水面光伏電站對水域生態(tài)環(huán)境影響分析與對策

鄭志偉，史 方，彭建華，鄒 曦，胡 蓮，潘曉潔

（水利部中國科學(xué)院水工程生態(tài)研究所，水利部水工程生態(tài)效應(yīng)與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079）

當(dāng)前，光伏發(fā)電已經(jīng)成為我國清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。我國光伏產(chǎn)業(yè)近年來發(fā)展迅速，年均新增裝機(jī)量持續(xù)上揚(yáng)?！短柲馨l(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，在未來4年內(nèi)，太陽能發(fā)電裝機(jī)有望超過1.1億kW[1]。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘2]，其主要組件太陽電池板要占用一定的土地面積，因此光伏電站建設(shè)對土地需求較大，閑置土地如煤礦采空區(qū)、沙漠及鹽堿地等都成為可用之地[3]。我國水域資源豐富，湖泊、水庫眾多，利用豐富的水面資源建設(shè)光伏電站成為光伏發(fā)電領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，裝機(jī)容量呈現(xiàn)快速增長[4]。

水面光伏電站可以減少水面蒸發(fā)、抑制藻類繁殖，對水域生態(tài)環(huán)境具有一定保護(hù)作用[5]，但水面光伏電站施工期間擾動(dòng)水體，運(yùn)行期間遮擋光線，這些都會給水域生態(tài)環(huán)境帶來一定的負(fù)面影響。目前，除少數(shù)研究者探討了水面光伏電站對養(yǎng)殖池塘浮游生物影響[6]外，有關(guān)水面光伏電站對湖泊、水庫水質(zhì)、水生生物、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響鮮有報(bào)道。本文結(jié)合水面光伏電站的特點(diǎn)，簡述水面光伏電站對水域生態(tài)環(huán)境的影響，并提出有關(guān)對策和建議，為水面光伏電站的生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 水面光伏電站的原理及特點(diǎn)

水面光伏電站是指在湖泊、水庫、池塘等水面上建立的光伏電站。根據(jù)建設(shè)方式，可分為架高式水面光伏電站和漂浮式水面光伏電站兩大類[7]。架高式水面光伏電站是將光伏組件安裝在樁基頂層，一般建設(shè)在水深較淺（小于3 m）、水位變化小的水域，光伏組件下端離最高水位1 m以上，以便于船只通行。此類電站一般建在水產(chǎn)養(yǎng)殖較集中地區(qū)，采用水上發(fā)電、水下養(yǎng)殖的模式來實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)業(yè)的互補(bǔ)發(fā)展，有“漁光互補(bǔ)”模式之稱。漂浮式光伏電站是借助水上浮體、浮臺安裝光伏組件，一般建設(shè)在水深較大、不受臺風(fēng)影響的湖泊、水庫，利用水庫水面穩(wěn)定、面積大，且具備電網(wǎng)接入的便利條件，通過水電站的快速調(diào)節(jié)能力調(diào)節(jié)光和平滑伏電站出力，減少光伏電站出力隨天氣情況變化對系統(tǒng)的影響，有“水光互補(bǔ)”模式之稱。

與陸地光伏電站相比，水面光伏電站不占用耕地、林地等土地資源。同時(shí)，水面光伏電站建設(shè)場地——湖泊、水庫、池塘或采礦塌陷區(qū)周邊環(huán)境開闊，便于光伏組件集中布置和管理；水域表面灰塵相對較少，清洗方便，對運(yùn)維管理，保障發(fā)電量均有利。此外，水面的反射率遠(yuǎn)高于地面環(huán)境，相同面積條件下水面光伏電站發(fā)電量可提高7%～12%[8]。

2 水面光伏電站對水域生態(tài)環(huán)境的影響分析

水面光伏電站的生態(tài)影響可分為施工期和運(yùn)行期。施工期水上作業(yè)過程產(chǎn)生的懸浮物、噪聲等對水環(huán)境和生物體產(chǎn)生直接干擾，進(jìn)而對水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成影響。運(yùn)行期影響則是由于水面光伏組件的遮光效應(yīng)，直接影響水溫變化和浮游植物的光合效率、初級生產(chǎn)力，進(jìn)而影響水生生物的生長、繁殖以及上行效應(yīng)、下行效應(yīng)，原有的水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能隨之改變。此外，光伏組件長期浸泡在水中會導(dǎo)致水體污染風(fēng)險(xiǎn)增大。

2.1 對浮游生物的影響

架高式水面光伏電站施工過程中，局部水域懸浮物濃度短暫升高，一方面降低了水體的透光率，使得浮游植物等初級生產(chǎn)者生物總量出現(xiàn)下降，導(dǎo)致以浮游植物為食的浮游動(dòng)物在單位水體所擁有的生物量相應(yīng)出現(xiàn)減少；另一方面，水中過量的懸浮物會堵塞橈足類等浮游動(dòng)物的食物過濾系統(tǒng)和消化器官[9]，濾食性浮游動(dòng)物可能會攝入大量泥砂，造成其消化系統(tǒng)紊亂而死亡。

水面光伏電站運(yùn)行過程中，長期遮光及其導(dǎo)致的水溫變化對浮游生物的影響是比較大的。太陽福射是浮游植物進(jìn)行光合作用的根本能量來源，光照的強(qiáng)弱決定著單細(xì)胞藻類光合效率[10]，水面光伏組件遮光阻礙了部分藻類等浮游植物的光合作用，降低了浮游植物等初級生產(chǎn)者的生產(chǎn)力，使得浮游植物等初級生產(chǎn)者生物總量下降，導(dǎo)致以浮游植物為食的浮游動(dòng)物在單位水體所擁有的生物量相應(yīng)出現(xiàn)減少。此外，遮光導(dǎo)致水溫結(jié)構(gòu)和變幅發(fā)生改變，亦會引起生物群落的改變，優(yōu)勢種群發(fā)生變化。

2.2 對魚類的影響

水面光伏電站施工過程中，占用部分水面，會對施工區(qū)域魚類資源、魚類產(chǎn)卵及覓食造成一定影響，但影響并不大。運(yùn)行過程中，水面光伏電站對魚類的影響主要包括兩個(gè)層面：一是遮光導(dǎo)致浮游生物生物量減少，導(dǎo)致魚類餌料生物減少，影響魚類的正常生長、發(fā)育；二是光照減弱和水溫變幅的改變直接影響魚類生長發(fā)育過程。許多研究表明，魚類在其性腺發(fā)育過程中，光照和溫度都起了重要作用[11]，如金魚在長光照下及在冬春季節(jié)給以高溫能誘導(dǎo)性腺成熟，光照周期的長期改變能影響鯉魚的呼吸率等。因此，光伏組件在水面的布置可能影響魚類生活史過程并導(dǎo)致其種群發(fā)生改變。

2.3 對沉水植物的影響

沉水植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和主要的初級生產(chǎn)者之一。在淺水型湖泊、水塘等水體中，沉水植物生物量大、種類多、群落分布廣，對于維持水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的循環(huán)和傳遞發(fā)揮著極其重要的作用。在各種環(huán)境因子中，光照強(qiáng)度被認(rèn)為是影響沉水植物生長和分布的重要因子之一。很多研究指出，水體光照強(qiáng)度的減弱可能是沉水植物消失的根本原因[12]，光照強(qiáng)度不僅影響沉水植物的光合作用，對黑藻、苦草等一年生沉水植物特殊營養(yǎng)繁殖體的季節(jié)性再生也起著重要的作用[13]。水面光伏組件的布置，可能會導(dǎo)致水環(huán)境中沉水植物生物量損失，并使其種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

2.4 對水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)化效率的影響

初級生產(chǎn)力是水體生物生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，是食物鏈的第一個(gè)環(huán)節(jié)[14]，水面光伏組件遮光導(dǎo)致浮游生物初級生產(chǎn)力降低、生物量減少，會通過營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng)對水體中的其他魚類和生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等過程產(chǎn)生深刻影響。研究者普遍認(rèn)為食物鏈的長短受能流損失和能量最低要求的限制，太少的能量無法維持更高一級的營養(yǎng)類群，能量假說亦認(rèn)為系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力越高，食物鏈就越長。由此可認(rèn)為：水面陽光直射面積減少可能導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈縮短，食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)化效率發(fā)生改變，但由于遮光對整個(gè)水生生態(tài)食物鏈的影響是多環(huán)節(jié)、多層次的，這種改變的方向和形式尚無定論。

2.5 對水質(zhì)及水體自凈能力的影響

水面光伏電站對水質(zhì)的影響主要包括兩個(gè)層面，一是浮體材料的污染物釋放，二是遮光對水體溶解氧及自凈能力的影響。

在漂浮式光伏電站方案中，水面光伏組件的浮體絕大多數(shù)采用高密度聚乙烯材質(zhì)，長期的暴曬、風(fēng)化、浸泡可能導(dǎo)致其緩慢釋放有機(jī)烴類污染物，亦可能釋放微塑料顆粒。微塑料作為一種新型污染物，已受到國內(nèi)外學(xué)者和公眾的廣泛關(guān)注[15]。微塑料一旦在淡水生物體內(nèi)累積后，會造成各種物理性損傷，并最終可能會通過食物鏈影響到人類，造成無法預(yù)知的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

藻類進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的氧氣占到水中溶解氧的70%左右[16]，在溶解氧存在的條件下，通過微生物的作用，能使有機(jī)污染物氧化分解為簡單的無害化合物，即生物自凈過程。如果消耗掉的氧不能得到及時(shí)補(bǔ)充，則水中的溶解氧逐漸減少，此時(shí)厭氧菌就會大量繁殖，使有機(jī)物腐敗，水體就要變臭，所以溶解氧的多寡是反映水體生物自凈能力的主要指標(biāo)，也是反映水體污染程度的一個(gè)指標(biāo)。水面光伏組件通過遮光影響浮游植物的光合作用，進(jìn)而影響水體溶解氧濃度，會導(dǎo)致水環(huán)境中有機(jī)污染物的生物自凈能力減弱。

3 有關(guān)對策和建議

3.1 合理的設(shè)計(jì)和施工方案

在工程設(shè)計(jì)階段，應(yīng)樹立水生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識，對于大型湖泊、水庫等水體，需開展水生態(tài)環(huán)境本底調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括水文、水質(zhì)、底質(zhì)、水生生物等，分析水面光伏電站建設(shè)及運(yùn)行可能引起的水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的時(shí)空規(guī)律，預(yù)測演變趨勢；光伏組件布置選址時(shí)應(yīng)回避重要生境區(qū)域，避免水生生物因無法完成正常的生活史而出現(xiàn)種群衰退；水面光伏組件覆蓋水面的面積比例、布置方式應(yīng)考慮維持水生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)原則；架高式方案的水下樁基和漂浮式方案的浮體材料應(yīng)優(yōu)選，除一般的生命周期長、衰減率低、散熱和絕緣性能好、耐候性和耐腐蝕性強(qiáng)等要求外，還應(yīng)具有環(huán)境友好性，避免因污染物緩慢釋放而導(dǎo)致水體污染和通過食物鏈累計(jì)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

在施工階段，對于架高式方案，應(yīng)首選排水、晾干場地后再打樁的作業(yè)方式，如必須采用船舶打樁，應(yīng)構(gòu)建臨時(shí)圍隔，盡量減小施工影響范圍；對于漂浮式方案，水面作業(yè)的時(shí)間和范圍避開水生生物產(chǎn)卵、繁殖和育幼等活動(dòng)的高峰期和生態(tài)敏感區(qū)，作業(yè)前監(jiān)測工程區(qū)域水生動(dòng)物活動(dòng)情況，進(jìn)行人工驅(qū)趕。不同方案在施工時(shí)均應(yīng)選擇先進(jìn)的施工工藝以及低噪音船舶機(jī)械等，降低施工噪音、減小懸浮物影響范圍、縮短現(xiàn)場施工期限，采用防污簾控制作業(yè)范圍，妥善處理各種廢棄物，避免水污染物和固體廢物排放。

3.2 開展水生態(tài)監(jiān)測

對于大型湖泊、水庫的水面光伏電站工程，應(yīng)組織開展水生態(tài)跟蹤監(jiān)測，包括：工程所在水域的魚類組成及資源量變化、魚類產(chǎn)卵場和主要活動(dòng)區(qū)域的變化，以及浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物和水生維管植物的種類和分布等，掌握工程建設(shè)前后水生生物群落結(jié)構(gòu)變化的時(shí)空規(guī)律，預(yù)測不良趨勢并及時(shí)發(fā)布警報(bào)，分析水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對水面光伏組件布置的響應(yīng)和適應(yīng)過程，為后續(xù)水面光伏電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3.3 加強(qiáng)水面光伏電站對水域生態(tài)環(huán)境影響研究

目前，國內(nèi)在水面光伏電站對水域生態(tài)環(huán)境影響方面的研究非常稀少，除少數(shù)研究者探討了“漁光一體”養(yǎng)殖模式和光伏組件對養(yǎng)殖池塘浮游生物影響[6]外，其余有關(guān)水面光伏組件布置對水質(zhì)、水生生物以及水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化影響的研究鮮有報(bào)道，這與近年來水面光伏產(chǎn)業(yè)如火如荼的發(fā)展勢頭極不相稱，亟須開展大型水面光伏組件對水域生態(tài)環(huán)境影響的有關(guān)研究，以保障水面光伏產(chǎn)業(yè)科學(xué)、綠色發(fā)展。筆者認(rèn)為，研究方向主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）水面漂浮物對浮游生物的影響及水面適宜覆蓋面積

定量研究光照對浮游植物光合效率和生長速度的作用，研究不同遮光面積比例對固定水體表面積中浮游植物密度和生物量的影響；計(jì)算浮游植物光合作用產(chǎn)生的氧和自由水面空氣復(fù)氧在水體溶解氧含量中的比例，分析浮游植物生物量變化對水體中溶解氧含量及水體自凈能力的影響；根據(jù)浮游植物對水面漂浮物的響應(yīng)分析維持水體自凈能力的水面光伏組件覆蓋面積。

（2）水下樁基對魚類棲息地的影響及生態(tài)化技術(shù)

研究不同類型水下樁基結(jié)構(gòu)和布局對魚類棲息地的影響，評價(jià)樁基施工所產(chǎn)生的噪音、懸浮物對魚類棲息地的短期影響，分析不同生態(tài)型魚類空間分布和集群行為對樁基結(jié)構(gòu)和布局的響應(yīng)；根據(jù)水下樁基對魚類的集群效應(yīng)提出其施工的適宜時(shí)間、施工方式，以及兼顧魚類繁殖、庇護(hù)、索餌等生長棲息需求的“魚礁式”水下樁基構(gòu)建方案。

（3）水面光伏電站引起的水溫結(jié)構(gòu)變化對魚類生長繁殖的影響

研究單位面積水面光伏運(yùn)行引起的水溫結(jié)構(gòu)變化，不同水面光伏布局對水溫的時(shí)間和空間累積效應(yīng)，光伏組件布置方式與水溫結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系；根據(jù)溫度在魚類生活史不同階段的作用與魚類的響應(yīng)機(jī)制，辨析光伏組件引起的水溫結(jié)構(gòu)變化對魚類生長繁殖的影響，提出緩解水溫結(jié)構(gòu)變化對魚類資源影響的技術(shù)措施。

（4）水面光伏對水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)化效率的影響

根據(jù)浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲生物和魚類之間的攝食關(guān)系，以及不同類群間的餌料貢獻(xiàn)率構(gòu)建典型水域的食物網(wǎng)模型，通過混合營養(yǎng)影響分析評價(jià)食物網(wǎng)中特定類群生物量變化對其他生物類群的影響，基于水面光伏對特定生物類群的影響評價(jià)其對水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)化效率的影響。

4 結(jié)語

我國湖泊、水庫、水塘等各種類型水體眾多，發(fā)展水面光伏電站可以緩解土地因素的束縛，拓寬光伏發(fā)電的應(yīng)用，優(yōu)勢明顯。但同時(shí)其在水域生態(tài)方面的影響需要解決完善的問題也較多，特別是大型湖泊、水庫水體，對于水面光伏發(fā)電在水生態(tài)環(huán)境方面的影響應(yīng)正視而非回避。在設(shè)計(jì)和施工階段，樹立生態(tài)保護(hù)意識，積極避免不利影響，同時(shí)加強(qiáng)生態(tài)監(jiān)測，分析水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對水面光伏組件布置的響應(yīng)和適應(yīng)過程。此外，深入研究水面漂浮物對水質(zhì)、水生生物以及水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響，提出水面適宜覆蓋面積比例，篩選生態(tài)型、環(huán)境友好型的樁基和浮體材料，對于水面光伏產(chǎn)業(yè)的健康、綠色發(fā)展是必要的。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，新材料、新技術(shù)、新工藝不斷創(chuàng)新進(jìn)步，水面光伏電站在水域生態(tài)環(huán)境影響方面遇到的問題必然能得到合理解決，相信未來水上光伏電站會得到更加科學(xué)的發(fā)展應(yīng)用。