沙漠地區(qū)風電場地質(zhì)災害危險性分析
2015-04-29 00:00:00王超等
【摘 要】針對沙漠地區(qū)風蝕沙埋這一工程地質(zhì)問題，以榆林地區(qū)某風電場為例，通過地質(zhì)災害現(xiàn)狀分析，利用模糊綜合評判法和最大隸屬度原則，對擬建工程地質(zhì)災害危險性進行綜合評估，研究該區(qū)風蝕沙埋災害對風電場的影響程度及危險性。
【關鍵詞】榆林；風電場；風蝕沙埋；模糊綜合評判
0.引言
隨著人們環(huán)境保護意識的增強，風能作為一種潔凈的可再生能源，在我國得到了迅猛發(fā)展。榆林地區(qū)風能資源豐富，但是榆林地區(qū)風蝕沙埋災害對風電場的工程建設造成了威脅，為了進一步發(fā)展該區(qū)的風能資源，就必須依據(jù)國家現(xiàn)行法律法規(guī)[1]對風蝕沙埋這一地質(zhì)災害的危險性進行分析。目前，模糊綜合評判作為一種數(shù)學方法已經(jīng)在公路、鐵路等行業(yè)廣泛使用[2-6]，下面以榆林地區(qū)某風電場為例，研究風蝕沙埋災害對電廠工程建設及運營的影響，進行定性、定量的現(xiàn)狀分析，并通過模糊綜合評判進行危險性評估。
1.風蝕沙埋作用的形成條件
該風電場地處毛烏素沙漠南緣，屬典型的中溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候區(qū)，南部黃土高原向北部毛烏素沙漠過渡，形成的南風；西風帶環(huán)流影響形成的偏西風。
1.1風沙作用的物質(zhì)條件
本區(qū)地層巖性簡單，表層為5～9m厚的全新統(tǒng)風積松散砂土，中部為厚40m左右的上更新統(tǒng)河湖相、沖湖積黃土狀粉土和粉細砂。其中全新統(tǒng)風積松散沙土為松散、干燥的沙土層，顆粒成份以粉沙和細沙為主；上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組粉質(zhì)粘土和粉細沙顆粒成分以粉粒為主，含有大量細沙，礦物成分以長石、石英為主。這種地層結(jié)構、礦物成分等特征決定了評估區(qū)內(nèi)沙源充足，為風沙的形成造就了物質(zhì)條件。
1.2風沙形成的動力條件
區(qū)內(nèi)全年多風，年平均風速2.1m/s，歷年最大風速為19.2m/s，主導風向以NNW為主，以3～5月風速相對較大，其中春季4月風速最大，為2.9m/s。9月至次年2月風速相對較小，1月和12月最小，為1.6m/s。根據(jù)前人研究資料，該區(qū)沙土的顆粒粒徑以0.1～0.25mm為主，起始風速即臨界風速為4～5m/s。該區(qū)的大風風速超過臨界風速值，具備了形成風沙的動力條件。
1.3風沙作用的植被條件
該區(qū)地處中溫帶大陸性干旱、半干旱氣候區(qū)，沙地多為固定和半固定沙丘，植被較發(fā)育，覆蓋率多在30%以上，但局部地段和局部部位植被覆蓋率小于15%，致使沙地裸露、片狀流沙發(fā)育，易于大風起動和搬運。
2.地質(zhì)災害現(xiàn)狀分析
2.1風沙特征數(shù)據(jù)的分析計算
2.1.1輸沙量
輸沙量指氣流在單位時間內(nèi)通過單位寬度或面積的沙量，它是制定防沙措施的重要數(shù)據(jù)。影響輸沙量的主要因素有風速和沙源，前人通過大量的研究，推導出一些計算公式。這里采用R·A·拜格諾公式：
Q=（V-Vt）3
式中Q—輸沙量（g/cm·min）。
V—風速（m/s）。
Vt—起動風速（m/s）。
按照歷年最大風速19.2（m/s）和起動風速4（m/s）計算，最大輸沙量約為3511.8（g/cm·min）。
2.1.2沙粒移動速度
沙丘的移動速度受制于風況、沙丘高度、水分植被等多種因素。與沙丘高度的關系為，在風力相等的情況下，沙丘愈高、移動愈慢，反之則愈快，其關系式為：
D=Q/ρH
式中Q—單位時間通過寬度的總沙量（g/cm·min）。
ρ—沙子的密度（g/cm3）。
H—沙丘高度（cm）。
D—沙粒移動速度（cm/min）。
取沙子的密度為2.6（g/cm3），計算出沙丘高度為3、10、20m時的沙粒移動速度分別為6.0、1.8、0.9（cm/min）。
2.1.3沙丘移動速度和沙丘移動強度
如上所述，影響沙丘移動速度的因素眾多，無法用理論計算。根據(jù)區(qū)域氣象資料和區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合歷史資料綜合分析，毛烏素沙地由于水分、植被條件較好、沙丘大都處于固定、半固定狀態(tài)，移動速度不大，一般“年前移值”為1～3m。根據(jù)我國風沙區(qū)沙丘移動強度分級，屬于慢速。
2.2風沙災害危險性現(xiàn)狀分析
風沙的危害方式主要有風蝕、沙埋、磨蝕三種，對于不同的受災體其危害存在差異?，F(xiàn)狀情況下的危害對象主要有公路、鄉(xiāng)間道路、農(nóng)田和房屋。
主要地質(zhì)災害類型為風蝕沙埋，區(qū)內(nèi)植被覆蓋率多在30%以上，局部地段約15%，人口集中區(qū)周邊均有防護林，且處于沙丘間的風沙草灘區(qū)內(nèi)，道路為生產(chǎn)道路和鄉(xiāng)村道路，沙埋現(xiàn)象不嚴重，風蝕沙埋現(xiàn)狀評估危險性小。
3.基于模糊綜合評判的危險性評估
地質(zhì)災害危險性綜合評估是在地質(zhì)災害現(xiàn)狀評估、地質(zhì)災害預測評估的基礎上，并充分考慮地質(zhì)環(huán)境條件的差異，結(jié)合建設工程的特點，選擇適宜的評判指標，針對不同地段，全面權衡，合理對比，確定某一區(qū)塊地質(zhì)災害的發(fā)育程度與危險性大小，進行地質(zhì)災害危險性綜合評估。
3.1模糊綜合評價的數(shù)學模型
首先，考慮影響評估區(qū)地質(zhì)災害危險性的影響因素，建立因素集U={u1，u2，…u10}，其中包括：地質(zhì)災害因素（u1 影響面積比、u2 現(xiàn)狀危險性、u3 預測危險性）、基本因素（u4 沙丘高度、u5 流沙面積、u6 沙丘形態(tài)、u7 坡向指標、u8 植被覆蓋率）和引發(fā)因素（u9 工程活動、u10 降雨條件）。
其次，按照國土資源部頒發(fā)的“地質(zhì)災害危險性評估技術要求（試行）”，將擬建工程區(qū)域的地質(zhì)災害危險性劃分為三級：Ⅰ級（危險性?。刭|(zhì)災害弱發(fā)育，危害程度??；Ⅱ級（危險性中等），地質(zhì)災害中等發(fā)育，危害程度中等；Ⅲ級（危險性大），地質(zhì)災害強發(fā)育，危害程度大。以此建立由評價結(jié)果組成的評價集V={v1，v2，…，vm}。因此可以建立的評價集即V={危險性小，危險性中等，危險性大}。
最后，對各因素分配權值，建立權重集，即表示為權向量A=（a1，a2，…，an），式中ai為第i個因素的加權值。對第i個因素的單因素模糊評價為V上的模糊子集R=（ri1，ri2，…，rim），于是單因素評價矩陣R為：
該區(qū)采用MAPGIS的DTM分析功能對評估區(qū)按正方形進行自動剖分，單元面積為250m×250m，對于邊界附近不足一個單元的較小單元，則剖分為多邊形或合并到相臨單元，共剖分出280個單元，最大單元面積78125m2。以調(diào)查區(qū)1∶1萬的數(shù)字地形圖和本次地質(zhì)災害調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎，利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取基本評價指標：沙丘高度、流沙面積以及坡向統(tǒng)計指標。由于完全基于調(diào)查災點數(shù)據(jù)，因此能夠獲取評價單元內(nèi)精確的災害點影響面積與單元面積比值。植被覆蓋率可以利用本次實際調(diào)查的結(jié)果予以賦值，人類工程活動和地質(zhì)災害危險性采用人工賦值。該區(qū)各因素權重值及隸屬度取值表見表1-3。
表1-3 評價指標權重及隸屬度取值表
則對該評估區(qū)的綜合模糊評價B是V上的模糊子集B=A°R。
3.2結(jié)論及建議
根據(jù)上述方法，在定量計算分級分區(qū)的基礎上，綜合考慮各種因素，綜合評估認為，擬建工程區(qū)為地質(zhì)災害危險性小區(qū)（Ⅰ級）。
擬建工程區(qū)為生態(tài)環(huán)境相對脆弱的區(qū)域，應在工程建設和運行中加強對生態(tài)環(huán)境的保護，做到“邊施工、邊治理”，減少風蝕沙埋災害對工程的影響。風機基坑開挖時，應避免切坡開挖。在強降雨時，基坑壁較為松散，易發(fā)生坍塌，盡量避免在雨季開挖基坑，以防對施工人員造成威脅。修建施工道路時，盡量利用區(qū)內(nèi)已有道路，減少對地質(zhì)環(huán)境的破壞。
4.小結(jié)
通過模糊綜合評判可以快速對場地內(nèi)各個區(qū)塊進行快速評估，評估結(jié)果可靠，該評估方法對同類型的沙漠區(qū)地質(zhì)災害危險性評估具有借鑒意義。
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