摘 要：水上光伏帶來(lái)的太陽(yáng)短波輻照度變化對(duì)緩解輸水明渠藻類增殖問(wèn)題的效果亟需評(píng)估。以南水北調(diào)中線干渠為例，建立干渠安陽(yáng)河節(jié)制閘至墳莊河節(jié)制閘渠段的水動(dòng)力和水質(zhì)模型，分析比較明渠水面懸浮式覆蓋水上光伏帶來(lái)的太陽(yáng)短波輻照度變化和水上光伏不同覆蓋位置對(duì)渠道水溫和水質(zhì)的影響規(guī)律。研究表明：在開展水上光伏項(xiàng)目時(shí)，渠道接收的太陽(yáng)短波輻照度降低會(huì)使得水溫、藻生物量和溶解氧含量下降，營(yíng)養(yǎng)鹽含量有所上升。太陽(yáng)短波輻照度降低50%后，藻生物量開始逐漸降低。在覆蓋率和透射率一定的情況下，不同覆蓋位置情景下對(duì)藻生物量的削減峰值區(qū)別較小。當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度由高到低逐漸變化時(shí)，流速變化對(duì)藻生物量的影響幅度呈先升高后下降趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：光伏；水質(zhì)；太陽(yáng)短波輻照度；南水北調(diào)中線工程；流速

中圖分類號(hào)：TV68；X522 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

自“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提出以來(lái)，中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型進(jìn)程不斷加快。傳統(tǒng)的化石能源包括石油、煤炭、天然氣正逐漸被零碳能源如太陽(yáng)能、風(fēng)力和水力發(fā)電所代替。截至2023年3 月，中國(guó)當(dāng)前光伏裝機(jī)容量近4.3 億kW，同比增長(zhǎng)33.7%［1］，開發(fā)潛力巨大，布設(shè)在陸地或開闊水域如池塘、淺海等。傳統(tǒng)的陸上光伏項(xiàng)目存在侵占土地資源、過(guò)度溫升致使效率低下等問(wèn)題，水上光伏則可很好地緩解這類問(wèn)題。近年來(lái)世界各國(guó)采用大量閑置水體空間開發(fā)水上光伏項(xiàng)目，全球水面光伏需求量將以年均22% 的速度增長(zhǎng)，中國(guó)預(yù)計(jì)2023年水面光伏總裝機(jī)容量將超過(guò)500 萬(wàn)kW［2］。

隨著漂浮式光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，衍生了浮箱、支架、浮筒架設(shè)光伏組件的結(jié)構(gòu)形式，降低蒸發(fā)、遮光的同時(shí)充分利用水上空間進(jìn)行光伏發(fā)電，同時(shí)水體對(duì)光伏組件的冷卻作用還可提升光伏組件發(fā)電效率［3］。對(duì)于湖泊、水庫(kù)等開闊水域而言，水上光伏鋪設(shè)形式大致分為樁柱固定式或水面漂浮式，需進(jìn)行浮體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估，且對(duì)水質(zhì)的影響局限在部分范圍。對(duì)于輸水渠道而言，大流速、渠道形態(tài)多變成為光伏組件布設(shè)中必須考慮的制約因素，練繼建等［4］提出一種大跨度、懸浮式長(zhǎng)距離輸水明渠消冰、除藻裝置，無(wú)需浮體結(jié)構(gòu)支撐，遮擋太陽(yáng)輻射同時(shí)充分利用水上空間發(fā)電；葉斌等［5］提出一種屋頂式長(zhǎng)距離輸水明渠覆蓋裝置，利用PVsyst 分析得出南水北調(diào)中線干渠屋頂式架設(shè)光伏組件具有良好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性，且碳減排率可達(dá)98.45%。印度兩處渠道上方采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)支撐光伏組件鋪設(shè)［6-7］。光伏組件吸收、反射部分太陽(yáng)短波輻射，組件下墊面環(huán)境的凈輻射總量發(fā)生改變，影響下墊面局域特性［8］。目前光伏組件常見材質(zhì)多為多晶硅、單晶硅形式，其光電轉(zhuǎn)換效率在10%～30% 之間，可見光透射率也從20%～60% 不等［9］，同時(shí)光伏組件鋪設(shè)間距、組件支撐或附加結(jié)構(gòu)等的存在也會(huì)使水面接收的總太陽(yáng)短波輻照度有一定比例的折減，需評(píng)估其對(duì)水質(zhì)的改善效果。但在水體上開展原位試驗(yàn)難度較大。多數(shù)學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬或物理模型試驗(yàn)形式對(duì)水上光伏項(xiàng)目對(duì)水質(zhì)的影響展開分析。也有學(xué)者比較分析安徽省淮南市潘集采煤沉陷區(qū)水上光伏項(xiàng)目不同區(qū)域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明光伏組件覆蓋率較高的地區(qū)，水生態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)如活體葉綠素（in vivo chlorophyll，IVCH）與藻藍(lán)蛋白（phycocyanin，PC）濃度較低，抑制藻類的過(guò)度生長(zhǎng)［10］。馬超等［11］以南水北調(diào)中線工程為例模擬得出當(dāng)流速降低時(shí)，若水上光伏項(xiàng)目覆蓋率達(dá)到50% 可有效抑制藻類的暴發(fā)。同時(shí)，有學(xué)者以向家壩為例分析得出水上光伏覆蓋率超過(guò)20% 后水體水溫、溫躍層深度和水齡將不隨覆蓋率進(jìn)一步增加而變化［12］。但鮮有學(xué)者分析太陽(yáng)短波輻照度變化對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧、藻生物量等水質(zhì)指標(biāo)的詳細(xì)影響，且尚未比較水上光伏覆蓋位置改變是否會(huì)影響水溫、水質(zhì)的變化情況。同時(shí)對(duì)河流、人工渠道、運(yùn)河等水體而言，其流量和流速的調(diào)控也是緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化和水華暴發(fā)的有效措施，流速與太陽(yáng)短波輻照度對(duì)藻類增殖的影響存在耦合作用，兩者綜合調(diào)節(jié)對(duì)藻生物量的影響仍需進(jìn)一步探討和分析。

南水北調(diào)中線工程是中國(guó)一項(xiàng)具有重大戰(zhàn)略意義的特大型輸水工程，通水8 周年以來(lái)已累計(jì)向北方調(diào)水586 億m3，直接受益人口超過(guò)1.5 億人，已成為北京、天津地區(qū)的主要水源。而工程建成通水以來(lái)，干渠藻密度呈現(xiàn)自南向北沿程升高的趨勢(shì)，2016 年來(lái)中線干渠內(nèi)春秋季節(jié)藻類生長(zhǎng)迅速，并在出口閘門段有殘骸大量淤積［13］，影響供水系統(tǒng)運(yùn)行和水質(zhì)安全，需采取合理措施解決這一難題。影響藻類生長(zhǎng)增殖過(guò)程的主要因素有水動(dòng)力條件、太陽(yáng)短波輻照度和營(yíng)養(yǎng)鹽等［14-15］。受調(diào)度的影響，干渠為持續(xù)流動(dòng)的混合水體，流速約在0.3～1.0 m/s 之間，優(yōu)勢(shì)藻類種群為硅藻［16-17］。國(guó)外較多河流檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，春季流量和太陽(yáng)短波輻照度是浮游植物生長(zhǎng)速率變化的關(guān)鍵［18］。而溫度和有效光周期是淺層富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的強(qiáng)限制性物理因素，決定富營(yíng)養(yǎng)化條件下的最大生長(zhǎng)速率［19］。竇明等［20］對(duì)一小型淺水湖研究得出太陽(yáng)輻照度對(duì)藻類生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)作用比營(yíng)養(yǎng)鹽更顯著。對(duì)于輸水渠道而言，在營(yíng)養(yǎng)鹽充足且有一定水力滯留時(shí)間時(shí)，光照可能是藻類群落生長(zhǎng)重要控制條件。已有研究表明控制河流、渠道兩岸陰影是控制河流富營(yíng)養(yǎng)化的重要條件之一［21-22］。有學(xué)者研究通過(guò)在藻類增殖水體上方懸掛遮陽(yáng)網(wǎng)（常用材質(zhì)為聚乙烯）抑制藻類生長(zhǎng)的可行性［23］。水庫(kù)表面安裝懸掛遮陽(yáng)網(wǎng)可降低水體葉綠素a 含量，還可降低水溫、蒸發(fā)量［24］。此外，南水北調(diào)工程運(yùn)行管理部門提出在干渠輸水線路上方架設(shè)太陽(yáng)能光伏組件的需求，其所發(fā)電量可用于維持中線工程運(yùn)行；利用水上空間發(fā)電的同時(shí)還可減少蒸發(fā)、改善水質(zhì)緩解藻類異常增殖現(xiàn)象。盡管渠道上方架設(shè)光伏工程經(jīng)濟(jì)可行且節(jié)能減碳［5，25］，但其對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響規(guī)律尚不清楚，還需詳細(xì)研究。

本文利用CE-QUAL-W2 模型（Corps of Engineers-Quality-Width Averaged 2D）建立并率定南水北調(diào)中線河北段的水動(dòng)力和水質(zhì)耦合模型，參考印度一渠道水體上方懸浮式鋪設(shè)水上光伏的方式［6］，見圖1。分析輸水明渠覆蓋水上光伏帶來(lái)的太陽(yáng)短波輻照度變化對(duì)水溫、水質(zhì)的影響規(guī)律。比較得出流速與太陽(yáng)短波輻照度對(duì)藻生物量變化的聯(lián)合作用，以期為進(jìn)一步解決輸水明渠的藻類增殖問(wèn)題提供理論支持。

1 模型及方法

1.1 模型介紹

CE-QUAL-W2 模型是由美國(guó)環(huán)保局開發(fā)的二維水動(dòng)力和水質(zhì)模型。由于模型假定橫向均質(zhì)性，其最適合于表現(xiàn)出縱向和垂向較長(zhǎng)的水體。該模型代碼開源可改，可從美國(guó)環(huán)保局網(wǎng)站獲得，采用2021 年發(fā)布的v4.5 版本進(jìn)行模型計(jì)算，模型原理可參考文獻(xiàn)［26］。南水北調(diào)中線干渠屬于長(zhǎng)距離輸水渠道，以梯形明渠結(jié)構(gòu)為主，包含渡槽、倒虹吸、涵洞等結(jié)構(gòu)。南水北調(diào)中線工程全線持續(xù)通水，水體摻混作用較強(qiáng)，水深在4～8 m 不等，不存在分層現(xiàn)象，故本次未設(shè)置垂向分層。模型構(gòu)建范圍從南水北調(diào)中線干渠河北段安陽(yáng)河下游至墳莊河節(jié)制閘渠段，南水北調(diào)中線干渠分布見圖2。

模型基于連續(xù)性方程進(jìn)行橫向和垂向平均，控制方程通過(guò)平衡流體質(zhì)量和動(dòng)量得出針對(duì)不可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。水體水溫、物質(zhì)傳輸均遵循對(duì)流擴(kuò)散方程，水面熱交換過(guò)程考慮了太陽(yáng)短波輻射、大氣長(zhǎng)波輻射、感熱通量、潛熱通量等熱交換過(guò)程。大氣長(zhǎng)波輻射與空氣溫度和云層覆蓋比例有關(guān)，感熱通量、潛熱通量與風(fēng)速、水溫有關(guān)。水體沉積物溫度通常取平均氣溫值，沉積物底部熱交換過(guò)程也與水溫有關(guān)，但相對(duì)水面熱交換過(guò)程而言影響較小。水下輻照度變化規(guī)律遵循朗伯-比爾定律（Lambert-Beer’slaw）。一般而言太陽(yáng)短波輻射有9% 會(huì)被水體反射，剩余91% 中有24%～65% 會(huì)被水面上方1～2 mm 直接吸收，其余部分被水體內(nèi)部接收，即可用于藻類生長(zhǎng)的光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）［27］。水質(zhì)模塊有關(guān)的主要成分包括五日生化需氧量（5-day biochemical oxygendemand，BOD5）、溶解氧（dissolved oxygen，DO）、氨氮（Ammonium）、磷酸鹽（Phosphate）、總氮（total nitrogen，TN）和總磷（total phosphorus，TP）、葉綠素a（Chl.a）等。

1.2 參數(shù)設(shè)置

水動(dòng)力模型中主要相關(guān)參數(shù)為渠底糙率、水平和垂向渦黏系數(shù)等。渠底糙率是流速、流量計(jì)算的重要參數(shù)，根據(jù)南水北調(diào)中線干渠設(shè)計(jì)資料和模擬結(jié)果對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，渠底糙率n 值范圍在0.012～0.015 之間。多數(shù)學(xué)者經(jīng)過(guò)參數(shù)敏感性分析結(jié)果得出，在模型中影響藻類生長(zhǎng)過(guò)程的參數(shù)主要是藻類生長(zhǎng)速率、沉降速率、死亡速率、藻類生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)鹽半飽及常數(shù)和光飽和常數(shù)等［28］，采用試錯(cuò)法對(duì)模型全局參數(shù)進(jìn)行率定對(duì)比，主要參數(shù)取值如表1。由于各優(yōu)勢(shì)藻種群的營(yíng)養(yǎng)鹽吸收系數(shù)、適宜太陽(yáng)輻照度等均有所區(qū)別，本模型參數(shù)設(shè)置適用的渠道優(yōu)勢(shì)藻種為浮游硅藻類種群。

1.3 率定結(jié)果

基于南水北調(diào)中線干渠2016 年8 月份的河北段實(shí)際流量、水位和水溫、水質(zhì)數(shù)據(jù)，并結(jié)合從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站下載的河北段安陽(yáng)、邯鄲、邢臺(tái)、保定、北京站點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)，以及文獻(xiàn)［32］中的流速數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行水動(dòng)力、水質(zhì)的率定。模擬周期包括30 d 的穩(wěn)態(tài)初始輸入，以及2016 年8 月份的動(dòng)態(tài)邊界輸入，經(jīng)過(guò)初步試算調(diào)整得出最大時(shí)間步長(zhǎng)為220 s。2016 年8 月中線干渠河北段模擬結(jié)果對(duì)比如圖3 所示。根據(jù)Moriasi 等［32］、唐彩紅等［34］研究的針對(duì)流域尺度模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用百分比偏差（percent bias，PBIAs）和相對(duì)均方根誤差（relative root meansquare error，R.RMSE）、平均相對(duì)誤差（average of relative error，ARE）對(duì)水位、流速和各水質(zhì)指標(biāo)、藻生物量等進(jìn)行誤差分析。水動(dòng)力和水質(zhì)模型沿程總體趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本吻合，部分?jǐn)?shù)據(jù)存在誤差可能與模型對(duì)部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理有關(guān)，且并未考慮降雨等外界面源污染的影響。模型結(jié)果整體較可靠，參數(shù)選取合理，在數(shù)值上百分比偏差在10% 以內(nèi)，相對(duì)均方根誤差和平均相對(duì)誤差在30% 以內(nèi)，所建模型輸出結(jié)果能較好地反映渠道的水動(dòng)力、水溫和水質(zhì)變化情況。

2 結(jié)果分析

2.1 水上光伏透射太陽(yáng)短波輻照度變化對(duì)水質(zhì)的影響

在未覆蓋水上光伏的率定情景基礎(chǔ)上，分別建立水上光伏太陽(yáng)短波輻照度透射占比90%、80%、…、20%、10%、1% 的計(jì)算模型。同時(shí)，光伏組件覆蓋區(qū)域，實(shí)測(cè)風(fēng)速降低為原來(lái)風(fēng)速（高度2 m）的0.086 倍［11，35］。分析水上光伏覆蓋對(duì)大安舍站點(diǎn)和墳莊河站點(diǎn)的水溫和水質(zhì)影響。大安舍和墳莊河站點(diǎn)水溫和水質(zhì)隨太陽(yáng)短波輻照度的變化見圖４。

水溫：隨著水面接收的太陽(yáng)短波輻照度降低，水溫呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，與正常情景相比，水溫變化幅度在-5.0～1.5 ℃之間。由于水上光伏項(xiàng)目會(huì)使得風(fēng)速降低，在太陽(yáng)短波輻照度占70% 以上時(shí)，風(fēng)速降低帶來(lái)的潛熱通量和感熱通量降低會(huì)使得水面散熱變慢，水溫略有上升。太陽(yáng)短波輻照度降至70% 以下后，對(duì)水溫變化產(chǎn)生主導(dǎo)影響，水溫逐漸開始降低。

藻生物量：隨著太陽(yáng)短波輻照度降低，藻生物量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，與正常情景相比，藻生物量變化幅度在-0.240～0.013 mg/L 之間。在營(yíng)養(yǎng)鹽充足的情況下，太陽(yáng)短波輻照度是藻類生長(zhǎng)的主要限制因子，當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度逐漸降至50% 的過(guò)程中，使得原本處于弱光抑制狀態(tài)的藻類生物量有所提升。太陽(yáng)短波輻照度降至50% 以下，藻生物量才開始逐漸減少。當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度降至原來(lái)的1% 時(shí)，大安舍站點(diǎn)藻生物量降低59.9%，墳莊河站點(diǎn)降低71.2%。

五日生化需氧量（BOD5）和溶解氧（DO）：隨著太陽(yáng)短波輻照度降低，水中的有機(jī)質(zhì)含量和菌群含量有所減少，BOD5含量逐漸上升，總體變化較小，與正常情景相比，變化幅度在0.01～0.03 mg/L 之間。當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度逐漸降低超過(guò)50%，藻生物量降低使得產(chǎn)氧量降低，溶解氧含量逐漸下降，變化幅度在-1.9～-0.1 mg/L 之間。在采取遮光等措施解決水體藻類異常增殖問(wèn)題時(shí)，需保持水與空氣界面氧氣等含量平衡，維持菌群、魚類含量等水生群落穩(wěn)定［36］，對(duì)于引起的DO含量下降等問(wèn)題，可結(jié)合曝氣措施加以改善，同時(shí)還可加快藻類消亡［37］。

營(yíng)養(yǎng)鹽：模型中未考慮浮游動(dòng)物對(duì)藻類生物的影響和降雨、大氣沉降等其他營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源，而由于藻生物量下降，對(duì)磷酸鹽、氨氮的消耗量減少使得水體中營(yíng)養(yǎng)鹽含量有所上升，與正常情景相比，磷酸鹽變化幅度在0.001～0.002 mg/L 之間，氨氮變化幅度在0.001～0.02 mg/L 之間。

通過(guò)分析全渠段的水質(zhì)情況，當(dāng)南水北調(diào)中線干渠水面接收的太陽(yáng)短波輻照度折減后，盡管部分指標(biāo)如DO 濃度降低、氨氮濃度有所升高，但整體來(lái)看水質(zhì)仍合格，水質(zhì)一直優(yōu)于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，能達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求。以南水北調(diào)中線干渠為例，當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度降低50% 時(shí)，全渠段平均藻生物量會(huì)降低2.0%；當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度降低90% 時(shí)，全渠段平均藻生物量會(huì)降低38%。經(jīng)過(guò)測(cè)試，單晶硅材質(zhì)的光伏組件一天內(nèi)遮光率在95%～98% 之間，若渠道全部覆蓋水上光伏則可幫助沿線受水區(qū)自來(lái)水廠共節(jié)省除藻成本約2.9 萬(wàn)元/d［38］，同時(shí)兼具發(fā)電和水質(zhì)改善兩種功能，具有較高的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 水上光伏覆蓋位置變化對(duì)水質(zhì)的影響

有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)南水北調(diào)中線干渠覆蓋水上光伏時(shí)，光伏組件傾角為10°～12°時(shí)蒸發(fā)抑制、發(fā)電、成本等能-水綜合協(xié)同效益最好，此時(shí)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)短波輻照度降低約70%［11］，基于此進(jìn)一步分析水上光伏覆蓋位置改變對(duì)水溫和水質(zhì)變化的影響。研究證明，在覆蓋率為33～50% 情況下，河渠表面覆蓋光伏組件的發(fā)電、水質(zhì)改善和降低蒸發(fā)效益達(dá)到最優(yōu)［39］。設(shè)置4 種情景，分別是水上光伏上游、中游、下游覆蓋，以及交替覆蓋，水上光伏覆蓋長(zhǎng)度均約占模擬渠段總長(zhǎng)的50%，見圖5。

與率定情景對(duì)比進(jìn)行變化量計(jì)算，水上光伏覆蓋位置變化對(duì)水質(zhì)變化量的影響結(jié)果如圖6 所示。覆蓋水上光伏使得太陽(yáng)短波輻照度降低70% 時(shí)，在覆蓋區(qū)域水溫、藻生物量、DO 濃度均下降。在未覆蓋區(qū)域水溫、藻生物量和DO 濃度基本不變，或逐漸回升。覆蓋位置變化對(duì)沿程藻生物量和DO濃度變化量峰值影響較小，在覆蓋率為50%、太陽(yáng)短波輻照度占比30% 的情景下，藻生物量變化量峰值約在-0.037 mg/L，DO 濃度變化量峰值約在-0.268 mg/L。對(duì)比同時(shí)刻全渠段的藻生物量平均值，上游覆蓋水上光伏項(xiàng)目對(duì)藻生物量抑制效果（降低0.026 mg/L）優(yōu)于交替覆蓋（降低0.018 mg/L）、中游覆蓋（降低0.018 mg/L）和下游覆蓋（降低0.01 mg/L）。

當(dāng)采取大范圍整體覆蓋如上、中、下游整體覆蓋時(shí)，中線干渠河北段全程水溫和藻生物量等指標(biāo)變化量波動(dòng)幅值較大，而交替覆蓋則對(duì)水溫、藻生物量等指標(biāo)的影響呈沿程穩(wěn)態(tài)變化趨勢(shì)。說(shuō)明水上光伏項(xiàng)目的覆蓋率和透光率在一定程度上決定了藻生物量削減峰值。在同樣的水體表面，覆蓋一定比例的水上光伏項(xiàng)目后，水面接收到的總太陽(yáng)短波輻照度一定時(shí)（即透射率一定的情況下），水溫、藻生物量、DO 濃度峰值變化量與水上光伏的覆蓋位置無(wú)關(guān)。但在覆蓋區(qū)域的水溫、藻生物量和溶解氧濃度值會(huì)由于太陽(yáng)短波輻照度削減而發(fā)生變化。

2.3 流量和太陽(yáng)短波輻照度調(diào)節(jié)對(duì)藻生物量的聯(lián)合作用

水體紊動(dòng)、形態(tài)多變使得河流、渠道等水體覆蓋水上光伏項(xiàng)目時(shí)還需注意流速和太陽(yáng)短波輻照度調(diào)節(jié)對(duì)藻生物量變化的聯(lián)合效應(yīng)。隨著南水北調(diào)中線工程平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)下游供水量呈現(xiàn)出逐年增加趨勢(shì)，其本身具有一定的調(diào)控空間。為比較流速與太陽(yáng)短波輻照度對(duì)藻類生長(zhǎng)調(diào)控的關(guān)聯(lián)作用，保持閘前運(yùn)行水位不變，對(duì)流量進(jìn)行調(diào)整。干渠平均流速見圖7。流量上下波動(dòng)40% 后，與正常情景相比，全渠段平均流速變化范圍在-0.190～0.088 m/s。

流速對(duì)全程藻生物量均值的影響見圖8。在模擬范圍內(nèi)隨流速逐漸提高，藻生物量逐漸降低。與太陽(yáng)短波輻照度正常情景相比，在透射率為70%～90% 之間時(shí)，無(wú)論流速如何調(diào)整，與正常情景相比，藻生物量均有所上升。當(dāng)透射率為50% 時(shí)，在降低流速后藻生物量有所上升，升高流速時(shí)藻生物量下降。以50% 的透射率為閾值，當(dāng)透射率進(jìn)一步下降時(shí)，藻生物量與正常情景相比均下降。

為分析流速與太陽(yáng)短波輻照度對(duì)藻生物量的聯(lián)合作用，比較不同透射率下的流速調(diào)節(jié)對(duì)藻生物量影響幅度見圖9。在太陽(yáng)短波輻照度正常時(shí)，流速調(diào)節(jié)后藻生物量范圍在0.256～0.280 mg/L，與正常情景相比變化-3.30%～5.64%。在太陽(yáng)短波輻照度占比50% 時(shí)，流速對(duì)藻類生物量的影響幅度最大，全程平均藻生物量范圍為0.246～0.281 mg/L，與正常情景相比變化-7.18%～6.39%。在太陽(yáng)短波輻照度占比30%時(shí)，流速調(diào)節(jié)后全程平均藻生物量范圍為0.223～0.238 mg/L，與正常情景相比變化-17.30%～-4.83%。在太陽(yáng)短波輻照度占比10% 時(shí)，流速調(diào)節(jié)后全程平均藻生物量范圍為0.162～0.174 mg/L，下降-34.34%～-38.76%。

可看出，不同透射率下流速調(diào)節(jié)對(duì)藻生物量的影響幅度存在差異，流速與太陽(yáng)短波輻照度調(diào)節(jié)對(duì)藻類生長(zhǎng)影響存在一定的聯(lián)合作用。當(dāng)太陽(yáng)短波輻照度由高到低逐漸變化時(shí)，流速變化對(duì)藻生物量的影響幅度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)。中線干渠生態(tài)調(diào)度中已采用較多的水力調(diào)度方式，若采取覆蓋水上光伏的形式遮光（透射率約30%）的同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)各渠池流量和流速范圍，還可比正常未覆蓋水上光伏的調(diào)控情景下進(jìn)一步抑制藻類增殖，為利用更少段渠池、縮短運(yùn)行時(shí)間、減少水源浪費(fèi)等提供新的可操作空間。

3 討 論

本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)水上光伏帶來(lái)的太陽(yáng)短波輻照度折減對(duì)水質(zhì)的影響規(guī)律。本文的模擬結(jié)果顯示，太陽(yáng)短波輻照度折減后，水中葉綠素a 濃度和DO 濃度均會(huì)下降，氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量有所上升，這與江蘇、臺(tái)灣和荷蘭地區(qū)的水上光伏項(xiàng)目監(jiān)測(cè)規(guī)律一致［40-42］。湖泊、池塘由于水域面積廣，風(fēng)拖曳力直接影響開闊水域水動(dòng)力場(chǎng)，其與太陽(yáng)短波輻照度對(duì)水溫或水質(zhì)產(chǎn)生聯(lián)合作用。對(duì)河渠而言，上游來(lái)流是流場(chǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。有學(xué)者通過(guò)Mylake 模擬研究在英國(guó)一水庫(kù)的低流速區(qū)域、中流速區(qū)域和高流速區(qū)域覆蓋相同比例的水上光伏后，高流速情景下葉綠素a 濃度會(huì)比低流速情景下降約40%［43］，這與本研究得出的規(guī)律一致。

但同時(shí)，流速和太陽(yáng)短波輻照度還會(huì)改變浮游植物種群演替過(guò)程。由于硅藻自身無(wú)法運(yùn)動(dòng)，對(duì)高流速水體的適應(yīng)性比綠藻、藍(lán)藻強(qiáng)［44］，流速較大時(shí)綠藻、藍(lán)藻占比降低而硅藻生物量會(huì)上升。而綠藻則在弱光環(huán)境中會(huì)相對(duì)有優(yōu)勢(shì)。對(duì)特定水域的水上光伏項(xiàng)目的水質(zhì)影響評(píng)估，需明確該水域優(yōu)勢(shì)藻種特性和種群結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)總藻生物量和物種組成占比變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，之后可收集更多的其他小型浮游植物數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析水上光伏對(duì)除藻類以外的小型浮游植物的影響規(guī)律。

光伏組件發(fā)電運(yùn)行過(guò)程反射、利用太陽(yáng)輻射，但同時(shí)光伏組件溫度會(huì)升高而釋放次生長(zhǎng)波輻射［45］。由于光伏陣列對(duì)風(fēng)的遮擋作用，會(huì)在下方形成復(fù)雜的微氣候環(huán)境，與相對(duì)濕度、飽和水汽壓、組件下方氣溫有關(guān)的感熱通量、潛熱通量和凈輻射總量會(huì)改變，而不僅僅反映在太陽(yáng)短波輻照度中。通常來(lái)講，水面輻射場(chǎng)如感熱通量、潛熱通量在凈輻射總量中占比較小，對(duì)水質(zhì)影響程度有限。但水上光伏引起的輻射場(chǎng)的改變會(huì)對(duì)水面蒸發(fā)的定量研究產(chǎn)生較大影響［46-47］，還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本研究以南水北調(diào)中線干渠河北段為研究對(duì)象建立水動(dòng)力和水質(zhì)耦合模型，分析水上光伏帶來(lái)的太陽(yáng)短波輻照度折減、水上光伏覆蓋位置變化、渠道流量調(diào)節(jié)對(duì)水體水溫和水質(zhì)的影響。得到如下主要結(jié)論：

1）水上光伏項(xiàng)目會(huì)改變水面的熱量傳導(dǎo)過(guò)程，主要體現(xiàn)在水面風(fēng)速降低、接收到的太陽(yáng)短波輻照度減少兩方面。水體吸收的凈輻射總量會(huì)改變，水下光合有效輻照度降低，影響水中藻類等浮游植物的光合作用。

2）因太陽(yáng)短波輻照度折減和風(fēng)速降低對(duì)水溫影響的規(guī)律相反，當(dāng)水上光伏透射率小于70% 后，水溫逐漸開始降低。透射率小于50% 后，藻生物量開始減少。隨太陽(yáng)短波輻照度由100% 降至1%，藻生物量變化幅度在-0.24～0.013 mg/L 之間。作為水中氧含量主要來(lái)源之一，藻含量下降，使得DO 濃度有所降低。同時(shí)對(duì)水中游離的營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗減少，BOD5、氨氮和磷酸鹽濃度有所提升，但整體來(lái)看水質(zhì)仍合格，水質(zhì)一直優(yōu)于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，能達(dá)到目標(biāo)水質(zhì)要求。

3）分析全渠段藻生物量均值得出，上游覆蓋對(duì)藻類的抑制效果優(yōu)于交替覆蓋、中游覆蓋和下游覆蓋。而沿程藻生物量削減峰值主要與水上光伏覆蓋率和透射率有關(guān)，也即主要取決于整體水域接收到的總太陽(yáng)短波輻照度。

4）太陽(yáng)短波輻照度與流速調(diào)節(jié)對(duì)水體藻含量存在聯(lián)合作用，隨著太陽(yáng)短波輻照度逐漸降低，流速變化對(duì)藻生物量的影響幅度呈先升高后下降趨勢(shì)。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目（U20A20316）