段 瑩，廖留峰，楊 娟，詹沛剛

(1.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

0 引 言

地球與大氣系統(tǒng)最重要的能量來(lái)源于太陽(yáng)輻射，占人類從地面所能采集到的能源中的99.98%，太陽(yáng)能可轉(zhuǎn)換的電能相當(dāng)于目前世界平均消費(fèi)電能的幾十萬(wàn)倍[1]。與傳統(tǒng)的化石能源相比，太陽(yáng)能具有資源豐富、環(huán)境污染小、可再生等優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等一系列的熱門(mén)話題躍然紙上，太陽(yáng)能光伏發(fā)電正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電方式[2]，其具有建設(shè)周期短、適應(yīng)范圍廣、運(yùn)營(yíng)維護(hù)量小和清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的光伏發(fā)電行業(yè)起步較晚，但隨著我國(guó)政府的重視，出臺(tái)了一系列的激勵(lì)政策不斷拉動(dòng)內(nèi)需，光伏發(fā)電近些年在我國(guó)發(fā)展迅速，在一定程度上改善了我國(guó)傳統(tǒng)能源消耗的現(xiàn)狀，與之相關(guān)的科學(xué)研究及實(shí)際應(yīng)用也呈現(xiàn)規(guī)范化、規(guī)?；仙龖B(tài)勢(shì)[4]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電在未來(lái)社會(huì)發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)中將發(fā)揮重要作用。大規(guī)模開(kāi)發(fā)和應(yīng)用太陽(yáng)能光伏項(xiàng)目對(duì)逐步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約常規(guī)能源、改善生態(tài)環(huán)境、解決能源短缺問(wèn)題具有重大意義，開(kāi)展太陽(yáng)能資源評(píng)估研究已成為一項(xiàng)緊迫而重要的任務(wù)。

對(duì)太陽(yáng)能資源利用潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，是進(jìn)行太陽(yáng)能規(guī)劃的前提[5]。就貴州省太陽(yáng)能資源分布情況來(lái)看，貴州省全年太陽(yáng)能資源總量主要處于資源豐富和資源一般2個(gè)等級(jí)，在全國(guó)屬于低值區(qū)，省西南部和南部邊緣地區(qū)資源相對(duì)豐富。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，性價(jià)比越發(fā)提高，加之政策的影響，鼓勵(lì)發(fā)展分布式光伏發(fā)電，貴州省光伏發(fā)電行業(yè)裝機(jī)容量迅猛增長(zhǎng)，但與發(fā)達(dá)地區(qū)相比，貴州省太陽(yáng)能資源利用仍較為落后，發(fā)展?jié)摿薮骩6-7]。在這樣的背景下，根據(jù)光伏項(xiàng)目建設(shè)需求，結(jié)合地表狀況，提取一個(gè)區(qū)域內(nèi)光伏建設(shè)適宜區(qū)，并對(duì)光伏裝機(jī)容量進(jìn)行估算，能夠?yàn)樵搮^(qū)域進(jìn)行太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

貴州地處典型的喀斯特地形地貌地區(qū)，絕大部分地區(qū)為山地，地形復(fù)雜，且石漠化區(qū)域分布較廣。進(jìn)行光伏評(píng)估時(shí)，在選取滿足光伏項(xiàng)目建設(shè)基本條件的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)將種植條件差的石漠化區(qū)域考慮在內(nèi)，盡量不占用或少占用林地和耕地，更大地提高光伏建設(shè)的合理性和有效性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 資料

利用鎮(zhèn)寧縣、關(guān)嶺縣、紫云縣近30 a(1990—2019年)氣象站點(diǎn)資料、30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)、2019年16 m分辨率GF1號(hào)衛(wèi)星資料。

1.2 方法

本文中石漠化區(qū)域是利用GF-1影像數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)的巖石裸露率、植被狀況等劃分出石漠化等級(jí)，確定研究區(qū)石漠化分布狀況[8-9]。

1.2.1 巖石裸露率 巖石裸露作為石漠化地區(qū)最顯著的特征，在石漠化信息的提取中有著至關(guān)重要的作用，研究采用遙感影像解譯來(lái)獲取研究區(qū)巖石裸露率。對(duì)于GF系列數(shù)據(jù)，由于缺失短波紅外波段，因此采用涂杰楠等[9]的方法，即由于石漠化程度和植被覆蓋度直接相關(guān)，且“巖石(土體)裸露程度=1-植被覆蓋度”，因此通過(guò)植被覆蓋度的變化程度對(duì)巖石裸露率進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 植被覆蓋度 植被覆蓋度是水土流失的抑制因素之一，覆蓋度的高低決定著石漠化程度的強(qiáng)弱。植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個(gè)綜合量化指標(biāo)，反映了植被覆蓋情況，有植被覆蓋的土地會(huì)減少水土流失。

計(jì)算植被覆蓋度，首先要計(jì)算歸一化植被指數(shù)NDVI，NDVI越大植被覆蓋度越高，歸一化植被指數(shù)是近紅外波段與可見(jiàn)光紅光波段的亮度值之差與之和的比值，即：

NDVI= (NIR-R)/(NIR+R)

(1)

(2)

式中，F(xiàn)C為植被覆蓋度，NDVImin為對(duì)應(yīng)5%的覆蓋度NDVI的值，NDVImax為對(duì)應(yīng)95%的覆蓋度NDVI的值。置信區(qū)間的選取主要依賴于NDVI實(shí)際的變化區(qū)間，可通過(guò)實(shí)地測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)法獲取，較為通用的方法是選擇5%～95%的區(qū)間為置信區(qū)間，可將大部分純植被象元和純非植被象元以及異常值過(guò)濾，最終得到區(qū)域內(nèi)FC分布圖。

1.2.3 石漠化等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 目前為止，石漠化強(qiáng)度等級(jí)劃分還沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。不同的學(xué)者其研究的角度、方法不同，石漠化分類方法亦不同。本研究評(píng)價(jià)方法參照《中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局工作標(biāo)準(zhǔn)DD2004—02區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查總則》[10]進(jìn)行，根據(jù)石漠化指數(shù)和基巖裸露率劃分出石漠化等級(jí)(表1)。

表1 石漠化等級(jí)分區(qū)表Tab.1 Division of rocky desertification grade

1.2.4 適宜容量估算 利用ArcGIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到光伏電站建設(shè)各項(xiàng)條件(如坡度、坡向分布等)，并進(jìn)行圖層疊加和面積計(jì)算，提取滿足建設(shè)基本條件和石漠化程度的適宜建設(shè)區(qū)域總面積。

2 結(jié)果分析

2.1 日照時(shí)數(shù)

根據(jù)光伏項(xiàng)目建設(shè)要求，年日照時(shí)數(shù)必須大于等于950 h。利用最近30 a(1990—2019年)氣象站點(diǎn)資料，運(yùn)用克里金法進(jìn)行插值，計(jì)算出鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣區(qū)域年日照時(shí)數(shù)分布情況。由圖可見(jiàn)，3縣區(qū)域內(nèi)日照時(shí)數(shù)均大于1 100 h，整體表現(xiàn)為由東向西增大形勢(shì)，其中關(guān)嶺中東部超過(guò)1 300 h，均達(dá)到光伏項(xiàng)目建設(shè)要求。

圖1 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣年日照時(shí)數(shù)分布Fig.1 Distribution of annual sunshine hours in Zhenning,Ziyun and Guanling

2.2 坡度及坡向

光伏項(xiàng)目建設(shè)要求，坡度需不大于35°，坡向以南坡為最佳，可向西南坡、東南坡擴(kuò)展，適宜坡向?yàn)?35°～225°之間。利用ArcGIS對(duì)安順市鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取坡度及坡向地形因子，并根據(jù)光伏項(xiàng)目建設(shè)要求，提取滿足坡度小于35°及坡向介于135°～225°之間的區(qū)域。

圖2為坡度劃分，3個(gè)縣絕大部分區(qū)域坡度在35°以下，其中鎮(zhèn)寧北部、關(guān)嶺中北部等地坡度較小，關(guān)嶺東南部、紫云西北及東南部坡度則相對(duì)較大。表2為不同坡度對(duì)應(yīng)面積，3個(gè)縣內(nèi)坡度符合光伏項(xiàng)目建設(shè)要求的總面積達(dá)4 770 km2，占總面積的87.8%。不同坡度范圍的面積上看，整體以20～35°坡度面積最大，達(dá)1 985.8 km2，10～20°次之。除關(guān)嶺10～20°面積最大外，鎮(zhèn)寧、紫云縣均以20～35°面積為最大。

表2 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣各坡度面積(單位：km2)Tab.2 Slope areas in Zhenning, Ziyun and Guanling(unit∶km2)

圖2 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣坡度劃分Fig.2 Slope division of Zhenning , Ziyun and Guanling

圖3為適宜光伏項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的坡向分布情況，表3為適宜坡向面積。經(jīng)計(jì)算坡向適宜區(qū)域(135°～225°)面積為1 875.8 km2，占鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣區(qū)域面積的28.2%，其中南坡(157.5°～202.5°)為最適宜區(qū)域，面積為921.7 km2，占適宜區(qū)域面積的49.2%。

圖3 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣光伏項(xiàng)目適宜坡向分布Fig.3 Photovoltaic projects suitable for slope distribution in Zhenning, Ziyun and Guanling

表3 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣適宜坡向面積(單位：km2)Tab.3 Suitable slope areas in Zhenning , Ziyun and Guanling (unit∶km2)

2.3 石漠化情況

貴州地處典型的喀斯特地形地貌地區(qū)，絕大部分地區(qū)為山地，地形復(fù)雜，且山地環(huán)境復(fù)雜，光伏項(xiàng)目建設(shè)若選擇植被狀況好的林地或農(nóng)田進(jìn)行開(kāi)發(fā)，勢(shì)必對(duì)周?chē)鷳B(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定影響。因此充分利用耕作條件不佳、植被生長(zhǎng)較難的喀斯特區(qū)域，尤其是石漠化區(qū)域作為光伏項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域，不僅能夠盡可能避免或減小項(xiàng)目對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，甚至能夠?yàn)閰^(qū)域增加經(jīng)濟(jì)收入，起到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)并行的良好效果。

利用鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣地質(zhì)分布圖，將區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖區(qū)(喀斯特區(qū))和非碳酸鹽巖區(qū)(非喀斯特區(qū))進(jìn)行區(qū)分，利用2019年16 m分辨率GF1號(hào)衛(wèi)星資料，對(duì)歸一化植被指數(shù)(NDVI)和歸一化巖石指數(shù)(NDRI)進(jìn)行波段運(yùn)算提取，分別計(jì)算植被覆蓋度和巖石裸露率，在石漠化外業(yè)遙感調(diào)查基礎(chǔ)上，建立石漠化斑塊遙感信息提取的解譯標(biāo)志和精度評(píng)價(jià)樣地。在此基礎(chǔ)上，利用喀斯特區(qū)植被覆蓋度、巖石裸露率和土地覆蓋分布數(shù)據(jù)，運(yùn)用決策樹(shù)分類方法提取石漠化斑塊信息，按石漠化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最終得到區(qū)域內(nèi)巖溶石漠化分級(jí)分布遙感解譯結(jié)果。

結(jié)果顯示(圖4)，除鎮(zhèn)寧中部局部及南部、紫云中東部及西南部為非喀斯特區(qū)外，其余大部均為喀斯特區(qū)，喀斯特區(qū)域內(nèi)存在不同程度石漠化，其中關(guān)嶺西部、鎮(zhèn)寧北部等地石漠化程度較重?？λ固貐^(qū)域內(nèi)均可作為光伏項(xiàng)目建設(shè)適宜區(qū)，其中輕度以上石漠化區(qū)域?yàn)楦m宜的區(qū)域。

圖4 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣喀斯特石漠化分級(jí)情況Fig.4 Grade of Rocky Desertification in Zhenning, Ziyun and Guanling

2.4 光伏項(xiàng)目適宜開(kāi)發(fā)區(qū)域面積提取及容量估算

綜合考慮日照時(shí)數(shù)、坡度坡向地形因子及喀斯特石漠化區(qū)域，利用GIS進(jìn)行疊加計(jì)算，提取出鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣適宜進(jìn)行光伏項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的區(qū)域。如圖5所示，其中藍(lán)色為滿足日照及地形要求的喀斯特?zé)o明顯石漠化區(qū)域，為光伏項(xiàng)目建設(shè)適宜區(qū)；綠色為滿足日照及地形要求的輕度及以上石漠化區(qū)域，為更適宜項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域。

圖5 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣光伏項(xiàng)目適宜開(kāi)發(fā)區(qū)Fig.5 Photovoltaic project suitable for development zones in Zhenning , Ziyun and Guanling

表4 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣光伏項(xiàng)目適宜開(kāi)發(fā)區(qū)域面積(單位：km2)

運(yùn)用ArcGIS的表面體積計(jì)算工具，對(duì)區(qū)域表面積進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣光伏項(xiàng)目適宜開(kāi)發(fā)區(qū)域總面積為353.7 km2，其中有28.6%的區(qū)域?yàn)槭瘏^(qū)。關(guān)嶺縣適宜建設(shè)面積為149.6 km2，占總面積42.3%；鎮(zhèn)寧為85 km2，占24%；紫云為119.1 km2，占33.7%。

按照常用單位面積裝機(jī)容量5萬(wàn) kW/53.33 hm2計(jì)算(表5)，總適宜裝機(jī)容量可達(dá)3 315.9萬(wàn) kW，其中關(guān)嶺、鎮(zhèn)寧、紫云分別為1 402.5萬(wàn) kW、796.9萬(wàn) kW、1 116.6萬(wàn) kW。

表5 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣光伏項(xiàng)目適宜開(kāi)發(fā)區(qū)域總裝機(jī)容量(單位：萬(wàn)kW)Tab.5 Photovoltaic project suitable for the development of regional total capacity in Zhenning , Ziyun and Guanling

3 小結(jié)與討論

本文采用高分辨率衛(wèi)星遙感資料，結(jié)合氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)，根據(jù)光伏電站建設(shè)基本條件，結(jié)合喀斯特石漠化分布情況，對(duì)安順市南部3縣光伏項(xiàng)目適宜建設(shè)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化提取，并計(jì)算石漠化區(qū)域光伏項(xiàng)目適宜建設(shè)區(qū)域理論總裝機(jī)容量。結(jié)果顯示：安順市南部3縣石漠化區(qū)光伏項(xiàng)目適宜建設(shè)區(qū)域總裝機(jī)容量可達(dá)3 315.9萬(wàn) kW(其中，關(guān)嶺縣1 402.5萬(wàn) kW，紫云縣1 116.6萬(wàn) kW，鎮(zhèn)寧縣796.9萬(wàn) kW)，更適宜建設(shè)區(qū)域(石漠化區(qū)域)裝機(jī)容量也可達(dá)949.7萬(wàn) kW(其中，關(guān)嶺縣480.9萬(wàn) kW，紫云縣237.2萬(wàn) kW，鎮(zhèn)寧縣231.6萬(wàn) kW)。目前已建或擬建總裝機(jī)容量為252.6萬(wàn) kW，占適宜建設(shè)區(qū)域理論總裝機(jī)容量的7.6%、更適宜建設(shè)區(qū)域(石漠化區(qū)域)理論總裝機(jī)容量的26.6%。

本文結(jié)果可為該區(qū)域內(nèi)光伏項(xiàng)目建設(shè)選址提供參考依據(jù)，具有很好的科學(xué)意義。但該技術(shù)方法屬首次探索，尚存在值得討論的問(wèn)題：一是日照時(shí)數(shù)分布的計(jì)算上，僅使用了國(guó)家氣象臺(tái)站的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行插值，方法較為簡(jiǎn)單，空間分辨率較低，可采用復(fù)雜山地地形下太陽(yáng)輻射的計(jì)算方法，能更充分的考慮貴州山地的坡度和坡向特點(diǎn)，對(duì)太陽(yáng)能資源進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算；二是石漠化區(qū)域本身生態(tài)環(huán)境較為脆弱，開(kāi)展項(xiàng)目建設(shè)可能會(huì)更加破壞某些區(qū)域的生態(tài)，因此石漠化區(qū)域是否均適合開(kāi)展光伏項(xiàng)目建設(shè)尚值得探討。