牧区太阳能提水经济效益的研究

摘要 以干旱荒漠草原为背景对牧区太阳能与内燃机提水机具的经济效益进行估算。在实测及调查资料的基础上，分析提水机具应用方便程度，比较投资与费用。结果表明，在25年的使用期中太阳能提水可节约81.43万元，是内燃机组总费用的80.94%；年均节余3.26万元，是内燃机组年度使用费的92.61%。经济效益的分析比较为太阳能提水在牧区的推广提供依据，对改善牧区供水机具和保护草原生态环境具有重要意义。

关键词 太阳能提水；牧场供水；经济效益；干旱荒漠草原

中图分类号 S214 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05336-02

水利经济计算是从经济上对工程方案进行选优的依据，是研究水利工程建设是否可行的前提。牧场供水工程的经济效益，是指兴建牧场供水工程，改善供水条件，节约能源，合理供水，提高经济效益[1]。

太阳能提水作为新能源的一种提水形式，已经得到普遍的利用，在牧场供水中的利用已得到示范推广。目前针对太阳能提水系统的研究已有很多成果，但对牧场供水太阳能提水经济效益的研究仍处于空白。研究针对现状提水机具和太阳能提水的经济效益和方便程度，利用效益分析的方法，对锡林郭勒干旱荒漠草原的太阳能提水系统与原有的内燃机动力提水系统，进行经济效益比较。

研究显示，太阳能提水比现状利用内燃机动力提水机具方便程度大大提高，且运行费用较小。该研究对提高牧区生活水平，节约能源，保护草原生态环境具有重要作用，对改善牧场提水机具具有重要意义。

1 试验区概况

试验于2012年5月1日～2013年5月1日进行，试验期分为夏季期为5月1日～10月1日153 d和冬季期10月1日～次年5月1日212 d。试验区位于锡林郭勒盟苏尼特右旗赛罕塔拉镇西13 km处。

1.1 概况 苏尼特右旗是一个以畜牧业为主的边境旗，属于典型的大陆性干旱气候，是锡林郭勒草原乃至全国干旱荒漠草原草场发育的典型地区。其特点是冬季漫长寒冷，夏季酷热干旱少雨，春、秋季多风。多年平均降雨量为179.88 mm，多年平均蒸发量长达2 000 mm，年平均气温3.9 ℃，最高气温达38.2 ℃，最低气温-35 ℃。该地区以西北风为主，年平均风速5.9 m/s，年平均风速5.9 m/s，最大风速11 m/s；日照充足，年日照时数为3 000多h，无霜期为132 d；土壤平均冻结日期11月3日左右，解冻日期为次年春季4月中间左右，年封冻期为160多d，最大冻土层2.8 m左右。水资源时空和地域分布不均且埋藏较深，境内无常年性河流，地表水贫乏，地下水的补给源主要靠天气降水。

1.2 用水现状 试验对现状试验区周围15户牧民的用水情况，抽水费用，器具使用年限等进行了调查。根据实际调查，试验区内牧户用水采用水源井—内燃机提水—汽车拉水—水窖储水的用水模式。

试验水源井为筒井，与旁边对照筒井为地下水串联。井台高0.5 m，圆形，内径1.2 m，外径1.5 m，块石砌筑，水泥砂浆灌浆抹面。井壁为直上直下形式，混凝土井壁至水面附近。井深10.5 m，水面至井台顶7.5 m，出水量20 m3/h时筒井水位基本保持不变。井口有井盖防止污染水质。

现状牧民提水机具主要为汽油内燃机动力机械带动抽水泵提水。试验井供给牧户15户，最远距离18 km，最近距离1.5 km，均采用汽车携带水罐拉水，水罐为2 m312户、3、4、5各1户。牧户水窖为4～10 m3，是生活和牲畜用水的取水水源。

2 试验方法

试验区有2个筒井，为试验井和对照井，水源情况一致。试验井安装太阳能提水设备1套，配套逆变器和潜水泵；安装水表，记录出水量、抽水次数及抽水时间。对照井保持原样，利用现状内燃机具提水；安装水表，记录出水量、抽水次数、安装时间，抽水时间及耗油量。

3 水量分析

3.1 需水量 试验区15户50人牧民草场总面积14 973.33 hm2（22.46万亩），夏季牲畜量0.72×104羊单位，载畜量为2.075 hm2/羊单位，冬季牲畜量0.45×104羊单位。依据《内蒙古行业用水标准》人饮水定额45 L/m3，需水量为2.25 m3；夏季羊饮水定额8 L/m3，需水量为57.6 m3；总需水量为59.85 m3。冬季羊饮水定额6 L/m3，需水量为25.2 m3；总需水量为27.45 m3。

3.2 供水量 试验井采用太阳能提水的配套水泵，出水定额15 m3/h，日平均抽水时间6 h，可供出水量90 m3/d；对照井内燃机供水配套水泵，出水定额15 m3/h，夏季日平均抽水时间4 h，安装时间1.5 h，可供出水量60 m3/d，冬季日平均抽水时间2 h，安装时间0.75 h，可供出水量30 m3/d，见表2。

3.3 供需水量分析 太阳能提水方便程度较高，减少安装时间；但受到自然条件制约，最佳抽水时间为每日10时至16时，其他时间出水量减少，同时易受到阴天或云的遮挡，降低提水效率。当试验区供水保证率夏季达到66.5%，冬季达到30.5%，设备即可满足试验区用水需求。针对太阳能提水的保证率低，易损坏的特性，及内燃机提水保证率高，不受时间限制的特点，内燃机提水可作为太阳能提水的备用设备。

4 经济费用分析

4.1 一次性投资 现状试验区牧户每户配备雅马哈2 kW EF2600汽油内燃发电机组1台，2寸便携式自吸小型水泵1台，根据调查市场报价分别为0.23万元和0.05万元；15户牧民提水设备合计4.2万元。

试验区安装太阳能提水总费用4.17万元（安装设备全部以到场价格计），其中太阳能板1.1 kW，支架2套，太阳能提水控制器1台，水泵1台，电线200 m，混凝土地基2个，防护网50 m，人工安装3 d。太阳能提水设备所需费用为太阳能板0.77万元，支架0.72万元，控制器0.53万元，水泵0.15万元，电线0.12万元；土建费用0.13万元，安装人工费用0.15万元，合计4.17万元。内燃机组与太阳能提水机组一次性投资基本相同，但内燃机组使用年限8a，太阳能提水机组使用寿命25a，是发电机组的3.13倍。

4.2 使用费用 试验结果显示，现状试验区牧户配备内燃机组抽水，内燃机每次安装机械时间为3 min，抽水时间4 min/m3，花费油量0.3 L/m3，以当地油价和考虑运输费按7.5元/L计，使用费用折合约2.25元/m3。

对照井夏季每户用水量4 m3/d，出水量60 m3/d，抽水时间4 h/d，安装时间1.5 h/d，使用时间4.5 h/d，花费油量18 L/d，使用费用夏季折合约135元/d，试验期153 d合计费用2.07万元。

对照井冬季每户用水量2 m3/d，出水量30 m3/d，抽水时间2 h/d，安装时间0.75 h/d，使用时间2.75 h/d，花费油量9 L/d，使用费用冬季折合约67.5元/d。试验期212 d合计费用1.43万元。

内燃机年度使用费用3.5万元，8年期使用费用28万元，25年期使用费用87.5万元。太阳能无使用费用。

4.3 维修及管理费用 根据实际调查内燃机组使用年限平均每年检修费用0.02万元，8年期0.16万元，25年期0.5万元；内燃机组使用完后，牧户随水车携带走，无管理费用。

太阳能置于野外，易受到牛马等牲畜损坏影响，虽有围栏防护但损坏事件常有发生。据国内经验，太阳能提水每年维修1次，费用为0.5万元，8年期4万元，25年期12.5万元；管理费用为0.1万元，8年期0.8万元，25年期2.5万元。管理是太阳能提水设施使用的关键，管理得当可大大降低维修费用，节约成本。

4.4 经济效益分析 一次性投资太阳能提水8年期投资4.17万元，是内燃机组投资4.2万元的99%，基本相同。而太阳能提水25年期是发电机组投资12.6万元的33.10%，说明一次性投资长期比较太阳能提水投资效益明显（未考虑经济增长带来的费用）。

使用费用主要是内燃机组耗费燃料，内燃机组耗费燃料18 L/d，使用费用高，对草原环境污染严重。而太阳能提水节约能源，同时不存在使用费用和环境问题，经济效益和环境效益明显。

维修及管理费用是内燃机组和太阳能机组每年必须耗费的费用，太阳能提水年费用0.6万元，是内燃机组投资0.02万元的30倍，说明太阳能提水维修及管理费用较高。

从年度费用考虑，太阳能提水年费用0.6万元，是内燃机组年费用3.52万元的17.14%，经济效益显著。

结果显示，太阳能提水设备具有较高经济效益，总费用8年期太阳能机组费用8.97万元，是内燃机组费用32.36万元的27.72%，年均节约3.46%；25年期太阳能机组费用19.17万元，是内燃机组费用100.6万元的19.06%，年均0.08%。研究显示，太阳能机组总费用比现状内燃机组8年期节约23.39万元，年均2.92万元；25年期节约81.43万元，年均3.26万元（表3）。

5 结论

研究针对牧区供电困难，内燃机具费用高的特点，提出费用变化曲线利用太阳能解决牧区供水问题，并对太阳能与现状内燃机使用的费用效益进行分析。研究显示，太阳能提水机组是牧区供水实用性较强的机组，在25年的使用期中可节约81.43万元，是内燃机组总费用的80.94%，年均节余3.26万元，是内燃机组年度使用费的92.61%。

太阳能提水设备的使用降低牧民提水费用和体力劳动，提高提水方便程度，减少牧区燃料的使用，每年可节约燃料4 662 L，对牧区生态环境具有重要意义。

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责任编辑 徐宁 责任校对 况玲玲

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