1绪论
1.1北方荒漠区建设光伏电站前景
目前我国的光伏电站主要以地面电站为主，占到总装机量的70%。地面式光伏电站的建设需要丰富的太阳能资源和广阔的土地资源。我国太阳年辐射总量大致可以从内蒙古自治区锡林浩特和云南腾冲连线分为东、西两部分。东部地区太阳年总辐射量在5500MJ m–2以下，整体较弱。西部地区太阳年总辐射整体强于东部，高值中心在地势高、云量少的青藏高原地区，太阳年辐射量基本在6500MJ m–2以上，*大值在噶尔（可达8570MJ m–2），为全国之冠；青海、内蒙古西部和北部、甘肃中北部、四川西部的太阳年总辐射量也很丰富。国家气象科学研究院王炳忠（2014）对总辐射的分级标准：一类地区，包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地，太阳年总辐射量6680～8400MJ m–2，相当于日辐射量5.1～6.4kW h m–2；二类地区，包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地，太阳年总辐射量为5850～6680MJ m–2，相当于日辐射量4.5～5.1kW h m–2。我国西北干旱半干旱荒漠、沙漠地区恰好是太阳能资源丰富区。该区域是中国沙漠*为集中的地区，约占全国沙漠总面积的80%，主要分布有塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库姆塔格沙漠及库布齐沙漠等。这些地区不仅具备较好的太阳能光照资源，而且不占用宝贵的耕地资源，土地占用成本低廉，是地面式光伏电站规模化建设的理想场所。
内蒙古自治区日照充足，光能资源非常丰富，大部分地区年日照时数达3000～3200h，太阳能年总辐射量1630～1860kW h m–2，相当于燃烧标准煤200～230kg，阿拉善高原的西部地区达3400h以上。以库布齐沙漠为例，一年日照天数占全年70%以上，多数地方全年日照时数都长达3000h以上，每天平均都超过8h，全年平均每平方米的太阳能达10.62万kW，如利用1m2的太阳能，全年所获得的热能就相当于烧掉38.232t标准煤，如累计开发1km2面积，则将获得相当于3823.2万t标准煤燃烧发出的热量。截至2009年年底，全国荒漠化土地总面积262.37万km2，占国土总面积的27.33%，全国沙化土地面积为173.11万km2，占国土总面积的18.03%。根据我国2020年为900GW（9亿kW）的电力装机容量估计，年发电量可达到4500TW h，如果利用沙漠资源建设大型太阳能沙漠电站，以太阳能光伏电站为例，则需9000km2（每平方米按100W装机）。按照光伏发电全年平均1500h计算，达到2020年预测的4500TW h发电量所需的占地面积为27000km2，仅为中国荒漠面积的1.03%，所以在我国建设太阳能沙漠电站具备良好的资源优势。
1.2光伏电站与环境的研究进展
1.2.1光伏电站对植物的影响
王涛等（2016）研究发现，光伏电板的遮阴作用使得物种丰富度、均匀度和优势度均显著降低。殷代英等（2017）通过对共和盆地荒漠区光伏电站的小气候进行测定得出，大型光伏电站的布设对共和盆地荒漠区气温和太阳辐射的影响较小，对高辐射量时段的太阳辐射具有一定的影响，对土壤湿度的影响较其他要素更显著，大型光伏电站使得共和盆地荒漠区平均土壤湿度增加了71.61%。太阳能电池板大面积覆盖在地表的上方，阻碍了水分的蒸发，从而减缓了地表水分的蒸发，使得局部的大气湿度有了微弱的增加。而增加的大气湿度也有利于植被的恢复和生长，减少了裸露的土地面积，进而抑制了沙尘暴的产生，起到了防治荒漠化的作用。大型光伏电站太阳能电池组件可通过遮阴作用减少地表水分蒸发，有利于干旱地区植物的生长，对生态脆弱区绿化起到改善作用。沈飞（2014）指出，光伏电板有遮阴的作用，可以改善植被的生长环境，还可以改善土地的平整度。刘世增等（2016）认为太阳能光伏电板可以产生小面积的径流，将干旱区稀少的降水集中起来，增加其降水的入渗深度，根据调查，光伏电站的植物多样性也随之增加。王长庭等（2010）认为土壤水分含量的改变能引起植被组成及物种的多样性发生变化。光伏电板还可以通过降低风速影响植物的生长。对草本植物来说，风会使叶的倾角改变，导致成熟期叶面积指数降低。在风的长期作用下，某些植物的叶表皮薄层会被剥蚀，羧化酶的含量受到影响，进而影响光合作用。强风也会影响植物周围的相对温度和相对湿度，并且通过叶片遮挡影响了太阳辐射。卢霞（2013）通过对东洞滩百万千瓦光伏电站建设前后的地表粗糙度进行对比，发现布设太阳能电池板后地表粗糙度明显提高，并且认为基地的建成可以降低风速、减少植被的蒸发，从而使地上植物更好地生长，起到植被恢复和绿化的作用。大面积的太阳能电池板布设在荒漠化地区的地表，增加了地表的粗糙度，降低了近地表风速，输沙率也随之降低，从而达到阻风、固沙的效果。赵名彦等（2015）指出，电站建成之前荒漠戈壁的地表粗糙度等级为1级、粗糙度长度为0.03，电站建成后地表粗糙度等级达到并超过2级。植被的增加也增加了地表粗糙度，降低了风速，在植被的后期恢复过程中起到很重要的作用。降低风速使植物可以获得更加湿润的空气，形成了生长时兼顾保持水土的良性循环。苑森鹏等（2018）在光伏电板下进行了景天三七和狼尾草的种植，并对两种植物的物候期和生长特性进行了研究，结果表明，光伏电站外围植物的返青时间早于光伏电板下，景天三七更适宜在未架设电板的区域生长，而狼尾草在光伏电板下生长情况优于未架设电板的区域。李少华等（2016）分别对围封区、围封区+光伏区和自然生长区内的植物群落结构进行了调查，结果表明，光伏电板推动了高寒草原的正向演替过程。光伏电板因其特殊结构所形成的遮阴环境对植物生长具有重要影响，王梅等（2017）对不同遮阴条件下10种野生观赏植物的生长和生理生化差异性进行研究，结果表明，遮阴作用对驴蹄草的生长起到促进作用，鹅绒委陵菜、小花草玉梅、东方草莓、角茴香和水杨梅可以忍耐适当的遮阴环境，其余植物均不能适应遮阴环境。何维明和董鸣（2003）研究发现，遮阴作用对毛乌素沙地旱柳的阳生枝和阴生枝影响不同，阳生枝长度和生物量在遮阴作用下明显减小，阴生枝则表现出相反的变化规律。光不仅对植物外观有一定影响，而且与花芽的形成、叶片的发育也都密切相关。王亚军（2004）研究发现，强烈的光照提高了周围环境的温度，对草坪和植被的生长较为不利；且紧靠强光灯的树木存活时间短，产生的氧气也少。光照强度超过植物所能适应的光环境时会引起光氧化，*终产生活性氧。此外，过度的照明还会导致农作物抽穗延迟、减收。
1.2.2光伏阵列地表风速流场分布
光伏阵列的存在使其周围的流场分布产生明显改变。其影响因素包括安装光伏电板本身（尺寸大小、安装角度、距离地面高度及其组合排列方式）和环境因素（风速、风向、地形地貌及下垫面植被状况）。殷代英等（2017）在共和盆地中西部大型光伏电站的观测结果显示，光伏电站内2m高度处风速相比野外降低了53.92%；袁方等（2016）在毛乌素沙地东南缘光伏电站观测显示，光伏电站内20cm和200cm高度处风速分别降低了44.06%和63.68%；Etyemezian等（2017）研究了美国内华达州拉斯维加斯附近光伏电站对近地层风况的影响，长期的观测数据显示光伏阵列对30°～90°和90°～150°范围内环境风向存在“整流作用”，即迫使气流向平行于光伏阵列排布方向运动。当风向在150°～180°范围内，也就是风向接近于垂直光伏阵列时，风的衰减*大，多数情况下衰减幅度高于55%；当风向在0°～30°范围内，多数情况下衰减幅度高于50%。可以看出，光伏阵列整体的存在对近地层过境气流主要表现为遮蔽效应，使得阵列内近地表风速降低。
研究显示，光伏阵列不同部位局部光伏电板周围风速流场也存在差异。对于边缘区域，郭彩贇等（2017）在库布齐沙漠110MWp光伏电站观测显示，光伏电板作用下产生了流场分异区，分别为板下集流加速区、板前板后遇阻减速区、板面抬升区和板间恢复区。袁方（2016）对毛乌素沙地的光伏电站边缘区风速、风速廓线及风速流场特征进行了野外观测，结果发现光伏电板的存在增加了近地面出风口处风速，降低了远地面进风口处风速。光伏电板在边缘区对接近垂直电板方向气流的作用机理相对较好理解，与交通路线防沙治沙、雪害的导风板作用类似，通过“汇流加速”作用来增加近地面出风口处风速，以达到清除积沙和积雪的目的。在光伏阵列腹地区域，郭彩赟等（2018）的研究显示，光伏电板强烈影响地表20cm高度处风速，且主要降低了光伏设施附近的风速，向两侧板间区域过渡时风速逐渐恢复。
1.2.3光伏阵列地表风沙输移规律
风沙流是指含有沙粒的运动气流，挟沙气流中所搬运的沙子在搬运层内随高度的分布特征称为风沙流结构。风沙流通量表征空气中沙粒随高度的变化特征，是风沙理论和防沙工程实践的重要内容，它能直接表征沙粒的运动形式，判断地表的侵蚀状况，掌握风成地貌的形态发育及演变规律，在沙漠治理的理论与实践中具有重要作用。对风沙流结构的研究始于20世纪30年代，英国工程师拜格诺（R.A.Bagnold）经过数十年对利比里亚荒漠的考察和一系列风洞实验，撰写了风沙运动研究领域的重要著作《风沙物理及荒漠沙丘物理学》。近年来国内外学者通过风洞实验、数值模拟及野外观测等方法，着重研究了风沙流结构特征、气流与输沙率的关系、风蚀输沙量，以及不同输沙模型的拟合矫正、*佳风沙流通量模型构建等内容。
董玉祥等（2008）对横向沙脊顶部的风沙流研究表明，风沙流结构随高度的变化需要用分段函数表示，下层为指数函数，中层为幂函数，上层为多项式。近年来，不同学者通过不同数学模型进行了*佳风沙流通量模型拟合研究。吴晓旭等（2011）研究表明，在相近风速下，植被盖度的不同对沙丘丘顶的风沙流结构有显著影响，流动沙丘与半固定沙丘丘顶上输沙率都随高度呈幂函数分布，半流动沙丘丘顶的输沙率随高度呈指数分布，且与风速有关。王翠等（2014）对塔克拉玛干沙漠流动沙地、半固定沙地和固定沙地3个典型下垫面进行风沙流观测，发现流动沙地幂函数、指数函数和对数函数均能较好地反映风沙流通量垂直分布特征，半固定和固定沙地地表的风沙流结构则以对数函数表达更好。刘芳等（2014）对乌兰布和沙漠东北缘5种典型下垫面0～100cm内输沙量随高度的变化进行函数拟合，发现幂函数的相关性*好。张正偲和董治宝（2013）根据中国科学院风沙科学观测场测定的野外实测数据，采用赤池信息量准则进行研究，对风沙流通量研究常用的5种拟合模型进行对比后发现，指数函数模型是平坦沙地上风沙流的*佳表示方式。Dong等（2002）对近地层风沙流通量模型做了大量研究，在宁夏沙坡头的风洞试验与腾格里沙漠东南缘中国科学院风沙科学观测场野外试验结果均表明双参数指数函数可以很好地模拟近地层风沙流通量；对民勤不同下垫面（流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘和活化沙丘）风沙流通量模型的研究结果显示，3参数指数模型、4参数指数函数和幂函数模型、5参数指数函数和幂函数模型均可以得到较好的模拟效果，然而在模拟等效性的前提下，模型纳入的参数越少越好，因此建议使用3参数指数模型。国外学者Namikas（2003）、Ellis等（2009）和Panebianco等（2010）对比分析了多种函数模型的拟合结果，发现指数函数能够较好地模拟风沙流通量。Mertia等（2010）采用指数函数、幂函数、改进的幂函数、5参数指数函数和幂函数模型对近地层3m内的风沙流通量研究发现，幂函数能够很好地描述近地层的沙尘通量。Mendez等（2011）采用4种数学模型对阿根廷半干旱区近地层1.5m范围沙尘通量分析发现，指数函数模型能够较好地模拟风沙流。
尽管前人对风沙流通量进行了大量研究，然而影响风沙输移的因素较多，如风速、输沙量、下垫面性质等，它们不仅本身在发生变化，而且相互间也具有促进和制约的关系。此外，不同学者对观测仪器的运用也是不同的，这对于研究结果
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