水面光伏电站对水域生态环境影响分析与对策

郑志伟，史 方，彭建华，邹 曦，胡 莲，潘晓洁

（水利部中国科学院水工程生态研究所，水利部水工程生态效应与生态修复重点实验室，武汉 430079）

当前，光伏发电已经成为我国清洁能源产业发展的战略方向。我国光伏产业近年来发展迅速，年均新增装机量持续上扬。《太阳能发展“十三五”规划》提出，在未来4年内，太阳能发电装机有望超过1.1亿kW[1]。光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能[2]，其主要组件太阳电池板要占用一定的土地面积，因此光伏电站建设对土地需求较大，闲置土地如煤矿采空区、沙漠及盐碱地等都成为可用之地[3]。我国水域资源丰富，湖泊、水库众多，利用丰富的水面资源建设光伏电站成为光伏发电领域的新热点，装机容量呈现快速增长[4]。

水面光伏电站可以减少水面蒸发、抑制藻类繁殖，对水域生态环境具有一定保护作用[5]，但水面光伏电站施工期间扰动水体，运行期间遮挡光线，这些都会给水域生态环境带来一定的负面影响。目前，除少数研究者探讨了水面光伏电站对养殖池塘浮游生物影响[6]外，有关水面光伏电站对湖泊、水库水质、水生生物、生态系统结构和功能的影响鲜有报道。本文结合水面光伏电站的特点，简述水面光伏电站对水域生态环境的影响，并提出有关对策和建议，为水面光伏电站的生态环境保护提供参考。

1 水面光伏电站的原理及特点

水面光伏电站是指在湖泊、水库、池塘等水面上建立的光伏电站。根据建设方式，可分为架高式水面光伏电站和漂浮式水面光伏电站两大类[7]。架高式水面光伏电站是将光伏组件安装在桩基顶层，一般建设在水深较浅（小于3 m）、水位变化小的水域，光伏组件下端离最高水位1 m以上，以便于船只通行。此类电站一般建在水产养殖较集中地区，采用水上发电、水下养殖的模式来实现多产业的互补发展，有“渔光互补”模式之称。漂浮式光伏电站是借助水上浮体、浮台安装光伏组件，一般建设在水深较大、不受台风影响的湖泊、水库，利用水库水面稳定、面积大，且具备电网接入的便利条件，通过水电站的快速调节能力调节光和平滑伏电站出力，减少光伏电站出力随天气情况变化对系统的影响，有“水光互补”模式之称。

与陆地光伏电站相比，水面光伏电站不占用耕地、林地等土地资源。同时，水面光伏电站建设场地——湖泊、水库、池塘或采矿塌陷区周边环境开阔，便于光伏组件集中布置和管理；水域表面灰尘相对较少，清洗方便，对运维管理，保障发电量均有利。此外，水面的反射率远高于地面环境，相同面积条件下水面光伏电站发电量可提高7%～12%[8]。

2 水面光伏电站对水域生态环境的影响分析

水面光伏电站的生态影响可分为施工期和运行期。施工期水上作业过程产生的悬浮物、噪声等对水环境和生物体产生直接干扰，进而对水生态系统结构造成影响。运行期影响则是由于水面光伏组件的遮光效应，直接影响水温变化和浮游植物的光合效率、初级生产力，进而影响水生生物的生长、繁殖以及上行效应、下行效应，原有的水生生态系统结构和功能随之改变。此外，光伏组件长期浸泡在水中会导致水体污染风险增大。

2.1 对浮游生物的影响

架高式水面光伏电站施工过程中，局部水域悬浮物浓度短暂升高，一方面降低了水体的透光率，使得浮游植物等初级生产者生物总量出现下降，导致以浮游植物为食的浮游动物在单位水体所拥有的生物量相应出现减少；另一方面，水中过量的悬浮物会堵塞桡足类等浮游动物的食物过滤系统和消化器官[9]，滤食性浮游动物可能会摄入大量泥砂，造成其消化系统紊乱而死亡。

水面光伏电站运行过程中，长期遮光及其导致的水温变化对浮游生物的影响是比较大的。太阳福射是浮游植物进行光合作用的根本能量来源，光照的强弱决定着单细胞藻类光合效率[10]，水面光伏组件遮光阻碍了部分藻类等浮游植物的光合作用，降低了浮游植物等初级生产者的生产力，使得浮游植物等初级生产者生物总量下降，导致以浮游植物为食的浮游动物在单位水体所拥有的生物量相应出现减少。此外，遮光导致水温结构和变幅发生改变，亦会引起生物群落的改变，优势种群发生变化。

2.2 对鱼类的影响

水面光伏电站施工过程中，占用部分水面，会对施工区域鱼类资源、鱼类产卵及觅食造成一定影响，但影响并不大。运行过程中，水面光伏电站对鱼类的影响主要包括两个层面：一是遮光导致浮游生物生物量减少，导致鱼类饵料生物减少，影响鱼类的正常生长、发育；二是光照减弱和水温变幅的改变直接影响鱼类生长发育过程。许多研究表明，鱼类在其性腺发育过程中，光照和温度都起了重要作用[11]，如金鱼在长光照下及在冬春季节给以高温能诱导性腺成熟，光照周期的长期改变能影响鲤鱼的呼吸率等。因此，光伏组件在水面的布置可能影响鱼类生活史过程并导致其种群发生改变。

2.3 对沉水植物的影响

沉水植物是水生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者之一。在浅水型湖泊、水塘等水体中，沉水植物生物量大、种类多、群落分布广，对于维持水生生态系统物质和能量的循环和传递发挥着极其重要的作用。在各种环境因子中，光照强度被认为是影响沉水植物生长和分布的重要因子之一。很多研究指出，水体光照强度的减弱可能是沉水植物消失的根本原因[12]，光照强度不仅影响沉水植物的光合作用，对黑藻、苦草等一年生沉水植物特殊营养繁殖体的季节性再生也起着重要的作用[13]。水面光伏组件的布置，可能会导致水环境中沉水植物生物量损失，并使其种群结构发生改变。

2.4 对水生态系统食物网结构和能量转化效率的影响

初级生产力是水体生物生产力的基础，是食物链的第一个环节[14]，水面光伏组件遮光导致浮游生物初级生产力降低、生物量减少，会通过营养级联效应对水体中的其他鱼类和生态系统的物质循环和能量流动等过程产生深刻影响。研究者普遍认为食物链的长短受能流损失和能量最低要求的限制，太少的能量无法维持更高一级的营养类群，能量假说亦认为系统的初级生产力越高，食物链就越长。由此可认为：水面阳光直射面积减少可能导致水生态系统食物链缩短，食物网结构和能量转化效率发生改变，但由于遮光对整个水生生态食物链的影响是多环节、多层次的，这种改变的方向和形式尚无定论。

2.5 对水质及水体自净能力的影响

水面光伏电站对水质的影响主要包括两个层面，一是浮体材料的污染物释放，二是遮光对水体溶解氧及自净能力的影响。

在漂浮式光伏电站方案中，水面光伏组件的浮体绝大多数采用高密度聚乙烯材质，长期的暴晒、风化、浸泡可能导致其缓慢释放有机烃类污染物，亦可能释放微塑料颗粒。微塑料作为一种新型污染物，已受到国内外学者和公众的广泛关注[15]。微塑料一旦在淡水生物体内累积后，会造成各种物理性损伤，并最终可能会通过食物链影响到人类，造成无法预知的生态风险。

藻类进行光合作用产生的氧气占到水中溶解氧的70%左右[16]，在溶解氧存在的条件下，通过微生物的作用，能使有机污染物氧化分解为简单的无害化合物，即生物自净过程。如果消耗掉的氧不能得到及时补充，则水中的溶解氧逐渐减少，此时厌氧菌就会大量繁殖，使有机物腐败，水体就要变臭，所以溶解氧的多寡是反映水体生物自净能力的主要指标，也是反映水体污染程度的一个指标。水面光伏组件通过遮光影响浮游植物的光合作用，进而影响水体溶解氧浓度，会导致水环境中有机污染物的生物自净能力减弱。

3 有关对策和建议

3.1 合理的设计和施工方案

在工程设计阶段，应树立水生态环境保护意识，对于大型湖泊、水库等水体，需开展水生态环境本底调查。调查内容包括水文、水质、底质、水生生物等，分析水面光伏电站建设及运行可能引起的水生态系统结构和功能变化的时空规律，预测演变趋势；光伏组件布置选址时应回避重要生境区域，避免水生生物因无法完成正常的生活史而出现种群衰退；水面光伏组件覆盖水面的面积比例、布置方式应考虑维持水生态系统健康可持续原则；架高式方案的水下桩基和漂浮式方案的浮体材料应优选，除一般的生命周期长、衰减率低、散热和绝缘性能好、耐候性和耐腐蚀性强等要求外，还应具有环境友好性，避免因污染物缓慢释放而导致水体污染和通过食物链累计的生态风险。

在施工阶段，对于架高式方案，应首选排水、晾干场地后再打桩的作业方式，如必须采用船舶打桩，应构建临时围隔，尽量减小施工影响范围；对于漂浮式方案，水面作业的时间和范围避开水生生物产卵、繁殖和育幼等活动的高峰期和生态敏感区，作业前监测工程区域水生动物活动情况，进行人工驱赶。不同方案在施工时均应选择先进的施工工艺以及低噪音船舶机械等，降低施工噪音、减小悬浮物影响范围、缩短现场施工期限，采用防污帘控制作业范围，妥善处理各种废弃物，避免水污染物和固体废物排放。

3.2 开展水生态监测

对于大型湖泊、水库的水面光伏电站工程，应组织开展水生态跟踪监测，包括：工程所在水域的鱼类组成及资源量变化、鱼类产卵场和主要活动区域的变化，以及浮游植物、浮游动物、底栖动物和水生维管植物的种类和分布等，掌握工程建设前后水生生物群落结构变化的时空规律，预测不良趋势并及时发布警报，分析水生态系统结构和功能对水面光伏组件布置的响应和适应过程，为后续水面光伏电站的优化设计和应用提供基础。

3.3 加强水面光伏电站对水域生态环境影响研究

目前，国内在水面光伏电站对水域生态环境影响方面的研究非常稀少，除少数研究者探讨了“渔光一体”养殖模式和光伏组件对养殖池塘浮游生物影响[6]外，其余有关水面光伏组件布置对水质、水生生物以及水生态系统结构和功能变化影响的研究鲜有报道，这与近年来水面光伏产业如火如荼的发展势头极不相称，亟须开展大型水面光伏组件对水域生态环境影响的有关研究，以保障水面光伏产业科学、绿色发展。笔者认为，研究方向主要包括以下几个方面：

（1）水面漂浮物对浮游生物的影响及水面适宜覆盖面积

定量研究光照对浮游植物光合效率和生长速度的作用，研究不同遮光面积比例对固定水体表面积中浮游植物密度和生物量的影响；计算浮游植物光合作用产生的氧和自由水面空气复氧在水体溶解氧含量中的比例，分析浮游植物生物量变化对水体中溶解氧含量及水体自净能力的影响；根据浮游植物对水面漂浮物的响应分析维持水体自净能力的水面光伏组件覆盖面积。

（2）水下桩基对鱼类栖息地的影响及生态化技术

研究不同类型水下桩基结构和布局对鱼类栖息地的影响，评价桩基施工所产生的噪音、悬浮物对鱼类栖息地的短期影响，分析不同生态型鱼类空间分布和集群行为对桩基结构和布局的响应；根据水下桩基对鱼类的集群效应提出其施工的适宜时间、施工方式，以及兼顾鱼类繁殖、庇护、索饵等生长栖息需求的“鱼礁式”水下桩基构建方案。

（3）水面光伏电站引起的水温结构变化对鱼类生长繁殖的影响

研究单位面积水面光伏运行引起的水温结构变化，不同水面光伏布局对水温的时间和空间累积效应，光伏组件布置方式与水温结构变化的关系；根据温度在鱼类生活史不同阶段的作用与鱼类的响应机制，辨析光伏组件引起的水温结构变化对鱼类生长繁殖的影响，提出缓解水温结构变化对鱼类资源影响的技术措施。

（4）水面光伏对水生态系统食物网结构和能量转化效率的影响

根据浮游植物、浮游动物、底栖生物和鱼类之间的摄食关系，以及不同类群间的饵料贡献率构建典型水域的食物网模型，通过混合营养影响分析评价食物网中特定类群生物量变化对其他生物类群的影响，基于水面光伏对特定生物类群的影响评价其对水生态系统食物网结构和能量转化效率的影响。

4 结语

我国湖泊、水库、水塘等各种类型水体众多，发展水面光伏电站可以缓解土地因素的束缚，拓宽光伏发电的应用，优势明显。但同时其在水域生态方面的影响需要解决完善的问题也较多，特别是大型湖泊、水库水体，对于水面光伏发电在水生态环境方面的影响应正视而非回避。在设计和施工阶段，树立生态保护意识，积极避免不利影响，同时加强生态监测，分析水生态系统结构和功能对水面光伏组件布置的响应和适应过程。此外，深入研究水面漂浮物对水质、水生生物以及水生态系统结构和功能的影响，提出水面适宜覆盖面积比例，筛选生态型、环境友好型的桩基和浮体材料，对于水面光伏产业的健康、绿色发展是必要的。随着光伏产业的快速发展，新材料、新技术、新工艺不断创新进步，水面光伏电站在水域生态环境影响方面遇到的问题必然能得到合理解决，相信未来水上光伏电站会得到更加科学的发展应用。