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(guó)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(guó)每年由風(fēng)沙危害造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)540億元人民幣[1]。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)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(lèi)：第一類(lèi)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(lèi)是沙障固沙，雖然沙障的種類(lèi)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(lèi)是防御性措施，即劃定封育區(qū)進(jìn)行保護(hù)。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(lái)防沙治沙的技術(shù)手段沒(méi)有新的突破，已不能適應(yīng)沙漠化日趨嚴(yán)重的趨勢(shì)[2-3]。

甘肅河西走廊是我國(guó)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(kù)姆塔格沙漠包圍，境內(nèi)沙漠和零星沙地面積達(dá)754 km2，戈壁面積8.55萬(wàn)km2[4]。河西走廊太陽(yáng)能資源豐富，被譽(yù)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(gè)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(jī)容量達(dá)到了422.4萬(wàn)kW，僅次于青海的580.4萬(wàn)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(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有關(guān)于光伏電場(chǎng)生態(tài)效應(yīng)的研究報(bào)道，更沒(méi)有關(guān)于沙漠、戈壁光伏電場(chǎng)與防沙治沙關(guān)系的研究報(bào)道。與光伏電場(chǎng)的生態(tài)功能相近的只有關(guān)于光伏電場(chǎng)有利于減少火電場(chǎng)數(shù)量，亦即減少火電場(chǎng)CO2和粉塵排放的研究[18]，再就是關(guān)于保護(hù)光伏電場(chǎng)的防風(fēng)防沙設(shè)計(jì)的研究[19]。

沙障是防風(fēng)固沙的措施之一，光伏電場(chǎng)的光伏板也具有沙障的作用。那么，沙漠、戈壁光伏電場(chǎng)具有怎樣的防風(fēng)固沙功能呢？對(duì)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(mén)關(guān)，南北介于南、北兩山之間的狹長(zhǎng)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(gè)縣(市、區(qū))，地理位置在92°45′～104°15′E、36°35′～42°45′N(xiāo)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(chǎng)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(gè)光伏電場(chǎng)進(jìn)行植被調(diào)查和風(fēng)蝕、積沙狀況調(diào)查，其中包括3個(gè)沙漠光伏電場(chǎng)(河西走廊共3個(gè))、3個(gè)沙漠—戈壁過(guò)渡帶光伏電場(chǎng)(河西走廊共3個(gè))和6個(gè)戈壁光伏電場(chǎng)。用樣方法調(diào)查光伏板行間、光伏板下和電場(chǎng)外圍優(yōu)勢(shì)植物種、植被高度、植被蓋度，測(cè)定光伏板的實(shí)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?yàn)镹W，因此光伏板側(cè)影均以NW向計(jì)算。光伏板垂直投影面積比例和側(cè)影面積比例計(jì)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(guó)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(gè)縣(區(qū)、市)中有16個(gè)縣(區(qū)、市)建有光伏電場(chǎng)，共擁有107家光伏企業(yè)，光伏電場(chǎng)占地面積達(dá)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(jī)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(chǎng)占地面積

這107家光伏電場(chǎng)(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(guò)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(chǎng)，位于涼州區(qū)西邊的金太陽(yáng)公司有5.3hm2轉(zhuǎn)盤(pán)式光伏電場(chǎng)(已損壞)，其他均為固定式(表1)。

表1 光伏電場(chǎng)光伏覆蓋度計(jì)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(chǎng)總面積的0.55%，故而仍按180°的方位角計(jì)算。光伏電場(chǎng)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(chǎng)面積有12 760.9hm2，占河西走廊沙漠、戈壁光伏電場(chǎng)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(duì)河西走廊12個(gè)光伏電場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果表明，沙漠、 戈壁和沙漠—戈壁過(guò)渡帶的植被有明顯差異(圖3)。由圖3可見(jiàn)，戈壁光伏電場(chǎng)(1—6號(hào))光伏板下的植被蓋度相對(duì)較高，沙漠—戈壁過(guò)渡帶光伏電場(chǎng)(7—9號(hào))內(nèi)外的植被蓋度都很低，而沙漠光伏電場(chǎng)(10—12號(hào))的行間和場(chǎng)外植被蓋度相對(duì)較高。不同地表光伏電場(chǎng)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(guò)渡帶光伏板行間植物高度最低，3種地表類(lèi)型光伏板行間植物高度差異顯著(P<0.01)；②沙漠光伏電場(chǎng)外植被蓋度最高，沙漠—戈壁過(guò)渡帶場(chǎng)外植被蓋度最低，3種地表光伏電場(chǎng)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(guò)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(guò)渡帶光伏板下植被蓋度(P<0.01)(表2)。同類(lèi)地表光伏電場(chǎng)內(nèi)外的分析結(jié)果表明：戈壁光伏電場(chǎng)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(guò)渡帶光伏電場(chǎng)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(chǎng)內(nèi)外植物高度和植被蓋度

河西走廊降水量的分布特點(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)內(nèi)無(wú)風(fēng)蝕，也無(wú)積沙(圖5)；沙漠—戈壁過(guò)渡帶的光伏電場(chǎng)(金塔)上風(fēng)向邊緣有少量的積沙，電場(chǎng)內(nèi)基本無(wú)風(fēng)蝕和積沙；沙漠光伏電場(chǎng)(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(chǎng)內(nèi)的風(fēng)蝕主要發(fā)生在光伏板前沿下方(圖6中a點(diǎn))。兩排光伏板之間(a點(diǎn)到d點(diǎn))為積沙區(qū)，其中光伏板前沿前方(b點(diǎn))積沙最厚。10個(gè)橫斷面的觀測(cè)結(jié)果表明，光伏板前沿下方(a點(diǎn))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(diǎn))積沙厚度平均為29.2 cm，后沿下方(d點(diǎn))平均積沙厚度2.3 cm，光伏板行間(c點(diǎn))平均積沙厚度15.8 cm(圖8)。

表2 三種地表上光伏電場(chǎng)植被差異顯著性比較

圖5 戈壁固定式光伏電場(chǎng)風(fēng)蝕積沙示意

圖6 沙漠固定式光伏電場(chǎng)風(fēng)蝕積沙示意

光跟蹤式光伏板3個(gè)支點(diǎn)(圖7中a點(diǎn)、b1點(diǎn)及b2點(diǎn))均有風(fēng)蝕。當(dāng)?shù)刂黠L(fēng)向?yàn)閃NW，但因光伏板均為南向安置，WNW方向的風(fēng)進(jìn)入光伏電場(chǎng)后轉(zhuǎn)向以N為主，氣流從上、下通過(guò)光伏板，因而圖7中后桿兩側(cè)(b1點(diǎn)和b2點(diǎn))風(fēng)蝕最為嚴(yán)重，8個(gè)光跟蹤旋轉(zhuǎn)式光伏板16處觀測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)蝕深度17.1 cm，其次是前桿下方(a點(diǎn))。兩后桿中部(c點(diǎn))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(chǎng)風(fēng)蝕積沙示意

圖8 沙漠固定式光伏電場(chǎng)風(fēng)蝕深度與積沙厚度

圖9 沙漠光跟蹤式光伏電場(chǎng)風(fēng)蝕深度

3 討 論

(1)沙漠、戈壁光伏電場(chǎng)的主要功能是轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能。據(jù)測(cè)定計(jì)算，1 m2的光伏電池板所轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)能相當(dāng)于民勤沙區(qū)260.75 m2天然荒漠植被的太陽(yáng)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(wàn)km2的荒漠植被轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)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(wàn)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(chǎng)的另一個(gè)作用。本研究的測(cè)定結(jié)果表明，沙漠、戈壁光伏電場(chǎng)對(duì)降低風(fēng)速都有一定的作用，但戈壁光伏電場(chǎng)阻擋截留風(fēng)沙流的作用不明顯，沙漠光伏電場(chǎng)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(guò)境流沙的功能光伏板都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)季節(jié)灑水清洗光伏板按平均5次計(jì)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(chǎng)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(chǎng)外，光伏電場(chǎng)內(nèi)的植被蓋度一般都大于光伏電場(chǎng)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(dòng)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(chē)碾壓而受損，但行間植被蓋度仍大于光伏板下和電場(chǎng)外圍。利用光伏板集雨并充分利用光伏板的清洗水，對(duì)于促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增加植被蓋度和保護(hù)光伏電場(chǎng)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(zhǎng)旺盛，達(dá)到一定高度就會(huì)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(chǎng)已在沙漠、戈壁占地面積達(dá)1.3萬(wàn)多km2，人工割草、除草的成本相當(dāng)高。鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集雨效果好的光伏板集雨裝置并獲得了專(zhuān)利，當(dāng)降雨或?yàn)⑺逑垂夥鍟r(shí)，光伏板上的水可流入集水槽中，再通過(guò)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(zhǎng)過(guò)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(hù)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(yáng)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(dòng)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(jìn)植物生長(zhǎng)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(jìn)植物生長(zhǎng)。

河西走廊沙漠、戈壁上光伏電場(chǎng)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(jì)效益，還具有防沙固沙的生態(tài)功能，且不占用耕地。我國(guó)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。