戈壁荒漠區風電及光伏發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 水利水電學院，陜西 西安710048；2.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州730020）

甘肅省風能和太陽能資源豐富，開發利用前景廣闊。近年來，大力發展風電和光電產業不僅有效減少了常規能源的消耗，而且還促進了當地旅游業和經濟的可持續發展。但是風電和光電工程作為開發建設項目新的建設形式，在其建設過程中難免造成了一些新的水土流失［1］，尤其是對于生態環境脆弱的河西走廊戈壁荒漠區。鑒于戈壁荒漠區風電及光伏發電工程對區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［3－4］，仍然有許多關鍵問題亟待解決。本研究以酒泉市戈壁荒漠區的18個典型風電和光電工程作為研究對象，通過收集資料與現場監測相結合的方法獲取了工程性質、占地面積、挖填方量及施工工藝等資料，對風電工程和光電工程不同防治分區的影響因素和水土流失特征進行對比研究，為戈壁荒漠區風電和光電工程建設過程中的水土流失防治提供理論參考和技術支撐。

1 研究區概況

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。地形地貌由山區河流搬運下來的物質堆積于山前，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2 550～3 500h，光照資源豐富。風電和光電工程集中連片區域地表均為戈壁礫石及細砂所覆蓋。土壤類型主要有灌淤土、風沙土、灰棕荒漠土、鹽土等土類，表層松散，結構疏松，有機質含量低，抗沖性和抗蝕性差，遇暴雨和大風極易造成水土流失。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電場和光電工程各9個作為研究對象，其中風電工程建設規模為49.5MW的風電場3個，100MW風電場1個，200MW風電場5個，分別位于風電場分布集中連片的瓜州干河口片區、瓜州北大橋片區和玉門橋灣及地窩鋪片區，單機容量均為1.5 MW；光電工程建設規模為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、金塔紅柳洼片區和高臺高崖子灘片區，單個光伏方陣均為1MW。工程區周圍均沒有居民分布，也沒有工礦企業建筑及道路、水渠等基礎設施，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計文件，利用1∶10 000地形圖和工程平面布置圖現場調查，采用手持GPS，激光測距儀和皮尺等工具，按不同防治分區對主體工程、臨時工程以及配套的服務設施在建設期的擾動地表、占壓土地面積分別進行測量和統計分析。

2.2 開挖、回填和堆土量的測定

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

2.3 水土流失影響指數的計算及評價標準

水土流失影響指數是將水土保持損益分析中的關鍵影響指標（或變量）進行加權后求和，得到的用于反映建設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、計算和評價開發建設項目水土保持損益的核心，是定量評價、評判開發建設項目水土保持得失的結論性指標［5］。

3 結果與分析

3.1 水土流失特征對比分析

為了對比研究風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，考慮到由于建設規模不同可能造成的影響并不相同，本研究以單位產能對其數據進行了折算。

如表1—2所示，對比研究風電工程和光電工程，施工擾動面積和開挖量隨著工程建設規模的擴大而增加，風電工程裝機規模為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 各風電工程概況

表2 各光電工程概況

以單位產能計算，風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電工程，這是由于風電工程在建設過程中施工擾動呈現出點狀侵蝕的特征，而光電工程雖然多呈現出面狀侵蝕特征，但是由于主要防治區域光電池板布置區多呈現出“地毯式”的開挖，對所建設區域幾乎是全面擾動。因此以單位產能來說光電工程的施工擾動面積和挖方量遠高于風電工程。

3.2 施工擾動特征對比分析

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

表3 各風電場建設施工擾動特征

表4 各光電工程建設施工擾動特征分析

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

道路作為風機和光電池板運行期間巡視與檢修的通道，也是連接各風機（光電池板）與監控中心（管理區）之間的紐帶［6］。風機區風力發電機組和箱變在風電場區內呈“點狀”分布，光電池板布置區呈現出“面狀”分布。風電工程的道路區一般都是以風機為中心，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，道路呈現出網格狀分布。

3.3 土石方開挖特征對比分析

風電和光伏發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皮，導致地表裸露；另一方面破壞了土體結構，使土體抗沖、蝕性能降低。因此按照不同防治分區對土石方量進行了統計分析（表5—6）。

表5 各風電場建設過程中土石方量計算結果

由表5—6可以看出，風電工程各防治分區挖方量從大到小依次為風機區（77.38%）＞道路區（13.76%）＞集電線路區（6.39%）＞監控中心區（2.16%）＞施工營地區（0.32%），光電工程各防治分區挖方量從大到小依次為光電池板布置區（65.09%）＞道路區（30.45%）＞管理區（1.82%）＞施工營地區（1.48%）＞其他防治區（1.15%），風電工程和光電工程道路區和風機區（光電池板布置區）開挖量分別占工程總開挖量的90%和95%以上。因此這兩個區域是產生水土流失的主要部位，這些區域的基礎開挖、搬運和填筑等土建工程也是產生水土流失的重點環節。因此在施工過程中，應提高土石方的調配利用率，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 各光電工程建設過程中土石方量計算結果

3.4 水土流失影響指數對比分析

運用水土流失影響指數的計算方法［5］，根據設計和施工資料對數據進行了整理，得到了每個工程7個影響因子的原始值，考慮到風電工程和光電工程以及同類工程由于工程性質和建設規?？赡茉斐傻挠绊懖⒉幌嗤?，因此以單位產能進行折算和修正［7］（表7—8）。

表7 各風電工程影響因子標準化值及水土流失影響指數SWII計算結果

表8 各光電工程影響因子標準化值及水土流失影響指數SWII計算結果

經計算，風電工程水土流失影響指數的最大值、最小值、平均值分別是0.584，0.201，0.314；本次計算的49.5MW 的風電場的影響指數在0.410～0.584之間，100MW 的風電場的影響指數為0.345，5個200MW的風電場的影響指數在0.201～0.223之間。可以看出49.5MW風電場和100MW風電場的水土流失影響指數遠高于200MW風電場的水土流失影響指數，這主要是因為：首先本研究選取的3個49.5MW風電場和1個100MW風電場由于設計施工較早，大多于2009年設計施工，2010年完工，由于當地風電基地的配套設施還不完備，導致施工期較長，很多施工工藝及工序未進行優化。而200MW的風電場幾乎都是在2010年下半年開工建設，于2011年陸續完工，借鑒了前期風電場的設計和施工經驗，對施工工藝和工序進行了優化，總體上控制了施工擾動面積和挖填方量，而且風電園區內各項配套設施都相對比較完備，為施工提供了一個良好的環境，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計算和評價的一個關鍵指標（權重為0.158），它代表了開發建設項目對區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的大小。其次以單位產能計算水土流失影響指數，49.5MW風電場和一個100MW風電場，雖然建設規模較小，但是監控中心、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，建設規模越小，單位產能計算水土流失影響指數就越大。因此造成了49.5MW風電場和100 MW風電場的水土流失影響指數遠高于200MW風電場的水土流失影響指數。

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

建設規模為20MW的兩個光電工程項目，水土流失影響指數差異不明顯，基本代表了這個建設規模的光伏發電項目的水土流失影響指數。50MW建設規模的3個光伏項目，水土流失影響指數最大的值0.229，最小值為0.313，查閱監理監測資料，最小值的項目作為當地示范性項目，壓縮了施工工期，并采用了條形樁基礎，雖然開挖量比最大值項目增加，但是建設區面積、直接影響區面積和未恢復面積也都比最大值項目減小，因此加權計算后水土流失影響指數較小。

綜合考慮各種影響因素，建議今后在對戈壁荒漠區的風電和光伏工程建設的水土流失影響指數計算及評價時，以項目的的水土流失影響指數平均值（0.314和0.419）作為標桿，對擬建風電場和光伏發電工程的水土流失影響指數進行對比分析。以單位產能計算，光電工程水土流失影響指數顯著高于風電工程。

4 結論

（1）風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為面狀侵蝕，侵蝕區域集中。

（2）風電工程和光電工程道路區和風機區（光電池板布置區）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。因此風電工程和光電工程的道路區和風機區（光電池板布置區）是該類工程施工擾動最大的區域，這兩個區域的基礎開挖、搬運和填筑等土建工程也是產生水土流失的重點環節。

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

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