基于GIS技術(shù)的湖南風(fēng)能資源精細化評估

張超，羅伯良

(湖南省氣象科學(xué)研究所，湖南長沙 410007）

基于GIS技術(shù)的湖南風(fēng)能資源精細化評估

張超，羅伯良

(湖南省氣象科學(xué)研究所，湖南長沙 410007）

本文利用MM5/CALMET中尺度模式對湖南距地150 m范圍內(nèi)的風(fēng)能資源進行數(shù)值模擬，得出水平分辨率1 km×1 km的湖南精細化風(fēng)能資源空間分布。結(jié)果表明，湖南適合風(fēng)能資源開發(fā)的區(qū)域主要位于湘南、湘西山區(qū)和洞庭湖區(qū)及湘江河谷地帶?；诤巷L(fēng)能資源的精細化數(shù)值模擬結(jié)果和郴州四縣兩區(qū)的地理信息，利用Arcgis技術(shù)，通過風(fēng)能資源開發(fā)制約因素分析，計算出郴州三縣兩區(qū)50 m高度風(fēng)功率密度200 W/m2及以上區(qū)域的風(fēng)能資源潛在開發(fā)量，為湖南風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃和郴州三縣兩區(qū)風(fēng)電場的規(guī)劃選址提供依據(jù)。

風(fēng)能資源評估;數(shù)值模擬;精細化;Arcgis

風(fēng)能是一種可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是目前商業(yè)開發(fā)技術(shù)較成熟的清潔發(fā)電方式之一。近幾年，我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展迅速，截止2009年底，我國 (不含臺灣)風(fēng)電總裝機容量達25 805.3 MW。2003—2005年，利用湖南97個常規(guī)氣象臺站風(fēng)觀測資料的風(fēng)能資源評估表明，湖南10 m高度風(fēng)能資源總儲量達32 200 MW。由于湖南東南西三面環(huán)山，中部、北部低平，形成向北開口的馬蹄形盆地，加上湖南常規(guī)氣象臺站主要分布在城市、城郊且站點較少，因此利用常規(guī)氣象臺站資料估算風(fēng)能資源儲量與實際情況存在一定差異。

目前，數(shù)值模擬與GIS技術(shù)相結(jié)合的風(fēng)能資源精細化評估技術(shù)已逐步完善和推廣運用。李澤椿等〔1〕研究指出，數(shù)值模擬技術(shù)能夠滿足風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的要求，可成為風(fēng)能資源評估的主要技術(shù)手段。朱蓉〔2〕認為通過數(shù)值模擬方法可得到較高分辨率的風(fēng)能資源空間分布，能精確地確定可開發(fā)風(fēng)能資源的面積和風(fēng)機輪轂高度的可開發(fā)風(fēng)能儲量，為風(fēng)電開發(fā)的中長期規(guī)劃和風(fēng)電場規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)。高陽華等〔3〕以 Arcgis為平臺，利用重慶市1∶25 000地形資料和氣象臺站觀測數(shù)據(jù)，采用坡度、坡向的2種插值方法分析了重慶市100 m×100 m的風(fēng)速分布。穆海振〔4〕等利用TAPM數(shù)值模式模擬了上海海上不同高度水平分辨率為1 km×1 km風(fēng)能資源狀況，并運用測風(fēng)塔資料對模擬結(jié)果進行了檢驗。周揚等〔5〕基于江蘇省14個氣象站資料，結(jié)合研究區(qū)域的土地開發(fā)利用現(xiàn)狀，提出了風(fēng)能資源可開發(fā)的區(qū)域，得出了研究區(qū)域的風(fēng)電裝機潛力。程興宏〔6〕等采用數(shù)值模擬方法模擬了甘肅酒泉風(fēng)電規(guī)劃區(qū)1 km×1 km的50 m高度風(fēng)能資源分布狀況，并根據(jù)地形地貌和土地利用狀況等地理信息，采用Arcgis空間分析技術(shù)，分析制約甘肅酒泉風(fēng)電開發(fā)的主要因素，計算出具有風(fēng)能資源開發(fā)潛力的開發(fā)面積和風(fēng)力資源可開發(fā)量。近年來，湖南也進行了風(fēng)能資源評估和風(fēng)能資源開發(fā)相關(guān)研究〔7-8〕。本文利用 MM5中尺度氣象模式結(jié)合CALMET模式和GIS技術(shù)對湖南風(fēng)能資源進行精細化評估，從而更精確地評估了湖南風(fēng)能資源分布，為湖南風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電場規(guī)劃選址服務(wù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 資料來源

湖南風(fēng)能資源精細化評估運用的資料主要為:湖南1∶50 000的DEM數(shù)據(jù);湖南1∶250 000土地利用數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù);龍山八面山、岳陽鹿角、郴州仰天湖和城步南山5座測風(fēng)塔的2009年6月1日至2010年5月31日測風(fēng)資料;數(shù)值模擬中地形地表資料采用美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)30 s水平分辨率數(shù)據(jù);模式的初始場和邊界條件采用NCEP的1°×1°經(jīng)緯度網(wǎng)格的全球環(huán)流模式分析場;常規(guī)氣象資料為中國氣象局常規(guī)探空和地面觀測資料。

表1 5座測風(fēng)塔基本信息

1.2 數(shù)值模式

湖南風(fēng)能資源數(shù)值模擬采用MM5/CALMET模式系統(tǒng)。MM5(The Fith-Gemeration Ncar/Pen State Mesoscale Model)模式是美國濱州大學(xué)(PSU)和國家大氣研究中心 (NCAR)聯(lián)合研制的第5代中尺度非靜力氣象模式。CALMET模式是由Sigma Research Corporation開發(fā)的空氣質(zhì)量擴散模式Calpuff模式中的氣象模塊。

網(wǎng)格劃分。首先利用MM5中尺度模式對湖南風(fēng)能資源進行9 km×9 km分辨率的模擬，模式中心位置為27.15°N，111.30°E。采用 2 重嵌套:第1重網(wǎng)格東西向103個格點，南北向73個格點，格距27 km，模擬區(qū)域為 18.29 ～36.00°N，98.34～124.26°E;第2重嵌套網(wǎng)格東西向61個格點，南北向61個格點，格距9 km，模擬區(qū)域為24.70～29.60°N，108.85 ～113.75°E(覆蓋湖南大部)。然后用MM5第2層嵌套區(qū)域作為湖南風(fēng)能資源的CALMET模擬區(qū)域，CALMET模式東西向格點數(shù)541、南北向格點數(shù)541、格距1 km。

模擬時段為2009年6月1日至2010年5月31日。每個模擬過程積分起止時間為前一日12時(北京時)至當(dāng)日24時，共36 h，其中前6 h作為試算。先用MM5模式進行9 km×9 km分辨率的模擬，然后將MM5模擬的結(jié)果作為CALMET的初始場，進行降尺度診斷，得出1 km分辨率的風(fēng)資源分布結(jié)果。模式每小時輸出一次距離地面150 m高度范圍內(nèi)每10 m間隔高度層上的每個格點的風(fēng)向、風(fēng)速、地面溫度、相對濕度和氣壓。

2 模擬結(jié)果分析

通過模擬計算得出模擬區(qū)域10～150 m各高度層分辨率為1 km的年平均風(fēng)速和年平均風(fēng)功率密度。從模擬區(qū)域70 m高度 (風(fēng)機輪轂高度為70 m及以上)年平均風(fēng)速和年平均風(fēng)功率密度分布圖(圖1，2)可知，湖南70 m高度平均風(fēng)速為南部大于北部，山區(qū)大于湖區(qū)、河谷。湖南年平均風(fēng)速7 m/s以上區(qū)域主要位于湘南、湘西山區(qū)，洞庭湖區(qū)及湘江河谷地帶年平均風(fēng)速在5.5～6.5 m/s之間。模擬區(qū)域70 m高度平均風(fēng)功率密度空間分布與平均風(fēng)速類似，湘南、湘西南山區(qū)平均風(fēng)功能密度在400 W/m2以上，洞庭湖區(qū)及湘江河谷地帶年平均風(fēng)功能密度在200～250 W/m2之間。這與2005年湖南風(fēng)能資源普查中的湖南風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)主要分布在洞庭湖附近周圍地區(qū)和湘南、湘西南山區(qū)的結(jié)論基本一致〔7〕。

圖1 湖南70 m高度年平均風(fēng)速分布圖

圖2 湖南70 m高度年平均風(fēng)功率密度分布圖

從模式年平均風(fēng)速模擬值與龍山八面山、岳陽鹿角、郴州仰天湖和城步南山5座測風(fēng)塔實測值的相對誤差分析 (見表2)可知:海拔52 m的岳陽鹿角18002塔風(fēng)速模擬值與實測值最接近，相對誤差為-13.77% ～5.46%;海拔1 355 m的龍山八面山18001塔、海拔1 417 m的郴州仰天湖18003塔、海拔1 760 m的城步南山18005塔風(fēng)速模擬值大于實測值，相對誤差分別為 -14.87% ～22.32%，-4.82% ～ 18.45%， -6.36% ～ 26.19%;海拔1 859 m的城步南山18001塔風(fēng)速模擬值小于實測值，相對誤差為-36.03% ～-10.93%。說明模式下墊面較平坦區(qū)域的模擬結(jié)果較準確，運用模式山區(qū)復(fù)雜地形下的風(fēng)速模擬結(jié)果進行風(fēng)能資源評估，需要結(jié)合微地形進行適當(dāng)修正。

表2 模式年平均風(fēng)速模擬值與5座測風(fēng)塔實測值的相對誤差

3 風(fēng)能資源精細化評估

3.1 風(fēng)能資源總儲量

根據(jù)MM5/CALMET中尺度氣象模式的模擬結(jié)果估算湖南風(fēng)能資源總儲量，計算公式如下:

式中 n為風(fēng)功率密度等級數(shù);Si為年平均風(fēng)功率密度分布中的各風(fēng)功率密度等值線間面積;Pi為各風(fēng)功率密度等值線間區(qū)域的風(fēng)功率代表值。其中:

P1=25 W/m2(＜50 W/m2區(qū)域風(fēng)功率密度代表值)

P2=75 W/m2(50～100 W/m2區(qū)域風(fēng)功率密度代表值)

P3=125W/m2(100～150 W/m2區(qū)域風(fēng)功率密度代表值)

以此類推，根據(jù)實際需要Pi以50 W/m2間隔遞增。

利用Arcgis軟件計算，代入風(fēng)能資源總儲量計算公式，得出湖南各高度層風(fēng)能資源總儲量。從表3中的計算結(jié)果可知，采用GIS技術(shù)根據(jù)MM5/CALMET中尺度氣象模式MM5中尺度氣象模式的模擬結(jié)果，得出的湖南10 m高度層風(fēng)能資源總儲量是根據(jù)常規(guī)氣象臺站資料估算出的風(fēng)能資源總儲量的3倍，說明利用MM5中尺度氣象模式結(jié)合CALMET模式和GIS技術(shù)可提高類似湖南復(fù)雜地形下的風(fēng)能資源評估準確性。另外，模式不同高層風(fēng)能資源評估結(jié)果可為風(fēng)電場建設(shè)中的風(fēng)機輪轂高度選擇提供依據(jù)，彌補利用常規(guī)氣象臺站觀測資料難于準確估算10 m高度以上風(fēng)能資源的不足。

表3 湖南各高度層風(fēng)能資源總儲量 MW

3.2 郴州三縣兩區(qū)的風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量

3.2.1 風(fēng)能資源潛在開發(fā)區(qū)域的劃定

影響風(fēng)能資源開發(fā)的制約因素有軍事、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、環(huán)境保護、土地開發(fā)中的國家及地方發(fā)展規(guī)劃等，因此計算風(fēng)能資源潛在開發(fā)量時須考慮各種因素的影響〔6〕，風(fēng)能資源可開發(fā)區(qū)域的位置、面積和潛在開發(fā)量應(yīng)剔除無風(fēng)電商業(yè)開發(fā)價值的區(qū)域和國家及地方政府規(guī)定禁止風(fēng)能資源開發(fā)活動的區(qū)域。本文風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量計算參考美國可再生能源試驗室 (NREL)〔9〕的方法，剔除了不能進行風(fēng)能資源開發(fā)的區(qū)域，包括自然保護區(qū)、歷史遺跡、國家地質(zhì)公園、礦產(chǎn)、基本農(nóng)田、城市及城市周圍3 km的緩沖區(qū)、海拔3 500 m以上的高山。風(fēng)能資源限制開發(fā)區(qū)域中不同土地類型的風(fēng)能資源可開發(fā)利用率根據(jù)NREL的方法確定，即一般草地可利用率為80%、森林可利用率20%、灌木叢可利用率65%。

3.2.2 風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量計算方法

單位面積的風(fēng)電裝機容量主要受地形、地貌影響，根據(jù)湖南已建風(fēng)電場裝機容量情況及參考文獻〔10〕，得出坡度α與風(fēng)電裝機容量P的關(guān)系 (表4)。

表4 風(fēng)電裝機容量與坡度的關(guān)系

某一區(qū)域風(fēng)能資源潛在開發(fā)量的估算公式為:

其中 WP表示風(fēng)能資源潛在開發(fā)量;n表示年平均風(fēng)功率密度200 W/m2以上區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格總數(shù);Pdi表示區(qū)域內(nèi)第i個網(wǎng)格的潛在開發(fā)量系數(shù);A表示單個網(wǎng)格的面積。

3.2.3 風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量

根據(jù)湖南風(fēng)能資源的精細化數(shù)值模擬結(jié)果可知，郴州市桂陽、臨武、宜章三縣和蘇仙、北湖兩區(qū)是風(fēng)能資源較豐富的地區(qū)，且為開發(fā)風(fēng)能資源目前已設(shè)立了十幾座測風(fēng)塔。桂陽、臨武、宜章三縣和蘇仙、北湖兩區(qū)以山地、丘陵為主，制約該區(qū)域風(fēng)能資源開發(fā)的主要因素為地形，剔除地形坡度大于30%的地區(qū)和水體、農(nóng)田、城市及城市周圍3 km的緩沖區(qū)，計算出該區(qū)域50 m高度風(fēng)能資源潛在可開發(fā)面積為1 226.2 km2，潛在可開發(fā)量561 MW。從風(fēng)功率密度200 W/m2及以上區(qū)域風(fēng)能資源潛在可開發(fā)量分布圖 (圖3)可知，風(fēng)能資源潛在可開發(fā)區(qū)都集中桂陽北部、宜章南部、臨武西南部和郴州市區(qū)與三縣的交界區(qū)域。

圖3 風(fēng)功率密度≥200 W/m2潛在可開發(fā)量分布圖

4 結(jié)論

(1)利用MM5/CALMET中尺度氣象模式對湖南風(fēng)能資源進行精細化評估，得出了湖南1 km×1 km高分辨率風(fēng)能資源分布。模式的模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的誤差分析說明，模式下墊面較平坦區(qū)域的模擬結(jié)果更準確，運用模式山區(qū)復(fù)雜地形下的風(fēng)速模擬結(jié)果進行風(fēng)能資源評估需要結(jié)合微地形進行適當(dāng)修正。模擬結(jié)果證實，湘南、湘西山區(qū)和洞庭湖區(qū)及湘江河谷地帶是湖南風(fēng)能資源較豐富的區(qū)域。

(2)采用GIS技術(shù)根據(jù)MM5/CALMET中尺度氣象模式MM5中尺度氣象模式的模擬結(jié)果，得出的湖南10 m高度層風(fēng)能資源總儲量是根據(jù)常規(guī)氣象臺站資料估算出的風(fēng)能資源總儲量的3倍，說明利用MM5中尺度氣象模式結(jié)合CALMET模式和GIS技術(shù)可提高類似湖南復(fù)雜地形下的風(fēng)能資源評估準確性。

(3)根據(jù)湖南風(fēng)能資源的精細化數(shù)值模擬結(jié)果和郴州市桂陽、臨武、宜章三縣和蘇仙、北湖兩區(qū)地理信息，通過風(fēng)能資源開發(fā)的制約因素分析，利用Arcgis軟件，計算出郴州三縣兩區(qū)50 m高度風(fēng)能資源潛在可開發(fā)面積為1 226.2 km2，潛在可開發(fā)量561 MW，可為湖南其他地區(qū)的風(fēng)能資源精細化評估和風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃及風(fēng)電建設(shè)提供參考。

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A

1008-0198(2011)03-0011-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.004

2011-01-18