Блог

Aug 09, 2023

Условия водоносного горизонта, а не облучение определяют потенциал фотоэлектрической энергии для перекачки подземных вод по всей Африке.

Communications Earth & Environment, том 4, номер статьи: 52 (2023 г.) Цитировать эту статью 1808 Доступ 21 Подробности Altmetric Metrics Откачка подземных вод с использованием фотоэлектрической энергии может потенциально

Коммуникации Земля и окружающая среда, том 4, Номер статьи: 52 (2023 г.) Цитировать эту статью

1808 Доступов

21 Альтметрика

Подробности о метриках

Откачка подземных вод с использованием фотоэлектрической энергии может преобразовать услуги водоснабжения в плохо обслуживаемых районах. Здесь мы разрабатываем численную модель, которая использует общедоступные данные для моделирования возможностей абстракции фотоэлектрических систем перекачки воды по всей Африке. Первым вкладом этой статьи является детальное проектирование крупномасштабной модели, включающей реалистичные геологические ограничения на глубину закачки и субчасовые временные ряды облучения. Второе – предоставление результатов для всего континента. Мы смоделировали результаты для систем трех размеров (100, 1000, 3000 Вт), и было обнаружено, что ежедневные перекачиваемые объемы варьируются от 0,1 до 180 м3, в зависимости от размера и местоположения. Мы показываем, что на большей части территории Африки откачка подземных вод с использованием фотоэлектрической энергии ограничивается условиями водоносного горизонта, а не уровнем радиации. Наши результаты могут помочь определить регионы, где фотоэлектрическая накачка имеет самый высокий потенциал, и помочь направить крупномасштабные инвестиции.

В Африке >300 миллионов человек используют неулучшенные источники воды для бытовых нужд, в основном в сельских районах, не подключенных к сети1. Ирригация также ограничена, и звучат призывы увеличить ирригацию для повышения продовольственной безопасности, учитывая растущую изменчивость климата2,3. Основными источниками воды являются подземные и поверхностные воды. Несмотря на то, что поверхностные воды зачастую менее глубоки и их дешевле добывать, подземные воды представляют собой самый крупный и наиболее широко распространенный запас пресной воды в Африке4 и, в отличие от поверхностных вод, часто не требуют очистки5. Грунтовые воды также подходят для орошения, поскольку они медленнее реагируют на метеорологические условия и, таким образом, обеспечивают естественный буфер против изменчивости климата6,7. В настоящее время большая часть откачки грунтовых вод в сельских районах Африки осуществляется с помощью общинных ручных насосов8,9, которые легко ремонтируются и устойчивы к засухе10,11. Однако показатели текущей функциональности могут быть низкими из-за проблем с установкой и обслуживанием12. Цели устойчивого развития призывают к более высокому уровню обслуживания, обеспечивающему надежную доступность безопасной воды для отдельных домохозяйств13. Поэтому существует серьезная проблема, связанная с выходом уровня обслуживания за пределы общинных ручных насосов.

Насосные системы, работающие на фотоэлектрической энергии, являются многообещающим решением для улучшения доступа к воде во многих автономных районах без значительного увеличения выбросов парниковых газов. Они уже экономически конкурентоспособны во многих контекстах14, технологические достижения увеличили их долговечность15, а местные тематические исследования (например,16,17,18) показали многообещающие результаты. Однако эти результаты могут быть недоступны в других местах из-за проблем управления4,19 и пространственной изменчивости подземных вод и солнечных ресурсов.

В некоторых исследованиях изучался потенциал фотоэлектрических водонасосных систем (PVWPS) на непрерывных географических территориях. Эти исследования проводились в Эфиопии20, Гане21, Египте22,23, Алжире24, Испании и Марокко25, Китае26,27, а также в местах с неглубокими грунтовыми водами (статическая глубина воды <50 м) в странах Африки к югу от Сахары28. Однако в статьях20,21,22,23,24,26 не используется техническая модель PVWPS, что не позволяет учитывать относительную важность подземных вод и солнечных ресурсов. Другие исследования25,27,28 рассматривают техническую модель PVWPS. Тем не менее, они используют среднемесячные значения освещенности вместо часовых/субчасовых временных рядов, что влияет на работу и характеристики PVWPS18,29. Кроме того, они не учитывают насыщенную толщину водоносного горизонта, что ограничивает максимально возможную депрессию и, следовательно, скорость перекачиваемого потока. Наконец, существующие исследования не дают результатов для всего африканского континента, что ограничивает сравнение между разными странами и регионами.

Здесь мы предлагаем модель, которая использует общедоступные данные о подземных водах и освещенности для моделирования возможностей водозабора PVWPS по всей Африке. Первым вкладом этой работы является детальное проектирование крупномасштабной модели PVWPS, включающей реалистичные геологические ограничения на глубину закачки, в частности, через насыщенную толщину водоносного горизонта, а также субчасовые временные ряды облучения. Учитывая, что для каждого пикселя временные ряды освещенности с точностью до часа вместо среднемесячных значений освещенности имеют несколько преимуществ. Во-первых, скорость перекачиваемого потока нелинейно меняется в зависимости от освещенности, поэтому результаты, полученные на основе ежечасных данных об облучении, отличаются от результатов использования средних значений. Во-вторых, во многих случаях при высоких значениях освещенности (например, в середине дня) откачка прекращается из-за высоких потерь, достигающих мотор-насоса, что приводит к уменьшению общего перекачиваемого объема. Этого не наблюдалось бы, если бы использовались среднемесячные значения освещенности. Здесь важную роль играет и другая специфика модели, заключающаяся во включении реалистичного геологического ограничения на глубину закачки. Наконец, учет временных рядов освещенности с точностью до часа позволяет моделировать критические дни года (особенно дни с очень низкой освещенностью), в течение которых перекачиваемый объем может быть очень низким, что может повлиять на плавное потребление воды. Вторым вкладом этой работы является предоставление результатов для всего континента, включая Северную Африку и места, где грунтовые воды находятся на глубине более 50 м, где PVWPS имеют особое значение, поскольку доступ к грунтовым водам с помощью ручных насосов очень затруднен4. Результаты представлены для трех размеров PVWPS, в течение всего года, а также для экстремальных периодов года (например, последовательных дней с низким уровнем освещенности) и по сравнению с пополнением подземных вод. Предоставление результатов для всего континента позволяет сравнивать регионы между собой и определять регионы, где PVWPS имеют самый высокий потенциал и, таким образом, помогают направлять инвестиции. Наши результаты, в частности, показывают, что для 27% локаций крупнейшая рассматриваемая система не дает максимального объема из-за слишком значительных просадок, которые достигают мотор-насоса, вынуждая систему останавливаться. Они также показывают, что основным фактором, определяющим пространственные изменения перекачиваемого объема, являются условия водоносного горизонта, а не освещенность.