基于GIS的石漠化區(qū)域光伏項目建設適宜容量估算
——以鎮(zhèn)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(tài)氣象和衛(wèi)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(tǒng)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(tǒng)的化石能源相比，太陽能具有資源豐富、環(huán)境污染小、可再生等優(yōu)點。隨著社會的進步，低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等一系列的熱門話題躍然紙上，太陽能光伏發(fā)電正是在這一背景下應運而生的。

太陽能光伏發(fā)電技術是將太陽能直接轉換為電能的一種發(fā)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(huán)保等優(yōu)點，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的應用[3]。與國外發(fā)達國家相比，我國的光伏發(fā)電行業(yè)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(nèi)需，光伏發(fā)電近些年在我國發(fā)展迅速，在一定程度上改善了我國傳統(tǒng)能源消耗的現(xiàn)狀，與之相關的科學研究及實際應用也呈現(xiàn)規(guī)范化、規(guī)模化上升態(tài)勢[4]。太陽能光伏發(fā)電在未來社會發(fā)展和能源結構中將發(fā)揮重要作用。大規(guī)模開發(fā)和應用太陽能光伏項目對逐步優(yōu)化能源結構、節(jié)約常規(guī)能源、改善生態(tài)環(huán)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(guī)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(qū)，省西南部和南部邊緣地區(qū)資源相對豐富。隨著光伏發(fā)電技術的不斷發(fā)展，性價比越發(fā)提高，加之政策的影響，鼓勵發(fā)展分布式光伏發(fā)電，貴州省光伏發(fā)電行業(yè)裝機容量迅猛增長，但與發(fā)達地區(qū)相比，貴州省太陽能資源利用仍較為落后，發(fā)展?jié)摿薮骩6-7]。在這樣的背景下，根據(jù)光伏項目建設需求，結合地表狀況，提取一個區(qū)域內(nèi)光伏建設適宜區(qū)，并對光伏裝機容量進行估算，能夠為該區(qū)域進行太陽能資源開發(fā)提供科學依據(jù)。

貴州地處典型的喀斯特地形地貌地區(qū)，絕大部分地區(qū)為山地，地形復雜，且石漠化區(qū)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(qū)域考慮在內(nèi)，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(shù)據(jù)與方法

1.1 資料

利用鎮(zhèn)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(shù)據(jù)、2019年16 m分辨率GF1號衛(wèi)星資料。

1.2 方法

本文中石漠化區(qū)域是利用GF-1影像數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)的巖石裸露率、植被狀況等劃分出石漠化等級，確定研究區(qū)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(qū)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(qū)巖石裸露率。對于GF系列數(shù)據(jù)，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(shù)NDVI，NDVI越大植被覆蓋度越高，歸一化植被指數(shù)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，F(xiàn)C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(qū)間的選取主要依賴于NDVI實際的變化區(qū)間，可通過實地測量或經(jīng)驗法獲取，較為通用的方法是選擇5%～95%的區(qū)間為置信區(qū)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(qū)域內(nèi)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(tǒng)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(zhì)調(diào)查局工作標準DD2004—02區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查總則》[10]進行，根據(jù)石漠化指數(shù)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(qū)表Tab.1 Division of rocky desertification grade

1.2.4 適宜容量估算 利用ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)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(qū)域總面積。

2 結果分析

2.1 日照時數(shù)

根據(jù)光伏項目建設要求，年日照時數(shù)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(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣區(qū)域年日照時數(shù)分布情況。由圖可見，3縣區(qū)域內(nèi)日照時數(shù)均大于1 100 h，整體表現(xiàn)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(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣年日照時數(shù)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(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)進行處理，提取坡度及坡向地形因子，并根據(jù)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(qū)域。

圖2為坡度劃分，3個縣絕大部分區(qū)域坡度在35°以下，其中鎮(zhèn)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(nèi)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(zhèn)寧、紫云縣均以20～35°面積為最大。

表2 鎮(zhèn)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(zhèn)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(fā)的坡向分布情況，表3為適宜坡向面積。經(jīng)計算坡向適宜區(qū)域(135°～225°)面積為1 875.8 km2，占鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣區(qū)域面積的28.2%，其中南坡(157.5°～202.5°)為最適宜區(qū)域，面積為921.7 km2，占適宜區(qū)域面積的49.2%。

圖3 鎮(zhèn)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(zhèn)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(qū)，絕大部分地區(qū)為山地，地形復雜，且山地環(huán)境復雜，光伏項目建設若選擇植被狀況好的林地或農(nóng)田進行開發(fā)，勢必對周圍生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(qū)域，尤其是石漠化區(qū)域作為光伏項目建設區(qū)域，不僅能夠盡可能避免或減小項目對生態(tài)環(huán)境的影響，甚至能夠為區(qū)域增加經(jīng)濟收入，起到經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護并行的良好效果。

利用鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣地質(zhì)分布圖，將區(qū)域內(nèi)碳酸鹽巖區(qū)(喀斯特區(qū))和非碳酸鹽巖區(qū)(非喀斯特區(qū))進行區(qū)分，利用2019年16 m分辨率GF1號衛(wèi)星資料，對歸一化植被指數(shù)(NDVI)和歸一化巖石指數(shù)(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(yè)遙感調(diào)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(qū)植被覆蓋度、巖石裸露率和土地覆蓋分布數(shù)據(jù)，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(qū)域內(nèi)巖溶石漠化分級分布遙感解譯結果。

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

圖4 鎮(zhèn)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(fā)區(qū)域面積提取及容量估算

綜合考慮日照時數(shù)、坡度坡向地形因子及喀斯特石漠化區(qū)域，利用GIS進行疊加計算，提取出鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣適宜進行光伏項目開發(fā)的區(qū)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(qū)域，為光伏項目建設適宜區(qū)；綠色為滿足日照及地形要求的輕度及以上石漠化區(qū)域，為更適宜項目建設區(qū)域。

圖5 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發(fā)區(qū)Fig.5 Photovoltaic project suitable for development zones in Zhenning , Ziyun and Guanling

表4 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發(fā)區(qū)域面積(單位：km2)

運用ArcGIS的表面體積計算工具，對區(qū)域表面積進行計算，結果如表4所示。鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發(fā)區(qū)域總面積為353.7 km2，其中有28.6%的區(qū)域為石漠化區(qū)。關嶺縣適宜建設面積為149.6 km2，占總面積42.3%；鎮(zhèn)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(zhèn)寧、紫云分別為1 402.5萬 kW、796.9萬 kW、1 116.6萬 kW。

表5 鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關嶺縣光伏項目適宜開發(fā)區(qū)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(wèi)星遙感資料，結合氣象臺站數(shù)據(jù)，根據(jù)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(qū)域進行精細化提取，并計算石漠化區(qū)域光伏項目適宜建設區(qū)域理論總裝機容量。結果顯示：安順市南部3縣石漠化區(qū)光伏項目適宜建設區(qū)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(zhèn)寧縣796.9萬 kW)，更適宜建設區(qū)域(石漠化區(qū)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(zhèn)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(qū)域理論總裝機容量的7.6%、更適宜建設區(qū)域(石漠化區(qū)域)理論總裝機容量的26.6%。

本文結果可為該區(qū)域內(nèi)光伏項目建設選址提供參考依據(jù)，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(shù)分布的計算上，僅使用了國家氣象臺站的日照時數(shù)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(qū)域本身生態(tài)環(huán)境較為脆弱，開展項目建設可能會更加破壞某些區(qū)域的生態(tài)，因此石漠化區(qū)域是否均適合開展光伏項目建設尚值得探討。