復(fù)雜地形光伏電站工程的場地設(shè)計(jì)研究

摘要：場地設(shè)計(jì)是工程建設(shè)中必不可少的組成部分，做好工程前期的場地設(shè)計(jì)工作，為實(shí)現(xiàn)這些工程及優(yōu)化工程項(xiàng)目提供了可能，從而為后續(xù)工作打下良好的基礎(chǔ)。以鄒城20MWp光伏電站工程為例，針對工程地形條件復(fù)雜、環(huán)保問題帶來的經(jīng)濟(jì)問題，運(yùn)用場地設(shè)計(jì)概念，輔以經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，對工程運(yùn)作與生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行前期研究與設(shè)計(jì)，從全局出發(fā)，提出場地總體布局的可能性、可行性及實(shí)現(xiàn)這些可行性的優(yōu)化可能。

關(guān)鍵詞：場地設(shè)計(jì)；復(fù)雜地形；光伏電站；環(huán)境保護(hù)

作者簡介：宋春艷（1979-），女，山東濟(jì)南人，山東電力工程咨詢院有限公司，工程師；高補(bǔ)偉（1983-），男，山西忻州人，山東電力工程咨詢院有限公司，工程師。（山東 濟(jì)南 250013）

中圖分類號：F273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0238-03

一、場地設(shè)計(jì)的問題

場地設(shè)計(jì)（site design），是針對基地內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的總平面設(shè)計(jì)，依據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的使用功能要求和規(guī)劃設(shè)計(jì)條件，在基地內(nèi)外的現(xiàn)狀條件和有關(guān)法規(guī)、規(guī)范的基礎(chǔ)上，人為地組織與安排場地中各構(gòu)成要素之間關(guān)系的活動(dòng)。場地設(shè)計(jì)既能提高基地利用的科學(xué)性，又使場地中的各要素，尤其是建筑物與其他要素形成一個(gè)有機(jī)整體，保證建設(shè)項(xiàng)目能合理有序地進(jìn)行、使用，發(fā)揮出經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)，使建設(shè)項(xiàng)目與基地周圍環(huán)境有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。[6]

目前國內(nèi)的電力建設(shè)已進(jìn)入市場化，適時(shí)地引入經(jīng)濟(jì)學(xué)理論是適應(yīng)電力建設(shè)市場化的必然。將經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)理論引入場地設(shè)計(jì)研究不僅是對場地設(shè)計(jì)概念優(yōu)秀理論的繼承，更是市場經(jīng)濟(jì)下的必然與創(chuàng)新發(fā)展。通過對近年來的光伏工程的案例進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)復(fù)雜地形的電站工程已逐漸成為整個(gè)國內(nèi)市場的主角。現(xiàn)以山東電力工程咨詢院設(shè)計(jì)的鄒城20MWp光伏電站工程為例，闡述如何引入場地設(shè)計(jì)概念去推進(jìn)項(xiàng)目的進(jìn)行。

二、鄒城工程案例分析

鄒城20MWp薄膜太陽能光伏電站工程位于山東省鄒城市境內(nèi)。鄒城市地處山東省南部，地理坐標(biāo)為北緯35°11′～35°32′，東經(jīng)116°24′～117°30′，是國家級歷史文化名城，新興能源工業(yè)基地。城市北接兗州、曲阜、泗水，西靠濟(jì)寧、微山，南鄰滕州、山亭，東連平邑。全境東西最長63km，南北最寬35km，總面積1613km2。鄒城市轄3個(gè)街道、14個(gè)鎮(zhèn)，總?cè)丝?12萬人。

1.建廠外部條件

（1）地理位置條件。郭里鎮(zhèn)黃山區(qū)站址位于鄒城市郭里鎮(zhèn)黃山區(qū)，西距郭里鎮(zhèn)駐地約1km。站西側(cè)與站址南側(cè)均有規(guī)劃路可以接入鄒城市區(qū)道路，交通條件較好。

（2）光照條件。鄒城市無日射觀測站，建議本階段采用濟(jì)南站檢測數(shù)據(jù)。全年總輻射量按5122.55MJ/m2計(jì)，全年日照時(shí)數(shù)在2700小時(shí)左右，全年平均日照百分率在60%以上。適宜太陽能電站建設(shè)。本報(bào)告參照濟(jì)南站的監(jiān)測結(jié)果，與當(dāng)?shù)貙?shí)際光照度有一定的誤差，但從國家氣象局的資料來看，該地區(qū)的光照度指標(biāo)應(yīng)高于濟(jì)南地區(qū)，經(jīng)濟(jì)效益較好。

（3）場地條件。擬建站址地形起伏較大，北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)三面地勢高，西側(cè)及中間地勢低洼，自然地面標(biāo)高在61.5m～161.1m（1985年國家高程基準(zhǔn)，下同），地貌類型為丘陵，地貌成因類型為斜坡地。目前為未利用土地。站址用地形狀極不規(guī)則，場地東西長約150m～1400m，南北寬約260m～960m，場地用地面積約76.32hm2，因場地東側(cè)部分丘陵約6.71hm2用地為已劃定的公益林用地，除去公益林，工程實(shí)際用地面積約69.61hm2，基本能滿足本工程電站站區(qū)的用地要求。

（4）電站接入條件。根據(jù)電站規(guī)模及在電網(wǎng)中所處的位置，擬通過1回35kV線路接接至110kV石墻站35kV側(cè)或220kV北宿站35kV側(cè)。

（5）區(qū)域水文條件分析。由于山地丘陵的坡度較大，匯流時(shí)間短，洪峰流量較大，坡地匯流洪水將對站址產(chǎn)生一定的影響，站址區(qū)域中的山腳平原處在超標(biāo)準(zhǔn)暴雨過后的洪水淹沒深度約0.8m。

（6）生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。鄒城市屬水土流失易發(fā)區(qū)，全縣低山丘陵約占全市總面積的70%，大小河流數(shù)目多，水土流失狀況曾一度較為嚴(yán)重。為改變這一狀況，鄒城市依靠政策來科學(xué)綜合治理水土流失，經(jīng)過十幾年堅(jiān)持不懈的努力，取得了顯著成效，治理后的小流域林草覆蓋率大大提高，土壤流失率也有較大程度的降低。

要想解決建廠外部條件帶來的問題，首先，要先了解光伏電站工程的自身特點(diǎn)，根據(jù)其自身的異樣性分析問題，進(jìn)而提出解決方案。

2.光伏電站的自身特點(diǎn)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏方陣、并網(wǎng)逆變器、測量通信系統(tǒng)及公共電網(wǎng)組成。光伏方陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能（直流電），并傳遞到與之相連的逆變器上，逆變器將直流電（DC）轉(zhuǎn)變成交流電（AC），輸出電力與公共電網(wǎng)相連接，為當(dāng)?shù)靥峁╇娏ΑＫ哉麄€(gè)場地除中控室、配電室、材料庫、辦公室外，大部分為成組布置的光伏電池板組件。光伏組件是將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿牟考枪夥娫聪到y(tǒng)的核心部件，科技含量非常高，要求具有非常好的耐侯性，能在室外嚴(yán)酷的條件下長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，同時(shí)具有高的轉(zhuǎn)換效率。因此，光伏電站工程場地總體布局的核心是對光伏電池組件的布置場地進(jìn)行選擇。中控室、配電室、材料庫、辦公室等設(shè)施可以合建一座綜合樓，一方面考慮電力出線方便，另一方面考慮靠近道路，方便交通。

光伏發(fā)電組件的布置方向朝南最為有利。對于固定式陣列的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)選擇光伏組件陣列最佳傾角，使傾斜面上的輻射總量達(dá)到最大，從而達(dá)到光伏電站年發(fā)電量最大的目標(biāo)。

三、鄒城工程場地設(shè)計(jì)研究（見圖1）

1.建廠條件分析

（1）早在春秋戰(zhàn)國時(shí)期，吳國的伍子胥就曾提出“相土嘗水，象天法地”的思想，經(jīng)過歷代建設(shè)規(guī)劃實(shí)踐者的繼承發(fā)展，到今天依舊在被使用。“相土嘗水，象天法地”就是強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場踏勘，包括地形、地質(zhì)、水文氣象及區(qū)域位置、交通等狀況的調(diào)查。通過現(xiàn)場踏勘，結(jié)合現(xiàn)狀地形圖紙資料，可以從整體入手選擇合適的用地，并對用地進(jìn)行分析，通過工程措施來實(shí)現(xiàn)工程。從“手繪站址區(qū)域位置及地形條件圖”可以看出：站址所示區(qū)域具有明顯的交通優(yōu)勢，其西、南處可以接入城市道路，交通條件較好；站址所在區(qū)域有山洪流的威脅。北側(cè)、東側(cè)、南側(cè)三面地勢高，西側(cè)及中間地勢低洼，區(qū)域整體地勢為向西逐漸降低。當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)暴雨時(shí)，丘陵的坡面流洪水將沿地勢流向廠址中間區(qū)域匯流后再向西流走，由于山地丘陵的坡度較大，匯流時(shí)間短，洪峰流量較大，坡地匯流洪水將對站址產(chǎn)生一定的影響。

（2）場地設(shè)計(jì)一定要尊重當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境整治的成果。這不僅僅是成本造價(jià)的問題，并且關(guān)系到千秋后代。如果場地規(guī)劃處理不當(dāng)，不僅是工程的敗筆，更使當(dāng)?shù)剡@幾十年的環(huán)境整治成果付之東流。借鑒微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)理論中的“邊際”概念，運(yùn)用場地設(shè)計(jì)手段，不僅僅可以照顧到場地土方、場地豎向設(shè)計(jì)需考慮的問題，更重要的是未破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)，符合國家和當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)政策。邊際效用與資金分配見圖2。

2.場地設(shè)計(jì)

（1）提取山脊分水線，進(jìn)行場地洪水分析。根據(jù)等高線曲率最大判別法將山脊線提取出來，由其控制場地平面，然后分出山地與平地，找出控制點(diǎn)，連接成線。某地域降水的多少與地形的地貌構(gòu)成如何影響關(guān)系是很小的。另外，對于處理的場地都有場地邊界線，不能把場地邊界線想當(dāng)然地認(rèn)為是排水區(qū)域界線。計(jì)算匯水面積要跳出場地邊界的限制，在必要的更大范圍里計(jì)算出各種水力參數(shù)。

（2）繪制場地設(shè)計(jì)圖（見圖3）。利用場地原有地形中由于地面徑流形成的天然匯水溝，適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行改造加固，可以做到順應(yīng)地形，不破壞地表形態(tài)，不破壞原地面徑流，這也是防止水土流失、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一種設(shè)計(jì)手段，符合中國古代規(guī)劃理論的“形勝”思想——與自然結(jié)合，改造自然但不破壞自然。

根據(jù)工程建設(shè)的特點(diǎn)及完工后運(yùn)行情況，在工程建設(shè)期和自然恢復(fù)期是水土流失主要發(fā)生期。施工期間，伴隨光伏組件基礎(chǔ)開挖、施工道路開挖填筑等施工活動(dòng)，將擾動(dòng)原地表、破壞地表形態(tài)，導(dǎo)致地表裸露和土層結(jié)構(gòu)破壞，遇降雨或大風(fēng)天氣將產(chǎn)生水土流失；工程運(yùn)行期間，地表開挖、回填、平整等擾動(dòng)活動(dòng)基本結(jié)束，水土流失程度將大幅度降低，但因擾動(dòng)后的區(qū)域自然恢復(fù)能力降低，并具有明顯的效益發(fā)揮滯后性，仍將會(huì)產(chǎn)生一定的水土流失。

因此，仍須采取以下防止水土流失的工程措施：

一是工程分期、分階段進(jìn)行，且作業(yè)場地面積控制在一定的范圍內(nèi)。因?yàn)樽鳂I(yè)場地?cái)U(kuò)大會(huì)造成更大面積的土壤表層的破壞，造成風(fēng)沙侵蝕的增強(qiáng)。

二是沿山地與平地交界處規(guī)劃站區(qū)內(nèi)部道路，同時(shí)沿路邊設(shè)排水溝，將場地雨水排至排洪溝內(nèi)，防止山坡地徑流對場地的沖刷破壞。

三是采取路基路面排水及路面混凝土硬化等工程措施，防止路基路面受雨水、地表徑流沖刷而失穩(wěn)。

3.站區(qū)總平面規(guī)劃

根據(jù)光伏電站的布置特點(diǎn)，本工程根據(jù)場地原自然地形坡度進(jìn)行微調(diào)整，根據(jù)計(jì)算選擇的光伏組件陣列最佳傾角，將太陽能電池板沿地面坡度分為20個(gè)單元組進(jìn)行布置，1MWp一個(gè)單元，因站址用地形狀不規(guī)則，所以每個(gè)單元用地不盡相同。每個(gè)單元行列間距由設(shè)計(jì)的最終場地坡度而定，基本上是利用原有自然地形坡度，盡最大可能不動(dòng)土方。逆變器及變壓器一個(gè)單元配置一組，盡可能布置在陣列的中間，以減少電纜的敷設(shè)長度。交、直流配電裝置均選用戶外型產(chǎn)品，站址出線通過35kV 電纜直埋至戶外，通過架空線路連接至站址西南側(cè)的110kV石墻站。站址西側(cè)、南側(cè)約1km處為太黃路，方便站址與外部的交通聯(lián)系。中控制室、材料庫等聯(lián)合布置的綜合樓布置在站址的中部，靠近站內(nèi)南側(cè)環(huán)丘陵的5m寬主路，方便站內(nèi)的電纜連接，減少電力損耗。

在市場經(jīng)濟(jì)體制下，電力工程的設(shè)計(jì)勢必要運(yùn)用經(jīng)濟(jì)學(xué)理論以保證工程的可行性。

（1）效用最大化。首先，最大限度保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境；其次，采用投資最省的場地設(shè)計(jì)方案；最后，方便施工，保證工期。

（2）利潤最大化。在給定的土地內(nèi)，保證業(yè)主要求的太陽輻射總量，即保證發(fā)電規(guī)劃總量的要求。

四、結(jié)語

鄒城項(xiàng)目通過合理的場地設(shè)計(jì)延續(xù)了“形勝”思想，既考慮到了工程的安全性，又為工程的可行性提供了可能。目前電力建設(shè)的市場化道路上環(huán)境保護(hù)問題普遍存在，為此應(yīng)探索如何通過設(shè)計(jì)手段將項(xiàng)目推進(jìn)中存在的問題化解，使項(xiàng)目可行。

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