王喜君

(甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730020)

甘肅省河西走廊地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，近年來(lái)光伏發(fā)電等新能源項(xiàng)目發(fā)展迅速。目前，武威市涼州區(qū)和民勤縣，金昌市，酒泉市肅州區(qū)和金塔縣，嘉峪關(guān)市，敦煌市等地已陸續(xù)建成百萬(wàn)千瓦級(jí)光電基地。截至 2016年底，甘肅省在河西走廊地區(qū)已建成光伏產(chǎn)業(yè)園區(qū)19個(gè)，入駐光伏企業(yè)107家，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到422.4萬(wàn)kW，僅次于青海省[1-2]，位居全國(guó)第二。

甘肅省河西走廊地區(qū)光伏項(xiàng)目大多數(shù)建設(shè)在地勢(shì)平坦、開闊的戈壁荒灘上，加劇了生態(tài)本就脆弱區(qū)域的水土流失。加劇水土流失的原因主要為建設(shè)中對(duì)地表的擾動(dòng)破壞，表現(xiàn)為挖填、堆棄和碾壓三種形式。光伏電站項(xiàng)目區(qū)一般包括光伏發(fā)電區(qū)、站區(qū)道路區(qū)、控制管理中心區(qū)、圍欄邊界區(qū)、施工生產(chǎn)生活區(qū)、進(jìn)場(chǎng)道路區(qū)、站外供水管線區(qū)和送出線路區(qū)等，建設(shè)規(guī)模越大，占地面積越多，對(duì)原地貌的擾動(dòng)破壞范圍就越廣，造成的水土流失危害就越嚴(yán)重[3-9]。

1 研究區(qū)概況

河西走廊是中國(guó)內(nèi)地通往新疆的要道，東起烏鞘嶺，西至古玉門關(guān)，南北介于南山(祁連山和阿爾金山)和北山(馬鬃山、合黎山和龍首山)之間，長(zhǎng)約900 km，寬數(shù)公里至近百公里，為西北—東南走向的狹長(zhǎng)平地。在行政區(qū)劃上從東向西依次為武威市、金昌市、張掖市、酒泉市和嘉峪關(guān)市，地理坐標(biāo)介于92°45′～104°15′E、36°35′～42°45′N之間，地形大部分為祁連山北麓沖積-洪積扇構(gòu)成的山前傾斜平原。在全國(guó)土壤侵蝕類型區(qū)中屬 “三北” 戈壁沙漠及沙地風(fēng)沙區(qū)，屬大陸性干旱氣候區(qū)，干燥、冷熱變化劇烈，風(fēng)大沙多，降雨稀少，水土流失類型以風(fēng)力侵蝕為主，兼有水力侵蝕[10-11]。

2 光伏電站擾動(dòng)地表面積及開挖量

2.1 光伏電站單位產(chǎn)能擾動(dòng)地表面積及開挖量分析

目前，在該地區(qū)建設(shè)的光伏電站基本上可分為單軸跟蹤式光伏電站、固定式光伏電站和混合式光伏電站三類，單軸跟蹤式光伏電站和混合式光伏電站均為試驗(yàn)性光伏電站，由于其投資大，收益率低，因此建設(shè)數(shù)量很少。

本次研究調(diào)查共選取了甘肅河西走廊戈壁荒漠區(qū)已建成的30座光伏電站，其中單軸跟蹤式光伏電站2座，固定式光伏電站28座，對(duì)其建設(shè)過(guò)程中擾動(dòng)地表面積及土石方開挖情況進(jìn)行了對(duì)比分析，詳見表1。

從表1可以看出，該地區(qū)光伏電站擾動(dòng)地表面積隨著建設(shè)規(guī)模的增加而增大，裝機(jī)規(guī)模100 MW的固定式光伏電站施工擾動(dòng)面積在229.74～288.03 hm2之間，平均值為248.39 hm2；裝機(jī)規(guī)模為50 MW的固定式光伏電站施工擾動(dòng)面積在113.21～155.62 hm2之間，平均值為133.63 hm2；裝機(jī)規(guī)模為40 MW的固定式光伏電站施工擾動(dòng)面積為92.38 hm2；裝機(jī)規(guī)模為30 MW的固定式光伏電站施工擾動(dòng)面積在60.63～72.57 hm2之間，平均值為67.79 hm2；裝機(jī)規(guī)模為20 MW的固定式光伏電站施工擾動(dòng)面積為56.76 hm2。裝機(jī)規(guī)模為100 MW的單軸跟蹤式光伏電站施工擾動(dòng)面積為420.00 hm2；裝機(jī)規(guī)模為50 MW的單軸跟蹤式光伏電站施工擾動(dòng)面積為229.74 hm2。

光伏電站建設(shè)占地一般可歸為可控占地和不可控占地兩部分，本次研究中將可以用發(fā)電量占地指標(biāo)(MW/hm2)來(lái)控制的占地定義為可控占地，包括光伏發(fā)電區(qū)占地、站區(qū)道路占地、控制管理中心占地、圍欄邊界占地和施工生產(chǎn)生活占地五部分；將不可以用發(fā)電量占地指標(biāo)(MW/hm2)來(lái)控制的占地定義為不可控占地，包括進(jìn)場(chǎng)道路占地、站外供水管線占地和送出線路占地三部分。光伏電站不同區(qū)域占地面積見表2。

表1 光伏電站單位產(chǎn)能擾動(dòng)地表面積

由表2可以看出，單軸跟蹤式光伏電站平均占地為4.38 hm2/MW，各防治分區(qū)擾動(dòng)地表面積占比從大到小依次為光伏發(fā)電區(qū)及站區(qū)道路區(qū)(97.85%)>圍欄邊界區(qū)(1.56%)>控制管理中心區(qū)(0.35%)>施工生產(chǎn)生活區(qū)(0.24%)；固定式光伏電站平均占地為2.49 hm2/MW，各防治分區(qū)擾動(dòng)地表面積占比從大到小依次為光伏發(fā)電區(qū)及站區(qū)道路區(qū)(95.42%)>圍欄邊界區(qū)(3.34%)>施工生產(chǎn)生活區(qū)(0.62%)>控制管理中心區(qū)(0.61%)。因此，光伏板及站區(qū)道路區(qū)是光伏電站工程施工擾動(dòng)最大的區(qū)域。

2.2 光伏電站占地與《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)》分析評(píng)價(jià)

光伏發(fā)電站工程占地主要受地形條件、光伏組件轉(zhuǎn)化效率、光伏陣列傾角、緯度等條件決定。根據(jù)國(guó)土資源部2015年12月2日發(fā)布的《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)》的通知，光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地總體指標(biāo)按三類地形區(qū)分別控制。Ⅰ類地形區(qū)是指地形無(wú)明顯起伏，地面自然坡度≤3°的平原地區(qū)；Ⅱ類地形區(qū)是指地形起伏不大，地面自然坡度>3°但≤20°，相對(duì)高差在200 m以內(nèi)的微丘地區(qū)；Ⅲ類地形區(qū)是指地形起伏較大，地面自然坡度>20°，相對(duì)高差在200 m以上的重丘或山嶺地區(qū)。

表2 光伏電站不同區(qū)域占地面積分析

注：因清潔道路包括在光伏發(fā)電區(qū)之內(nèi)，統(tǒng)計(jì)的道路區(qū)是人為分出的，因此，本研究中將光伏發(fā)電區(qū)、站區(qū)道路區(qū)合并為光伏板及站區(qū)道路區(qū)。

甘肅武威光伏園區(qū)緯度約為N38.2°，金昌光伏園區(qū)的緯度約為N38.6°，張掖民勤光伏園區(qū)的緯度約為N39°，嘉峪關(guān)光伏園區(qū)的緯度約為N39.7°，玉門光伏園區(qū)的緯度約為N39.8°，敦煌光伏園區(qū)的緯度約為N40.1°。如研究區(qū)平均緯度按N39.2°計(jì)算，則固定式光伏電站光伏方陣場(chǎng)區(qū)占地控制指標(biāo)為23.23 hm2(10 MW)，按表2甘肅戈壁荒漠區(qū)光伏電場(chǎng)光伏發(fā)電區(qū)及站區(qū)道路區(qū)占地面積為23.78 hm2(10 MW)，光伏發(fā)電區(qū)及站區(qū)道路區(qū)占地為光伏方陣場(chǎng)區(qū)占地與主干道占地之和，而10 MW光伏電站主干道占地約為0.5 hm2，因此甘肅戈壁荒漠區(qū)2016年之前已建光伏電站的實(shí)際占地面積基本與控制指標(biāo)一致。

3 不同時(shí)段水土流失特征值變化

甘肅河西走廊深居內(nèi)陸腹地、降水稀少、氣候干燥、風(fēng)大沙多、植被稀疏，地表多被砂礫覆蓋，為典型的風(fēng)力侵蝕區(qū)，水土流失以風(fēng)力侵蝕為主，兼有水力侵蝕。光伏電站建設(shè)過(guò)程中的土石方開挖、回填，施工機(jī)械碾壓、人員活動(dòng)不可避免地會(huì)破壞地表結(jié)皮和植被，造成下墊面裸露，從而影響到光伏電站建設(shè)區(qū)域水土流失類型、水土流失面積、水土流失強(qiáng)度等水土流失特征值的變化。

3.1 水土流失類型變化

在光伏電站建設(shè)過(guò)程中，回填了場(chǎng)內(nèi)的沖溝、在電場(chǎng)四周修筑了巡場(chǎng)道路、在場(chǎng)內(nèi)修筑了主干道和檢修道路，道路將場(chǎng)地格狀化，切斷了地表徑流的匯集通道，促進(jìn)地表徑流的就地?cái)r蓄與入滲，與原地貌相比水力侵蝕強(qiáng)度顯著降低。因此，光伏電站的建設(shè)使建設(shè)區(qū)域的水土流失類型更為單一。

3.2 水土流失分布變化

甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)常見的光伏電站一般由站前區(qū)、光伏電池板方陣區(qū)和進(jìn)站道路幾部分組成。站前區(qū)主要建筑物有辦公樓、主控室、變壓器、SVG等，光伏電池板方陣區(qū)主要有多晶硅光伏組件、逆變器、場(chǎng)內(nèi)道路等，占地面積大，光伏電站占地在建設(shè)前均存在水土流失。光伏電站建成后，站前區(qū)占地被建筑物占用或混凝土硬化，光伏電池板方陣區(qū)占地部分被建筑物(逆變器室、光伏支架基礎(chǔ))占用或混凝土硬化(主干道)，從而使水土流失分布面積減少。

光伏電站建設(shè)可使占地范圍內(nèi)水土流失分布面積發(fā)生變化，同時(shí)由于太陽(yáng)能板的特殊排列方式，當(dāng)吹向太陽(yáng)板的風(fēng)經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能板時(shí)，形成進(jìn)風(fēng)口寬、出風(fēng)口窄的情況，從而使太陽(yáng)能板附近風(fēng)速流場(chǎng)的空間分布發(fā)生了變化，顯著增加了太陽(yáng)能板近地面出風(fēng)口處(太陽(yáng)能板與地面距離較小處)的風(fēng)速，形成了掏蝕區(qū)，進(jìn)而降低了太陽(yáng)能板遠(yuǎn)地面(太陽(yáng)能板與地面距離較大處)進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速，形成了堆積區(qū)。與原地貌相比，水土流失的分布面積、部位均發(fā)生了變化。

3.3 水土流失強(qiáng)度變化

光伏電站不同建設(shè)時(shí)期因擾動(dòng)地表程度不同，水土流失的強(qiáng)度差異很大。施工準(zhǔn)備期進(jìn)場(chǎng)道路、施工營(yíng)地建設(shè)不涉及大的土石方開挖、場(chǎng)地平整，僅僅清除原有地表植被，擾動(dòng)地表強(qiáng)度較輕；施工期因道路修筑、基礎(chǔ)開挖和回填等，導(dǎo)致地面覆被物被清除，大面積土體裸露，導(dǎo)致水土流失加??；運(yùn)行期土建工程已結(jié)束，除少數(shù)擾動(dòng)區(qū)域被建(構(gòu))筑物覆蓋或硬化外，其余施工擾動(dòng)面逐步自然恢復(fù)，水土流失程度趨輕。部分光伏電站不同時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)監(jiān)測(cè)值見表3。

表3 光伏電站不同建設(shè)時(shí)段土壤侵蝕模數(shù)

注：①工程竣工后的侵蝕模數(shù)為按水土保持方案實(shí)施防護(hù)措施后的數(shù)值；②數(shù)據(jù)來(lái)源于水土保持監(jiān)測(cè)報(bào)告；③用施工期對(duì)照的原地貌侵蝕模數(shù)作為施工前土壤侵蝕模數(shù)值。

由表3知，甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)光伏電站建設(shè)區(qū)域原地貌侵蝕模數(shù)為2 730 t/(km2·a)，土壤侵蝕強(qiáng)度為中度，施工中由于對(duì)地表的擾動(dòng)破壞，電站占地范圍平均土壤侵蝕強(qiáng)度達(dá)到了極強(qiáng)烈，土壤侵蝕模數(shù)是原地貌的3.73倍；由于防護(hù)措施的實(shí)施及地表結(jié)皮的形成等，使得工程竣工后電站占地范圍平均土壤侵蝕強(qiáng)度下降為輕度，土壤侵蝕模數(shù)是原地貌的54%。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)單軸跟蹤式光伏電站的平均占地為4.38 hm2/MW，各防治分區(qū)擾動(dòng)地表面積占比從大到小依次為光伏發(fā)電區(qū)及站區(qū)道路區(qū)(97.85%)>圍欄邊界區(qū)(1.56%)>控制管理中心區(qū)(0.35%)>施工生產(chǎn)生活區(qū)(0.24%)；固定式光伏電站平均占地為2.49 hm2/MW，各防治分區(qū)擾動(dòng)地表面積從大到小依次為光伏發(fā)電區(qū)及站區(qū)道路區(qū)(95.42%)>圍欄邊界區(qū)(3.34%)>施工生產(chǎn)生活區(qū)(0.62%)>控制管理中心區(qū)(0.61%)。

(2)甘肅戈壁荒漠區(qū)2016年之前已建光伏電站各區(qū)實(shí)際占地面積之間的比值基本與國(guó)土資源部2016年1月1日起實(shí)施的《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)》一致。

(3)在光伏電站建設(shè)過(guò)程中，原地貌水土流失特征值發(fā)生了變化。甘肅河西走廊荒漠戈壁區(qū)光伏電站建設(shè)區(qū)域原地貌土壤侵蝕強(qiáng)度為中度，施工中由于對(duì)地表的擾動(dòng)，使得電站占地范圍平均土壤侵蝕強(qiáng)度達(dá)到了極強(qiáng)烈等級(jí)，土壤侵蝕模數(shù)是原地貌的3.73倍；由于防護(hù)措施的實(shí)施及地表結(jié)皮的形成等，工程竣工后電站占地范圍平均土壤侵蝕強(qiáng)度下降為輕度，土壤侵蝕模數(shù)是原地貌的54%。