根据全球可再生能源网络（REN21）《2024年全球可再生能源现状报告》，2023年全球可再生能源新增装机容量达473 GW，连续22年创新高，太阳能光伏是增长的主要驱动力^［1］。根据《2024年全国电力工业统计数据》，2024年底全国太阳能的累计装机容量达到886.66 GW，同比增长45.2%，其中光伏新增277.2 GW^［2］。近期发布的《三北沙漠戈壁荒漠地区光伏治沙规划（2025—2030年）》中，明确提到2030年新增光伏装机规模253 GW，治理沙化土地67万hm^{2 ［3］}，这为光伏能源建设提供了更为广阔的空间，光伏建设将迎来新一轮井喷式发展。

戈壁是中国西北干旱区主要的荒漠类型之一，面积达57万km²，仅次于沙漠（地）面积（约为68万 km²），具有光照充足、地质结构坚固稳定、地势平坦、多连片成规模分布的特征^［4］，土地成本低，建设条件好，戈壁地区今后必将是光伏电站选址建设的优先区域。

当前，光伏电站与生态环境关系研究受到极大关注，成为生态环境研究的热点问题。光伏电站与风沙环境关系研究也取得了长足的进展，不同学者从单个光伏支架/组串、阵列、电站和区域等不同尺度的光伏电站对风沙环境影响进行分析研究^［5-35］，但多集中于沙漠地区和光热电站的研究^{［13，28，32，35-40］}，而针对戈壁地区的研究较少^［41-42］。

本文以位于青藏高原苏干湖盆地中部四十里戈壁区的某新建光伏电站为研究区，通过现场定点同步对比观测，分析光伏阵列内外的平均风况、起沙风况、最大可能输沙量和实测输沙量变化特征，从电站尺度探讨戈壁光伏电站对风沙环境的影响，这对深入认识戈壁光伏电站与风沙相互作用，评估戈壁电站的治沙效应，科学制定戈壁光伏电站防沙体系具有重要的理论和现实意义。

研究区位于青藏高原东北部的苏干湖盆地四十里戈壁地区（图1A和图1B），地理单元上属于柴达木盆地，行政区划上隶属于甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县。苏干湖盆地内部海拔2 790~3 800 m，地势东高西低，大苏干湖为盆地最低点。苏干湖盆地属典型的大陆干旱性气候区，总体特征是气候干旱，冬长夏短，盛行西北风，日温差较大。盆地内部植被稀疏，仅在河流两岸及苏干湖湿地区域生长有湿生植物和耐盐植物^［43-46］。

研究区位于盆地中部的冲洪积倾斜平原区，东高西低，地势平坦，海拔2 900~2 910 m，西距大苏干湖约31 km，北距盆地北部界山阿尔金山约45 km（图1B）。根据现场气象观测资料，盛行风向为偏北风和偏东南风，年平均风速为3.34 m·s^-1，年平均气温3.28 ℃，年极端最高气温32.91 ℃，年极端最低气温-26.09 ℃。年降水量为37.40 mm，降水集中在6—9月。地表为砾质戈壁，地表砾石覆盖度介于25%~50%，土壤类型为灰漠土，地表几乎无植被，仅在季节性洪水辫状浅沟沟缘偶见多年生草本植物玉门黄芪。

观测区光伏电站于2023年5月正式开工，主体工程于2024年6月完成，占地面积约12 km²。光伏支架类型为平单轴式，光伏板东西向追日旋转，中心支架高度为2.2 m，光伏板最大倾角为±45°。最大倾角时，光伏板下沿距地高度0.5 m，上沿距地高度为3.9 m，光伏组串的长度和宽度分别为56 m和4.8 m，光伏组串长轴走向为N-S。当光伏倾角为0°时，板间距为9 m。

本次所使用的观测设备是自动气象站和八方位集沙仪，观测时间为2024年7月至2025年6月。共使用两组观测设备，分别布设于电站区主风向上风向的外围空地区和电站内的光伏板间区，两者相距1.2 km，布设方向与当地主风向一致，实施同期对比观测（图1C）。自动气象站为HOBO U30，主要观测要素包括风速、风向、降水量、空气温度和湿度，数据每10 min记录1次（图1D和图1F）。风速和风向布设高度为距地2 m，其他观测要素布设高度为距地1 m，主要用于平均风况、起沙风况和最大可能输沙量的计算分析。八方位集沙仪集沙口宽度为0.02 m，高度为1 m，收集8个来沙方向距地面1 m以内的过境风沙流，积沙每月收集1次，主要用于实测输沙量的计算分析（图1E和图1F）。

由于研究区地表类型为戈壁，将2 m高度处的临界起沙风确定为5.0 m·s^-1。起沙风频率的削减率采用以下公式计算。

式中：W_i 为i风向下的减速率；W_Oi 为电站外对照点i风向下的起沙风频率（WOi≠0）；W_Ii 为电站内i风向下的起沙风频率。平均风速和最大可能输沙量的削减率采用类似的公式计算得出。

最大可能输沙量是评估区域潜在的最大输沙强度的指标，采用凌裕泉^［46］提出的公式计算：

式中：Q_i 为i风向下的最大可能输沙量，单位kg·cm^-1·a^-1；V_i 为2 m高度处i风向下的风速，单位m·s^-1；V_t 为2 m高度处的临界起沙风速，本文取5.0 m·s^-1；T_i 为i风向下的作用时间，单位min。

光伏电站对风速的削减作用明显。观测期间，光伏电站内外的平均风速分别为1.72、3.34 m·s^-1，平均风速降低了48.50%。对比各月的平均风速可以看出，电站内外的风季为4—9月，该段时间月平均风速均高于年平均风速。电站对月平均风速具有不同程度的削减作用，削减率为37.53%~66.82%，并且削减率与站外风速之间呈现指数递减关系（图2），说明光伏在低风速条件下的削减作用更强。

光伏电站改变风向作用明显。对比电站内外的风玫瑰图，可见在与光伏组串近平行的偏北风，风向由NNW-NNE收窄至NNW-N，使主风向与光伏组串长轴方向趋于一致。在与光伏组串近垂直的次风向偏东南风上，风频降低了13.37个百分点，方向也由E-SE偏转至SSE-ESE，进一步缩小与光伏组串长轴方向的夹角（图3）。

根据统计结果，电站内起沙风频率明显小于电站外对照点。电站外全年起沙风频率为18.98%，而电站内起沙风频率仅为8.03%。全年起沙风频削减率达57.69%，不同月份的削减率为35.70%~84.55%，总体表现为风季削减率低而非风季削减率高的特征。对比不同风向和不同月份的起沙风频率削减率，除极少数月份和风向下起沙风频率出现降低不明显甚至出现增加外，绝大多数情况下均出现不同程度的削减，削减率呈现风季主风向<非风季主风向<其他风向的变化规律（表1）。

电站内外起沙风向具有一定变化。电站外呈一主（NNW-NNE）两副（W，E-ESE）的三峰型风向特征，而电站内呈窄单峰型（NNW-NNE）风向特征（图4）。受光伏电站影响，近垂直于光伏组串长轴方向的次级起沙风向消失。

对比电站内外的年最大可能输沙量，可以看出电站外的输沙方向呈一主（NNW-NNE）一副（W）的锐双峰型特征，而电站内的输沙风向为窄单峰（NNW-NNE）型特征（图5）。电站外年最大可能总输沙量Q达870.54 kg·cm^-1·a^-1，而电站内仅为139.17 kg·cm^-1·a^-1，削减率达84.01%，合成最大可能输沙量RQ削减率也达83.29%，RQ/Q分别为0.85和0.88，变化不大，合成输沙方向A变化也较小，仅相差7.98°。对比不同风向和不同月份的最大可能输沙量削减率，除极少数月份和风向下起沙风频率降低不明显甚至出现增加外，绝大多数情况下均出现不同程度的削减，削减率也呈现风季主风向<非风季主风向<其他风向的变化规律（表2）。不同月份合成输沙方向对比表明，除6月和10月外，其他月份的合成输沙方向均是趋向于光伏组串长轴方向。导致6月和10月反趋向于光伏组串长轴方向的主要原因是该区域多午后风速增大，此时光伏板西倾，使NNW风比率相对降低，而NNE风比率相对升高，合成输沙方向偏东，反趋向于光伏组件方向。

由此可见，电站对最大可能输沙量具有明显的削弱作用，特别是对非风季和非主风向的削弱作用更为明显，合成输沙方向更趋向于光伏组串长轴方向。

表3统计结果表明，电站内外各方位的实测总输沙量分别为 4 009.58 g·cm^-1·a^-1和417.29 g·cm^-1·a^-1，电站内为电站外的9.61倍。对比不同方向上的实测输沙量发现，均为电站内大于电站外，电站内外的年实测输沙量比值与来沙方向和光伏组串长轴夹角之间呈负相关关系，即夹角越大，比值越小（图6）。

在乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙地的研究表明，光伏阵列均显著降低风速^{［13，28，32，38，47］}。在不同时间尺度上，对高寒荒漠化草地区的研究表明，固定轴光伏阵列使得区域的风速降低明显，风向更加单一化^{［12，22，48］}。低海拔固定轴戈壁光伏电站的研究也表明光伏电站内相比参考站风向单一、风速更低^［49］。本文对高海拔戈壁地区平单轴光伏电场的研究表明，无论是平均风速还是起沙风，光伏阵列都对其有明显的削弱作用，整体风向和起沙风向更加单一，并趋向于和光伏组串长轴走向一致。表征潜在输沙强度的最大可能输沙量的计算也表明光伏阵列具有明显的固沙作用，这与前人在低海拔流沙区光伏电站输沙势的研究结果一致^［32］。

影响区域风沙活动的3个关键因素是动力、沙源和障碍因素。前述结果表明光伏电站在风沙动力方面具有明显的削弱作用，其中表征潜在输沙强度的最大可能输沙量降低了84.01%，然而，现场的实测输沙量表明，电站内的实测输沙量是电站外的9.61倍。出现上述结果相悖的主要原因在沙源和障碍因素的变化。在沙源方面，由于研究区为戈壁区，形成砾石+物理结皮的复合地表覆盖层，可有效减轻戈壁地表的沙尘释放^［50-51］。在光伏电站建设过程中，地表开挖、机械碾压等对戈壁地表产生扰动，特别是地表物理结皮的破坏，致使可侵蚀的细粒物质明显增加，形成新的沙源，这与沙漠地区光伏电站建设期风沙输移增加具有相似特征^［52］。相较沙漠地区，戈壁地区因地表砾石覆盖等原因地表结构较复杂，扰动区和非扰动区地表可风蚀的细粒物质占比差异明显，现场调查表明电站内外地表粒径<1 mm的沙物质占比分别是69.30%和56.09%，导致二者的风沙输移强度变化较大。在障碍因素方面，在戈壁光伏地区可分为自然和人为两个方面。自然方面主要是特殊的地表覆盖层——砾石+物理结皮，地表覆盖层将地表可风蚀的细粒物质覆压或黏结成团聚体，降低风沙输移量。现场调查显示，研究区地表砾石+物理结皮覆盖度由电站外的90%以上降低至电站内扰动区的30%左右，地表覆盖层在人为扰动后，覆压和团聚功能受到破坏，导致风沙输移强度增加，直至未覆压或团聚的可风蚀物质风蚀殆尽，形成新的地表覆盖层。同时由于地表覆盖层，地表扰动后风沙释放输移的周期较流沙区更长。人为方面主要是地表构筑物的增加，对过境风沙流起到阻碍作用，导致过境风沙流在光伏阵列内沉降，形成新的沙源，增加了阵列内风沙输移强度。自然原因会随着时间逐步恢复而降低风沙输移强度，而人为原因会因长期积累沙源而增强风沙输移强度。

由此可见，戈壁光伏电站内风沙输移增强的主要原因是地表扰动和地上构筑物增加拦截过境风沙造成的沙源增加，以及地表砾石+物理结皮覆盖物的破坏导致障碍因素减弱，这与在大型戈壁光热电站风沙输移研究结论相似^［41-42］。因此，相较沙漠光伏电站，戈壁光伏电站具有更大的沙源释放风险，表现为风沙输移强度增加更大，输移周期更长，因此在建设中应进一步优化施工工艺和流程，降低原始地表破坏强度，建设后应实施以恢复地表砾石覆盖+物理结皮为目标的修复措施，同时设置必要的固沙措施，固定光伏电站地上构筑物拦截的沙物质，避免形成新的沙源。

高寒戈壁光伏电站对风沙动力具有很强的削弱和导向作用，主要表现在平均风速、起沙风频率、最大可能输沙量都有明显下降，三者的削减率分别为48.50%、57.69%、84.01%，削减率呈现风季主风向<非风季主风向<其他风向的变化规律。整体风向、起沙风向和合成输沙方向均趋向于光伏组件长轴走向。

实测输沙量表明，电站内是电站外的9.61倍，出现风沙动力下降，风沙输移强度反而增加的主要原因是新建戈壁光伏电站在建设过程中对地表扰动，破坏原有地表砾石+物理结皮覆盖，地上设施阻碍拦截过境风沙而形成新的风沙源。

戈壁光伏电站建设中应更加注重水土保持措施，建设后需实施恢复地表砾石覆盖+物理结皮的技术措施，同时设置必要的固沙措施，避免形成新的区域风沙释放源。