基于GIS的石漠化區域光伏項目建設適宜容量估算
——以鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣為例

段 瑩，廖留峰，楊 娟，詹沛剛

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

0 引 言

地球與大氣系統最重要的能量來源于太陽輻射，占人類從地面所能采集到的能源中的99.98%，太陽能可轉換的電能相當于目前世界平均消費電能的幾十萬倍[1]。與傳統的化石能源相比，太陽能具有資源豐富、環境污染小、可再生等優點。隨著社會的進步，低碳、環保、可持續發展等一系列的熱門話題躍然紙上，太陽能光伏發電正是在這一背景下應運而生的。

太陽能光伏發電技術是將太陽能直接轉換為電能的一種發電方式[2]，其具有建設周期短、適應范圍廣、運營維護量小和清潔環保等優點，在全球范圍內已經得到了廣泛的應用[3]。與國外發達國家相比，我國的光伏發電行業起步較晚，但隨著我國政府的重視，出臺了一系列的激勵政策不斷拉動內需，光伏發電近些年在我國發展迅速，在一定程度上改善了我國傳統能源消耗的現狀，與之相關的科學研究及實際應用也呈現規范化、規模化上升態勢[4]。太陽能光伏發電在未來社會發展和能源結構中將發揮重要作用。大規模開發和應用太陽能光伏項目對逐步優化能源結構、節約常規能源、改善生態環境、解決能源短缺問題具有重大意義，開展太陽能資源評估研究已成為一項緊迫而重要的任務。

對太陽能資源利用潛力進行評價，是進行太陽能規劃的前提[5]。就貴州省太陽能資源分布情況來看，貴州省全年太陽能資源總量主要處于資源豐富和資源一般2個等級，在全國屬于低值區，省西南部和南部邊緣地區資源相對豐富。隨著光伏發電技術的不斷發展，性價比越發提高，加之政策的影響，鼓勵發展分布式光伏發電，貴州省光伏發電行業裝機容量迅猛增長，但與發達地區相比，貴州省太陽能資源利用仍較為落后，發展潛力巨大[6-7]。在這樣的背景下，根據光伏項目建設需求，結合地表狀況，提取一個區域內光伏建設適宜區，并對光伏裝機容量進行估算，能夠為該區域進行太陽能資源開發提供科學依據。

貴州地處典型的喀斯特地形地貌地區，絕大部分地區為山地，地形復雜，且石漠化區域分布較廣。進行光伏評估時，在選取滿足光伏項目建設基本條件的基礎上，重點將種植條件差的石漠化區域考慮在內，盡量不占用或少占用林地和耕地，更大地提高光伏建設的合理性和有效性。

1 數據與方法

1.1 資料

利用鎮寧縣、關嶺縣、紫云縣近30 a(1990—2019年)氣象站點資料、30 m×30 m分辨率DEM數據、2019年16 m分辨率GF1號衛星資料。

1.2 方法

本文中石漠化區域是利用GF-1影像數據獲取研究區的巖石裸露率、植被狀況等劃分出石漠化等級，確定研究區石漠化分布狀況[8-9]。

1.2.1 巖石裸露率 巖石裸露作為石漠化地區最顯著的特征，在石漠化信息的提取中有著至關重要的作用，研究采用遙感影像解譯來獲取研究區巖石裸露率。對于GF系列數據，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，且“巖石(土體)裸露程度=1-植被覆蓋度”，因此通過植被覆蓋度的變化程度對巖石裸露率進行計算。

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弱。植被覆蓋度是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標，反映了植被覆蓋情況，有植被覆蓋的土地會減少水土流失。

計算植被覆蓋度，首先要計算歸一化植被指數NDVI，NDVI越大植被覆蓋度越高，歸一化植被指數是近紅外波段與可見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，FC為植被覆蓋度，NDVImin為對應5%的覆蓋度NDVI的值，NDVImax為對應95%的覆蓋度NDVI的值。置信區間的選取主要依賴于NDVI實際的變化區間，可通過實地測量或經驗法獲取，較為通用的方法是選擇5%～95%的區間為置信區間，可將大部分純植被象元和純非植被象元以及異常值過濾，最終得到區域內FC分布圖。

1.2.3 石漠化等級評價標準 目前為止，石漠化強度等級劃分還沒有嚴格的標準，也沒有統一的評價體系。不同的學者其研究的角度、方法不同，石漠化分類方法亦不同。本研究評價方法參照《中國地質調查局工作標準DD2004—02區域環境地質調查總則》[10]進行，根據石漠化指數和基巖裸露率劃分出石漠化等級(表1)。

表1 石漠化等級分區表Tab.1 Division of rocky desertification grade

1.2.4 適宜容量估算 利用ArcGIS軟件對數據進行處理，得到光伏電站建設各項條件(如坡度、坡向分布等)，并進行圖層疊加和面積計算，提取滿足建設基本條件和石漠化程度的適宜建設區域總面積。

2 結果分析

2.1 日照時數

根據光伏項目建設要求，年日照時數必須大于等于950 h。利用最近30 a(1990—2019年)氣象站點資料，運用克里金法進行插值，計算出鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣區域年日照時數分布情況。由圖可見，3縣區域內日照時數均大于1 100 h，整體表現為由東向西增大形勢，其中關嶺中東部超過1 300 h，均達到光伏項目建設要求。

圖1 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣年日照時數分布Fig.1 Distribution of annual sunshine hours in Zhenning,Ziyun and Guanling

2.2 坡度及坡向

光伏項目建設要求，坡度需不大于35°，坡向以南坡為最佳，可向西南坡、東南坡擴展，適宜坡向為135°～225°之間。利用ArcGIS對安順市鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣30 m×30 m分辨率DEM數據進行處理，提取坡度及坡向地形因子，并根據光伏項目建設要求，提取滿足坡度小于35°及坡向介于135°～225°之間的區域。

圖2為坡度劃分，3個縣絕大部分區域坡度在35°以下，其中鎮寧北部、關嶺中北部等地坡度較小，關嶺東南部、紫云西北及東南部坡度則相對較大。表2為不同坡度對應面積，3個縣內坡度符合光伏項目建設要求的總面積達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1 985.8 km2，10～20°次之。除關嶺10～20°面積最大外，鎮寧、紫云縣均以20～35°面積為最大。

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

圖2 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣坡度劃分Fig.2 Slope division of Zhenning , Ziyun and Guanling

圖3為適宜光伏項目開發的坡向分布情況，表3為適宜坡向面積。經計算坡向適宜區域(135°～225°)面積為1 875.8 km2，占鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣區域面積的28.2%，其中南坡(157.5°～202.5°)為最適宜區域，面積為921.7 km2，占適宜區域面積的49.2%。

圖3 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜坡向分布Fig.3 Photovoltaic projects suitable for slope distribution in Zhenning, Ziyun and Guanling

表3 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣適宜坡向面積(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，絕大部分地區為山地，地形復雜，且山地環境復雜，光伏項目建設若選擇植被狀況好的林地或農田進行開發，勢必對周圍生態環境及農業生產造成一定影響。因此充分利用耕作條件不佳、植被生長較難的喀斯特區域，尤其是石漠化區域作為光伏項目建設區域，不僅能夠盡可能避免或減小項目對生態環境的影響，甚至能夠為區域增加經濟收入，起到經濟發展與生態保護并行的良好效果。

利用鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣地質分布圖，將區域內碳酸鹽巖區(喀斯特區)和非碳酸鹽巖區(非喀斯特區)進行區分，利用2019年16 m分辨率GF1號衛星資料，對歸一化植被指數(NDVI)和歸一化巖石指數(NDRI)進行波段運算提取，分別計算植被覆蓋度和巖石裸露率，在石漠化外業遙感調查基礎上，建立石漠化斑塊遙感信息提取的解譯標志和精度評價樣地。在此基礎上，利用喀斯特區植被覆蓋度、巖石裸露率和土地覆蓋分布數據，運用決策樹分類方法提取石漠化斑塊信息，按石漠化分級標準，最終得到區域內巖溶石漠化分級分布遙感解譯結果。

結果顯示(圖4)，除鎮寧中部局部及南部、紫云中東部及西南部為非喀斯特區外，其余大部均為喀斯特區，喀斯特區域內存在不同程度石漠化，其中關嶺西部、鎮寧北部等地石漠化程度較重。喀斯特區域內均可作為光伏項目建設適宜區，其中輕度以上石漠化區域為更適宜的區域。

圖4 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣喀斯特石漠化分級情況Fig.4 Grade of Rocky Desertification in Zhenning, Ziyun and Guanling

2.4 光伏項目適宜開發區域面積提取及容量估算

綜合考慮日照時數、坡度坡向地形因子及喀斯特石漠化區域，利用GIS進行疊加計算，提取出鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣適宜進行光伏項目開發的區域。如圖5所示，其中藍色為滿足日照及地形要求的喀斯特無明顯石漠化區域，為光伏項目建設適宜區；綠色為滿足日照及地形要求的輕度及以上石漠化區域，為更適宜項目建設區域。

圖5 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發區Fig.5 Photovoltaic project suitable for development zones in Zhenning , Ziyun and Guanling

表4 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發區域面積(單位：km2)

運用ArcGIS的表面體積計算工具，對區域表面積進行計算，結果如表4所示。鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發區域總面積為353.7 km2，其中有28.6%的區域為石漠化區。關嶺縣適宜建設面積為149.6 km2，占總面積42.3%；鎮寧為85 km2，占24%；紫云為119.1 km2，占33.7%。

按照常用單位面積裝機容量5萬 kW/53.33 hm2計算(表5)，總適宜裝機容量可達3 315.9萬 kW，其中關嶺、鎮寧、紫云分別為1 402.5萬 kW、796.9萬 kW、1 116.6萬 kW。

表5 鎮寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發區域總裝機容量(單位：萬kW)Tab.5 Photovoltaic project suitable for the development of regional total capacity in Zhenning , Ziyun and Guanling

3 小結與討論

本文采用高分辨率衛星遙感資料，結合氣象臺站數據，根據光伏電站建設基本條件，結合喀斯特石漠化分布情況，對安順市南部3縣光伏項目適宜建設區域進行精細化提取，并計算石漠化區域光伏項目適宜建設區域理論總裝機容量。結果顯示：安順市南部3縣石漠化區光伏項目適宜建設區域總裝機容量可達3 315.9萬 kW(其中，關嶺縣1 402.5萬 kW，紫云縣1 116.6萬 kW，鎮寧縣796.9萬 kW)，更適宜建設區域(石漠化區域)裝機容量也可達949.7萬 kW(其中，關嶺縣480.9萬 kW，紫云縣237.2萬 kW，鎮寧縣231.6萬 kW)。目前已建或擬建總裝機容量為252.6萬 kW，占適宜建設區域理論總裝機容量的7.6%、更適宜建設區域(石漠化區域)理論總裝機容量的26.6%。

本文結果可為該區域內光伏項目建設選址提供參考依據，具有很好的科學意義。但該技術方法屬首次探索，尚存在值得討論的問題：一是日照時數分布的計算上，僅使用了國家氣象臺站的日照時數進行插值，方法較為簡單，空間分辨率較低，可采用復雜山地地形下太陽輻射的計算方法，能更充分的考慮貴州山地的坡度和坡向特點，對太陽能資源進行精細化計算；二是石漠化區域本身生態環境較為脆弱，開展項目建設可能會更加破壞某些區域的生態，因此石漠化區域是否均適合開展光伏項目建設尚值得探討。