戈壁荒漠區(qū)風(fēng)電及光伏發(fā)電工程水土流失特征的對比分析

周 波，柴亞凡

（1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安710048；2.甘肅省水土保持科學(xué)研究所，甘肅 蘭州730020）

甘肅省風(fēng)能和太陽能資源豐富，開發(fā)利用前景廣闊。近年來，大力發(fā)展風(fēng)電和光電產(chǎn)業(yè)不僅有效減少了常規(guī)能源的消耗，而且還促進(jìn)了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。但是風(fēng)電和光電工程作為開發(fā)建設(shè)項目新的建設(shè)形式，在其建設(shè)過程中難免造成了一些新的水土流失［1］，尤其是對于生態(tài)環(huán)境脆弱的河西走廊戈壁荒漠區(qū)。鑒于戈壁荒漠區(qū)風(fēng)電及光伏發(fā)電工程對區(qū)域水土流失影響特征方面的研究還鮮有報道［2］，防治措施也缺乏有效的理論依據(jù)［3－4］，仍然有許多關(guān)鍵問題亟待解決。本研究以酒泉市戈壁荒漠區(qū)的18個典型風(fēng)電和光電工程作為研究對象，通過收集資料與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法獲取了工程性質(zhì)、占地面積、挖填方量及施工工藝等資料，對風(fēng)電工程和光電工程不同防治分區(qū)的影響因素和水土流失特征進(jìn)行對比研究，為戈壁荒漠區(qū)風(fēng)電和光電工程建設(shè)過程中的水土流失防治提供理論參考和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

河西走廊東起烏鞘嶺，西至星星峽，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，為西北—東南走向的狹長平地。地形地貌由山區(qū)河流搬運下來的物質(zhì)堆積于山前，形成相互毗連的山前傾斜沖積平原。氣候為干旱大陸性氣候，氣候干燥、晝夜溫差大，風(fēng)大沙多，降水自東而西逐漸漸少，多在50～150mm之間，年均氣溫5.8～9.3℃，日照時數(shù)2 550～3 500h，光照資源豐富。風(fēng)電和光電工程集中連片區(qū)域地表均為戈壁礫石及細(xì)砂所覆蓋。土壤類型主要有灌淤土、風(fēng)沙土、灰棕荒漠土、鹽土等土類，表層松散，結(jié)構(gòu)疏松，有機質(zhì)含量低，抗沖性和抗蝕性差，遇暴雨和大風(fēng)極易造成水土流失。植被屬荒漠草原植被，覆蓋率大多在4%左右。

2010年2月至2012年10月，選取酒泉市河西走廊的典型風(fēng)電場和光電工程各9個作為研究對象，其中風(fēng)電工程建設(shè)規(guī)模為49.5MW的風(fēng)電場3個，100MW風(fēng)電場1個，200MW風(fēng)電場5個，分別位于風(fēng)電場分布集中連片的瓜州干河口片區(qū)、瓜州北大橋片區(qū)和玉門橋灣及地窩鋪片區(qū)，單機容量均為1.5 MW；光電工程建設(shè)規(guī)模為9MW的4個，20MW的2個，50MW光電工程3個，分別位于光電工程分布集中連片的張掖南灘、金塔紅柳洼片區(qū)和高臺高崖子灘片區(qū)，單個光伏方陣均為1MW。工程區(qū)周圍均沒有居民分布，也沒有工礦企業(yè)建筑及道路、水渠等基礎(chǔ)設(shè)施，也不涉及拆遷安置情況。

2 研究方法

2.1 施工擾動面積的測定

通過查閱主體工程設(shè)計文件，利用1∶10 000地形圖和工程平面布置圖現(xiàn)場調(diào)查，采用手持GPS，激光測距儀和皮尺等工具，按不同防治分區(qū)對主體工程、臨時工程以及配套的服務(wù)設(shè)施在建設(shè)期的擾動地表、占壓土地面積分別進(jìn)行測量和統(tǒng)計分析。

2.2 開挖、回填和堆土量的測定

運用GPS對監(jiān)測點定位，通過查閱主體工程監(jiān)理和水土流失監(jiān)測文件、現(xiàn)場調(diào)查并隨機抽查監(jiān)測點位，對工程建設(shè)過程中的開挖量、回填量、堆土量和利用率等進(jìn)行實際測量。

2.3 水土流失影響指數(shù)的計算及評價標(biāo)準(zhǔn)

水土流失影響指數(shù)是將水土保持損益分析中的關(guān)鍵影響指標(biāo)（或變量）進(jìn)行加權(quán)后求和，得到的用于反映建設(shè)項目水土流失影響程度大小的水土保持影響潛值，為一無量綱值，它是分析、計算和評價開發(fā)建設(shè)項目水土保持損益的核心，是定量評價、評判開發(fā)建設(shè)項目水土保持得失的結(jié)論性指標(biāo)［5］。

3 結(jié)果與分析

3.1 水土流失特征對比分析

為了對比研究風(fēng)電和光電工程的水土流失特征，我們選取了施工擾動面積和挖方量兩個主要的水土流失特征值，考慮到由于建設(shè)規(guī)模不同可能造成的影響并不相同，本研究以單位產(chǎn)能對其數(shù)據(jù)進(jìn)行了折算。

如表1—2所示，對比研究風(fēng)電工程和光電工程，施工擾動面積和開挖量隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴大而增加，風(fēng)電工程裝機規(guī)模為49.5MW的施工擾動面積為30.94～34.49hm2，100MW 的施工擾動面積在50hm2左右，200MW 的擾動地表面積均為120.10～126.28hm2之間，平均值為123.74hm2；光電工程裝機規(guī)模為9MW的施工擾動面積為14.48～34.00hm2，20MW 的在50hm2左右，50MW 的擾動地表面積均在116.79～150.68hm2之間，平均值為129.47hm2。

表1 各風(fēng)電工程概況

表2 各光電工程概況

以單位產(chǎn)能計算，風(fēng)電工程每兆瓦裝機容量平均擾動地表面積為0.62hm2，平均挖方量為1 000m3，需配套檢修道路平均為332m；光電工程每兆瓦裝機容量平均擾動地表面積為2.72hm2，平均挖方量為2 800 m3，需配套檢修道路平均為419m。光電工程的施工擾動面積和挖方量均高于風(fēng)電工程，這是由于風(fēng)電工程在建設(shè)過程中施工擾動呈現(xiàn)出點狀侵蝕的特征，而光電工程雖然多呈現(xiàn)出面狀侵蝕特征，但是由于主要防治區(qū)域光電池板布置區(qū)多呈現(xiàn)出“地毯式”的開挖，對所建設(shè)區(qū)域幾乎是全面擾動。因此以單位產(chǎn)能來說光電工程的施工擾動面積和挖方量遠(yuǎn)高于風(fēng)電工程。

3.2 施工擾動特征對比分析

依據(jù)工程布局、施工擾動特點和建設(shè)時序等因素，將風(fēng)電項目劃分為5個水土流失防治分區(qū)：風(fēng)機區(qū)、監(jiān)控中心區(qū)、集電線路區(qū)、道路區(qū)和施工營地區(qū)。將光電項目也劃分為5個水土流失防治區(qū)：光電池板布置區(qū)、管理區(qū)、其他防治區(qū)域（圍欄邊界區(qū)或供電線路區(qū)）、道路區(qū)和施工營地區(qū)（表3—4）。

表3 各風(fēng)電場建設(shè)施工擾動特征

表4 各光電工程建設(shè)施工擾動特征分析

由表3可以看出，風(fēng)電工程各防治分區(qū)擾動地表面積從大到小依次為：道路區(qū)（63.33%）＞風(fēng)機區(qū)（21.85%）＞集電線路區(qū)（10.47%）＞施工營地區(qū)（2.93%）＞監(jiān)控中心區(qū)（1.42%），光電工程各防治分區(qū)擾動地表面積從大到小依次為：光電池板布置區(qū)（68.72%）＞ 道 路 區(qū) （27.17%）＞ 其 他 防 治 區(qū)（1.77%）＞管理區(qū)（1.18%）＞施工營地區(qū)（1.15%）（表4）。風(fēng)電工程和光電工程道路區(qū)和風(fēng)機區(qū)（光電池板布置區(qū)）施工擾動面積分別占整個工程施工擾動面積80%和95%以上，說明道路區(qū)和風(fēng)機區(qū)（光電池板布置區(qū)）是風(fēng)電工程和光電工程施工擾動最大的區(qū)域。

道路作為風(fēng)機和光電池板運行期間巡視與檢修的通道，也是連接各風(fēng)機（光電池板）與監(jiān)控中心（管理區(qū)）之間的紐帶［6］。風(fēng)機區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組和箱變在風(fēng)電場區(qū)內(nèi)呈“點狀”分布，光電池板布置區(qū)呈現(xiàn)出“面狀”分布。風(fēng)電工程的道路區(qū)一般都是以風(fēng)機為中心，道路呈散射狀分布，而光電工程的道路都是以光伏方陣為中心，道路呈現(xiàn)出網(wǎng)格狀分布。

3.3 土石方開挖特征對比分析

風(fēng)電和光伏發(fā)電工程的共同特點是開挖量都較大，在施工過程中開挖一方面破壞了地表植被和結(jié)皮，導(dǎo)致地表裸露；另一方面破壞了土體結(jié)構(gòu)，使土體抗沖、蝕性能降低。因此按照不同防治分區(qū)對土石方量進(jìn)行了統(tǒng)計分析（表5—6）。

表5 各風(fēng)電場建設(shè)過程中土石方量計算結(jié)果

由表5—6可以看出，風(fēng)電工程各防治分區(qū)挖方量從大到小依次為風(fēng)機區(qū)（77.38%）＞道路區(qū)（13.76%）＞集電線路區(qū)（6.39%）＞監(jiān)控中心區(qū)（2.16%）＞施工營地區(qū)（0.32%），光電工程各防治分區(qū)挖方量從大到小依次為光電池板布置區(qū)（65.09%）＞道路區(qū)（30.45%）＞管理區(qū)（1.82%）＞施工營地區(qū)（1.48%）＞其他防治區(qū)（1.15%），風(fēng)電工程和光電工程道路區(qū)和風(fēng)機區(qū)（光電池板布置區(qū)）開挖量分別占工程總開挖量的90%和95%以上。因此這兩個區(qū)域是產(chǎn)生水土流失的主要部位，這些區(qū)域的基礎(chǔ)開挖、搬運和填筑等土建工程也是產(chǎn)生水土流失的重點環(huán)節(jié)。因此在施工過程中，應(yīng)提高土石方的調(diào)配利用率，避免土石方多次倒運。盡量縮短施工時間，開挖回填后立即進(jìn)行場地平整，以最大限度地減少施工過程中的水土流失。

表6 各光電工程建設(shè)過程中土石方量計算結(jié)果

3.4 水土流失影響指數(shù)對比分析

運用水土流失影響指數(shù)的計算方法［5］，根據(jù)設(shè)計和施工資料對數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，得到了每個工程7個影響因子的原始值，考慮到風(fēng)電工程和光電工程以及同類工程由于工程性質(zhì)和建設(shè)規(guī)?？赡茉斐傻挠绊懖⒉幌嗤?，因此以單位產(chǎn)能進(jìn)行折算和修正［7］（表7—8）。

表7 各風(fēng)電工程影響因子標(biāo)準(zhǔn)化值及水土流失影響指數(shù)SWII計算結(jié)果

表8 各光電工程影響因子標(biāo)準(zhǔn)化值及水土流失影響指數(shù)SWII計算結(jié)果

經(jīng)計算，風(fēng)電工程水土流失影響指數(shù)的最大值、最小值、平均值分別是0.584，0.201，0.314；本次計算的49.5MW 的風(fēng)電場的影響指數(shù)在0.410～0.584之間，100MW 的風(fēng)電場的影響指數(shù)為0.345，5個200MW的風(fēng)電場的影響指數(shù)在0.201～0.223之間?？梢钥闯?9.5MW風(fēng)電場和100MW風(fēng)電場的水土流失影響指數(shù)遠(yuǎn)高于200MW風(fēng)電場的水土流失影響指數(shù)，這主要是因為：首先本研究選取的3個49.5MW風(fēng)電場和1個100MW風(fēng)電場由于設(shè)計施工較早，大多于2009年設(shè)計施工，2010年完工，由于當(dāng)?shù)仫L(fēng)電基地的配套設(shè)施還不完備，導(dǎo)致施工期較長，很多施工工藝及工序未進(jìn)行優(yōu)化。而200MW的風(fēng)電場幾乎都是在2010年下半年開工建設(shè)，于2011年陸續(xù)完工，借鑒了前期風(fēng)電場的設(shè)計和施工經(jīng)驗，對施工工藝和工序進(jìn)行了優(yōu)化，總體上控制了施工擾動面積和挖填方量，而且風(fēng)電園區(qū)內(nèi)各項配套設(shè)施都相對比較完備，為施工提供了一個良好的環(huán)境，因此總體上施工期都較短，而施工期作為水土流失影響指數(shù)計算和評價的一個關(guān)鍵指標(biāo)（權(quán)重為0.158），它代表了開發(fā)建設(shè)項目對區(qū)域水土流失影響的時間長短，它的大小直接影響到水土流失影響指數(shù)的大小。其次以單位產(chǎn)能計算水土流失影響指數(shù)，49.5MW風(fēng)電場和一個100MW風(fēng)電場，雖然建設(shè)規(guī)模較小，但是監(jiān)控中心、施工營地和施工道路等配套工程同樣不可或缺，因此幾乎相同的施工擾動面積和開挖量，建設(shè)規(guī)模越小，單位產(chǎn)能計算水土流失影響指數(shù)就越大。因此造成了49.5MW風(fēng)電場和100 MW風(fēng)電場的水土流失影響指數(shù)遠(yuǎn)高于200MW風(fēng)電場的水土流失影響指數(shù)。

光電工程水土流失影響指數(shù)的最大值、最小值、平均值分別是0.689，0.229，0.419；本研究選取的9個光伏發(fā)電項目，其中4個9MW項目水土流失影響指數(shù)最小值為0.406，最大值為0.689，差異較大，7個影響因子中，施工期、挖填總量和未恢復(fù)植被面積差異較小，但是建設(shè)區(qū)面積、直接影響區(qū)和預(yù)測水土流失總量差異較大，這是由于水土流失影響指數(shù)較大的項目為了二期、三期工程的建設(shè)，征占的預(yù)留土地面積較大，并且一次性完成了場平工程，而且所在區(qū)域為沙壤土，植被覆蓋度低，土壤侵蝕模數(shù)較大，因此預(yù)測的水土流失量較大，以上3個因子直接導(dǎo)致水土流失影響指數(shù)的差異較大。

建設(shè)規(guī)模為20MW的兩個光電工程項目，水土流失影響指數(shù)差異不明顯，基本代表了這個建設(shè)規(guī)模的光伏發(fā)電項目的水土流失影響指數(shù)。50MW建設(shè)規(guī)模的3個光伏項目，水土流失影響指數(shù)最大的值0.229，最小值為0.313，查閱監(jiān)理監(jiān)測資料，最小值的項目作為當(dāng)?shù)厥痉缎皂椖?，壓縮了施工工期，并采用了條形樁基礎(chǔ)，雖然開挖量比最大值項目增加，但是建設(shè)區(qū)面積、直接影響區(qū)面積和未恢復(fù)面積也都比最大值項目減小，因此加權(quán)計算后水土流失影響指數(shù)較小。

綜合考慮各種影響因素，建議今后在對戈壁荒漠區(qū)的風(fēng)電和光伏工程建設(shè)的水土流失影響指數(shù)計算及評價時，以項目的的水土流失影響指數(shù)平均值（0.314和0.419）作為標(biāo)桿，對擬建風(fēng)電場和光伏發(fā)電工程的水土流失影響指數(shù)進(jìn)行對比分析。以單位產(chǎn)能計算，光電工程水土流失影響指數(shù)顯著高于風(fēng)電工程。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)電工程水土流失具有點、線、面侵蝕并存的特點。以點狀侵蝕為主；而光電工程主要表現(xiàn)為面狀侵蝕，侵蝕區(qū)域集中。

（2）風(fēng)電工程和光電工程道路區(qū)和風(fēng)機區(qū)（光電池板布置區(qū)）施工擾動面積分別占工程擾動總面積80%和95%以上，開挖量分別占工程開挖總量的90%和95%以上。因此風(fēng)電工程和光電工程的道路區(qū)和風(fēng)機區(qū)（光電池板布置區(qū)）是該類工程施工擾動最大的區(qū)域，這兩個區(qū)域的基礎(chǔ)開挖、搬運和填筑等土建工程也是產(chǎn)生水土流失的重點環(huán)節(jié)。

（3）以單位產(chǎn)能計算，光電工程的施工擾動面積和挖方量均高于風(fēng)電工程。戈壁荒漠區(qū)風(fēng)電工程和光電工程的的水土流失影響指數(shù)分別為0.314和0.419，即以單位產(chǎn)能計算，光電工程單位產(chǎn)能的水土流失影響顯著高于風(fēng)電工程。

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