据认为，美国西部正经历至少1,200年来最严重的特大干旱。
加利福尼亚州正在推进一项打造“太阳能运河”的项目。
在运河上方架设太阳能板，可能是节约数十亿加仑水并生产本地可再生能源的关键。
如果取得成功，“太阳能运河”可能推广至全州，甚至覆盖整个西部地区。
越来越多的证据表明，美国西部目前正经历最严重的特大干旱，至少是1,200年来最严重的一次。许多地方的地下水供应正遭到过度抽取，而干旱、野火和日益减少的水资源，正让数百万人的生活切身感受到气候变化的影响。
作为一名工程师，我一直与同事合作，探索一种既能保护水资源，又能扩大可再生能源供应、保护气候的方式。
我们称之为“太阳能运河”方案，该方案即将在加利福尼亚州接受测试。
约有4,000英里长的运河为该州约3,500万加利福尼亚居民和570万英亩农田输送水。正如我们在2021年的一项研究中所述，在这些运河上方铺设太阳能板，可以减少宝贵水资源的蒸发——水是加利福尼亚州最重要的资源之一——并有助于实现该州的可再生能源目标，同时节省资金。
美国首批原型项目正在加利福尼亚州中央谷地开发，涵盖宽跨度和窄跨度运河。加州大学默塞德分校的研究人员也参与了该项目，我们将尝试确定如何将这一方案发展为大规模解决方案。
节约水资源和土地
加利福尼亚州容易遭遇干旱，水资源始终令人担忧。如今，气候变化正带来更炎热、更干燥的天气。
过去10至30年间的严重干旱使水井干涸，促使官员实施用水限制措施，并加剧了大规模野火。
与此同时，加利福尼亚州也制定了雄心勃勃的保护目标。该州被要求减少地下水抽取量，同时确保向农场、城市、野生动物和生态系统稳定供水。作为一项广泛气候变化倡议的一部分，2020年10月，加州州长加文·纽森指示加利福尼亚州自然资源局牵头开展相关工作，到2030年保护30%的陆地和沿海水域。
加利福尼亚州大部分雨雪在冬季降落于萨克拉门托以北，而该州80%的用水发生在南加利福尼亚州，主要是在夏季。这就是运河纵横全州的原因——这是世界上规模最大的同类系统。我们估计，在加利福尼亚州炎热的阳光下，运河输送的水约有1%-2%因蒸发而流失。
在2021年的一项研究中，我们指出，如果在加利福尼亚州全部4,000英里长的运河上方铺设太阳能板，就能通过减少蒸发每年节省超过650亿加仑水。这些水足以灌溉5万英亩农田，或满足200多万人的家庭用水需求。与在未开发土地上建设太阳能设施相比，将设施集中建在已利用的土地上，有助于加利福尼亚州实现水资源和水以及土地资源的可持续管理目标。
有利于气候的电力
在加利福尼亚州的运河上方架设太阳能板，可生产大量电力。我们的估算显示，这一方案可提供约13吉瓦的可再生能源装机容量，约占该州实现其清洁电力目标所需新增能源的一半：到2030年，60%的电力来自无碳能源；到2045年，电力实现100%可再生。
在运河上方安装太阳能板，能提高两套系统的效率。太阳能板可减少运河水分蒸发，尤其是在加利福尼亚州炎热的夏季。由于水升温比土地慢，流经太阳能板下方的运河水可以使太阳能板降温10华氏度，使发电量最多提高3%。
这些遮阳棚还可以在当地发电，覆盖加利福尼亚州的许多地区，从而同时降低输电损耗和消费者成本。将太阳能与电池储能相结合，有助于在农村地区和服务不足的社区建设微电网，让电力系统更加高效、更具韧性。这将减轻极端天气、人为失误和野火导致的停电风险。
我们估计，在运河上方架设太阳能板的成本会高于建设地面安装系统。但把一些共同效益纳入考量后，例如节省土地成本、节约水资源、控制水生杂草以及提高光伏效率，我们发现太阳能运河是一项更好的投资，而且在太阳能设施的整个使用寿命期间，其供电成本更低。这还没有计入空气质量改善和温室气体排放减少带来的人类健康效益。
对土地的益处
需要明确的是，太阳能运河的意义远不止生产可再生能源和节约水资源。建设这些狭长的太阳能阵列，可避免超过8万英亩农田或自然栖息地被改建为太阳能发电场。
加利福尼亚州为不断增长的全球人口生产粮食，并且生产美国消费者食用的水果、坚果和蔬菜中的50%以上。然而，为实现脱碳目标而新增的可再生能源装机容量，最多有50%可能选址于农业地区，其中包括大片优质农田。
太阳能运河设施还有助于保护野生动物、生态系统和具有文化重要性的土地。大型太阳能开发项目可能导致栖息地丧失、退化和破碎化，从而危害濒危物种，例如莫哈韦沙漠陆龟。
这些项目还可能损害沙漠灌丛植物群落，包括对原住民部落具有文化意义的植物。例如，2012至2014年间，在索诺兰沙漠和莫哈韦沙漠建设Genesis太阳能发电中心时，步道和墓地遭到破坏，重要文化文物也受到损毁，由此引发旷日持久的法律纠纷。
净化空气，清除杂草
太阳能运河通过生产清洁电力改善空气质量。
另一个好处是遏制堵塞运河的水生杂草。在印度，开发商自2014年起就在建设太阳能运河，太阳能板的遮荫能抑制杂草生长，避免杂草堵塞排水渠并阻碍水流。
清除这些杂草成本高昂，而除草剂会威胁人类健康和环境。对于加利福尼亚州宽100英尺的大型运河，我们估计，为运河遮荫每英里可节省约40,000美元。全州范围内，年节省额可能达到6,900万美元。
将太阳能运河引入加利福尼亚州
加利福尼亚州老化的电力基础设施加剧了灾难性野火和持续数日的停电。在运河及其他受扰土地上建设智能太阳能设施，可增强电力和供水基础设施的韧性，同时节约水资源、降低成本并助力应对气候变化。
位于加利福尼亚州圣华金谷的特洛克灌溉区，将与项目开发商Solar Aquagrid、研究人员及其他合作方携手建设首个太阳能运河原型项目，并得到该州水资源部的支持。
这项全长一英里的示范项目中的原型，以及未来的试点项目，将帮助运营方、开发商和监管机构完善设计、评估共同效益并检验这些系统的运行表现。随着数据增多，我们可以制定方案，将太阳能运河推广至全州，甚至覆盖整个西部地区。
