張力小 陳云釗 張鵬鵬 李雨芩 武子凡 楊娜

摘要 隨著氣候變化、能源短缺等問(wèn)題的日益突出，大規(guī)模開發(fā)可再生清潔能源已成為世界各國(guó)的普遍選擇。其中，陸上風(fēng)電以其技術(shù)成熟、安全高效的優(yōu)勢(shì)，在全球能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用。然而，風(fēng)能資源具有能量密度低、不穩(wěn)定和空間分散等特點(diǎn)，大規(guī)模開發(fā)陸上風(fēng)電需要大量土地資源支撐。為保障碳中和目標(biāo)下風(fēng)電發(fā)展的土地資源需求，該研究對(duì)中國(guó)陸上風(fēng)電的土地占用情況進(jìn)行了定量研究。首先，以排他性為界定標(biāo)準(zhǔn)，從時(shí)空維度重新劃分了風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型。其次，融合樣本參數(shù)法和α形狀算法，分類核算了中國(guó)現(xiàn)有陸上風(fēng)電場(chǎng)的占地面積。最后，綜合考慮風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)模擬預(yù)測(cè)了碳中和目標(biāo)下不同發(fā)展情景的中國(guó)風(fēng)電用地需求。結(jié)果表明：①基于排他性原則，風(fēng)電場(chǎng)總占地面積在空間維度上可分為直接影響區(qū)域和間接影響區(qū)域兩部分；直接影響區(qū)域在時(shí)間維度上可分為永久用地和臨時(shí)用地兩部分。②2022年中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地、永久用地、臨時(shí)用地和直接影響區(qū)域占地面積分別達(dá)到48. 28 km2、352. 08 km2、1 234. 86 km2和1 638. 81 km2。③2022年中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)間接影響區(qū)域占地面積和總占地面積分別達(dá)到了9. 81×104 km2和9. 99×104 km2，總占地面積幾乎與全國(guó)城鎮(zhèn)總用地面積相當(dāng)。④與當(dāng)前技術(shù)水平情景相比，技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景下，2060年中國(guó)風(fēng)電各類用地需求均有大幅下降，且用地需求在2050年前后達(dá)到峰值，風(fēng)電機(jī)組的大型化替代對(duì)土地資源的節(jié)約潛力巨大。因此，完善風(fēng)電建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)、提升風(fēng)電開發(fā)用地效率、統(tǒng)籌推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)，是協(xié)同風(fēng)能資源開發(fā)與土地資源可持續(xù)利用的重要路徑。

關(guān)鍵詞 風(fēng)電場(chǎng)；排他性；用地強(qiáng)度；面積核算；土地需求

中圖分類號(hào) X37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002-2104（2024）05-0046-12 DOI：10. 12062/cpre. 20231003

發(fā)展可再生能源、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型，已成為解決能源安全問(wèn)題、應(yīng)對(duì)氣候變化的全球共識(shí)。作為一種可再生的清潔能源，風(fēng)電的開發(fā)利用得到了世界各國(guó)的高度重視。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）《2020年可再生能源報(bào)告》［1］估算，從2020年到2025年，全球風(fēng)電將以每年65～90 GW的速度增長(zhǎng)。然而，全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）在《全球風(fēng)能報(bào)告2022》［2］中披露的數(shù)據(jù)表明，2021年全球風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)837 GW，其中新增裝機(jī)容量為93. 6 GW，超過(guò)了國(guó)際能源署給出的增長(zhǎng)預(yù)期區(qū)間上限。這表明，全球風(fēng)電將以超出人們預(yù)期的速度加快發(fā)展，全球風(fēng)電開發(fā)的潛力將被進(jìn)一步釋放。在全球能源轉(zhuǎn)型與風(fēng)電開發(fā)的大潮中，中國(guó)占據(jù)著極為重要的地位。2021年10月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》［3］，要求全面推進(jìn)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電大規(guī)模開發(fā)和高質(zhì)量發(fā)展，并設(shè)定了風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億kW以上的碳達(dá)峰戰(zhàn)略目標(biāo)。隨后，國(guó)家發(fā)展改革委等部門聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》［4］，要求在“十四五”期間，可再生能源發(fā)電量增量在全社會(huì)用電量增量中的占比超過(guò)50%，風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電量實(shí)現(xiàn)翻倍。在政策文件的利好作用下，2022年，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到365. 4 GW，同比增長(zhǎng)11. 2%，占當(dāng)年全國(guó)電力裝機(jī)容量的14. 25%［5］，比上年提高0. 43 個(gè)百分點(diǎn)；新增風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到37. 6GW，占當(dāng)年全國(guó)電力新增裝機(jī)容量的18. 8%［6］。據(jù)《風(fēng)能北京宣言》預(yù)計(jì)，到2060年碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到3 000 GW［7］，是2022年裝機(jī)容量的8倍多，占2060 年全國(guó)電力裝機(jī)容量的比例超過(guò)30%［8］。由此可見(jiàn)，在推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過(guò)程中，風(fēng)電發(fā)揮著極其重要的作用。然而，風(fēng)能屬于“非碳基”資源，具有能量密度低、穩(wěn)定性差和空間分散等特點(diǎn)。捕獲風(fēng)力資源，并將其轉(zhuǎn)化為電力需要投入大量能源基礎(chǔ)設(shè)施，而陸上風(fēng)電場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)占用大量土地資源。而且，與光伏電站通過(guò)集中排列光伏模塊節(jié)約土地的方式不同，為確保每臺(tái)風(fēng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，避免“尾流效應(yīng)”［9］，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組往往采取較大間隔的布局方式［10］。此外，陸上風(fēng)電場(chǎng)還需在場(chǎng)內(nèi)外鋪設(shè)許多道路和塔線設(shè)施［11］，進(jìn)一步增加了土地需求量［12］。系統(tǒng)研究中國(guó)陸上風(fēng)電開發(fā)的土地占用情況，對(duì)于保障碳中和目標(biāo)下風(fēng)電發(fā)展的土地資源需求，協(xié)同風(fēng)能資源與土地資源的可持續(xù)利用具有重要指導(dǎo)意義。

1 文獻(xiàn)綜述與風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型的界定

目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界已逐步開展風(fēng)電開發(fā)土地需求與風(fēng)電場(chǎng)土地利用效率等方面的研究［13-17］，但國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究尚屬空白。Christie等［16］為探究風(fēng)電場(chǎng)布局方式與用地效率問(wèn)題，提出了土地需求維度的功率密度（power density），即風(fēng)電場(chǎng)單位占地面積的發(fā)電功率，并指出基于經(jīng)濟(jì)效益與土地利用效率視角的開發(fā)方案存在極大差異。Felix等［17］參考奧地利和丹麥風(fēng)電發(fā)展的土地利用指標(biāo)，定量估算了捷克能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中風(fēng)電開發(fā)引起的潛在土地需求量，指出捷克風(fēng)電開發(fā)所需土地量高于當(dāng)前土地可用量。需要指出的是，由于未對(duì)風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型進(jìn)行明確界定，這些研究所指的土地需求量概念內(nèi)涵差異較大。因此，本研究將從中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際案例入手，分析風(fēng)電場(chǎng)的土地占用性質(zhì)與特征，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型進(jìn)行明確界定，并通過(guò)樣本參數(shù)法、α形狀算法等多種研究方法，對(duì)中國(guó)陸上風(fēng)電開發(fā)的土地需求進(jìn)行量化與分析。

與其他大型可再生能源工程項(xiàng)目不同，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)土地占用性質(zhì)較為復(fù)雜，土地占用類型相對(duì)多樣。首先，風(fēng)電場(chǎng)是非封閉式的，缺乏明確的場(chǎng)區(qū)邊界，難以準(zhǔn)確圈定場(chǎng)區(qū)范圍。其次，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)土地的占用是分散而非集中式的［18］，場(chǎng)區(qū)內(nèi)部除了點(diǎn)狀分布的風(fēng)機(jī)以及線狀分布的道路［19］外，還存在許多受風(fēng)電場(chǎng)間接影響和間接占用的面狀區(qū)域。因此，為準(zhǔn)確核算中國(guó)風(fēng)電開發(fā)的土地需求，必須對(duì)風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型進(jìn)行明確界定。

目前，針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型的界定，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。2012年，住建部等多部門共同頒布了《電力工程項(xiàng)目建設(shè)用地指標(biāo)（風(fēng)電場(chǎng)）》［20］（以下簡(jiǎn)稱《指標(biāo)》），成為迄今為止國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)用地類型界定的主要標(biāo)準(zhǔn)。然而，《指標(biāo)》僅僅從工程建設(shè)的角度出發(fā)，將風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型分為永久用地和臨時(shí)用地兩類，而并未考慮風(fēng)電場(chǎng)的非工程用地，忽略了風(fēng)電場(chǎng)的間接性土地占用。有鑒于此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了風(fēng)電場(chǎng)非工程用地或間接性土地占用的概念，即所謂影響區(qū)域。Denholm等［21］將風(fēng)電場(chǎng)土地占用分為兩種類型，即直接影響區(qū)域（direct impact area）和風(fēng)電場(chǎng)總面積（total wind plantarea）。其中，直接影響區(qū)域是指被風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電力設(shè)備或施工設(shè)施直接占用的土地，例如風(fēng)電機(jī)組硬化基座所占用的土地；而在直接影響區(qū)域之外，還分布有大片“閑置”土地，這些土地受到了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)施的間接干擾和間接占用，因此被歸入風(fēng)電場(chǎng)總面積之中。McDonald等［22］提出了被清理的土地（cleared land）和總足跡（total footprint）兩種土地占用類型，前者表示在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中被清理、平整的土地區(qū)域，后者則代表受風(fēng)電場(chǎng)干擾和影響的最大范圍，類似前文中直接影響區(qū)域和風(fēng)電場(chǎng)總面積的概念。在國(guó)內(nèi)，郭索彥等［23］提出了項(xiàng)目建設(shè)區(qū)和直接影響區(qū)的概念，前者是指風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期和運(yùn)行期直接占用的土地，而后者是指在項(xiàng)目建設(shè)區(qū)之外，受風(fēng)電場(chǎng)影響和干擾的土地區(qū)域。這些研究成果將非工程用地納入風(fēng)電場(chǎng)用地類型之中，填補(bǔ)了《指標(biāo)》等工程標(biāo)準(zhǔn)在這一領(lǐng)域的空白。此外，也有部分學(xué)者并未區(qū)分風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)工程用地和非工程用地，而是將其統(tǒng)一納入風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)范圍之中，但風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)的概念和界定方法卻存在較大差異。Miller等［24］介紹了兩種風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)界定方法，一種是基于風(fēng)機(jī)點(diǎn)位構(gòu)建沃羅諾伊圖（Voronoi diagram），以多邊形外部邊界作為風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)范圍；另一種是為每臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)置緩沖區(qū)，緩沖距離為8 倍葉輪直徑。Turkovska等［25］提出了風(fēng)團(tuán)（wind cluster）和部署區(qū)域（beployment region）的概念。風(fēng)團(tuán)是指距離小于6 km的風(fēng)電場(chǎng)多邊形的集合，而部署區(qū)域則是以風(fēng)團(tuán)為基礎(chǔ)的緩沖區(qū)，緩沖距離為3 km。Diffendorfer等［26］收集了風(fēng)電機(jī)組和場(chǎng)內(nèi)道路數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了每臺(tái)風(fēng)機(jī)和每條道路的1 km緩沖區(qū)，并將融合后的緩沖區(qū)作為風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)范圍。由此可見(jiàn)，雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)已從多個(gè)角度界定和劃分了風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型，但仍存在一定不足和缺陷。首先，上述研究并未提出明確的界定依據(jù)，僅以定性詞匯描述了風(fēng)電場(chǎng)不同用地類型，而定性詞匯在不同語(yǔ)境下含義差異較大，例如Denholm等［21］和郭索彥等［23］的研究分別以直接影響區(qū)域和直接影響區(qū)兩個(gè)極其相似的詞組描述了兩種截然相反的土地占用類型，存在劃定標(biāo)準(zhǔn)不明確、概念含義不清晰的問(wèn)題。其次，上述研究并未對(duì)風(fēng)電場(chǎng)非工程用地的范圍做出確切規(guī)定，緩沖區(qū)的距離設(shè)置存在一定主觀傾向，對(duì)間接性土地占用的分析僅停留在概念描述階段，而并未形成統(tǒng)一的、客觀的風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)劃定方法，導(dǎo)致其難以直接用于風(fēng)電場(chǎng)占地面積的分類核算。

基于上述研究成果，該研究對(duì)風(fēng)電場(chǎng)土地占用性質(zhì)和占用特征進(jìn)行分類研究，探討了風(fēng)電場(chǎng)用地類型界定標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型劃分體系。通過(guò)分析，不難發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同土地的占用性質(zhì)存在明顯差異，集中體現(xiàn)在土地利用的排他性方面。在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部，一些土地被混凝土等構(gòu)筑物覆蓋，不能進(jìn)行其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)；部分土地暫時(shí)堆放一些零部件，移除后可逐漸恢復(fù)原狀；還有一部分土地基本保持原貌，但僅可用于放牧等部分經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)［27］。這就意味著，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同土地在時(shí)空維度上呈現(xiàn)出不同的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排他性。因此，以這種排他性為界定原則，可對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同土地占用類型進(jìn)行明確劃分。

在空間維度上，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同土地分別表現(xiàn)出了完全排他性或部分排他性（圖1）。具體而言，風(fēng)機(jī)硬化基座、場(chǎng)內(nèi)道路以及設(shè)備材料倉(cāng)庫(kù)等設(shè)施會(huì)完全占據(jù)所在區(qū)域原有土地，徹底破壞地表原有物體和植被［28］，導(dǎo)致這些土地呈現(xiàn)出完全排他性，因此這部分土地屬于直接影響區(qū)域，即風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)相關(guān)設(shè)施直接占用的土地區(qū)域。而風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)若干設(shè)施的周邊區(qū)域，雖未受到風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行的直接占用，但其潛在用途仍在一定程度上受到了風(fēng)電開發(fā)的排他性限制。例如被風(fēng)機(jī)包圍的一片草地，理論上能夠進(jìn)行一定的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)（放牧、農(nóng)業(yè)種植等），但已不具備足夠的空間和適宜的環(huán)境條件來(lái)承載居民樓、商業(yè)大廈和大型工廠等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。換言之，這些土地并不會(huì)排斥所有經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，但卻限制了經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的范圍，具有部分排他性，因此屬于間接影響區(qū)域。間接影響區(qū)域涵蓋了受風(fēng)電場(chǎng)排他性影響的最大范圍，其外圍邊界可認(rèn)為是風(fēng)電場(chǎng)的總體邊界。因此，可將風(fēng)電場(chǎng)總占地面積定義為直接影響區(qū)域與間接影響區(qū)域面積之和。相應(yīng)地，只需計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)總占地面積和直接影響區(qū)域面積，即可得到間接影響區(qū)域面積。

與空間維度不同，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)不同土地在時(shí)間維度上的排他性更為復(fù)雜，在全生命周期中的變化也存在較大差異，主要表現(xiàn)為永久用地和臨時(shí)用地兩類（圖1）。其中，永久用地在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與運(yùn)行階段具有完全的排他性，因此屬于直接影響區(qū)域，主要包括風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、機(jī)組變電站、升壓站及運(yùn)行管理中心、集電線路桿塔、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)道路和電纜溝等固定設(shè)施用地［29］。而有些土地在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)期間具有暫時(shí)的排他性，但在風(fēng)電場(chǎng)建成投運(yùn)后，這種排他性逐漸降低，能夠恢復(fù)施工以前的狀態(tài)［30］，這部分土地屬于臨時(shí)用地，即風(fēng)電場(chǎng)施工期間暫時(shí)占用的土地，主要包括：施工臨時(shí)便道、風(fēng)機(jī)吊裝場(chǎng)地、臨時(shí)住所、綜合加工廠、材料設(shè)備倉(cāng)庫(kù)、直埋電纜等臨時(shí)設(shè)施用地［31］。隨著風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)流程的推進(jìn)，臨時(shí)用地分別具有完全排他性和部分排他性，因此，其在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別屬于直接影響區(qū)域和間接影響區(qū)域。根據(jù)《中華人民共和國(guó)土地管理法》［32］和《土地復(fù)墾條例》［33］等相關(guān)法律法規(guī)，土地使用者應(yīng)在臨時(shí)用地期滿之日起一年內(nèi)完成土地恢復(fù)工作，這使得臨時(shí)用地在法律義務(wù)和經(jīng)濟(jì)成本方面區(qū)別于間接影響區(qū)域。為便于統(tǒng)計(jì)核算受風(fēng)電開發(fā)活動(dòng)直接占用的最大區(qū)域面積，該研究將臨時(shí)用地面積納入直接影響區(qū)域面積之中，即直接影響區(qū)域面積包含永久用地和臨時(shí)用地面積兩部分。

2 研究方法與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

2. 1 樣本參數(shù)法

收集了114個(gè)陸上風(fēng)電場(chǎng)的可行性研究報(bào)告或環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告作為研究樣本。這些風(fēng)電場(chǎng)樣本分布于25個(gè)省份，包含了從0. 75 MW到4 MW等數(shù)種不同單機(jī)容量的風(fēng)電機(jī)組，涵蓋了山地、平原、丘陵、戈壁等多種地形地貌，建設(shè)時(shí)間從2010年到2022年不等，具有良好的代表性。

上述風(fēng)電場(chǎng)樣本提供了詳細(xì)的工程建設(shè)和土地占用數(shù)據(jù)，例如風(fēng)電場(chǎng)道路寬度、升壓站占地面積以及施工臨時(shí)設(shè)施所占用的土地面積等。此外，根據(jù)《指標(biāo)》要求，114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本普遍提供了永久用地和臨時(shí)用地面積數(shù)據(jù)，研究過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了歸納整理。需要說(shuō)明的是，部分樣本報(bào)告中給出的永久用地和臨時(shí)用地面積統(tǒng)計(jì)口徑與前文所述用地類型劃分體系存在一定差異，例如少數(shù)風(fēng)電場(chǎng)將巡檢道路占地歸入臨時(shí)用地之中。因此，參照前文定義對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了核準(zhǔn)修正。

在此基礎(chǔ)上，以樣本風(fēng)電場(chǎng)占地面積（aij）和樣本風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量（cij）分別計(jì)算了不同土地占用類型和不同單機(jī)容量條件下的風(fēng)電場(chǎng)用地強(qiáng)度（Iij），見(jiàn)式（1）；構(gòu)建了風(fēng)電場(chǎng)用地強(qiáng)度參數(shù)庫(kù)，并結(jié)合中國(guó)陸上風(fēng)電裝機(jī)容量（Cij），分類核算了中國(guó)陸上風(fēng)電占地面積Ai，見(jiàn)式（2）。

為便于計(jì)算，將風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量分為<2. 00 MW、2. 00～<3. 00 MW、≥3. 00 MW 3組。

2. 2 α形狀算法

如前所述，本研究收集的114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本均提供了工程性占地面積，即直接影響區(qū)域面積，僅有33個(gè)樣本提供了總占地面積的估算數(shù)據(jù)，存在樣本數(shù)量較少與數(shù)據(jù)不確定性等問(wèn)題。為更加準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)間接影響區(qū)域和總占地面積，除了采用樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)確定外，還利用α形狀算法對(duì)比驗(yàn)證了樣本參數(shù)法的間接影響區(qū)域和總占地面積用地強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。該算法參考了Denholm［21］和Turkovska等［25］學(xué)者的研究成果，能夠以風(fēng)電場(chǎng)外圍風(fēng)機(jī)為錨點(diǎn)，構(gòu)造環(huán)繞場(chǎng)區(qū)的多邊形邊界，并以其包覆區(qū)域作為風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)范圍，進(jìn)而計(jì)算場(chǎng)區(qū)總占地面積。α形狀（alpha shape）表示與平面有限點(diǎn)集相關(guān)的、由一系列首尾相連的簡(jiǎn)單線段組成的平面圖形，最早由Edelsbrunner等［34］于1983 年定義。對(duì)于半徑為1/α 的圓來(lái)說(shuō)，若其內(nèi)部不包含任何平面點(diǎn)集中的點(diǎn)，且其邊界經(jīng)過(guò)點(diǎn)集中2 個(gè)點(diǎn)，則以線段連接兩點(diǎn)，該線段即為α 形狀的邊。平面上所有符合上述條件的線段，共同組成了平面點(diǎn)集的一個(gè)α形狀。因此，在α參數(shù)不同的條件下，α形狀能夠分別表示平面點(diǎn)集的凸包（convex hull）（α→0）或凹包（concave hull）（α>0），從而將平面點(diǎn)集的分布區(qū)域具象化，并提供了明確的圖形邊界?；谏鲜龈拍睿珺ellock等［35］開發(fā)了α形狀工具箱（alpha shape toolbox），可針對(duì)點(diǎn)狀要素生成對(duì)應(yīng)的α形狀。換言之，該工具可根據(jù)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位生成相應(yīng)的場(chǎng)區(qū)多邊形。以該工具箱為基礎(chǔ)，編寫了α 形狀算法程序，并將α 參數(shù)值設(shè)定為0. 000 1［36］。

為有效運(yùn)用該算法，采集114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本的風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位，以此作為輸入數(shù)據(jù)集進(jìn)行比對(duì)。由于部分風(fēng)電場(chǎng)樣本建設(shè)時(shí)間較晚，以及部分風(fēng)電場(chǎng)樣本變更或取消了建設(shè)方案，遙感影像和衛(wèi)星地圖上暫無(wú)對(duì)應(yīng)的風(fēng)電機(jī)組，因此共定位并采集了81個(gè)與報(bào)告數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的樣本風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位。這些樣本涵蓋了23個(gè)省份、4類地形地貌和5種風(fēng)機(jī)功率，具有良好的代表性。部分樣本的α形狀構(gòu)建結(jié)果如圖2所示。

2. 3 中國(guó)風(fēng)電遠(yuǎn)期用地需求模擬預(yù)測(cè)方法

為分析碳中和前景下中國(guó)陸上風(fēng)電的土地資源需求，進(jìn)一步開發(fā)了一種模擬預(yù)測(cè)方法，主要包括動(dòng)態(tài)參數(shù)構(gòu)建和模擬情景設(shè)置兩部分。

（1）動(dòng)態(tài)參數(shù)構(gòu)建。在“雙碳”目標(biāo)的強(qiáng)力推動(dòng)下，中國(guó)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步迅速，風(fēng)機(jī)市場(chǎng)呈現(xiàn)快速更新迭代的趨勢(shì)。為模擬未來(lái)大功率風(fēng)電機(jī)組的用地強(qiáng)度，以現(xiàn)有114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本為基礎(chǔ)，通過(guò)擬合曲線外推的方式，構(gòu)建了中國(guó)風(fēng)電未來(lái)用地需求的動(dòng)態(tài)參數(shù)。擬合曲線自變量為風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量（x），因變量為用地強(qiáng)度（I）。4種土地占用類型用地強(qiáng)度的擬合模型如下。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地面積：I1 =-42.9ln x +169.1，R2 =0.92（3）

永久用地面積：I2 = 1587.4x-1.05，R2 = 0.99 （4）

臨時(shí)用地面積：I3 = 8979.6x-0.85，R2 = 0.99 （5）

總占地面積：I4 = 288906.6e-0.11x，R2 = 0.93 （6）

上述模型的擬合優(yōu)度R2 均在0. 9以上，表現(xiàn)出良好的擬合效果。但必須承認(rèn)，與所有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)模型一樣，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)存在一定的不確定性。因此，通過(guò)該模型進(jìn)行的模擬分析應(yīng)與情景推演相結(jié)合。

（2）模擬情景設(shè)置。設(shè)置了兩種模擬情景：一是當(dāng)前技術(shù)水平情景，以現(xiàn)有用地強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算未來(lái)用地需求；二是技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景，假設(shè)未來(lái)風(fēng)電場(chǎng)所安裝的風(fēng)電機(jī)組處于一種動(dòng)態(tài)變化和更新之中，舊的小功率風(fēng)機(jī)逐漸被新型大功率風(fēng)機(jī)取代。為此，基于不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)置了不同的平均單機(jī)容量，以模擬風(fēng)機(jī)不斷迭代的情景。其中，2022年中國(guó)陸上風(fēng)電平均單機(jī)容量取114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本的平均單機(jī)容量（2. 02 MW），平均用地強(qiáng)度取所有樣本的平均用地強(qiáng)度；2030—2060年中國(guó)陸上風(fēng)電平均單機(jī)容量分別取4. 0～10. 0 MW，該設(shè)置參考了此前的研究成果，即主導(dǎo)風(fēng)機(jī)大?。╠ominant wind turbine size）每5年約增加1 MW的迭代規(guī)律［37］，相應(yīng)地，平均用地強(qiáng)度由上文擬合曲線式（3）—式（6）獲得。2030—2060年各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電總裝機(jī)容量數(shù)據(jù)來(lái)自GEIDCO 發(fā)布的《中國(guó)2060年前碳中和研究報(bào)告》［8］。為便于模擬計(jì)算，本研究將未來(lái)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)電總裝機(jī)容量視作陸上風(fēng)電裝機(jī)容量。在技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景下，各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的總裝機(jī)容量、平均單機(jī)容量與平均用地強(qiáng)度見(jiàn)表1。

3 中國(guó)陸上風(fēng)電土地需求的定量核算與模擬預(yù)測(cè)

以上述研究方法為基礎(chǔ)，定量核算了中國(guó)現(xiàn)有陸上風(fēng)電場(chǎng)的各類用地面積，并對(duì)碳中和前景下中國(guó)風(fēng)電的遠(yuǎn)期用地需求進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)。

3. 1 現(xiàn)有陸上風(fēng)電場(chǎng)直接影響區(qū)域面積核算

分類計(jì)算了114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地、永久用地、臨時(shí)用地和直接影響區(qū)域用地強(qiáng)度，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，4種土地占用類型的用地強(qiáng)度平均值均隨風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增加而下降。其中，在3類單機(jī)容量不同的風(fēng)電場(chǎng)樣本中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)用地強(qiáng)度的中位數(shù)和平均數(shù)都十分接近，且風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地的樣本點(diǎn)集聚程度是四種土地占用類型中最高的。該結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)已相對(duì)成熟，不同風(fēng)電場(chǎng)普遍能以相近的用地指標(biāo)修建風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，而且點(diǎn)狀分布的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受地形條件的影響相對(duì)更小，因此能夠在不同風(fēng)電場(chǎng)間做到用地強(qiáng)度的相對(duì)集中。臨時(shí)用地強(qiáng)度遠(yuǎn)高于永久用地強(qiáng)度，在3類單機(jī)容量不同的風(fēng)電場(chǎng)樣本中，兩者平均值之比分別達(dá)到了2. 30：1、4. 03：1和5. 88：1，平均為3. 52：1，表現(xiàn)出隨單機(jī)容量增加而擴(kuò)大的趨勢(shì)。Denholm等［21］得出了相似的研究結(jié)果，作者以172個(gè)平均單機(jī)容量為1. 58 MW的美國(guó)風(fēng)電場(chǎng)作為研究樣本，得到的臨時(shí)用地與永久用地強(qiáng)度值之比為7：3，該比例與2. 00 MW以下風(fēng)電場(chǎng)樣本的計(jì)算結(jié)果相符。具體來(lái)看，臨時(shí)用地的主要來(lái)源為施工臨時(shí)道路，其次是風(fēng)機(jī)吊裝場(chǎng)地，在全部114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本中，二者用地強(qiáng)度平均值分別為2 376. 59m2/MW 和867. 80 m2/MW，分別占臨時(shí)用地的54. 9% 和20. 0%。而棄土棄渣場(chǎng)、施工臨時(shí)住所和設(shè)備材料倉(cāng)庫(kù)等其他施工臨時(shí)設(shè)施占用土地相對(duì)較少，占臨時(shí)用地的比例不足25%。永久用地的主要來(lái)源為場(chǎng)內(nèi)巡檢道路，在所有風(fēng)電場(chǎng)樣本中，其用地強(qiáng)度平均值達(dá)到了964. 20m2/MW，占永久用地的78. 4%，而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)用地強(qiáng)度平均值僅占永久用地的12. 9%。根據(jù)Denholm 等［21］的研究，場(chǎng)內(nèi)巡檢道路占永久用地的比例為79%，施工臨時(shí)道路占臨時(shí)用地的比重也達(dá)到了62%，這與上文計(jì)算結(jié)果基本吻合。由此可見(jiàn)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地并不是永久用地和直接影響區(qū)域的主要來(lái)源，場(chǎng)內(nèi)道路、升壓站和運(yùn)行管理中心等配套設(shè)施用地占永久用地的80%以上。如果忽略施工臨時(shí)道路改建為場(chǎng)內(nèi)巡檢道路的特殊情況，將施工臨時(shí)道路和場(chǎng)內(nèi)巡檢道路合并處理，則全部樣本的場(chǎng)內(nèi)道路用地強(qiáng)度平均值達(dá)到了3 340. 79 m2/MW，占直接影響區(qū)域的60. 1%。該結(jié)果表明，場(chǎng)內(nèi)道路是直接占用土地最多的一類風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)施。綜合永久用地和臨時(shí)用地計(jì)算結(jié)果可知，直接影響區(qū)域用地強(qiáng)度為5 562. 06 m2/MW，該數(shù)字略低于Diffendorfer 等［26］的研究結(jié)果（6 500 m2/MW），但相對(duì)誤差僅有14. 4%～16. 9%。若以樣本風(fēng)電場(chǎng)平均單機(jī)容量2. 02 MW計(jì)算，則每臺(tái)風(fēng)機(jī)的直接影響區(qū)域?yàn)?. 12 hm2，這與美國(guó)土地管理局［38］以及Strickland等［39］得到的研究結(jié)果相符（兩項(xiàng)研究所得結(jié)果分別為0. 4～1. 2 hm2 和0. 5～1. 4 hm2）。由此可見(jiàn)，基于114個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本的直接影響區(qū)域用地強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果誤差較小，可靠性良好。

2022年，中國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到了365. 4 GW，其中陸上風(fēng)電裝機(jī)容量為334. 9 GW。根據(jù)風(fēng)能專委會(huì)發(fā)布的《2022年中國(guó)風(fēng)電吊裝容量統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)報(bào)》［40］，2022年中國(guó)<2. 00 MW、2. 00～<3. 00 MW和≥3. 00 MW單機(jī)容量的陸上風(fēng)電場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)容量占比分別為27. 6%、45. 1%和27. 3%，結(jié)合3 類單機(jī)容量風(fēng)電場(chǎng)樣本的用地強(qiáng)度平均值，求得2022年中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地、永久用地、臨時(shí)用地和直接影響區(qū)域占地面積，其數(shù)值分別為48. 28 km2、352. 08 km2、1 234. 86 km2和1 638. 81 km2。

正如前文所述，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地并不是風(fēng)電場(chǎng)直接性土地占用的“主力”，場(chǎng)內(nèi)道路等配套設(shè)施用地構(gòu)成了風(fēng)電場(chǎng)直接影響區(qū)域的主要部分。若以前文所述78. 4%的道路占比計(jì)算，則風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)巡檢道路占地面積為276. 03km2。考慮到場(chǎng)內(nèi)巡檢道路路基寬度多為4. 5～6. 5 m，取較為常見(jiàn)的5. 5 m作為計(jì)算依據(jù)，則2022年中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)道路總里程達(dá)到了5. 02萬(wàn)km，約為2022年中國(guó)公路總里程（528. 07萬(wàn)km）［41］的0. 95%。此外，若將中國(guó)現(xiàn)有全部風(fēng)電項(xiàng)目征用的臨時(shí)性土地同時(shí)聚集起來(lái)，則1 234. 86 km2的臨時(shí)用地面積超過(guò)了上海浦東新區(qū)（約1 210 km2）［42］，是永久用地面積的3. 5倍。大量臨時(shí)用地給風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)方帶來(lái)了較大的土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)壓力，提高了風(fēng)電項(xiàng)目征地成本和總體支出［43］。

總體來(lái)看，2022年中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)直接影響區(qū)域占地面積達(dá)到1 638. 81 km2，約占中國(guó)國(guó)土總面積的0. 02%?？紤]到碳中和前景下中國(guó)風(fēng)電超過(guò)3 000 GW的裝機(jī)容量發(fā)展目標(biāo)［7］，若對(duì)風(fēng)電場(chǎng)直接影響和直接占用的土地?cái)?shù)量不加限制，則2060年中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)直接影響區(qū)域面積有可能超過(guò)1. 6萬(wàn)km2，該數(shù)值約與整個(gè)北京市行政區(qū)域的面積相當(dāng)（約16 410 km2）［44］。

3. 2 現(xiàn)有陸上風(fēng)電場(chǎng)間接影響區(qū)域面積核算

由于含有總占地面積估測(cè)數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量較少，因此統(tǒng)一計(jì)算了不同單機(jī)容量風(fēng)電場(chǎng)樣本的總占地面積和間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度平均值與中位數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下。

3. 2. 1 基于樣本參數(shù)法的間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度

通過(guò)整理含有總占地面積的樣本數(shù)據(jù)，得到33個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本的總占地面積用地強(qiáng)度，其結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，以2022年為基準(zhǔn)，中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)總占地面積的用地強(qiáng)度處于0. 067～1. 530 km2/MW之間，用地強(qiáng)度平均值為0. 421 km2/MW，中位數(shù)為0. 307 km2/MW。其中，有75%左右的樣本點(diǎn)集中于中位數(shù)附近，換言之，均值線超過(guò)了75%左右的樣本點(diǎn)，因此，中位數(shù)具有更好的代表性。隨后，以總占地面積用地強(qiáng)度減去直接影響區(qū)域用地強(qiáng)度（114個(gè)樣本均值為5 562. 06 m2/MW），可得間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度，其平均值為0. 415 km2/MW，中位數(shù)為0. 301 km2/MW。由于中位數(shù)的代表性相對(duì)較好，因此選擇以0. 301 km2/MW 作為基于樣本參數(shù)法的間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

3. 2. 2 基于α形狀算法的間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度

借助α形狀算法，計(jì)算了81個(gè)風(fēng)電場(chǎng)樣本的總占地面積用地強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。其中，總占地面積用地強(qiáng)度平均值為0. 290 km2/MW，中位數(shù)為0. 257 km2/MW。相應(yīng)地，間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度的平均值為0. 284 km2/MW，中位數(shù)為0. 251 km2/MW。需要注意的是，與樣本參數(shù)法的計(jì)算結(jié)果相比，α形狀算法計(jì)算得到的81個(gè)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)并未出現(xiàn)特別顯著的集聚現(xiàn)象，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為均勻，且平均值與中位數(shù)差異較小。在這種情況下，平均值具有更好的代表性，因此，選擇以0. 284 km2/MW作為基于α形狀算法的間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。

圖4反映了兩種方法的樣本計(jì)算結(jié)果。對(duì)比二者可知，除個(gè)別樣本點(diǎn)外，兩組結(jié)果數(shù)值較為接近，差異相對(duì)較小。從具體樣本點(diǎn)來(lái)看，在兩種方法共有的風(fēng)電場(chǎng)樣本中，若以樣本參數(shù)法計(jì)算結(jié)果為真值，則有37. 04%的樣本α形狀算法計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差低于25%，有81. 48%的樣本α形狀算法計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差低于50%。從樣本統(tǒng)計(jì)值來(lái)看，不論以何種方法計(jì)算結(jié)果作為間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度的真值，兩種方法的相對(duì)誤差絕對(duì)值均在5%～6%之間（5. 65%和5. 99%），證明兩種彼此獨(dú)立的計(jì)算方法可以在很大程度上相互驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果可信度較高、可靠性較好。因此，該研究選擇以兩種方法所得計(jì)算結(jié)果的平均值，即0. 293 km2/MW作為中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。相應(yīng)地，總占地面積用地強(qiáng)度為0. 298 km2/MW。與已有研究成果相比，Denholm 等［21］提供的風(fēng)電場(chǎng)總面積容量密度（capacitydensity）范圍約為1. 0～11. 2 MW/km2，平均值為3. 0 MW/km2，即0. 33 km2/MW，與前文所得結(jié)果相差僅10%。Harrison?Atlas 等［45］采用凸包（convex hull）算法計(jì)算了1 089個(gè)美國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的總占地面積容量密度，其平均值為4. 3 MW/ km2，即0. 23 km2/MW，這與美國(guó)能源部［46］得出的總占地面積用地強(qiáng)度相近（0. 2 km2/MW）。Harrison?Atlas等［45］指出，與環(huán)境影響報(bào)告等規(guī)范性文件提供的數(shù)據(jù)相比，以凸包算法等幾何圖形方法計(jì)算得到的風(fēng)電場(chǎng)總占地面積往往趨于保守。這與上文研究結(jié)果相符，即α形狀算法計(jì)算結(jié)果往往低于樣本參數(shù)法計(jì)算結(jié)果。因此，融合了樣本參數(shù)法和α形狀算法的風(fēng)電場(chǎng)總占地面積用地強(qiáng)度，理論上要高于純幾何圖形方法的計(jì)算結(jié)果。

由前文可知，2022 年中國(guó)陸上風(fēng)電總裝機(jī)容量為334. 9 GW，結(jié)合上述間接影響區(qū)域用地強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，可得2022年中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)間接影響區(qū)域占地面積和總占地面積，其數(shù)值分別為9. 81×104 km2和9. 99×104 km2。

該結(jié)果表明，與直接影響區(qū)域相比，間接影響區(qū)域是風(fēng)電場(chǎng)土地占用的最大貢獻(xiàn)者，在總占地面積中占比高達(dá)98. 1%，而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地在風(fēng)電場(chǎng)總占地面積中僅占0. 05%，這一結(jié)果得到了相關(guān)文獻(xiàn)的證實(shí)：Diffendorfer等［26］指出，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)直接受影響的土地只占總占地面積的一小部分，其比例通常為1%～4%，平均值為1. 61%，而美國(guó)能源部［46］提供的數(shù)據(jù)為2%～5%。由此可見(jiàn)，由風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組和配套設(shè)施所造成的間接性土地占用，比它們自身直接占用的土地要大得多。

從地理空間上講，9. 99×104 km2的陸上風(fēng)電場(chǎng)總占地面積，約占全國(guó)陸地國(guó)土總面積的1. 0%［47］；從土地利用上講，根據(jù)2021年8月公布的《第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào)》［48］，現(xiàn)有陸上風(fēng)電場(chǎng)總占地面積遠(yuǎn)超城市用地面積（5. 22×104 km2），幾乎與城鎮(zhèn)總用地面積相當(dāng)（1. 04×105 km2）。由此可見(jiàn)，當(dāng)前中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)的土地占用量已經(jīng)達(dá)到了相對(duì)較高的水平?？紤]到“人多地少”的基本國(guó)情，風(fēng)電開發(fā)有可能進(jìn)一步加劇中國(guó)土地資源緊張形勢(shì)，甚至?xí)?duì)國(guó)土空間規(guī)劃產(chǎn)生一定影響。此外，如果考慮不同區(qū)域土地資源稀缺性與生態(tài)敏感性的約束，風(fēng)電發(fā)展對(duì)不同省份造成的土地需求壓力也會(huì)存在極大差異。

3. 3 碳中和目標(biāo)下中國(guó)陸上風(fēng)電土地需求預(yù)測(cè)

基于前文提出的模擬預(yù)測(cè)方法，分別計(jì)算兩種情景下中國(guó)陸上風(fēng)電的遠(yuǎn)期用地需求。在當(dāng)前技術(shù)水平情景下，2060年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展的土地需求總面積為7. 46×105km2，占中國(guó)陸地國(guó)土面積的7. 8%，相當(dāng)于中國(guó)現(xiàn)有城鎮(zhèn)化土地（1. 04×105 km2）［48］的7. 2 倍。其中，直接影響區(qū)域、永久用地、臨時(shí)用地和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地面積分別為1. 39×104 km2、3 075. 95 km2、1. 08×104 km2和398. 00 km2。上述情景模擬結(jié)果說(shuō)明，若僅以當(dāng)前技術(shù)水平推進(jìn)陸上風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)建設(shè)，則實(shí)現(xiàn)碳中和風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)所需的土地資源量巨大，有可能進(jìn)一步增加中國(guó)國(guó)土資源保障壓力。

為高質(zhì)高效達(dá)成碳中和風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)，必須著力提升風(fēng)電技術(shù)水平，降低風(fēng)電場(chǎng)用地強(qiáng)度和土地需求。因此，本研究設(shè)置了技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景，用以探究技術(shù)進(jìn)步背景下中國(guó)風(fēng)電的用地需求變化。

由圖5 可以看出，在技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景下，2060年中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地面積、永久用地面積、臨時(shí)用地面積和風(fēng)電場(chǎng)總占地面積分別為175. 80 km2、705. 71 km2、3 171. 01 km2和2. 40×105 km2，與當(dāng)前技術(shù)水平情況相比，四種土地占用類型的土地需求均有大幅下降。其中，永久用地的土地需求降幅最大，達(dá)到77. 06%。永久用地的主要組成部分是場(chǎng)內(nèi)巡檢道路等相關(guān)配套設(shè)施，而隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)施工建設(shè)流程和配套設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，采用新型大功率風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，其配套設(shè)施的用地強(qiáng)度往往低于老舊風(fēng)電場(chǎng)。例如樣本中采用1. 5 MW風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，其場(chǎng)內(nèi)巡檢道路用地強(qiáng)度為1 461. 73 m2/MW，而采用3 MW 風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)，其場(chǎng)內(nèi)巡檢道路用地強(qiáng)度僅為504. 22 m2/MW。因此，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)配套設(shè)施用地強(qiáng)度的下降，為風(fēng)電場(chǎng)永久用地的需求降幅創(chuàng)造了較大空間。

除此之外，在技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景下，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地、臨時(shí)用地和總占地面積均有較大幅度下降，降幅分別達(dá)到了55. 83%、70. 72% 和67. 76%，分別節(jié)約了222. 20 km2、7 658. 19 km2 和505 354. 47 km2 的土地。由此可見(jiàn)，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)下的大型化風(fēng)電機(jī)組既能在風(fēng)機(jī)功率大幅增加的情況下限制風(fēng)機(jī)塔筒和基座的擴(kuò)大趨勢(shì)，也能有效降低包括風(fēng)機(jī)安裝在內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)施工用地和間接用地需求。

4 討 論

上述結(jié)果表明，推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)革新，以新型大功率風(fēng)機(jī)取代老舊風(fēng)機(jī)［49］，是降低風(fēng)電開發(fā)遠(yuǎn)期土地需求的有效手段。從模擬結(jié)果曲線來(lái)看，4種土地占用類型的用地需求均在2060 年之前達(dá)到了峰值，達(dá)峰時(shí)間約為2050年，之后呈現(xiàn)緩慢下降的態(tài)勢(shì)。這表明，在風(fēng)電助力碳達(dá)峰碳中和的過(guò)程中，風(fēng)電自身的土地需求也可能存在一個(gè)逐步“達(dá)峰”的過(guò)程。需要指出的是，該情景模擬結(jié)果并未考慮分散式風(fēng)電以及海上風(fēng)電的發(fā)展，而海上風(fēng)電往往具有更高的發(fā)電效率［50］。因此，碳中和目標(biāo)下陸上風(fēng)電開發(fā)所需的土地資源，有可能低于上述模擬結(jié)果。

然而，受資源稟賦等因素影響，碳中和目標(biāo)下不同省份的風(fēng)電發(fā)展形勢(shì)卻存在較大差異，集中體現(xiàn)在電力需求與土地資源的錯(cuò)配方面。長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)電力需求呈現(xiàn)“東高西低”的不平衡格局，而土地資源與風(fēng)資源量卻呈現(xiàn)“西多東少”的逆向態(tài)勢(shì)，由此帶來(lái)的供需錯(cuò)配現(xiàn)象亟須引起重視。以山東省為例，2022年，山東省全社會(huì)用電量超過(guò)7 000億kWh，位居全國(guó)第二。為滿足日益增長(zhǎng)的電力需求，《山東省碳達(dá)峰實(shí)施方案》［51］明確指出，到2030年，全省風(fēng)電裝機(jī)容量應(yīng)達(dá)到4 500萬(wàn)kW。鑒于山東省海上風(fēng)電占比不足5%的現(xiàn)狀，即使2030年該比例升至10%，仍需要建設(shè)約4 000萬(wàn)kW的陸上風(fēng)電。然而，根據(jù)前文測(cè)算結(jié)果，4 000萬(wàn)kW陸上風(fēng)電場(chǎng)的總占地面積超過(guò)1萬(wàn)km2，約占山東省陸地面積的7. 6%?？紤]到山東省人口密集、未利用土地相對(duì)較少的特點(diǎn)，該數(shù)值無(wú)疑會(huì)給山東省經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)較大壓力。除山東省外，廣東、江蘇、浙江等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份也存在著相似問(wèn)題。與此同時(shí)，“三北”地區(qū)，尤其是西北地區(qū)，電力需求相對(duì)較小，但卻擁有廣袤的土地和良好的風(fēng)能資源。假設(shè)全國(guó)現(xiàn)有334. 9 GW陸上風(fēng)電的地理分布以各省份用電需求為唯一標(biāo)準(zhǔn)，即電力需求較大的省份“分得”了更多風(fēng)電場(chǎng)，則各省份用于建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)的土地資源比例存在極大差異：用電量排名第一的廣東省需要提供全省5. 3%的土地以支撐31. 7 GW風(fēng)電場(chǎng)，山東省需要提供全省5. 7%的土地以建設(shè)29. 7 GW風(fēng)電場(chǎng)，江蘇省甚至需要?jiǎng)佑萌?. 0%的土地去興建28. 6 GW風(fēng)電場(chǎng)。而在廣袤的“三北”地區(qū)，內(nèi)蒙古自治區(qū)僅需0. 4%的土地就可以達(dá)到15. 9 GW的風(fēng)電裝機(jī)容量，新疆維吾爾自治區(qū)僅需0. 2%的土地就能夠完成13. 9 GW的風(fēng)電開發(fā)規(guī)模，甘肅省也只需0. 4%的省內(nèi)土地就可以支撐起6. 0 GW的風(fēng)電場(chǎng)（各省份陸域面積和用電量數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2022》［47］）。上述現(xiàn)象與Felix等［17］指出的捷克風(fēng)電困境類似，即經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)風(fēng)電需求大，但土地資源不足。

由此可見(jiàn)，由于土地資源稀缺性的限制和約束，全國(guó)各省份因風(fēng)電開發(fā)而產(chǎn)生的土地需求壓力存在極大差異，東西部地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)方案在經(jīng)濟(jì)利益和土地效益方面也存在一定區(qū)別，這與上文中Christie等［16］的研究相符。在這種形勢(shì)下，各省份不能采取均一化、同質(zhì)化的碳中和實(shí)施方案，也不能囿于省份內(nèi)部而推行“自給自足”的風(fēng)電開發(fā)策略。應(yīng)充分發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)，從“全國(guó)一盤棋”的戰(zhàn)略高度統(tǒng)籌調(diào)節(jié)全國(guó)各省份風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)開發(fā)風(fēng)資源良好、土地資源豐富的“三北”地區(qū)“沙戈荒”風(fēng)電基地，減輕東部人口密集區(qū)的風(fēng)電用地壓力，并借助特高壓等新型輸電技術(shù)，進(jìn)一步強(qiáng)化“西電東送”戰(zhàn)略實(shí)施，滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份的用電需求，從而化解風(fēng)電開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的電力需求與土地資源錯(cuò)配現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)各省份的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和戰(zhàn)略協(xié)同。

5 結(jié)論與政策建議

5. 1 結(jié)論

在“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)下，中國(guó)風(fēng)電呈現(xiàn)加速式發(fā)展態(tài)勢(shì)，發(fā)展?jié)撃苓M(jìn)一步被釋放。但作為一種低密度能源，陸上風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)必然會(huì)引起土地需求的激增，有可能加劇國(guó)土資源保障壓力。本研究聚焦于中國(guó)陸上風(fēng)電開發(fā)的土地資源需求，從風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型界定、現(xiàn)有陸上風(fēng)電場(chǎng)占地面積核算以及碳中和目標(biāo)下中國(guó)陸上風(fēng)電用地需求預(yù)測(cè)三個(gè)維度展開了系統(tǒng)分析與核算模擬研究，主要結(jié)論如下。

（1）以排他性作為界定標(biāo)準(zhǔn)，建立風(fēng)電場(chǎng)土地占用類型劃分體系：在空間維度上，將風(fēng)電場(chǎng)總占地面積分為直接影響區(qū)域和間接影響區(qū)域兩部分；在時(shí)間維度上，將直接影響區(qū)域分為永久用地和臨時(shí)用地兩部分。

（2）以2022年為基準(zhǔn)，中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地、永久用地和臨時(shí)用地面積分別達(dá)到48. 28 km2、352. 08 km2和1 234. 86 km2，直接影響區(qū)域占地面積達(dá)到1 638. 81 km2，約占中國(guó)陸地國(guó)土面積的0. 02%。其中，場(chǎng)內(nèi)道路全口徑用地面積占直接影響區(qū)域的60. 1%，是直接占用土地最多的一類風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)設(shè)施。中國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)間接影響區(qū)域占地面積達(dá)到9. 81×104 km2，總占地面積達(dá)到9. 99×104 km2，幾乎與全國(guó)城鎮(zhèn)總用地面積相當(dāng)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地僅占風(fēng)電場(chǎng)總占地面積的0. 05%，而間接影響區(qū)域占比高達(dá)98. 1%，是風(fēng)電場(chǎng)土地占用的最大貢獻(xiàn)者。

（3）在碳中和目標(biāo)下，技術(shù)進(jìn)步與風(fēng)機(jī)換代情景的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)占地、永久用地、臨時(shí)用地和總占地面積需求量分別比當(dāng)前技術(shù)水平情景下降55. 83%、77. 06%、70. 72%和67. 76%，且四種土地占用類型的用地需求均在2050年左右達(dá)到峰值。由此可見(jiàn)，技術(shù)進(jìn)步是提高風(fēng)電用地效率、降低風(fēng)電用地需求的重要推動(dòng)力。

5. 2 政策建議

碳中和目標(biāo)為中國(guó)以風(fēng)電為代表的可再生能源發(fā)展注入強(qiáng)勁動(dòng)力，也提出了新要求、新任務(wù)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。在新形勢(shì)下，風(fēng)電行業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)健康發(fā)展，需重點(diǎn)關(guān)注中國(guó)風(fēng)電的土地資源占用問(wèn)題，切實(shí)做好風(fēng)電開發(fā)的用地需求保障。

（1）完善風(fēng)電建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)。及時(shí)修訂與風(fēng)電發(fā)展新態(tài)勢(shì)相匹配的用地標(biāo)準(zhǔn)，建立科學(xué)系統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)用地類型劃分體系，嚴(yán)格界定風(fēng)電場(chǎng)不同土地占用類型；重視間接影響區(qū)域等非工程用地，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)各類占地面積，加強(qiáng)風(fēng)電項(xiàng)目征地審批和管理。

（2）提升風(fēng)電開發(fā)用地效率。提高風(fēng)電核心技術(shù)水平，推動(dòng)新型大功率風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)應(yīng)用，加快老舊風(fēng)電場(chǎng)的升級(jí)換代；完善風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)道路規(guī)劃，加強(qiáng)場(chǎng)內(nèi)道路建設(shè)管理，降低配套設(shè)施工程量和占地面積。

（3）統(tǒng)籌推進(jìn)海上風(fēng)電建設(shè)。充分利用海上風(fēng)電優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)海上風(fēng)電基地，提高海上風(fēng)電裝機(jī)容量占比；構(gòu)建風(fēng)電發(fā)展的海陸協(xié)同模式，鼓勵(lì)沿海省份優(yōu)先發(fā)展海上風(fēng)電，以緩解陸上風(fēng)電發(fā)展帶來(lái)的土地需求壓力。

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（責(zé)任編輯：李琪）