光伏板配置对坡面产流产沙的影响

Effects of Photovoltaic Panel Configuration on Slope Runoff and Sediment Yield

摘要

目的 为探究光伏板覆盖对坡面产流产沙的影响，探讨光伏场区的布设方式和水土保持措施。 方法 采用室内模拟降雨试验，设计光伏板倾角（30°、35°、40°），安装高度（0.4、0.6、0.8 m）及排列方式（光伏板长边与坡向垂直定义为横向排列L，光伏板长边与坡向平行定义为竖向排列V）3因素组合。对横向排列、安装高度0.8 m、倾角30°的光伏板坡面，增设条形石子与草垫防护措施，进行重复降雨试验。 结果 1）光伏板覆盖可降低坡面径流量和累计泥沙量，较裸露坡面（CK），最大降幅分别为26.8%、56.6%。高度与坡面径流率、产沙速率、径流含沙量、径流量、累计泥沙量均呈极显著正相关（p≤0.01）。2）沿光伏板下边缘形成平行于板缘的板下集流侵蚀细沟。光伏板倾角为35°时，板下集流侵蚀细沟的宽度最小（2.70 cm），坡面径流量和累积泥沙量也最低。3）排列方式影响板下集流侵蚀细沟形态，横向排列板下集流侵蚀细沟数量多但体积小，竖向排列则单条板下集流侵蚀细沟面积、体积较大。4）在光伏板下缘铺设石子或草垫能有效控制侵蚀，与光伏板覆盖但未铺设防护措施的坡面相比，石子铺设使径流量和累计泥沙量分别减少2.3%、31.5%，草垫铺设分别减少14.4%、74.4%。 结论 光伏板覆盖能够减流减沙，但易诱发板下集流侵蚀细沟；铺设石子、草垫等防护措施则可防止侵蚀细沟发育。其中，产沙量最小的光伏板配置为横向排列，0.4 m安装高度及35°倾角。研究结果可为光伏电场的水土保持提供参考。

Abstract

Objective To examine the impacts of photovoltaic （PV） panel coverage on slope runoff and sediment yield， and to explore suitable panel arrangements and soil and water conservation measures for PV farms. Methods Laboratory rainfall simulation experiments were conducted with a 3-factor design involving panel tilt angle （30°， 35°， and 40°）， installation height （0.4， 0.6， and 0.8 m）， and arrangement modes （lateral arrangement L： panel long side perpendicular to slope； and vertical arrangement V： panel long side parallel to slope）. For the lateral arrangement at 0.8 m installation height and 30° tilt angle， repeated rainfall experiments were performed with additional protective measures （strip gravel and turf mats）. Results 1） PV panel coverage reduced slope runoff volume and cumulative sediment yield by up to 26.8% and 56.6%， respectively， compared to bare slope （CK）. Installation height exhibited an extremely significant positive correlation （p≤0.01） with slope runoff rate， sediment yield rate， sediment concentration， runoff volume， and cumulative sediment yield. 2） Concentrated flow along the lower panel edge caused rill erosion beneath the panels parallel to the panel edge. At a tilt angle of 35°， rill width was minimized （2.70 cm）， with the lowest runoff volume and cumulative sediment yield. 3） The arrangement modes influenced the morphology of erosion rills. Lateral arrangements （L） resulted in numerous but small rills， whereas under vertical arrangements （V）， individual rills had greater erosion area and volume. 4） Gravel or turf mats at the lower edge of PV panels effectively controlled erosion. Compared to PV-covered slopes without protective measures， gravel reduced runoff volume and cumulative sediment by 2.3% and 31.5%， respectively， while turf mats decreased them by 14.4% and 74.4%. Conclusion PV panel coverage effectively reduces runoff and sediment yield， but may induce rill erosion beneath panels by concentrated flow. Protective measures such as gravel or turf mats successfully prevent rill development. The optimal PV panel configuration that minimizes sediment yield is the lateral arrangement with 0.4 m installation height and 35° tilt angle. These findings offer valuable insights for soil and water conservation in PV farms.

Graphical abstract

关键词

光伏板配置 / 径流 / 泥沙 / 细沟侵蚀 / 防护措施

Key words

photovoltaic panel configuration / runoff / sediment yield / rill erosion / protective measures

全球光伏产业迅猛扩张，2019年太阳能光伏累计装机容量已达602 GW（中国占205 GW），预计未来中国光伏装机容量的年新增规模将稳定在40 GW^［1-2］。然而，大规模电站建设加剧土地资源竞争，一方面，光伏电站作为新型土地利用方式会挤压农田用地；另一方面，光伏电站可以推动沙地、丘陵等生态脆弱区开发^［3-4］。在此背景下，“应用农业光伏系统”通过作物与光伏设施立体布局，成为协调耕地保护与能源生产的关键路径^［5-6］。该农光结合模式既有助于缓解作物抗旱压力，提升作物产量，又能生产清洁能源减少碳排放，还能利用其生产的能源反哺农业灌溉、大棚调温等^［7］。光伏电站在干旱区表现出显著生态效益，一方面，由于光伏板具备防风功能，可有效降低风速，从而减轻风蚀作用，抑制沙尘暴^［8-9］；另一方面，光伏板表面具有集水效应，有助于生物结皮以及植被生长^［10-11］。基于此，既可将光伏电站区域作为生物结皮苗圃^［12］，还能利用光伏电站的集水效应加速干旱地区生态系统修复。

然而，光伏板在一些区域引发新风险。光伏板的“雨伞效应”导致降雨再分配^［13］，光伏板下边缘汇集雨滴到达坡面的动能可能达到自然降雨雨滴动能的10倍^［14］，诱发板下集流侵蚀细沟，加剧侵蚀^［15］。此过程在暴雨加剧及坡度>5°的坡耕地中尤为突出。根据预测，未来大部分地区降雨强度增加，并且光伏电站可调节局部气候增加降水^［16-17］，光伏电站区域水蚀风险不断上升。气候条件的变化导致即便在非典型易侵蚀区布设光伏电站也面临坡面水蚀加剧的风险。据统计^［18］，全国适宜建设大型光伏电站的山地中，坡度3°~20°的区域占比28%，其中丘陵地区因降水量相对较大、水文连通性较强土壤水蚀问题更为突出^{［16，19］}。根据实地调查，安装在黄土高原地区内的光伏板下边缘存在明显的板下集流线形侵蚀细沟，而形成这种线形侵蚀细沟的原因是光伏板对降水的时空再分配。光伏板对降水时空再分配过程又受到光伏板配置参数的影响^［20-21］。光伏板倾角通过控制雨滴入射方向影响雨滴对板下集流侵蚀细沟的侧向侵蚀，而安装高度决定雨滴势能，改变坡面雨滴溅蚀能量^{［14，22-23］}，影响雨滴剥离土壤颗粒。光伏板的布设方向（长边垂直/平行坡向）则影响板下集流侵蚀细沟的空间格局^［24］，而板下集流侵蚀细沟则间接影响坡面的产流产沙。因此，光伏板的这3项配置是调控侵蚀的核心参数。尽管有研究^［25-28］证明生物结皮和板间植草、石砾覆盖等措施可局部减蚀，但当前实践忽视配置参数的源头优化。

本研究聚焦于光伏板对降雨的截留过程，分析光伏板高度、倾角及排列方式对下边缘区域侵蚀程度的影响，探讨降水再分配作用下坡面径流的变化特征，并揭示不同配置条件下光伏板对产流与产沙过程的作用机制，旨在为相关政策制定者提供科学依据，指导光伏电站区域水土保持措施的优化实施，促进光伏产业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

本试验所用土壤采自陕西省黄土高原南部杨凌区（34°14′~34°20′N，107°59′~108°08′E）耕地表层土壤。杨凌区位于黄土高原向秦岭山地过渡的中间地带，海拔468 m。该地区属半湿润大陆性季风气候，年平均气温为12.9 ℃，年平均降水量为635~646 mm，其中7—9月的降水量占全年总量的60%以上^［29］。区域内主要土壤类型为塿土和黄绵土，分别占土壤总面积的71.7%和10.8%，本研究选用塿土作为试验用土。根据国际制分类体系，质地为 土黏壤土，结构较为稳定，pH呈微碱性，体积质量为1.1~1.3 g/cm³^［30］。

1.2 试验装置及试验程序

在水土保持与荒漠化整治全国重点实验室进行人工模拟降雨试验，试验采用下喷式人工降雨机（均匀性>80%，强度可调范围30~350 mm/h）和液压升降式可调坡土槽（2.0 m×1.0 m×0.4 m）。土槽底部设排水孔，上方配备高度、倾角可调的光伏板支架，布置4块光伏板（57 m×48 m×2.5 cm）模拟截留与再分配效应（图1）。正式试验前，需对降雨强度进行率定，确保满足设定要求后方可开始模拟降雨。

试验土壤经自然风干后过10 mm孔径筛网筛去除杂质，采用分层填装法（6层×0.05 m）制备土槽，层间打毛处理并压实边缘以消除界面和边界效应。表面覆盖纱布后，以20 mm/h雨强预降雨至近饱和状态，静置24 h后开始试验。

试验采用3因素完全组合方案：光伏板配置包括光伏板倾角（30°、35°、40°），安装高度（0.4、0.6、0.8 m）及排列方式（光伏板长边与坡向垂直定义为横向排列L，光伏板长边与坡向平行则定义为竖向排列V）（图1）。5°~11.3°是普遍接收的光伏板安装坡度范围^{［18，23，31］}，而实地调查发现山地光伏电站的常见坡度为10°，因此设置坡度为10°，并设定80 mm/h雨强，代表暴雨条件^［29］。以裸露坡面（CK）为对照，每组重复2次（表1）。针对侵蚀严重的典型光伏板配置，根据YAVARI等^［27］提到的光伏电站管理方法增设20 cm宽、厚度1 cm的草垫和石子覆盖2种地表防护措施，依据板下集流侵蚀细沟间的间距设置防护措施的间隔为50 cm。

1.3 样品采集与处理

降雨开始后前10 min内，每分钟使用塑料桶收集1次径流样品，10~25 min，每3 min收集1次，25 min后每5 min收集1次。使用精度为1 mm的钢尺测量板下集流侵蚀细沟的长度、宽度和深度。降雨结束后，对所采集的全部径流样品进行称重，随后静置48 h，待泥沙充分沉降后去除上清液，将底部沉积物转移至烘箱中，烘干至恒重后称重，以获取产沙量等相关参数。利用摄影测量技术，拍摄板下集流侵蚀细沟的影像，随后使用metashape1.7.4软件对影像图进行建模，并测量板下集流侵蚀细沟的面积和体积。

1.4 统计分析

使用Excel 2019软件对数据进行基本计算与汇总。利用SPSS 25软件对光伏板高度、倾角和排列方式与板下集流侵蚀细沟的形态特征、坡面水沙调控指标间的关系进行Pearson相关性分析。最后，采用Origin 2021软件进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 板下集流侵蚀细沟特征

试验结果表明，光伏板覆盖导致沿光伏板下边缘形成平行于板缘的线形侵蚀，即板下集流侵蚀细沟。其形态特征受光伏板排列方式、安装高度和倾角等影响。横向排列时、形成4条板下集流侵蚀细沟（自上而下依次为G_L1、G_L2、G_L3、G_L4）、长度为0.43~0.60 m；而竖向排列时、仅形成2条长度为1 m的板下集流侵蚀细沟（G_V1、G_V2）（图2）。由表2可知，随安装高度由0.4增至0.8 m，板下集流侵蚀细沟的宽度、深度和体积呈递增趋势。板下集流侵蚀细沟体积分别为287.67（0.4 m）、446.75（0.6 m）、583.49 cm³（0.8 m）（图3b）。与30°和40°倾角相比、倾角35°时板下集流侵蚀细沟平均宽度最小（2.70 cm）。板下集流侵蚀细沟面积在光伏板倾角为35°时最小，平均值为591.59 cm²，与倾角为30°和40°相比面积分别减少21.9%和16.1%（图3a）。

2.2 光伏板在不同配置条件下产流产沙特征

2.2.1 光伏板不同配置条件下径流特征

不同配置条件下坡面径流率变化趋势相似，均呈初期率迅速上升至峰值后趋于稳定的特征（图4）。裸露坡面的径流率最高，平均值为1.71 L/min。光伏板覆盖可降低径流率，且降幅受安装高度影响。当安装高度为0.4 m时，坡面径流率最低，平均值为1.24 L/min，较裸露坡面下降27.5%。安装高度为0.6、0.8 m时，径流率分别为1.49、1.35 L/min，降幅分别达到12.9%和21.1%。由表3可知，裸露坡面平均径流量（103.86 L）高于光伏板覆盖坡面，且光伏板覆盖坡面径流量较裸露坡面的降幅为3.3%~26.8%。其中，安装高度为0.4 m时，坡面平均径流量最低（82.04 L），较裸露坡面减少11.1%~26.8%。35°倾角下的平均径流量最小（83.03 L），较30°和40°倾角分别减少2.5%~20.5%和0.4%~21.1%。

2.2.2 光伏板不同配置条件下产沙速率变化特征

产沙速率在降雨前10 min内迅速达到峰值，随后逐渐下降趋于稳定（图5）。裸露坡面的产沙速率最高，并且随高度增加呈上升趋势。裸露坡面产沙速率峰值为0.44 g/s，而0.4、0.6、0.8 m安装高度的坡面产沙速率峰值依次为0.18、0.28、0.31 g/s。当安装高度为0.4 m时，坡面的平均产沙速率最低（0.11 g/s），较裸露坡面降低近60%。由表4可知，裸露坡面的累计泥沙量最大，平均值达729.03 g；而光伏板覆盖坡面的泥沙量较裸露坡面的下降幅度最高达到56.6%。安装高度为0.4 m的坡面累计泥沙量最低（391.54 g），较裸露坡面减少37.8%~56.6%。排列方式方面对泥沙量影响较小，横向排列与竖向排列坡面的平均累计泥沙量分别为608.67、619.52 g。当光伏板倾角为35°时，坡面的累计泥沙量最小，相较于30°减少10.1%~47.5%，较40°减少4.7%~35.4%。

2.2.3 产流与产沙关系特征

径流含沙量在降雨开始后的前10 min内迅速上升至峰值，随后逐渐降低并趋于稳定，整体呈一致的动态变化趋势（图6）。光伏板覆盖有效降低径流含沙量，且不同配置参数对含沙量的影响存在一定差异。裸露坡面的径流含沙量峰值最高，达到18.3 g/L。光伏板覆盖条件下径流含沙量峰值随安装高度增加呈梯度上升，0.4 m（9.7 g/L）<0.6 m（12.2 g/L）<0.8 m（14.4 g/L）。30°、35°和40°倾角对应的径流含沙量峰值分别为11.4、11.0、14.1 g/L。安装高度为0.4 m时平均含沙量最低（5.96 g/L），较裸露坡面（9.98 g/L）降低40.3%；0.6、0.8 m高度下的平均含沙量分别为8.38、9.12 g/L，与裸露坡面相比分别减少16.0%和8.6%。

2.2.4 光伏板配置与径流泥沙的相关性

将光伏板不同配置（高度、倾角、排列方式）与坡面产流产沙相关指标进行相关性分析表明，光伏板安装高度与径流率、产沙速率和径流含沙量呈极显著正相关（p≤0.01），同时与径流量和累计泥沙量也呈显著正相关（p≤0.01）。相比之下，光伏板的排列方式和倾角与上述产流产沙指标无显著相关性。在板下集流侵蚀细沟发育方面，光伏板安装高度与板下集流侵蚀细沟面积及体积存在极显著的正相关（p≤0.01），而光伏板排列方式影响着单条板下集流侵蚀细沟体积，竖向排列坡面的单条板下集流侵蚀细沟面积大于横向排列（图7）。

2.3 光伏板下缘线形侵蚀的地表防护措施减流减沙效益

本研究选取侵蚀风险最高的光伏板配置（横向排列、0.8 m安装高度、30°倾角）作为防护措施试验对象。试验结果表明，添加石子带和草垫带对径流率的调控效果有限，但与未防护坡面相比仍有所改善（图8）。2种措施在抑制泥沙输出方面表现出显著成效。石子将平均产沙速率降至0.18 g/s，较未采取措施的坡面降低14.9%，较裸露坡面降低38.6%；草垫将平均产沙速率降至0.12 g/s，较未采取措施的坡面降低45.3%，较裸露坡面降低60.5%。铺设石子坡面径流含沙率较未采取措施的坡面和裸露坡面分别降低16.7%和25.2%；铺设草垫坡面的径流含沙量分别降低37.6%和44.0%。结合表5分析发现，铺设石子带的坡面与无措施坡面相比，径流量和累计泥沙量分别减少2.3%、31.5%；而铺设草垫带则分别减少14.4%、74.4%。

3 讨 论

3.1 光伏板配置对产流产沙及板下集流侵蚀细沟的影响

与ARMENISE等^［32］的研究结果一致，光伏板下方形成的局部微环境有助于雨水滞留与入渗，进而减少地表径流生成。在侵蚀方面，光伏板覆盖减少雨滴对坡面的直接击溅^［15］，抑制局部泥沙的产生。但光伏板截留雨滴通过板间缝隙集中下落并击打坡面^［28］，促进板下集流侵蚀细沟的发育和土壤颗粒剥离^［33］。安装高度是影响侵蚀的重要因素，较高的安装高度条件下，雨滴动能增大导致板下集流侵蚀细沟加深扩容，蓄水与溢流冲刷能力增强，泥沙输出量上升。此时，光伏板对侵蚀的促进作用（如下缘溅蚀与板下集流侵蚀细沟冲刷）与抑制作用（如遮蔽区溅蚀减少）相互抵消，最终安装高度较高的坡面产沙速率与裸露坡面差异较小。而较低安装高度条件下，光伏板对侵蚀的抑制作用仍占主导地位，整体表现为产沙量降低。光伏板倾角的变化可改变雨滴下落路径与坡面间的夹角，该夹角随倾角增大而略有减小^［34］。因此，当倾角较大时（如40°），雨滴对板下集流侵蚀细沟沟壁的切向力较强，容易引发沟壁侧向冲刷，促进板下集流侵蚀细沟宽度增加。倾角较小时（如30°），雨滴近乎垂直下落，沟底的下切作用增强，侵蚀深度增加，同时板下集流侵蚀细沟的蓄水能力增强。当积水溢出时，冲刷沟壁^［35］，进而导致板下集流侵蚀细沟宽度扩大。因此，本次试验中35°倾角表现出相对较弱的侵蚀效应。

3.2 水土保持措施对不同配置光伏板覆盖坡面的减流减沙效果

在光伏板下边缘区域铺设石子和草垫能够有效控制坡面侵蚀，其中草垫的减沙效果优于石子，与WANG等^［36］研究结果一致。石子和草垫的作用机制类似于跌水消能池，即通过吸收雨滴动能，降低雨滴汇集对坡面的冲击能量，从而减少光伏板集流对坡面土壤的剥离，实现减沙控蚀的目的^［22］。布设措施可能打乱地表径流路径，减少泥沙输移，而石子持水效果不如草垫，所以草垫表现出更优越的水土保持性能。

4 结 论

光伏板覆盖可有效减少坡面径流量及泥沙输出，较裸露坡面最大降幅分别达到26.8%和56.6%。排列方式对板下集流侵蚀细沟有影响。横向排列时单条板下集流侵蚀细沟面积和体积均小于竖向排列时。

1）光伏板的倾角控制板下集流侵蚀细沟的宽度。35°倾角条件下，板下集流侵蚀细沟的宽度最小（2.70 cm）。同时，倾角为35°的坡面径流量较30°与40°分别减少2.5%~20.5%和0.4%~21.1%；累计泥沙量降低10.1%~47.5%和4.7%~35.4%。

2）光伏板的安装高度与产流产沙均呈极显著正相关（p≤0.01）。其中，安装高度为0.4 m时，径流率、产沙速率及径流含沙量较裸露坡面分别降低约27.5%、60.0%、40.3%；径流量（82.04 L）、累计泥沙量（391.54 g）分别减少11.1%~26.8%与37.8%~56.6%。安装高度为0.4 m时，板下集流侵蚀细沟的尺寸最小，平均宽度和深度分别为2.71、1.53 cm。

3）防护措施可防止板下集流侵蚀细沟的发育，降低坡面产沙量。与光伏板覆盖且无防护措施的坡面相比，铺设石子坡面径流量和累计泥沙量分别减少2.3%、31.5%，铺设草皮分别减少14.4%、74.4%。

5 研究展望

从水土保持效益的角度出发，在本次试验设计的配置中横向排列、安装高度为0.4 m、倾角为35°的光伏板可减少径流和泥沙输出。然而，光伏板的配置也影响发电效能，即横向排列的光伏板在积雪非均匀覆盖时功率损耗更少^［37］。现有研究^［38-42］表明，光伏板的最佳倾角与光伏安装区域的纬度相关，光伏板最佳倾角范围普遍为20°~60°。光伏板安装高度可通过影响光伏组件温度而影响光伏发电量。光伏板安装高度较高时，下方气流可冷却光伏组件温度，提高输出功率^［43］，同时也加剧光伏板边缘局部侵蚀，该矛盾在山地、耕地等易侵蚀区域尤为突出。光伏板排列方式与倾角可通过优化设计最大限度实现发电能效与水土保持的协同提升，但仍需要进一步深入研究找到光伏板安装高度在发电效率与水土保持间的平衡点。在光伏电站建设过程中，也应结合具体地形与降雨特征，科学优化光伏板布局，并配套实施有效的地表防护措施，从而实现光伏发电与生态保护的协同发展。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42177335)

陕西省自然科学基础研究计划项目(2024ZY-JCYJ-02-18)