庫布齊沙漠光伏電站內(nèi)蘆葦沙障的防風(fēng)固沙效益

石 濤, 蒙仲舉, 崔向新, 黨曉宏, 唐國棟, 賈瑞庭

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,; 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

中國西北干旱半干旱地區(qū)輻射充足，且土地使用成本低，是建設(shè)光伏電站的理想場(chǎng)所[1]。近年來在國家政策扶持下，太陽能發(fā)電建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，不僅能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還能發(fā)揮防風(fēng)固沙的生態(tài)效益[2]。但沙漠地區(qū)植被稀少，地表裸露，生態(tài)脆弱，光伏電站建設(shè)過程中，機(jī)械化程度高會(huì)破壞地表形態(tài)[3]，從而引發(fā)環(huán)境問題，需要人們治理和保護(hù)。由于光伏板的匯集作用在板下沿會(huì)形成風(fēng)蝕坑，導(dǎo)致沙粒在板間堆積，支撐光伏板的基柱裸露[4]，經(jīng)過一個(gè)風(fēng)季的風(fēng)蝕，若不加以有效防治，會(huì)嚴(yán)重影響光伏電站的正常運(yùn)營[5-6]。

現(xiàn)階段沙害防治模式主要為先用機(jī)械沙障固定，再進(jìn)行植被措施。機(jī)械沙障使下墊面性質(zhì)發(fā)生變化，地表粗糙度增加，從而降低近地表風(fēng)速、減弱風(fēng)蝕強(qiáng)度、改善微環(huán)境及沙丘表面穩(wěn)定性，進(jìn)而達(dá)到防風(fēng)固沙目的[7-8]。沙障設(shè)置后能使地表粗糙度增加15～24倍，對(duì)保持土壤水分也起到了一定作用[9]，為今后植被恢復(fù)創(chuàng)造條件。蘆葦沙障多用于沙區(qū)鐵路公路沿線防護(hù)[10-11]、草原沙地等[12-13]風(fēng)蝕防治，鋪設(shè)方式以直立式為主，平鋪蘆葦沙障施工簡(jiǎn)便、見效快，適合大面積鋪設(shè)。因此，本文選取庫布齊沙漠200 MWp光伏電站為研究對(duì)象，通過野外觀測(cè)鋪設(shè)蘆葦沙障后近地表風(fēng)速和輸沙量，分析風(fēng)速廓線、地表粗糙度、摩阻風(fēng)速、平均躍移高度、防風(fēng)作用、固沙效益等指標(biāo)的變化，旨在探明光伏電站內(nèi)平鋪蘆葦沙障的防風(fēng)固沙效益，為采取相應(yīng)的風(fēng)蝕防治措施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市杭錦旗獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)，庫布齊沙漠200 WMp光伏電站地理坐標(biāo)為37°20′—39°50′N，107°10′—111°45′E。該地區(qū)主要沙丘類型為新月型沙丘、新月型沙丘鏈和格狀沙丘鏈。流動(dòng)沙丘分布廣泛，占61%，沙丘高度為10～60 m，地勢(shì)南高北低，平均海拔1 238 m。地屬典型溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫為5～8 ℃，年均降水量在258.3 mm左右，年潛在蒸發(fā)量2 400 mm左右，年均太陽總輻射量597.9 kJ/cm2。全年盛行西風(fēng)、西北風(fēng)，年均風(fēng)速3.5 m/s，年均大風(fēng)天數(shù)為30 d，年沙塵暴日數(shù)27～57 d，風(fēng)沙活動(dòng)主要發(fā)生在3—5月。試驗(yàn)光伏電站于2018年底完成裝機(jī)，光伏陣列東西走向，面向正南，單組光伏電板規(guī)格為4 m×18 m，光伏電板上沿距地面2.7 m，下沿距地面0.3～0.5 m，陣列南北間距為9 m，光伏板傾斜角度為37°。

2 研究方法

2.1 野外風(fēng)沙流觀測(cè)

觀測(cè)樣點(diǎn)在庫布齊沙漠200 MWp光伏電站內(nèi)，選擇相鄰的兩個(gè)光伏陣列板間，一個(gè)板間鋪設(shè)蘆葦沙障，一個(gè)板間為裸沙作為對(duì)照(見圖1)，兩種下墊面地勢(shì)較為平坦且均無植被，蘆葦沙障鋪設(shè)蓋度約為50%～60%。

圖1 200MWp光伏電站防風(fēng)固沙效益試驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

(1) 風(fēng)速觀測(cè)。數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間為2019年3月，風(fēng)速觀測(cè)采用三杯風(fēng)速儀測(cè)定，使用HOBO數(shù)采儀采集數(shù)據(jù)，觀測(cè)高度分別為20，50，100，200，310 cm，數(shù)據(jù)采集頻率為1 s，每隔3 s記錄1次數(shù)據(jù)，觀測(cè)期間風(fēng)向主要為W。

(2) 輸沙量觀測(cè)。輸沙量與風(fēng)速同步觀測(cè)，在兩種下墊面各布置1組集沙儀，集沙儀進(jìn)沙口15層，每層進(jìn)沙口尺寸為2 cm×2 cm，可以觀測(cè)近地表0—30 cm高度的輸沙情況。集沙儀的開口與觀測(cè)期間風(fēng)向正對(duì)，其底部與地面齊平，觀測(cè)開始時(shí)同時(shí)打開集沙儀進(jìn)沙口，觀測(cè)結(jié)束后同時(shí)關(guān)閉，共收集3次集沙，每次測(cè)定時(shí)間為1 h，將集沙儀收集的沙粒帶回實(shí)驗(yàn)室，用0.01 g精度天平進(jìn)行分層稱重，粒徑特征采用馬爾文2 000激光粒度儀測(cè)定。

2.2 指標(biāo)計(jì)算

(1) 空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻風(fēng)速。本文采用普朗特—馮卡門的風(fēng)速對(duì)數(shù)分布規(guī)律描述風(fēng)速廓線方程為：

(1)

式中：μz為高度z處的平均風(fēng)速(m/s)；μ*為摩阻風(fēng)速(m/s)；z為風(fēng)速廓線上的某點(diǎn)距地面垂直高度(m)；z0代表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度(m)；K為卡門常數(shù),一般取值0.4[14]。

本研究采用對(duì)數(shù)廓線擬合的方法計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，測(cè)得5個(gè)高度(20，50，100，200 cm和310 cm)處風(fēng)速，并運(yùn)用最小二乘回歸得到風(fēng)速廓線擬合公式[15-16]：

μz=a+blnz

(2)

式中：a,b為回歸系數(shù)。在公式(2)中,令μz=0可求出:

z0=exp(-a/b)

(3)

由公式(2)和(3)計(jì)算可得摩阻風(fēng)速計(jì)算方程為：

μ*=Kb

(4)

(2) 防風(fēng)作用。

(5)

式中：F為蘆葦沙障的防風(fēng)作用；V0，Vlw分別為同一高度下裸沙和蘆葦沙障的平均風(fēng)速。

(3) 風(fēng)速增加率。

(6)

式中：R為風(fēng)速增加率；v2，v1分別為某兩個(gè)高度層h2，h1的平均風(fēng)速值(h2>h1)，h=h2-h1(m)。

(4) 固沙效益。

(7)

式中：E為蘆葦沙障的固沙效益；q0，qlw分別代表裸沙和蘆葦沙障各高度層1 h內(nèi)總輸沙量。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速廓線

通過把高度做對(duì)數(shù)為橫軸，平均風(fēng)速為縱軸，繪制風(fēng)速廓線圖(圖2)。蘆葦沙障和裸沙的風(fēng)速廓線均在半對(duì)數(shù)圖上呈直線分布，擬合系數(shù)均高于0.98。這表明風(fēng)速廓線分布特征并未受到蘆葦沙障的影響。風(fēng)速增加率在高度層次上的差異表明風(fēng)速廓線對(duì)數(shù)擬合規(guī)律被破壞的程度，隨著高度增加風(fēng)速增加率逐漸減小，蘆葦沙障20—50 cm高度的風(fēng)速增加率最大，是裸沙的1.71倍，表明20 cm高度以上的氣流迅速恢復(fù)，蘆葦沙障的影響逐漸減小。蘆葦沙障在各高度的風(fēng)速值均小于裸沙，隨高度增加防風(fēng)作用最大值出現(xiàn)在20 cm高度處，越接近地表風(fēng)速削減作用越明顯(見表1)。

圖2 蘆葦沙障與裸沙風(fēng)速廓線對(duì)比

表1 蘆葦沙障與裸沙不同高度層的風(fēng)速增加(F)和防風(fēng)作用(R)

3.2 動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻風(fēng)速

空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻風(fēng)速反映了下墊面對(duì)近地表氣流的摩擦阻力[17]，是評(píng)價(jià)蘆葦沙障防風(fēng)效益的重要參數(shù)。將觀測(cè)數(shù)據(jù)利用公式(3)—(4)根據(jù)最小二乘法原理進(jìn)行擬合，得到蘆葦沙障和裸沙的粗糙度和摩阻風(fēng)速，蘆葦沙障擬合系數(shù)R2均大于0.97，超過0.98的數(shù)據(jù)占92%，裸沙擬合系數(shù)R2均大于0.96，超過0.98的數(shù)據(jù)占52%。蘆葦沙障和裸沙的粗糙度和摩阻風(fēng)速差異顯著(見圖3)，由分析結(jié)果可見，蘆葦沙障摩阻風(fēng)速為0.94～1.31 m/s，裸沙摩阻風(fēng)速為0.61～0.94 m/s，摩阻風(fēng)速變化幅度均較大，由于蘆葦沙障的存在，摩阻風(fēng)速增大，是裸沙的1.39～1.54倍。蘆葦沙障粗糙度為0.52～1.29 cm，裸沙粗糙度0.15～0.34 cm，粗糙度提高了3.47～3.79倍，蘆葦沙障粗糙度變化幅度較大，裸沙粗糙度變化較為穩(wěn)定。蘆葦沙障使得地表粗糙度和摩阻風(fēng)速急劇升高，大大降低了地表的風(fēng)蝕能力。Oke[18]研究得出水平裸露地表的粗糙度的范圍為1～10 mm，Ishizuka等[19]計(jì)算出塔克拉瑪干沙漠的粗糙度為0.267 cm，與本文中裸沙的平均粗糙度非常接近，并且本文的結(jié)果也符合Oke的研究。Toure等[20]認(rèn)為空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度能夠反映土壤風(fēng)蝕的潛力，基于本文研究結(jié)果，蘆葦沙障粗糙度明顯高于裸沙，風(fēng)蝕潛力較小。

3.3 輸沙量垂直分布特征

為研究?jī)煞N下墊面輸沙量隨高度的變化規(guī)律，對(duì)兩種下墊面采用多種函數(shù)模型進(jìn)行擬合，通過對(duì)所得函數(shù)關(guān)系式的分析(見圖4)，裸沙輸沙量隨高度增加符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系式遞減，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，這與張正偲[21]、楊歡等[22]研究結(jié)果一致。蘆葦沙障擬合效果為冪函數(shù)最佳，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.86。這與張劍揮[23]、陳新闖[24]、劉芳等[25]研究結(jié)果類似，可見冪函數(shù)能夠更好地反映下墊面有植被或沙障覆蓋后輸沙量隨高度的分布規(guī)律。

圖3 蘆葦沙障與裸沙粗糙度和摩阻風(fēng)速對(duì)比

圖4 兩種下墊面輸沙量隨高度變化擬合特征

兩種下墊面輸沙量均隨著高度基本呈減小趨勢(shì)，總輸沙量裸沙〔0.451 5 g/(cm2·min)〕>蘆葦沙障〔0.031 4 g/(cm2·min)〕，蘆葦沙障內(nèi)輸沙量?jī)H為裸沙的6.95%，總體固沙效益為93.05%。裸沙0—6 cm輸沙量占總輸沙量的87.71%，且集中于0—2 cm高度，90%以上的輸沙量集中于0—8 cm。朱震達(dá)等[26]、Williams[27]研究得出風(fēng)沙流在0—2 cm高度內(nèi)傳輸且90%沙量在0—10 cm內(nèi)傳輸，這與本文觀測(cè)結(jié)果一致。蘆葦沙障0—8 cm輸沙量占總輸沙量的51.39%，90%以上的輸沙量集中于0—26 cm。

平均躍移高度可以反映風(fēng)沙流的躍移強(qiáng)度，躍移高度指風(fēng)沙流累積輸沙量達(dá)到總輸沙量50%所對(duì)應(yīng)的高度。本文通過3次輸沙量觀測(cè)數(shù)據(jù)的累計(jì)百分比平均值計(jì)算出蘆葦沙障和裸沙平均躍移高度分別為7.74，1.99 cm，平均躍移高度上升了3.89倍。蘆葦沙障干擾了地表攜沙氣流的穩(wěn)定性，增大了地表粗糙度，降低了來流風(fēng)的攜沙能力，使貼地層的輸沙量減小，導(dǎo)致輸沙量垂直分布發(fā)生變異。李錦榮[28]、袁方等[29]人研究了沙柳沙障、麥草沙障風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，均發(fā)現(xiàn)下層輸沙量減小，上層輸沙量增大，與本文研究結(jié)果類似。

3.4 風(fēng)蝕物粒度特征

風(fēng)沙流中沙粒粒徑的垂向分布與風(fēng)沙流搬運(yùn)量和沙粒運(yùn)動(dòng)方式密切關(guān)系[30]。由于蘆葦沙障收集到的沙物質(zhì)較少，所以分為上層(10—30 cm)、中層(2—10 cm)、下層(0—2 cm)共3層，對(duì)0—30 cm高度范圍內(nèi)蘆葦沙障各層沙物質(zhì)的粒度分析結(jié)果見表2。由表2可知，蘆葦沙障主要組分由細(xì)沙和中沙構(gòu)成，細(xì)沙含量為71.99%～78.76%，中沙含量為15.98%～25.74%。蘆葦沙障細(xì)沙和極細(xì)沙含量自下而上均呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，中沙含量自下而上則表現(xiàn)出相反的變化，呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。

蘆葦沙障各層高度中沙含量均小于裸沙，極細(xì)沙含量均高于裸沙，細(xì)沙在各層高度則呈現(xiàn)不同的特征，上層含量低于裸沙，中層和下層含量升高。蘆葦沙障降低了近地表的風(fēng)速，減弱了風(fēng)沙流的攜沙能力，同等條件下，粒徑較大的中沙由于氣流向上的舉力不足無法輸送到更高的位置，而細(xì)沙在躍移過程中消耗的能量少，可以躍移到更高的氣流層中，使得輸沙量垂直分布發(fā)生變異。

表2 蘆葦沙障風(fēng)蝕物粒度構(gòu)成

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

設(shè)置沙障可顯著提高地表粗糙度，降低近地表風(fēng)速。通過對(duì)野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到研究區(qū)蘆葦沙障風(fēng)速廓線特征。結(jié)果顯示，風(fēng)速廓線很好地符合對(duì)數(shù)函數(shù)分布，蘆葦沙障未改變風(fēng)速廓線分布特征。楊偉超[31]研究了蘆葦沙障對(duì)風(fēng)速的減弱情況，發(fā)現(xiàn)10 cm高度處的防風(fēng)作用高于20 cm高度處的防風(fēng)作用。也有學(xué)者[32]研究發(fā)現(xiàn)近地表10 cm高度的防風(fēng)作用最好，蘆葦沙障的主要作用范圍在10 cm高度內(nèi)。本文蘆葦沙障防風(fēng)效能均小于前人研究的結(jié)果，這與鋪設(shè)方式密切相關(guān)。平鋪蘆葦沙障屬于透風(fēng)式沙障，一部分氣流穿過障體，使得防風(fēng)效能降低，但防風(fēng)效能隨高度的增加逐漸減小的趨勢(shì)一致，離地面越高蘆葦沙障的防護(hù)作用逐步減弱，氣流逐漸回歸自然狀態(tài)。通過計(jì)算蘆葦沙障使地表粗糙度增加了3.47～3.79倍，有效降低近地表風(fēng)速，抗風(fēng)蝕能力增強(qiáng)，可見提高地表粗糙度是降低地表風(fēng)蝕的有效措施。

風(fēng)沙流活動(dòng)主要集中在地表一定高度內(nèi)，很大程度上受到下墊面類型、沙源豐富程度、沙粒粒徑大小等因素的影響，輸沙量垂直分布偏離擬合函數(shù)分布，使之發(fā)生變異。通過野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得知，蘆葦沙障使總輸沙量降低了93.05%，說明蘆葦沙障對(duì)近地表風(fēng)沙流起到了很好的攔截作用，但降低下層輸沙量的同時(shí)增加了上層輸沙量。刑恩德[33]通過研究發(fā)現(xiàn)輸沙量隨高度呈跳躍式分布，近地層輸沙量減小，與本文研究結(jié)果相似。尹瑞平[34]認(rèn)為在躍移中落下的沙粒和地面碰撞時(shí)，在很大的程度上是反彈多、飛濺少，沙粒在碰撞后反彈跳得更高和更遠(yuǎn)。鋪設(shè)蘆葦沙障后，近地表氣流攜沙能力下降，中沙含量減少，細(xì)沙被輸送到更高的位置，造成上層輸沙量無規(guī)則分布。

4.2 結(jié) 論

通過對(duì)庫布齊沙漠200 MWp光伏電站內(nèi)鋪設(shè)蘆葦沙障后風(fēng)速變化和輸沙狀況的野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：

(1) 鋪設(shè)蘆葦沙障后，風(fēng)速在各高度處均小于裸沙，風(fēng)速廓線在半對(duì)數(shù)圖上呈直線分布，擬合系數(shù)為0.99。摩阻風(fēng)速為0.94～1.31 m/s，是裸沙的1.39～1.54倍，粗糙度為0.52～1.29 cm，相較于裸露沙表面提高3.47～3.79倍。防風(fēng)作用最大值出現(xiàn)在20 cm高度處，為21.72%，且越接近地表風(fēng)速削減作用越明顯。

(2) 總輸沙量裸沙〔0.451 5 g/(cm2·min)〕>蘆葦沙障〔0.031 4 g/(cm2·min)〕，蘆葦沙障內(nèi)輸沙量?jī)H為裸沙的6.95%，鋪設(shè)蘆葦沙障的固沙效益為93.05%。蘆葦沙障輸沙量隨高度呈冪函數(shù)分布，擬合系數(shù)為0.86。裸沙90%以上的輸沙量集中于0—8 cm，而蘆葦沙障0—8 cm輸沙量占總輸沙量的51.39%，90%以上的輸沙量集中于0—26 cm。蘆葦沙障主要組分有細(xì)沙和中沙構(gòu)成，細(xì)沙含量為71.99%～78.76%，中沙含量為15.98%～25.74%，相較于裸沙，中沙含量減少，細(xì)沙含量增多。

鋪設(shè)蘆葦沙障后下墊面結(jié)構(gòu)改變，有效降低了近地表風(fēng)速，氣流攜沙能力下降，地表風(fēng)蝕能力減弱，防風(fēng)固沙效果顯著，是光伏電站有效的風(fēng)蝕防治措施。