沙漠戈壁光伏电场固沙效应初步研究——以甘肃河西走廊为例

常兆丰，王 祺，刘世增，王芳琳，刘淑娟，王 飞，孙 涛，詹科杰

(甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 733070)

我国沙漠、戈壁面积广大，尤其是西北地区，沙尘暴频繁，风沙流活跃，防沙治沙的任务相当艰巨。全国每年由风沙危害造成的经济损失达540亿元人民币[1]。我国从20世纪50年代开始防沙治沙，取得了世人瞩目的成就。截至目前，防沙治沙的措施有三类：第一类是生物治沙即造林治沙，然而由于沙漠地区干旱，往往是造林多成林少，因此生物治沙的效果并不很显著；第二类是沙障固沙，虽然沙障的种类繁多，但沙障只能就地固沙，且障间积沙很容易饱和，治标不治本；第三类是防御性措施，即划定封育区进行保护。这些治沙措施都是20世纪50、60年代的成果，近数十年来防沙治沙的技术手段没有新的突破，已不能适应沙漠化日趋严重的趋势[2-3]。

甘肃河西走廊是我国沙尘暴多发区和主要风沙危害区，其东、北、西三面依次被腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和库姆塔格沙漠包围，境内沙漠和零星沙地面积达754 km2，戈壁面积8.55万km2[4]。河西走廊太阳能资源丰富，被誉为“陆地三峡”，截至2016年底，河西地区的武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5市已在沙漠、戈壁中建立了19个光伏产业园区，拥有光伏企业107家，光伏发电装机容量达到了422.4万kW，仅次于青海的580.4万kW[5]。

截至目前，虽然有关沙尘暴和沙漠化防治[6-12]，以及光能资源及其利用潜力的研究[4,13-17]很多，但国内外尚没有关于光伏电场生态效应的研究报道，更没有关于沙漠、戈壁光伏电场与防沙治沙关系的研究报道。与光伏电场的生态功能相近的只有关于光伏电场有利于减少火电场数量，亦即减少火电场CO2和粉尘排放的研究[18]，再就是关于保护光伏电场的防风防沙设计的研究[19]。

沙障是防风固沙的措施之一，光伏电场的光伏板也具有沙障的作用。那么，沙漠、戈壁光伏电场具有怎样的防风固沙功能呢？对此，本研究做一探索性分析，以资讨论。

1 研究区和研究方法

1.1 研究区

甘肃河西走廊是指甘肃境内黄河以西，东起乌鞘岭，西至古玉门关，南北介于南、北两山之间的狭长平地。该地带自东向西分属于武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5市的20个县(市、区)，地理位置在92°45′～104°15′E、36°35′～42°45′N之间。该区南侧为祁连山脉，其他三面被沙漠包围，戈壁主要分布在河西走廊西端[20]。从气候上分，河西走廊大部分区域属干旱区，最西端的敦煌、瓜州属于极端干旱区。

1.2 研究方法

首先调查至2016年底河西走廊光伏园区数量、光伏电场占地面积、发电量及光伏企业数量等。在此基础上，自东向西选定12个光伏电场进行植被调查和风蚀、积沙状况调查，其中包括3个沙漠光伏电场(河西走廊共3个)、3个沙漠—戈壁过渡带光伏电场(河西走廊共3个)和6个戈壁光伏电场。用样方法调查光伏板行间、光伏板下和电场外围优势植物种、植被高度、植被盖度，测定光伏板的实际高度、行间距，以及光伏板下不同部位和光伏板行间风蚀深度、积沙厚度等。

河西走廊主风向为NW，因此光伏板侧影均以NW向计算。光伏板垂直投影面积比例和侧影面积比例计算公式为

垂直投影面积比例(%)=

主风向侧影面积比例(%)=

气象数据从“中国气象科学数据共享服务网”下载，数据分析采用SPSS22完成，等值线图用Surfer12完成。

2 结果与分析

2.1 光伏板的沙障作用

截至2016年底，河西走廊20个县(区、市)中有16个县(区、市)建有光伏电场，共拥有107家光伏企业，光伏电场占地面积达13 137hm2，2016年发电量

35.261亿kW·h(图1、图2)。

图1 2016年底河西走廊光伏装机容量和发电量

图2 2016年底河西走廊光伏企业数量和光伏电场占地面积

这107家光伏电场(企业)，位于沙漠中的只有3家(古浪县境内)，位于沙漠—戈壁过渡带的有3家(金塔县境内)，其余的均位于戈壁中。其中，位于古浪县北部腾格里沙漠南缘的振发公司有72.8hm2光跟踪式光伏电场，位于凉州区西边的金太阳公司有5.3hm2转盘式光伏电场(已损坏)，其他均为固定式(表1)。

表1 光伏电场光伏覆盖度计算结果

光伏板安放的倾角(即俯角)均为37°。固定式的面向正南方向安置，即方位角约为180°；光跟踪式的菱形布设，即行距和间距相等，因所占面积很小，仅为光伏电场总面积的0.55%，故而仍按180°的方位角计算。光伏电场中一般都有纵向(NS向)道路，每一排光伏板间都留有行距(EW向)。表1中的道路面积比例不包括光伏板行间空地。

光伏板加权平均垂直投影面积比例为33.09%，光伏板加权平均主风向侧影面积比例为78.84%。其中，位于戈壁中的光伏电场面积有12 760.9hm2，占河西走廊沙漠、戈壁光伏电场总面积的97.14%，其垂直投影面积比例为32.38%，主风向侧影面积比例为77.17%(表1)。

2.2 植被差异

对河西走廊12个光伏电场的调查结果表明，沙漠、 戈壁和沙漠—戈壁过渡带的植被有明显差异(图3)。由图3可见，戈壁光伏电场(1—6号)光伏板下的植被盖度相对较高，沙漠—戈壁过渡带光伏电场(7—9号)内外的植被盖度都很低，而沙漠光伏电场(10—12号)的行间和场外植被盖度相对较高。不同地表光伏电场分析结果表明：①沙漠光伏板行间植物高度最高，而沙漠—戈壁过渡带光伏板行间植物高度最低，3种地表类型光伏板行间植物高度差异显著(P<0.01)；②沙漠光伏电场外植被盖度最高，沙漠—戈壁过渡带场外植被盖度最低，3种地表光伏电场外的植被盖度差异显著(P<0.01)；③戈壁和沙漠光伏板行间植物盖度显著大于沙漠—戈壁过渡带光伏板间植被盖度(P<0.01)，戈壁光伏板下植被盖度显著大于沙漠—戈壁过渡带光伏板下植被盖度(P<0.01)(表2)。同类地表光伏电场内外的分析结果表明：戈壁光伏电场外围植物高度显著小于光伏板下植物高度(P<0.05)；沙漠—戈壁过渡带光伏电场外围植被盖度显著小于光伏板下植被盖度(P<0.01)，亦显著小于光伏板行间和光伏板下平均植被盖度(P<0.05)。

图3 光伏电场内外植物高度和植被盖度

河西走廊降水量的分布特点是，自东向西、自南向北递减(图4)。分析结果表明，光伏板行间植物高度、植被盖度及光伏电场外的植被盖度与年降水量成极显著正相关(P<0.01)，光伏电场外植物高度与年降水量成显著正相关(P<0.05)。

图4 河西走廊年降水量等值线(单位：mm)

2.3 风蚀与积沙

戈壁光伏电场内无风蚀，也无积沙(图5)；沙漠—戈壁过渡带的光伏电场(金塔)上风向边缘有少量的积沙，电场内基本无风蚀和积沙；沙漠光伏电场(古浪)内，不论是固定式光伏板(图6)下还是光跟踪式光伏板(图7)下均有风蚀，亦有积沙。

固定式光伏电场内的风蚀主要发生在光伏板前沿下方(图6中a点)。两排光伏板之间(a点到d点)为积沙区，其中光伏板前沿前方(b点)积沙最厚。10个横断面的观测结果表明，光伏板前沿下方(a点)的平均风蚀深度(竖杆高50 cm)为26.2 cm，风蚀槽宽80～120 cm。前沿前方(b点)积沙厚度平均为29.2 cm，后沿下方(d点)平均积沙厚度2.3 cm，光伏板行间(c点)平均积沙厚度15.8 cm(图8)。

表2 三种地表上光伏电场植被差异显著性比较

图5 戈壁固定式光伏电场风蚀积沙示意

图6 沙漠固定式光伏电场风蚀积沙示意

光跟踪式光伏板3个支点(图7中a点、b1点及b2点)均有风蚀。当地主风向为WNW，但因光伏板均为南向安置，WNW方向的风进入光伏电场后转向以N为主，气流从上、下通过光伏板，因而图7中后杆两侧(b1点和b2点)风蚀最为严重，8个光跟踪旋转式光伏板16处观测点平均风蚀深度17.1 cm，其次是前杆下方(a点)。两后杆中部(c点)与原地面基本持平或略有风蚀(图9)。

图7 沙漠光跟踪式光伏电场风蚀积沙示意

图8 沙漠固定式光伏电场风蚀深度与积沙厚度

图9 沙漠光跟踪式光伏电场风蚀深度

3 讨 论

(1)沙漠、戈壁光伏电场的主要功能是转化太阳能。据测定计算，1 m2的光伏电池板所转换的太阳能相当于民勤沙区260.75 m2天然荒漠植被的太阳能利用量[4,21]。2016年河西走廊光伏发电量为35.261亿kW·h，相当于37.439万km2的荒漠植被转换的太阳辐射量，该面积大于河西走廊防风固沙林带总面积(30.746万hm2)[22]。作为沙漠、戈壁表面的覆被物和风沙的障碍物，是光伏电场的另一个作用。本研究的测定结果表明，沙漠、戈壁光伏电场对降低风速都有一定的作用，但戈壁光伏电场阻挡截留风沙流的作用不明显，沙漠光伏电场内平均积沙高度大于平均风蚀深度，阻沙固沙作用显著。

(2)光伏板的高度一般在2.8 m以上(表1)，而在河西走廊沙区，除人工梭梭(Haloxylonammodendron)林和毛条(Caraganakorshinskii)外，大多数荒漠植被的高度为30～50 cm，因此光伏板防御风的高度为植被的5～9倍，相同面积上的侧影亦明显大于植物的侧影[23]。河西走廊沙区大面积采用的沙障为柴草沙障、塑料网沙障，其高度一般为30 cm，光伏板的高度是柴草沙障、塑料网沙障和黏土沙障[24-25]高度的9倍以上，因此不论是就地固沙还是阻截过境流沙的功能光伏板都远远大于沙障。

(3)河西走廊干旱少雨，多年平均降水量42.2～200.0 mm(图4)，而沙尘暴集中分布在每年3—5月份，正值当地干旱少雨的季节[23]。假定这个季节洒水清洗光伏板按平均5次计算，相当于在3 m宽的带上(光伏板斜坡前沿下方、中缝下方和后沿下方)增加降水约10 mm。不同光伏电场的植被差异可能是所处区域的气候决定的，然而，除张掖南戈壁滩上的佳讯光伏电场外，光伏电场内的植被盖度一般都大于光伏电场外围植被盖度，尤其光伏板前沿滴水下和光伏板中缝下，都有一条50～120 cm宽的明显植被带，尽管沙漠地区光伏板下为流动沙面且有一定量的风蚀，但中缝下的植被带明显存在。在两排光伏板的行间，植被由于遭清洗水车碾压而受损，但行间植被盖度仍大于光伏板下和电场外围。利用光伏板集雨并充分利用光伏板的清洗水，对于促进植物生长、增加植被盖度和保护光伏电场是很有意义的。

(4)由于光伏板的集雨作用，光伏板前沿下方植物生长旺盛，达到一定高度就会遮挡光伏板，经常需要人工割草、除草。甘肃河西走廊光伏电场已在沙漠、戈壁占地面积达1.3万多km2，人工割草、除草的成本相当高。鉴于此，我们设计了一种结构简单、集雨效果好的光伏板集雨装置并获得了专利，当降雨或洒水清洗光伏板时，光伏板上的水可流入集水槽中，再通过输水管输送到蓄水池中，从而避免雨水或清洗水滑落至光伏板前沿下方使植物生长过高而遮挡光伏板，影响光伏板正常发电。收集在蓄水池中的水，还可再次利用，或用于光伏板的清洗，或用于空旷地种植防护植物、蔬菜等，可产生良好效益。

4 结 论

沙漠、戈壁光伏产业不仅具有转化太阳能的功能，还具有防风固沙，消减沙尘暴和风沙流发生发展动力的作用，其防风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渗促进植物生长的作用。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渗能有效促进植物生长。

河西走廊沙漠、戈壁上光伏电场占地面积为13 137 hm2，初步折算，其阻固流沙功能相当于5倍以上面积的固沙林和5～9倍面积的沙障。发展沙漠、戈壁光伏产业，不仅具有显著的经济效益，还具有防沙固沙的生态功能，且不占用耕地。我国沙漠、戈壁面积广大，发展沙漠、戈壁光伏产业前景广阔，沙漠、戈壁光伏产业可望成为继造林治沙、沙障压沙之后的另一条防沙治沙新途径。