁移，使得各种沙生植被能够快速萌发。

3.1 液态水的冷凝部分设计

通过实地考察发现，沙漠表面以下5 cm左右沙土已经开始潮湿，并且在一定范围内随着深度的增加湿度增加，由此可以说明在湿润的沙土中收集可用于植物生长的水分是可行的。本装置则正适用于地下水分的冷凝收集，水分蒸发回收装置冷凝[9]瓶的高度在1 m左右，外部形体呈圆柱形，内部空心，外侧二分之一以下有均匀分布的小孔，孔径在1 mm左右，在保证地下水汽能够进入收集器的同时防止沙土落入瓶中，收集瓶的材质选用玻璃或亚克力材料制作。水汽冷凝瓶的下半部分埋藏在沙土下面，上端暴露在空气中，利用白天的阳光和空气的高温将地下的水分蒸发，当水蒸气上升以后冷凝形成液态水于冷凝瓶中，从而完成沙漠制水的关键一步。通过实验结论得知生成的水滴由于液体表面张力大部分集中于水汽冷凝瓶的顶部，所以在瓶内部设计有纵向的条纹状结构，条纹状结构的作用是让生成的水滴沿着条纹状结构流到下部的出水口。

3.2 液态水的分配系统设计

1）在水量不足的情况下，最大量保证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，在这样不确定水量的情况下，要尽可能保证最多的植物成活生长，需要一种最合理的灌溉方法。这里将一个沙漠制水装置称为一个制水单元，一个制水单元中配套种植8棵植物，将这8棵植物分别标号为1至8号，通过对水分的平均收集量计算，得出可以供几棵植物生长，假定一个制水单元的制水量可供5棵植物生长，则在灌溉的时候只灌溉1至5号植物，放弃6至8号植物生长。如果集水量有所下降，则放弃5号植物的灌溉，保证1至4号植物能够正常生长。此方案可以保证在积水量一定的情况下，让最多的植物成活生长。滴灌作业示意图如图2所示。

图2 滴灌作业示意图

2）对于上述方案的具体实施方法，采用Arduino控制系统，由积水箱中的水位传感器将水量数据传输至控制系统[10-11]，控制系统进行联网，并将水位数据上传至服务器进行数据分析。服务器中对每一个制水单元建立数据库，对制水单元上传的数据进行分析计算出该制水单元的平均制水量，并处理数据，得出合适的灌溉植物数量。再将数据传输至相应的制水单元，从而对每一个制水单元中的8棵植物实施不同的供水方式，保证最大数量的植物成活。

3.3 电能提供装置的设计

由于沙漠制水装置工作环境是荒无人烟的沙漠，而且此装置的水量分配系统、控制系统和数据传输分析等各种功能的实现都需要有电能提供动力。因此，在电能提供方面进行以下设计：对于电能的生产系统，采用风力发电和太阳能发电相结合的方式，通过变压处理以后的电能均为12 V直流电，并且配备有12 V的蓄电池作为储电装置，因此可以在有风或者阳光强烈的时间段将发电装置产生的电能用于负载共工作，并将剩余的电能储存在蓄电池[12]中。在晚上、阴天或没有风的情况下，发电装置无法正常提供电能时，系统将自动切换至蓄电池供电以保证设备的正常运转。

4 总结

该装置具有以下优点：

1）直接从沙漠的沙中取水，在治理沙漠问题时可以减少水的输送，解决沙漠中长途输水成本高的问题，从而大大降低治沙成本。

2）该装置可以选择性灌溉植物，指沙漠制水装置，对于一个造沙单位，一个支持种植8棵植物的制水装置，通过计算平均数量，将8棵植物分别标记为1至8号。集水，可用于几株植物生长，假设一个制水单位系统水可以种植5棵植物，只有植物1至5号在灌溉过程中灌溉，放弃6至8号植物生长。如果集水量减少，放弃灌溉植物5号，以确保植物1至4号可以正常生长。植物的最大数量可以以相同的成本正常生长，降低治沙成本，提高防沙效率。

3）该设备嵌入互联网[13]模块，实现互联网数据共享，可随时在计算机和控制水系统上查看，不仅可以进行大量管理，还可以进行单一水单元管理，使防沙工作数字化、智能化[14]，降低防沙成本，减少人工投入，提高防沙效率。