牧区新能源提水经济效益的研究

李 亮，吴永忠，朱俊峰，奇 凤，刘文兵

(1.中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所， 呼和浩特 010020；2.鄂尔多斯市水利局，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

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。新能源牧场供水工程的经济效益，是指兴建新能源牧场供水工程，改善供水条件，节约传统能源，合理供水，提高经济效益[1]。

新能源牧场供水主要是指风能、太阳能提水设备在牧场供水中的应用，目前新能源在牧场供水中的利用已得到示范推广，同时针对风能、太阳能提水系统的研究已有很多成果，但对牧场新能源供水经济效益的研究仍不显见。研究针对现状提水与风能、太阳能及风光互补提水机具的经济效益和方便程度进行分析研究，利用效益分析的方法，对新能源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，研究为新能源牧场供水提供依据，对改善牧场提水机具具有重要作用，对提高牧民生活水平，节约能源，保护草原生态环境具有重要意义。

1 试验区概况

试验于2012年5月1日-2015年3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。试验点为3个，太阳能提水位于锡林郭勒盟苏尼特右旗赛罕塔拉镇西13 km；风能提水位于乌兰察布市四子王旗查干补力格苏木王府四队距乌兰花镇北约24 km；风光互补提水位于乌兰察布市四子王旗红格尔苏木政府所在地东北38 km。

1.1 概 况

苏尼特右旗和四子王旗是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6.9 m/s，最大风速11 m/s，日照充足，年日照时为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。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

试验对风能、太阳能及风光互补提水现状试验点周围牧民的用水情况，抽水费用，器具使用年限等进行了调查。根据实际调查，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。试验区内牧户采用水源井-内燃机提水-汽车拉水-水窖储水的用水模式。

1.3 水源井现状

(1)太阳能提水试验点水源井现状。试验水源井为筒井。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。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 m3、4 m3、5 m3各1户，牧户水窖为4～10 m3。现状水源井是生活用水和牲畜饮水的取水水源。

(2)风能提水试验点水源井现状。试验水源井为深井。井台高0.5 m，圆形，内径0.2 m，外径0.25 m，钢筋混凝土井壁直上直下。井深40.5 m，静水位18 m，动水位25 m，出水量3 m3/h。井口有井盖防止污染水质。试验井供给牧户7户，最远距离12 km，最近距离1 km，均采用汽车携带水罐拉水，水罐为2 m33户、3 m3、4 m3各2户，牧户水窖为4～10 m3。现状水源井由于单位时间出水量较小，不能满足牧民拉水的需求，不被利用，牧户均到10 km处水源井拉水。

(3)分光互补提水试验点水源井现状。试验点的水源井为深井，井台高0.5 m，圆形，内径0.4 m，外径0.5 m。上层混凝土井壁，下层钢管井壁为直上直下形式。井深200 m，静水位100 m，动水位150 m，出水量5 m3/h。井口有井盖防止污染水质。

试验点覆盖牧户5户，最远距离4 km，最近距离1 km，均采用汽车携带水罐拉水，水罐为4 m33户、5 m32户，牧户水窖为8～10 m3。现状由于试验井为深井，提水较困难，不被利用，牧户均到20 km处水源井拉水。

2 试验方法

试验对现状内燃机具提水，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。

2.1 太阳能提水试验点

试验在太阳能提水试验点配备1.1 kW太阳能提水设备1套，同时配套逆变器和潜水泵各1台；安装水表，记录出水量、抽水次数及抽水时间。形成水源井-太阳能提水-汽车拉水-牧户水窖储水的模式。

2.2 风能提水试验点

试验在风能提水试验点配备2 kW风力机提水设备1套，同时配套逆变器和潜水泵各1台；建设20 m3高位蓄水池1座，利用地形给汽车装水，形成水源井-风能提水-高位水池蓄水-汽车拉水-牧户水窖储水的模式。试验安装水表，记录出水量、抽水次数及抽水时间。

2.3 风光互补提水试验点

试验在风光互补提水试验点建立3.3 kW太阳能提水设备1套及5 kW风力提水设备1套，建设12 m2井房和20 m3蓄水池各1座，配套逆变器、深井潜水泵和蓄水池潜水泵各1台，形成“一井一池；一源二泵”的供水模式，即水源井(深井)-太阳能(风能)提水-蓄水池储水-太阳能(风能)二次提水-汽车拉水-牧户水窖储水。试验安装水表，记录出水量、抽水次数及抽水时间。

3 水量分析

依据《内蒙古行业用水标准》人饮水定额45 L/d，夏季羊饮水定额8 L/d，冬季羊饮水定额6 L/m3。

3.1 需水量

太阳能提水试验点牧民15户50人，草场总面积1.50万hm2，夏季牲畜量0.72万羊单位，载畜量为2.07 hm2/羊单位，冬季牲畜量0.45万羊单位。人饮需水量为2.25 m3/d；夏季牲畜需水量为57.6 m3/d，总需水量为59.85 m3/d；冬季牲畜需水量为25.2 m3/d，总需水量为27.45 m3/d。

风能提水试验点牧民7户24人，草场总面积7 026.67 hm2，夏季牲畜量0.36万羊单位，载畜量为1.95 hm2/羊单位，冬季牲畜量0.19万羊单位。人饮需水量为0.96 m3/d；夏季牲畜需水量为28.8 m3/d，总需水量为29.76 m3/d；冬季牲畜需水量为11.4 m3/d，总需水量为12.36 m3/d。

风光互补提水试验点牧民5户16人，草场总面积4 620 hm2，夏季牲畜量0.28万羊单位，载畜量为1.65 hm2/羊单位，冬季牲畜量0.16万羊单位。人饮需水量为0.72 m3/d；夏季牲畜需水量为22.4 m3/d；总需水量为23.12 m3/d；冬季牲畜需水量为9.6 m3/d，总需水量为10.32 m3/d。各试验点牲畜需水量如表1所示。

表1 牲畜饮水量表

3.2 供水量

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，可供水量30 m3/d。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。风能提水的配套水泵，出水定额5 m3/h，日平均抽水时间10 h，可供出水量50 m3/d。 分光互补提水的配套水泵2台，深井出水定额3 m3/h，日平均抽水时间20 h，可供出水量60 m3/d；蓄水池出水定额30 m3/h，日平均抽水时间2 h，可供出水量60 m3/d，可供水量如表2所示。

表2 可供水量对比表

3.3 供需水量分析

太阳能提水最佳抽水时间为每日10-16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。太阳能提水试验点夏季总需水量59.85 m3/d，冬季需水量27.45 m3/d，可供水量90 m3/d，供水保证率为夏季66.5%，冬季30.5%，设备可满足试验点牧户用水需求。

风能提水受自然因素的影响较大，试验点风力观测显示，试验点3 m/s以上风速每日达12 h，风资源可以满足提水要求。风能提水试验点夏季总需水量29.76 m3/d，冬季需水量12.36 m3/d，可供水量50 m3/d，供水保证率为夏季59.52%，冬季24.72%，同时试验配备高位蓄水池，可满足试验点牧户用水需求。

风光互补提水白天利用太阳能提水，当太阳能在阴天或夜间时切换为风能提水，出水时间增加，提水效率大幅度提高。每日工作可达20 h。风光互补提水试验点夏季总需水量23.12 m3/d，冬季需水量10.12 m3/d，可供水量60 m3/d，供水保证率为夏季38.53%，冬季17.2%，设备可满足试验点牧户用水需求。

新能源提水方便程度较高，减少安装时间；但受到自然条件制约，针对新能源提水的保证率不足，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，内燃机提水作为新能源提水的备用设备。

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。

太阳能提水点15户牧民提水设备合计4.2万元；风能提水点7户牧民提水设备合计1.96万元；风光互补提水点5户牧民提水设备合计1.4万元。

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 0.77万元，支架2套0.72万元，太阳能提水控制器1台0.53万元，水泵1台0.15万元，电线200 m 0.12万元，混凝土地基2个0.13万元，防护网50 m 0.16万元，人工安装3 d 0.15万元。试验区安装风能提水总费用7.26万元(安装设备全部以到场价格计)，其中风力机组2 kW花费1.62万元，风力机组提水控制器1台1.43万元，水泵1台0.16万元，电线200 m 0.12万元，混凝土地基1个0.12万元，人工安装3 d 0.15万元，高位蓄水池20 m33.28万元，输水管线200 m 0.38万元。

风光互补提水试验点总费用17.36万元(安装设备全部以到场价格计)，其中太阳能板3.2 kW 2.31万元，支架6套 2.16万元，风力机组3.2 kW 2.44万元，风光互补提水控制器1台1.45万元，深井泵0.96万元，蓄水池泵0.12万元，电线800 m 0.48万元，混凝土地基0.51万元，防护网100 m 3.2万元，人工安装9d 0.45万元，蓄水池20 m33.28万元。

太阳能提水机组与内燃机组一次性投资基本相同，但内燃机组使用年限8年，太阳能提水机组使用寿命25年，是内燃机组的3.13倍，但在25年的使用过程中需要更换水泵2次，每次0.15万元，追加投资0.3万元。

风能提水机组是内燃机组一次性投资的3.7倍，而风能提水机组使用寿命15年，是内燃机组的1.88倍，但在15年的使用过程中需要更换水泵1次，追加投资0.16万元。

风光互补机组是内燃机组一次性投资的12.4倍，风光互补提水机组使用年限15年，再追加风力机投资2.44万元，使用年限可达25年，风力机组追加部分包括电线0.12万元，土建0.12万元，人工安装0.15万元；风光互补每8年需更换水泵，使用年限25年期内更换水泵2次，深井泵每次投资0.96万元，蓄水池泵每次0.12万元，合计2.16万元。风光互补机组后期追加投资总计4.99万元。

4.2 残 值

内燃机使用后部分零部件还可以使用，新能源设备存在可回收的铁等，综合考虑到牧区的实际情况残值按总投资的5%取值。

4.3 使用寿命

内燃机、太阳能、风能、风光互补使用寿命分别为8年、 25年、15年、25年。

4.4 年运行费用

4.4.1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0.5 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3.75元/m3。

夏季每户牧民用水量4 m3/d，花费油量2L/d，使用费用夏季折合约15元/d，试验期153 d每户牧民费用0.23万元。冬季每户用水量2 m3/d，花费油量1 L/d，使用费用夏季折合约7.5元/d，试验期212 d每户牧民费用0.16万元。内燃机每户牧民年度使用费用0.39万元。

风能试验点牧户缩短拉水距离平均10 km，往返拉水距离达20 km，按夏季每日拉水1次，冬季2日拉水1次计，年拉水距离 5 180 km，按汽车耗油20 L/100 km计，年耗油量1 036 L，每户拉水费用0.78万元，7户拉水年费用5.46万元。

分光互补试验点牧户缩短拉水距离平均20 km，往返拉水距离达40 km，按夏季每日拉水1次，冬季2日拉水1次计，年拉水距离10 360 km，按汽车耗油20 L/100 km计，年耗油量2 072 L，每户拉水费用1.55万元，5户拉水年费用7.75万元。

太阳能提水试验点15户牧民内燃机使用费用5.85万元，无拉水费用；风能提水试验点7户牧民使用费用8.19万元，其中：内燃机使用费用2.73万元，节约拉水费用5.46万元；风光互补提水试验点5户牧民使用费用9.7万元，其中：内燃机使用费用1.95万元，节约拉水费用7.75万元；新能源提水无使用费用。

4.4.2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每台内燃机检修费用0.01万元；内燃机组使用完后，牧户随水车携带走，无管理费用。

新能源设备置于野外，易受到牛马等牲畜损坏影响，虽有围栏防护但损坏常有发生。据国内经验，新能源提水每年维修1次，费用为0.5万元；管理费用为0.1万元。管理是新能源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。

4.5 经济效益分析

经济效益分析采用年费用最小法计算，施工在1年内完成，试用期内各年年运行费用相同，社会折现率采用《方法与参数》规定的统一标准6%，计算基准点选在运行期第一年年初，投资变为等年值进行比较。计算公式为：

(1)

式中：AC为等年值，万元；K为投资，万元；C为年运行费，万元；i为社会折现率，%；n为使用寿命，年；KL为残值，万元。

追加投资部分进行折现计算，计算公式为：

P=F(1+i)-n

(2)

式中：P为现值，万元；F为终值，万元；其他同上。

表3 等年值计算表

由表3可知，太阳能提水折现后投资4.32万元，是内燃机组投资4.2万元的1.03倍，基本相同。风能提水折现后投资较大为7.36万元，是内燃机组投资1.96万元的3.76倍。风光互补提水折现后投资最大为19.48万元，是内燃机组投资1.4万元的13.91倍。新能源投资较内燃机大，但长期比较新能源提水投资效益显著(未考虑经济增长带来的费用)。

不计算拉水效益情况下，太阳能提水年费用为0.92万元/a，仅为内燃机提水6.66万元的13.86%，节约费用5.73万元/a，为每户牧民节约0.38万元/a。在25年的使用期中，总节约143.32万元，为每户牧民节约9.55万元。风能提水年费用为1.33万元/a，为内燃机提水费用3.11万元的42.88%，节约费用1.77万元/a，为每户牧民节约0.25万元/a。在15年的使用期中，总节约26.61万元，为每户牧民节约3.8万元。风光互补能提水年费用为1.94万元/a，为内燃机提水费用2.22万元的87.46%，节约费用0.28万元/a，为每户牧民节约0.06万元/a。在25年的使用期中，总节约6.95万元，为每户牧民节约1.39万元。

计算拉水效益情况下，太阳能提水年费用保持不变。风能提水年费用为1.33万元/a，仅为内燃机提水的15.55%，节约费用7.23万元/a，为每户牧民节约1.03万元/a。在15年的使用期中，总节约108.51万元，为每户牧民节约15.5万元。风光互补能提水年费用为1.94万元/a，为内燃机提水的19.46%，节约费用8.03万元/a，为每户牧民节约1.61万元/a。在25年的使用期中，总节约200.7万元，为每户牧民节约40.14 万元。

在不计拉水效益的情况下，太阳能提水经济效益最高，其次是风能提水，而风光互补最低；风光互补提水的保证率最高，其次是太阳能提水，而风能提水受到风资源的制约保证率最低；风光互补提水投资最大，其次是风能，而太阳能提水最小。说明在不节约拉水距离的情况下，太阳能提水的优点较突出。

在考虑拉水效益情况下，风光互补提水经济效益最显著，其次是风能提水，太阳能提水最低；而风光互补缩短拉水距离最大，其次是风能提水，太阳能提水最小。说明拉水距离距离成为效益的主导因素。

4.6 环境效益

太阳能试验点年提水量15 540 m3；风能试验点年提水量7 252 m3；风光互补试验点年提水量5 180 m3，总提水量27 972 m3。每年提水节约燃油13 986 L，拉水节约3 108 L，总计节约燃油量17 094 L，相当于减少“二氧化碳”排放量39.32 t。

5 结 论

研究针对牧区供电困难，内燃机费用高的特点，提出利用太阳能、风能和风光互补的新能源解决牧区供水问题，并对新能源与现状内燃机使用的费用效益进行分析。研究显示，新能源提水机组是牧区实用性较强的供水机组，在使用期中太阳能提水年均节约5.73万元/a，是内燃机组总费用的86.14%；不计算拉水效益情况下，风能提水年均节约1.77万元/a，是内燃机组费用的57.12%；风光互补提水年均节约0.28万元/a，内燃机组和拉水总费用的12.54%；计算拉水效益情况下，风能提水年均节约7.23万元/a，是内燃机组和 拉水总费用的84.45%；风光互补提水年均节约8.03万元/a，内燃机组和拉水总费用的80.54%。

新能源提水设备的使用降低了牧民体力劳动，减少了用水费用，提高了用水方便程度，节约了燃料的使用，每年可节约燃油17 904 L，相当于减少“二氧化碳”排放量39.32 t，新能源设备的使用具有较好的环境和社会效益。

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