莊艷麗，羅立輝*，董六文，董龍翔，余曄，高曉清

1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，臨澤內(nèi)陸河流域研究站，蘭州 730000

2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046

3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，寒旱區(qū)陸面過程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

引 言

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。為緩解能源危機(jī)和應(yīng)對全球氣候變暖，大力發(fā)展可再生能源已成為重要國際共識之一[1-2]。截至 2017年底，全球累計(jì)光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量已達(dá)405 GW，風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)539 GW，我國光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到130.25 GW，風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到163.67 GW。預(yù)計(jì)到2030年，我國太陽能、風(fēng)電等新能源裝機(jī)總量將達(dá)到2874 GW。其中，風(fēng)電裝機(jī)約占63%，光伏占比將維持約17%。風(fēng)能和光伏發(fā)電已成為引領(lǐng)能源轉(zhuǎn)型、應(yīng)對氣候變化的重要手段[3]。在大規(guī)模開發(fā)風(fēng)能太陽能資源的背景下，為了全面認(rèn)識風(fēng)電場和光伏電站的生態(tài)氣候和環(huán)境效應(yīng)，國際上已經(jīng)開始研究風(fēng)電場和光伏電站運(yùn)行對局地、區(qū)域甚至全球生態(tài)環(huán)境的影響，但是認(rèn)識還不統(tǒng)一[4]。為了風(fēng)電光伏產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展，亟需弄清風(fēng)電場和光伏電站建設(shè)和運(yùn)營對局地生態(tài)環(huán)境的影響。

目前大多數(shù)的研究，采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯和土壤采樣實(shí)驗(yàn)室測量其理化性質(zhì)，分析其植被、土壤和景觀的變化趨勢[5]。本文采用無人機(jī)搭載的多光譜傳感器，以及 X射線熒光光譜法（X-ray fluorescence，XRF）監(jiān)測了光伏電站和風(fēng)電場內(nèi)外的植被、地形、土壤化學(xué)元素成分，定量評估站/場內(nèi)的化學(xué)元素濃度空間變化及其內(nèi)外的差異性，揭示風(fēng)電場和光伏電站建設(shè)和運(yùn)營可能對局地生態(tài)環(huán)境的影響。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集樣地描述

光伏電站位于新疆維吾爾自治區(qū)五家渠市（圖1a），在天山山脈博格達(dá)峰北麓，準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠邊緣。該地區(qū)屬中溫帶大陸性氣候，干旱、低溫，光照時(shí)數(shù)多，晝夜溫差大，氣溫變化劇烈。年均氣溫6℃～7℃，最高氣溫40℃～42℃，最低氣溫-38℃～-43℃，年均降水量200毫米，年蒸發(fā)量2000毫米，日照2600～3200小時(shí)/年。降水稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，光照充足，熱量豐富，水資源短缺，土壤含鹽量較大。電站南北部有小型沙丘矗立，東西部有少量的棉花地。光伏電板的安裝方式為全固定式支架安裝，支架傾角37°，方位角0°。

風(fēng)電場位于河北省尚義縣陸地風(fēng)電場（圖1b），在內(nèi)蒙古和河北省交界處的河北省尚義縣。該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫在0.6-6.2℃，年降水量350-420毫米，降水多發(fā)生在6-8月。該地區(qū)受東亞季風(fēng)影響，全年都有強(qiáng)風(fēng)，尤其是冬春季節(jié)。年平均大風(fēng)天數(shù)，即風(fēng)速大于17 m/s的天數(shù)為55.3天。冬季和春季的平均風(fēng)速為4.8 m/s；最大風(fēng)速為20 m/s，占風(fēng)速觀測的15%。夏秋季平均風(fēng)速為3.4 m/s；最大風(fēng)速為11 m/s，占風(fēng)速觀測值的17%。此風(fēng)電場建設(shè)經(jīng)歷了4個(gè)階段：2008年（建設(shè)風(fēng)機(jī)100臺）、2010年（新增67臺）、2013年（新增50臺）和2015年（新增58臺）。該風(fēng)力渦輪機(jī)被安裝在海拔1420-1480米的高度。每個(gè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子直徑為82-105 m，輪轂高度為65-80 m。當(dāng)風(fēng)速小于3 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

光伏電站和風(fēng)電場土壤及植被類型、監(jiān)測采樣介紹請見表1。

表1 光伏電站和風(fēng)電場監(jiān)測描述Table 1 Monitoring information of photovoltaic power plant and wind farm

1.2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

土壤元素濃度監(jiān)測采用奧林巴斯公司Vanta手持型X射線熒光光譜儀。該設(shè)備利用原級X射線光子或其它微觀粒子激發(fā)待測物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生次級的特征X射線（X熒光）而進(jìn)行物質(zhì)成分分析和化學(xué)態(tài)研究，是一種確定物質(zhì)中主要元素和微量元素的種類和含量的一種方法。熒光X射線的強(qiáng)度與相應(yīng)元素的含量有一定的函數(shù)關(guān)系，據(jù)此，可以進(jìn)行元素定量分析。光譜儀可同時(shí)分析多元素，適合于大規(guī)模的檢測，具有自動化程度高，分析速度快，準(zhǔn)確度和精密度高的特點(diǎn)。我們監(jiān)測了光伏電站和風(fēng)電場內(nèi)部和外圍的數(shù)據(jù)，剔除了無GPS信息、奇異值等數(shù)據(jù)。

光伏電站遙感數(shù)據(jù)采用大疆精靈 4多光譜版無人機(jī)，監(jiān)測其地形地貌和陸地覆蓋狀況。Pix4Dmapper軟件處理無人機(jī)監(jiān)測的照片，包括圖片配準(zhǔn)、點(diǎn)云和紋理處理、正射影像拼接、數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）和歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）等指數(shù)的計(jì)算、質(zhì)量驗(yàn)證等功能。

風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機(jī)的GPS信息來自實(shí)測的風(fēng)機(jī)位置數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

X射線熒光光譜儀監(jiān)測了光伏電站電板不同位置、每隔10排左右（～100 m）電板、站內(nèi)外不同位置的土壤元素濃度數(shù)據(jù)，以及風(fēng)電場典型風(fēng)機(jī)周邊、場內(nèi)外不同位置的土壤元素濃度數(shù)據(jù)。土壤元素濃度數(shù)據(jù)為表格型數(shù)據(jù)，其具體內(nèi)容及各字段含義參見表 2。光伏電站和風(fēng)電場土壤元素濃度數(shù)據(jù)分別見圖2和圖3。

表2 土壤元素?cái)?shù)據(jù)表監(jiān)測內(nèi)容Table 2 Monitoring factors of soil element data table

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，本研究所有原始數(shù)據(jù)均來自GPS、無人機(jī)和X射線熒光分析儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的加工及處理在Pix4Dmapper、ArcGIS10.2、EXCEL軟件平臺上進(jìn)行，數(shù)據(jù)格式及質(zhì)量均嚴(yán)格進(jìn)行了預(yù)處理。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

無人機(jī)掛載的多光譜傳感器能反演植被的生長活力，通過分析NDVI的空間差異性來揭示光伏電站運(yùn)營對周邊生態(tài)環(huán)境影響。在不計(jì)算光伏電板下隱藏植被的情況下，光伏電站內(nèi)平均NDVI (0.05)大于除農(nóng)田外的荒漠NDVI (0.03)；光伏電站內(nèi)部的西北方向區(qū)域，其NDVI要明顯好于光伏電站內(nèi)的其他區(qū)域，這可能與接近農(nóng)田或地勢有關(guān)。6月份是光伏電站內(nèi)外植被的生長期，而9月是農(nóng)作物的成熟和植被的衰老期。同時(shí)，9月份也是光伏電站人工修整電板南部植被的時(shí)期，這期間植被受到人類活動的影響較大。X射線熒光光譜儀監(jiān)測發(fā)現(xiàn)鈣Ca、鐵Fe和硫S元素濃度較高，光伏電站內(nèi)外的差異不大。光伏電站內(nèi)土壤硫元素濃度較高可能與光伏電板中含有的硫化鎘有關(guān)。風(fēng)電場內(nèi)外的鈷Co、鉀K、鈦Ti和釩V的濃度較高。風(fēng)電場內(nèi)的鈷、鈦含量遠(yuǎn)大于風(fēng)電場外，場內(nèi)鈷和鈦的含量分別是場外的1-4倍和1-10倍。風(fēng)電場建設(shè)以及維護(hù)過程中所需的潤滑油可能會增加土壤的重金屬含量。風(fēng)機(jī)周圍的土壤可能會因?yàn)闄C(jī)油泄漏等因素而受到一定程度的污染。

無人機(jī)反演的地形地貌和植被活力數(shù)據(jù)，以及土壤化學(xué)元素含量及其空間分布數(shù)據(jù)可直接服務(wù)于當(dāng)?shù)毓夥娬竞惋L(fēng)電場運(yùn)營期的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，促進(jìn)光伏電站和風(fēng)電場局地退化土地恢復(fù)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，為綠色能源和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展提供科技支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

典型光伏電站和風(fēng)電場土壤化學(xué)元素?cái)?shù)據(jù)集包含GeoTiff、Shapefile、KML和CSV格式。DSM和NDVI的柵格數(shù)據(jù)由GeoTiff格式存儲，研究區(qū)的邊界和風(fēng)機(jī)的GPS信息由Shapefile和KML數(shù)據(jù)存儲，土壤化學(xué)元素濃度數(shù)據(jù)則由CSV格式存儲。GeoTiff、Shapefile和KML數(shù)據(jù)可利用ArcGIS、QGIS、ENVI和ERDAS等常用的GIS和遙感軟件進(jìn)行讀取和操作；而CSV數(shù)據(jù)可利用EXCEL、Notepad++等軟件進(jìn)行讀取和操作。

致 謝

感謝中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院寒旱區(qū)陸面過程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張彤、趙果、李江林、李振朝在光伏電站和風(fēng)電場野外實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)支持和后勤服務(wù)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

莊艷麗（1981—），女，甘肅蘭州人，副研究員，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)水文。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測方案、思路和測試。

羅立輝（1980—），男，湖南常德人，研究員，研究方向?yàn)楹祬^(qū)遙感及建模。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測方案、思路和測試。

董六文（1994—），男，甘肅甘谷人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥绖游锷鷳B(tài)學(xué)研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測。

董龍翔（1988—），男，甘肅天水人，助理研究員，研究方向?yàn)殛懨孢^程和大氣邊界層研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測。

余曄（1973—），女，甘肅武威人，研究員，研究方向?yàn)榇髿膺吔鐚游锢砼c大氣環(huán)境。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測建議與思路。

高曉清（1966—），男，甘肅白銀人，研究員，研究方向?yàn)闅夂驅(qū)W與能源氣象。主要承擔(dān)工作：研究目標(biāo)及技術(shù)方案建議。