沙漠戈壁光伏電場固沙效應(yīng)初步研究
——以甘肅河西走廊為例

常兆豐，王 祺，劉世增，王芳琳，劉淑娟，王 飛，孫 濤，詹科杰

(甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 733070)

我國沙漠、戈壁面積廣大，尤其是西北地區(qū)，沙塵暴頻繁，風(fēng)沙流活躍，防沙治沙的任務(wù)相當(dāng)艱巨。全國每年由風(fēng)沙危害造成的經(jīng)濟損失達540億元人民幣[1]。我國從20世紀(jì)50年代開始防沙治沙，取得了世人矚目的成就。截至目前，防沙治沙的措施有三類：第一類是生物治沙即造林治沙，然而由于沙漠地區(qū)干旱，往往是造林多成林少，因此生物治沙的效果并不很顯著；第二類是沙障固沙，雖然沙障的種類繁多，但沙障只能就地固沙，且障間積沙很容易飽和，治標(biāo)不治本；第三類是防御性措施，即劃定封育區(qū)進行保護。這些治沙措施都是20世紀(jì)50、60年代的成果，近數(shù)十年來防沙治沙的技術(shù)手段沒有新的突破，已不能適應(yīng)沙漠化日趨嚴(yán)重的趨勢[2-3]。

甘肅河西走廊是我國沙塵暴多發(fā)區(qū)和主要風(fēng)沙危害區(qū)，其東、北、西三面依次被騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和庫姆塔格沙漠包圍，境內(nèi)沙漠和零星沙地面積達754 km2，戈壁面積8.55萬km2[4]。河西走廊太陽能資源豐富，被譽為“陸地三峽”，截至2016年底，河西地區(qū)的武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)5市已在沙漠、戈壁中建立了19個光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)，擁有光伏企業(yè)107家，光伏發(fā)電裝機容量達到了422.4萬kW，僅次于青海的580.4萬kW[5]。

截至目前，雖然有關(guān)沙塵暴和沙漠化防治[6-12]，以及光能資源及其利用潛力的研究[4,13-17]很多，但國內(nèi)外尚沒有關(guān)于光伏電場生態(tài)效應(yīng)的研究報道，更沒有關(guān)于沙漠、戈壁光伏電場與防沙治沙關(guān)系的研究報道。與光伏電場的生態(tài)功能相近的只有關(guān)于光伏電場有利于減少火電場數(shù)量，亦即減少火電場CO2和粉塵排放的研究[18]，再就是關(guān)于保護光伏電場的防風(fēng)防沙設(shè)計的研究[19]。

沙障是防風(fēng)固沙的措施之一，光伏電場的光伏板也具有沙障的作用。那么，沙漠、戈壁光伏電場具有怎樣的防風(fēng)固沙功能呢？對此，本研究做一探索性分析，以資討論。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)

甘肅河西走廊是指甘肅境內(nèi)黃河以西，東起烏鞘嶺，西至古玉門關(guān)，南北介于南、北兩山之間的狹長平地。該地帶自東向西分屬于武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)5市的20個縣(市、區(qū))，地理位置在92°45′～104°15′E、36°35′～42°45′N之間。該區(qū)南側(cè)為祁連山脈，其他三面被沙漠包圍，戈壁主要分布在河西走廊西端[20]。從氣候上分，河西走廊大部分區(qū)域?qū)俑珊祬^(qū)，最西端的敦煌、瓜州屬于極端干旱區(qū)。

1.2 研究方法

首先調(diào)查至2016年底河西走廊光伏園區(qū)數(shù)量、光伏電場占地面積、發(fā)電量及光伏企業(yè)數(shù)量等。在此基礎(chǔ)上，自東向西選定12個光伏電場進行植被調(diào)查和風(fēng)蝕、積沙狀況調(diào)查，其中包括3個沙漠光伏電場(河西走廊共3個)、3個沙漠—戈壁過渡帶光伏電場(河西走廊共3個)和6個戈壁光伏電場。用樣方法調(diào)查光伏板行間、光伏板下和電場外圍優(yōu)勢植物種、植被高度、植被蓋度，測定光伏板的實際高度、行間距，以及光伏板下不同部位和光伏板行間風(fēng)蝕深度、積沙厚度等。

河西走廊主風(fēng)向為NW，因此光伏板側(cè)影均以NW向計算。光伏板垂直投影面積比例和側(cè)影面積比例計算公式為

垂直投影面積比例(%)=

主風(fēng)向側(cè)影面積比例(%)=

氣象數(shù)據(jù)從“中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”下載，數(shù)據(jù)分析采用SPSS22完成，等值線圖用Surfer12完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 光伏板的沙障作用

截至2016年底，河西走廊20個縣(區(qū)、市)中有16個縣(區(qū)、市)建有光伏電場，共擁有107家光伏企業(yè)，光伏電場占地面積達13 137hm2，2016年發(fā)電量

35.261億kW·h(圖1、圖2)。

圖1 2016年底河西走廊光伏裝機容量和發(fā)電量

圖2 2016年底河西走廊光伏企業(yè)數(shù)量和光伏電場占地面積

這107家光伏電場(企業(yè))，位于沙漠中的只有3家(古浪縣境內(nèi))，位于沙漠—戈壁過渡帶的有3家(金塔縣境內(nèi))，其余的均位于戈壁中。其中，位于古浪縣北部騰格里沙漠南緣的振發(fā)公司有72.8hm2光跟蹤式光伏電場，位于涼州區(qū)西邊的金太陽公司有5.3hm2轉(zhuǎn)盤式光伏電場(已損壞)，其他均為固定式(表1)。

表1 光伏電場光伏覆蓋度計算結(jié)果

光伏板安放的傾角(即俯角)均為37°。固定式的面向正南方向安置，即方位角約為180°；光跟蹤式的菱形布設(shè)，即行距和間距相等，因所占面積很小，僅為光伏電場總面積的0.55%，故而仍按180°的方位角計算。光伏電場中一般都有縱向(NS向)道路，每一排光伏板間都留有行距(EW向)。表1中的道路面積比例不包括光伏板行間空地。

光伏板加權(quán)平均垂直投影面積比例為33.09%，光伏板加權(quán)平均主風(fēng)向側(cè)影面積比例為78.84%。其中，位于戈壁中的光伏電場面積有12 760.9hm2，占河西走廊沙漠、戈壁光伏電場總面積的97.14%，其垂直投影面積比例為32.38%，主風(fēng)向側(cè)影面積比例為77.17%(表1)。

2.2 植被差異

對河西走廊12個光伏電場的調(diào)查結(jié)果表明，沙漠、 戈壁和沙漠—戈壁過渡帶的植被有明顯差異(圖3)。由圖3可見，戈壁光伏電場(1—6號)光伏板下的植被蓋度相對較高，沙漠—戈壁過渡帶光伏電場(7—9號)內(nèi)外的植被蓋度都很低，而沙漠光伏電場(10—12號)的行間和場外植被蓋度相對較高。不同地表光伏電場分析結(jié)果表明：①沙漠光伏板行間植物高度最高，而沙漠—戈壁過渡帶光伏板行間植物高度最低，3種地表類型光伏板行間植物高度差異顯著(P<0.01)；②沙漠光伏電場外植被蓋度最高，沙漠—戈壁過渡帶場外植被蓋度最低，3種地表光伏電場外的植被蓋度差異顯著(P<0.01)；③戈壁和沙漠光伏板行間植物蓋度顯著大于沙漠—戈壁過渡帶光伏板間植被蓋度(P<0.01)，戈壁光伏板下植被蓋度顯著大于沙漠—戈壁過渡帶光伏板下植被蓋度(P<0.01)(表2)。同類地表光伏電場內(nèi)外的分析結(jié)果表明：戈壁光伏電場外圍植物高度顯著小于光伏板下植物高度(P<0.05)；沙漠—戈壁過渡帶光伏電場外圍植被蓋度顯著小于光伏板下植被蓋度(P<0.01)，亦顯著小于光伏板行間和光伏板下平均植被蓋度(P<0.05)。

圖3 光伏電場內(nèi)外植物高度和植被蓋度

河西走廊降水量的分布特點是，自東向西、自南向北遞減(圖4)。分析結(jié)果表明，光伏板行間植物高度、植被蓋度及光伏電場外的植被蓋度與年降水量成極顯著正相關(guān)(P<0.01)，光伏電場外植物高度與年降水量成顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖4 河西走廊年降水量等值線(單位：mm)

2.3 風(fēng)蝕與積沙

戈壁光伏電場內(nèi)無風(fēng)蝕，也無積沙(圖5)；沙漠—戈壁過渡帶的光伏電場(金塔)上風(fēng)向邊緣有少量的積沙，電場內(nèi)基本無風(fēng)蝕和積沙；沙漠光伏電場(古浪)內(nèi)，不論是固定式光伏板(圖6)下還是光跟蹤式光伏板(圖7)下均有風(fēng)蝕，亦有積沙。

固定式光伏電場內(nèi)的風(fēng)蝕主要發(fā)生在光伏板前沿下方(圖6中a點)。兩排光伏板之間(a點到d點)為積沙區(qū)，其中光伏板前沿前方(b點)積沙最厚。10個橫斷面的觀測結(jié)果表明，光伏板前沿下方(a點)的平均風(fēng)蝕深度(豎桿高50 cm)為26.2 cm，風(fēng)蝕槽寬80～120 cm。前沿前方(b點)積沙厚度平均為29.2 cm，后沿下方(d點)平均積沙厚度2.3 cm，光伏板行間(c點)平均積沙厚度15.8 cm(圖8)。

表2 三種地表上光伏電場植被差異顯著性比較

圖5 戈壁固定式光伏電場風(fēng)蝕積沙示意

圖6 沙漠固定式光伏電場風(fēng)蝕積沙示意

光跟蹤式光伏板3個支點(圖7中a點、b1點及b2點)均有風(fēng)蝕。當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向為WNW，但因光伏板均為南向安置，WNW方向的風(fēng)進入光伏電場后轉(zhuǎn)向以N為主，氣流從上、下通過光伏板，因而圖7中后桿兩側(cè)(b1點和b2點)風(fēng)蝕最為嚴(yán)重，8個光跟蹤旋轉(zhuǎn)式光伏板16處觀測點平均風(fēng)蝕深度17.1 cm，其次是前桿下方(a點)。兩后桿中部(c點)與原地面基本持平或略有風(fēng)蝕(圖9)。

圖7 沙漠光跟蹤式光伏電場風(fēng)蝕積沙示意

圖8 沙漠固定式光伏電場風(fēng)蝕深度與積沙厚度

圖9 沙漠光跟蹤式光伏電場風(fēng)蝕深度

3 討 論

(1)沙漠、戈壁光伏電場的主要功能是轉(zhuǎn)化太陽能。據(jù)測定計算，1 m2的光伏電池板所轉(zhuǎn)換的太陽能相當(dāng)于民勤沙區(qū)260.75 m2天然荒漠植被的太陽能利用量[4,21]。2016年河西走廊光伏發(fā)電量為35.261億kW·h，相當(dāng)于37.439萬km2的荒漠植被轉(zhuǎn)換的太陽輻射量，該面積大于河西走廊防風(fēng)固沙林帶總面積(30.746萬hm2)[22]。作為沙漠、戈壁表面的覆被物和風(fēng)沙的障礙物，是光伏電場的另一個作用。本研究的測定結(jié)果表明，沙漠、戈壁光伏電場對降低風(fēng)速都有一定的作用，但戈壁光伏電場阻擋截留風(fēng)沙流的作用不明顯，沙漠光伏電場內(nèi)平均積沙高度大于平均風(fēng)蝕深度，阻沙固沙作用顯著。

(2)光伏板的高度一般在2.8 m以上(表1)，而在河西走廊沙區(qū)，除人工梭梭(Haloxylonammodendron)林和毛條(Caraganakorshinskii)外，大多數(shù)荒漠植被的高度為30～50 cm，因此光伏板防御風(fēng)的高度為植被的5～9倍，相同面積上的側(cè)影亦明顯大于植物的側(cè)影[23]。河西走廊沙區(qū)大面積采用的沙障為柴草沙障、塑料網(wǎng)沙障，其高度一般為30 cm，光伏板的高度是柴草沙障、塑料網(wǎng)沙障和黏土沙障[24-25]高度的9倍以上，因此不論是就地固沙還是阻截過境流沙的功能光伏板都遠遠大于沙障。

(3)河西走廊干旱少雨，多年平均降水量42.2～200.0 mm(圖4)，而沙塵暴集中分布在每年3—5月份，正值當(dāng)?shù)馗珊瞪儆甑募竟?jié)[23]。假定這個季節(jié)灑水清洗光伏板按平均5次計算，相當(dāng)于在3 m寬的帶上(光伏板斜坡前沿下方、中縫下方和后沿下方)增加降水約10 mm。不同光伏電場的植被差異可能是所處區(qū)域的氣候決定的，然而，除張掖南戈壁灘上的佳訊光伏電場外，光伏電場內(nèi)的植被蓋度一般都大于光伏電場外圍植被蓋度，尤其光伏板前沿滴水下和光伏板中縫下，都有一條50～120 cm寬的明顯植被帶，盡管沙漠地區(qū)光伏板下為流動沙面且有一定量的風(fēng)蝕，但中縫下的植被帶明顯存在。在兩排光伏板的行間，植被由于遭清洗水車碾壓而受損，但行間植被蓋度仍大于光伏板下和電場外圍。利用光伏板集雨并充分利用光伏板的清洗水，對于促進植物生長、增加植被蓋度和保護光伏電場是很有意義的。

(4)由于光伏板的集雨作用，光伏板前沿下方植物生長旺盛，達到一定高度就會遮擋光伏板，經(jīng)常需要人工割草、除草。甘肅河西走廊光伏電場已在沙漠、戈壁占地面積達1.3萬多km2，人工割草、除草的成本相當(dāng)高。鑒于此，我們設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、集雨效果好的光伏板集雨裝置并獲得了專利，當(dāng)降雨或灑水清洗光伏板時，光伏板上的水可流入集水槽中，再通過輸水管輸送到蓄水池中，從而避免雨水或清洗水滑落至光伏板前沿下方使植物生長過高而遮擋光伏板，影響光伏板正常發(fā)電。收集在蓄水池中的水，還可再次利用，或用于光伏板的清洗，或用于空曠地種植防護植物、蔬菜等，可產(chǎn)生良好效益。

4 結(jié) 論

沙漠、戈壁光伏產(chǎn)業(yè)不僅具有轉(zhuǎn)化太陽能的功能，還具有防風(fēng)固沙，消減沙塵暴和風(fēng)沙流發(fā)生發(fā)展動力的作用，其防風(fēng)固沙作用包括光伏板自身的沙障作用和光伏板集的雨水及清洗水集中下滲促進植物生長的作用。沙漠、戈壁降水稀少，光伏板集的雨水加之清洗光伏板用的水下滲能有效促進植物生長。

河西走廊沙漠、戈壁上光伏電場占地面積為13 137 hm2，初步折算，其阻固流沙功能相當(dāng)于5倍以上面積的固沙林和5～9倍面積的沙障。發(fā)展沙漠、戈壁光伏產(chǎn)業(yè)，不僅具有顯著的經(jīng)濟效益，還具有防沙固沙的生態(tài)功能，且不占用耕地。我國沙漠、戈壁面積廣大，發(fā)展沙漠、戈壁光伏產(chǎn)業(yè)前景廣闊，沙漠、戈壁光伏產(chǎn)業(yè)可望成為繼造林治沙、沙障壓沙之后的另一條防沙治沙新途徑。