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光伏电站结合生态治理对荒漠区气候的影响分析

2025-04-24 124 上传者：管理员

摘要：中国西北干旱区沙漠区域是中国乃至亚太地区沙尘暴的主要源地之一。随着太阳能等新能源的开发和国家相关政策出台，光伏发电与荒漠化治理相结合的“光伏治沙”模式正在逐步形成，在国家相关规划指导下，将生态治理与综合开发利用相结合，开展沙源地生态环境治理。本文通过光伏与荒漠生态治理技术结合，深入研究荒漠区光伏电站结合生态治理后的气候影响以及对环境治理的效果，并从温度、湿度、风速及沙通量多个生态指标进行分析，以期为国家的低碳转型提供支持。

关键词：
光伏电站
气候影响
生态治理
荒漠区
防沙治沙
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1、光伏治沙

1.1政策背景

2021年11月,中共中央国务院印发《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》,提出开展规模化防沙治沙,创新沙漠治理模式,开展光伏治沙试点｡这是中央首次明确提出开展光伏治沙试点,为推动光伏产业与防沙治沙融合发展提供了方向｡同年12月30日,国家林业和草原局､国家发展改革委､自然资源部､水利部联合印发关于《北方防沙带生态保护和修复重大工程建设规划(2021—2035年)》的通知｡

随着国家相关政策和文件出台,各地方加大生态能源融合发展及太阳能等新能源的开发,不少光伏电站建造及运营者开始探索光伏发电与荒漠治理相结合的“光伏治沙”模式,形成了一条工业治沙的新模式[1]｡2022年4月22日,国家发改委印发《支持宁夏建设黄河生态保护和高质量发展先行区实施方案》,指出要深入推进防沙治沙示范,大力推广使用防沙治沙先进技术,在保护好生态的基础上开展光伏治沙试点,科学发展沙产业,加快推进沙漠､戈壁､荒漠地区大型风电､光伏基地项目建设｡2022年5月30日,国家发改委国家能源局发布关于促进新时代新能源高质量发展实施方案通知,要求发挥新能源的生态环境保护效益,大力推广生态修复类新能源项目,研究出台光伏治沙等生态修复类新能源项目设计､施工､运维等标准规范,支持在石漠化､荒漠化土地以及采煤沉陷区等矿区开展具有生态环境保护和修复效益的新能源项目｡

1.2光伏治沙原理

光伏治沙是将太阳能发电与生态治沙协调融合发展的一种模式｡光伏电站能发挥光伏组件高立式沙障作用和降低蒸发量作用,能在一定程度上阻碍风沙运动,但光伏板下的支柱容易形成狭管效应,使得支柱附近被风蚀,同时光伏电站建设初期对表土进行扰动,破坏多年形成的地表结皮,势必造成水土流失和表土扬尘,甚至引发沙尘暴[2]｡而生态治理则在站内进行沙生植物的种植,有助于地表的固沙保水,减少扬尘,使得光伏板上灰尘减少,提高光伏发电效率[3],同时保护光伏组件的支柱,避免了风蚀问题,修复生态环境,形成良性循环｡光伏治沙有利于土壤理化性质的改良和物种多样性的增加;有效减少水分蒸发,提高土壤蓄水保墒能力[4];衰减沙尘暴和风沙流的动力源;有利于提高土地利用效率,发展沙漠生态产业[5]｡此外,光伏电站除去遮阴和挡风作用,还能为灌溉系统提供电力[6],形成一种生态与能源互利共赢的可持续模式｡

2、治沙项目

2.1项目概况

项目为北京公司乌兰布和生态沙产业示范区100MW光伏沙漠治理项目,位于阿拉善盟阿拉善左旗境内,地处亚洲大陆腹地,为内陆高原,远离海洋,周围群山环抱,形成典型的大陆性气候,干旱少雨,风大沙多,冬寒夏热,四季气候特征明显,昼夜温差大｡年均气温6~8.5℃,平均风速每秒2.9~5m,年均风日70d左右;年均降雨量不足150mm,年蒸发量2900~3300mm,无霜期160~170d,具有典型的沙漠气候特征,适合为光伏+生态治理提供均一化的环境条件｡

2.2治沙方案

该项目生态治理实验主要包括土壤改良､工程固沙､植物治沙､节水灌溉､过程指标监测等内容｡其中土壤改良采用有机肥改良､植物改良和保水剂改良;工程固沙措施主要为在光伏板下及板间均设置2m×2m的草帘网格插入式沙障,以消除光伏板下“狭管效应”,避免板下风蚀和板间沙尘堆积,保护桩基,为板下和板间植被生长提供防护;植物治沙采用板间灌草结合､板下草本固沙,以多年生植物为主､一年生植物为辅,并优先选择耐旱､耐寒､耐风沙､根系较深的当地植被进行生态修复;灌溉通过滴灌和微喷灌溉搭配的自动灌溉模式进行,并设计雨水收集系统进行节水循环利用;过程监测指标分别在植物种植期和管护期开展了在线监测和离线监测,对风沙指标､土壤指标和植被指标进行现场监测｡

3、光伏治沙的影响分析

以上述项目为例,进行光伏+生态治理对局部气候的影响分析,站区内部开展生态治理,站区外部为原始自然环境,在光伏电站区和站外分别架设气象站､集沙仪等设备进行环境监测,并记录数据整理分析｡

3.1风速分析

根据气象环境要素监测仪记录的2023年6月~11月的月平均风速,北站(站内)和南站(站外)风速对比可直观反映出站区外与站区内风速的差异,南站(站外)比北站(站内)在6~10月月平均风速均要高出1~2m/s左右,而11月高出5m/s,分析原因可能是5月､11月为该区域起风季节,而光伏建设和植被种植对降低光伏区域的风速起到了明显的阻碍作用,在6~10月风速不大的时间段,光伏建设和植被种植对降低风速反而不明显｡

3.2温度分析

南站(站外)比北站(站内)的月平均气温均要高出1~7℃｡主要原因是站内植被生长覆盖和光伏板的遮阴对地表吸热有一定的阻隔作用,加上板间和板下有喷灌和滴灌措施,导致有植被的光伏区域比站外原始沙区的温度低｡尤其在11月,乌兰布和沙漠的温度骤降,裸沙区域的沙子发挥了保温作用,使得站外温度比站内温度高出了7℃左右｡

3.3湿度分析

南站(站外)比北站(站内)的月平均湿度均要低0.5%~8%左右｡主要原因是站内植被生长的喷灌和滴灌措施增加了站内区域的空气湿度;同时,植被覆盖和光伏板遮阴也阻挡了地表水分的蒸发,站内温度也较站外温度低,使得站内的湿度比站外高｡

3.4沙通量分析

沙通量分析通过集沙仪进行,遵循《干旱风沙区风蚀监测与防治技术实践》的公式计算,分别在板下､板间和原始区域设置仪器,集沙仪的开口正对迎风方向,并在集沙仪顶端安装风向标,集沙仪的测量高度为50cm,进风口大小为4cm2｡集沙仪可以收集高度分别为离地表:10cm､20cm､30cm､40cm｡实验过程中始终保持集沙仪入口对准主风向,底部始终保持与地面平齐｡

表1中空白为电站外部自然环境测量数据,对比没有生态治理的板下和板间数据可见光伏电站能起到阻碍风沙的作用｡而在电站内进行生态治理能更进一步降低地表风沙活动的强度;其中空板下沙通量小于空板间也验证了板下容易形成狭管效应[7],导致板下立柱被风蚀的现象｡而生态治理后,板下板间沙通量相反,解决了狭管效应风蚀立柱的问题｡

表1站内外沙通量记录表

3.5光伏治沙总体效果

综上可见,光伏电站与生态治理对荒漠区的气候影响是有利的,结合生态治理的手段不仅大幅缩短荒漠区生态复绿的时间,同时,保障了光伏电站发电效益,解决了电站基础风蚀问题,而光伏板又能为植被提供天然的保护屏障,创造适宜植被生长的环境,形成互利互惠的良性循环,也能在一定程度上改变局部气候环境,减少沙源动力,为解决沙漠化荒漠化提供一种新的治理模式[8]｡

4、总结及建议

综合上述各方面影响分析,光伏电站结合生态治理不仅能改变局部的气候,有利于遏制沙化,也是对荒漠化治理途径的一种补充｡光伏电站虽然对荒漠地区的土壤理化性质并没有帮助,但通过结合生态治理的手段,可以间接改变当地的土壤性质｡同时光伏发电降低了传统化石能源对生态环境的不利影响,结合生态治理的举措,修复生态环境,削弱了沙源的动能,是解决气候变化的主要途径之一｡

目前,光伏电站对于生态环境与气候的影响还处于研究初级阶段,研究方法和手段都比较单一,对于其机理的揭示还需要进一步深入研究｡但从气候指标分析光伏电站结合生态治理的视角下看,该模式对生态环境具有正向推动作用,在实现碳中和､碳达峰和缓解荒漠化趋势上具有不可估量的效能,因此既要统筹规划光伏电站的建设,合理利用有限的资源大力发展光伏电站,为国家的低碳转型提供支持,也要采取科学有效的措施降低光伏电站对生态环境的不利影响,并结合其他模式来提高植被的存活率,增加生物量｡

光伏电站结合生态治理对环境的影响还需要长期监测,不仅仅局限于气候的影响,还有对土壤和生物多样性的持续影响,以后的研究还应该将动物､昆虫､微生物等纳入考量,并加大时间步长,得出更为全面的结论[9]｡

参考文献:

[1]吴全荣,陈锬坚.光伏电站对生态环境影响及发展思路[J].红河水,2023(5):83-86,97.

[2]武广萍,李兴德,何巍,等.光伏电站对生态敏感地区的环境影响分析及防治[J].甘肃科技,2014(22):78-80.

[3]张锋,郝俊斌,郭红艳,等.光伏电站与荒漠区生态修复[J].中国电力企业管理,2023(3):16-17.

[4]刘颖,张成福,贺帅,等.干旱､半干旱地区开发光伏产业对环境的影响[J].绿色科技,2023(18):38-43.

[5]刘子晴.光伏电站与生态产业互补发展研究[J].光源与照明,2023(10):118-120.

[6]党乐乐,郭孝理,徐金陵,等.西北矿区生态光伏融合发展战略及模式[J].煤炭经济研究,2022(11):69-74.

[7]李丽珍,刘辉,史学峰,等.浅析光伏电站对环境的影响[J].科技信息,2012(12):91.

[8]常兆丰,刘世增,王祺,等.沙漠､戈壁光伏产业防沙治沙的生态功能——以甘肃河西走廊为例[J].生态经济,2018(8):199-202,208.

[9]王祯仪,汪季,高永,等.光伏电站建设对沙区生态环境的影响[J].水土保持通报,2019(1):191-196.

基金资助:国家电投集团远达环保股份有限公司C类科技项目“‘光伏+’沙漠生态治理技术实验研究”(KY-C-2022-YDHB-016);