充分考慮氣象影響的湖北省風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)難易程度綜合區(qū)劃研究

王 暉，孫朋杰，陳正洪，李 輝，賀莉微

（1.湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰荆錆h 430070；2.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430070）

隨著風(fēng)電場大規(guī)模集中開發(fā)程度的增加，限電、“棄風(fēng)”不斷增加，內(nèi)陸省份風(fēng)電的優(yōu)勢漸漸凸顯，內(nèi)地風(fēng)電迎來大規(guī)模開發(fā)的階段。湖北省95%的風(fēng)電場建在山區(qū)，風(fēng)電場在開發(fā)過程中引起一定程度的水土流失和植被破壞等生態(tài)問題［1］。在建設(shè)風(fēng)電場過程中，進(jìn)行道路修建、基礎(chǔ)開挖、輸電線路架設(shè)等活動(dòng)，這些活動(dòng)會(huì)在一定程度上破壞原地表和植被。土地原有的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞，山區(qū)土壤抗蝕性低，植被破壞后恢復(fù)難度大。再塑地貌為水土流失的發(fā)生與發(fā)展創(chuàng)造了條件，在強(qiáng)降雨、大風(fēng)等作用下水土流失急劇增加。湖北省高山地區(qū)平均氣溫偏低、夏季降雨量大，這些因素疊加會(huì)造成植被恢復(fù)難度大、期限長。

科學(xué)合理地在風(fēng)電場建設(shè)工程破壞區(qū)進(jìn)行適宜的植被恢復(fù)重建，成為急需解決的問題。風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)是指有目的地把風(fēng)電場建設(shè)區(qū)域改建成定義明確的、固有的、歷史上的生態(tài)系統(tǒng)的過程，目的是仿效當(dāng)?shù)靥囟ㄉ鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、生物多樣性及其變遷過程［2］。劉勝等［3］從恢復(fù)生態(tài)學(xué)角度，對云南省風(fēng)電建設(shè)區(qū)進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)區(qū)劃研究，劃分了3個(gè)一級和7個(gè)二級修復(fù)分區(qū)，其分區(qū)方法是以經(jīng)驗(yàn)判別和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，以縣級行政區(qū)為基本單元，自上而下進(jìn)行分區(qū)。董智等［4］以河北省壩上風(fēng)電場建設(shè)區(qū)為研究對象，探討了風(fēng)電場建設(shè)區(qū)水土流失特點(diǎn)、分區(qū)、防治重點(diǎn)及植被恢復(fù)措施。畢娜［5］通過鐵嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)和風(fēng)電場待修復(fù)的環(huán)境類型，提出了該地區(qū)開展風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)、原則及技術(shù)要求。錢怡伶［6］探討了風(fēng)電設(shè)施產(chǎn)生的噪聲以及對植被、水土流失和鳥類生存的影響，提出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境影響減緩措施和生態(tài)恢復(fù)措施。

已有研究多是針對不同的個(gè)例進(jìn)行生態(tài)修復(fù)設(shè)計(jì)和規(guī)劃，對大范圍、區(qū)域尺度的生態(tài)修復(fù)區(qū)劃研究較少。因此，在充分考慮氣象因素對風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)過程中植被恢復(fù)影響的基礎(chǔ)上，綜合考慮地理、土壤、植被、風(fēng)能資源等多種因子的影響，開展湖北省風(fēng)電場的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)難易程度綜合區(qū)劃，為不同區(qū)域采取因地制宜的生態(tài)保護(hù)修復(fù)方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)及資料

研究資料包括氣象、土壤、植被、風(fēng)能資源及地理信息5類。

1.1.1 氣象要素資料 取自湖北省89個(gè)國家級氣象觀測站及分布在全省的2 005個(gè)區(qū)域氣象站觀測數(shù)據(jù)（圖1），觀測時(shí)段為區(qū)域氣象站觀測質(zhì)量較好的2016—2018年3個(gè)完整年每日的累積降水、日最低氣溫、10 m高度最大風(fēng)速等。資料進(jìn)行質(zhì)量控制檢驗(yàn)。

圖1 資料的氣象觀測站點(diǎn)分布

1.1.2 土壤要素資料 土壤要素資料包括以下內(nèi)容。

1）土地覆蓋分類數(shù)據(jù)：基于2017年Landsat TM/ETM/OLI遙感影像。采用遙感信息提取方法，經(jīng)波段選擇及融合，圖像幾何校正及配準(zhǔn)并對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理、拼接與裁剪，形成覆蓋湖北省范圍，水平分辨率為30 m的8類（農(nóng)田、森林、草地、灌木叢、濕地、水體、建設(shè)用地、荒地）土地覆蓋分類數(shù)據(jù)。

2）降雨侵蝕力數(shù)據(jù)：湖北省水土流失主要表現(xiàn)形式為水力侵蝕。利用全省降水資料，建立基于降雨量的降雨侵蝕力模型，計(jì)算土壤受侵蝕的潛在能力。

3）植被要素：歸一化植被指數(shù)（NDVI）。利用MODIS衛(wèi)星2019年MOD13A3通道產(chǎn)品，進(jìn)行波段運(yùn)算、拼接、掩膜等，最終形成水平分辨率為1 km的2019年湖北省歸一化植被指數(shù)。

4）風(fēng)能資源資料：風(fēng)能資源指標(biāo)指離地面70 m高度風(fēng)速和風(fēng)功率密度。取自湖北省陸地風(fēng)能資源高分辨率（1 km）評估（30年平均）數(shù)據(jù)集。該套數(shù)值模擬資料融合了湖北省200多座測風(fēng)塔實(shí)際測風(fēng)資料，經(jīng)過檢驗(yàn)，模擬結(jié)果可信。

5）地理信息要素：地理信息包括海拔、坡度、坡向信息?；诤笔?∶50 000省界、水系、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM），利用Arcgis軟件三維空間分析功能提取得到湖北省海拔、坡度和坡向數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)劃方法

1.2.1 區(qū)劃指標(biāo)的選取 風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)除涉及當(dāng)?shù)睾０巍⒌匦蔚孛蔡卣魍?，還涉及氣象、土壤、植被等多個(gè)因子。氣象要素方面，年平均降水、夏季極端降水及極端低溫、大風(fēng)等，都會(huì)影響風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)后的植被生長。土壤及植被要素方面，不同的土壤覆蓋類型、土壤降雨侵蝕力及不同的植被覆蓋率亦會(huì)造成破壞后的生態(tài)修復(fù)能力不同。風(fēng)資源要素方面，湖北省風(fēng)資源好的山地丘陵地區(qū)，風(fēng)電場開發(fā)規(guī)模增大，造成的生態(tài)修復(fù)難度亦會(huì)增加。選取氣象、土壤、植被、地理信息、風(fēng)能資源5大類12個(gè)要素作為評價(jià)因子建立區(qū)劃指標(biāo)體系（表1）。

表1 影響湖北省風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)的評價(jià)因子

1.2.2 評價(jià)因子權(quán)重的確定 運(yùn)用層次分析及專家打分相結(jié)合的方法，確定了各評價(jià)因子權(quán)重（表2）。

表2 各評價(jià)因子權(quán)重

1.2.3 加權(quán)綜合評分 各指標(biāo)對風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)的相對重要程度各異，計(jì)算綜合指標(biāo)體系時(shí)必須考慮到各自權(quán)重，用加權(quán)綜合評分法確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

綜合指標(biāo)的作用大小用數(shù)量化指標(biāo)集中，表示評價(jià)對象的優(yōu)劣。由于各評價(jià)因子在計(jì)算過程中可能又包含了各自的一系列指標(biāo)，為消除評價(jià)因子各指標(biāo)的數(shù)量級和量綱之間的差異，對每個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。具體公式如下。

式中，Gi為第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值，Ai為第i個(gè)指標(biāo)值，mini和maxi分別為第i個(gè)指標(biāo)值中的最小值和最大值。

接著，計(jì)算各評價(jià)因子指數(shù)。

式中，Pj為第j項(xiàng)評價(jià)因子指數(shù)，Wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，Gij為對于因子j的第i項(xiàng)指標(biāo)的歸一化值，n為評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

Pj可以認(rèn)為是第j個(gè)評價(jià)單元對應(yīng)的風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)難易程度，數(shù)值范圍為0～1，保留小數(shù)點(diǎn)后兩位有效數(shù)字。將風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)難易程度等級分為4級，即易恢復(fù)區(qū)（0.00～0.25）、較易恢復(fù)區(qū)（0.25～0.35）、較難恢復(fù)區(qū)（0.35～0.45）、難恢復(fù)區(qū)（0.45～1.00）。

1.2.4 空間數(shù)據(jù)分析 采用ArcGIS軟件分析湖北省風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)綜合區(qū)劃。應(yīng)用ArcGIS空間分析、空間統(tǒng)計(jì)、地統(tǒng)計(jì)分析、矢量數(shù)據(jù)處理及柵格數(shù)據(jù)處理等模塊，完成區(qū)劃分析。

2 區(qū)劃指標(biāo)建立

2.1 精細(xì)化氣象要素分布

湖北省三面環(huán)山，地勢為西、北、東三面高企，中部向南敞開，呈馬蹄形分布。由于其特殊的地理位置和復(fù)雜多樣的地形地貌，使得降水空間分布差異明顯。由于省內(nèi)89個(gè)國家氣象觀測站多設(shè)在低山和平原處，若僅以國家氣象觀測站數(shù)據(jù)直接進(jìn)行空間插值分析，會(huì)造成較大誤差，難以表現(xiàn)山地氣候特征，甚至得到錯(cuò)誤結(jié)論。加入無人值守的區(qū)域氣象站資料，可以較好彌補(bǔ)常規(guī)氣象站點(diǎn)稀疏的不足，對大的山體和代表剖面能進(jìn)行較為詳細(xì)的氣象特征分析，估算和模擬能反映實(shí)際降水的時(shí)空分布，特別是能反映山區(qū)降水特征。利用了全省2 005個(gè)區(qū)域氣象站降水觀測資料，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，將湖北省按主要山系劃分為8個(gè)區(qū)（圖2），分區(qū)域構(gòu)建降水與地理因子的模型，呈現(xiàn)復(fù)雜地形影響下的湖北省降水精細(xì)化分布特征。

圖2 湖北省降水研究區(qū)域劃分

利用各分區(qū)的氣象觀測站點(diǎn)的降水觀測資料，用ArcGIS軟件，提取站點(diǎn)高程資料（DEM）的經(jīng)度、緯度、高度、坡度、坡向信息，分區(qū)域建立基于地形影響的精細(xì)化降水模型，如表3、表4、表5所示。根據(jù)不同區(qū)域的降水模型，得到湖北省精細(xì)化的年降水分布、夏季降水、年平均最低氣溫的精細(xì)化分布情況，如圖3所示。

表3 年降水模型

表4 夏季降水模型

表5 年平均最低氣溫模型

圖3 湖北省氣象要素精細(xì)化特征分布

2.2 降雨侵蝕力

降雨侵蝕力的簡易模型算法主要依據(jù)次降雨量、日降雨量、月降雨量、年降雨量等幾種不同降雨類型資料。依據(jù)日降雨量建立的模型精度較高，其余幾種差別不大，且在降水豐富的南方區(qū)域，降雨侵蝕力的相對誤差變化范圍較?。?］。采用月降水量建立降雨侵蝕力模型。其模型形式為：

式中，R是降雨侵蝕力［MJ·mm（/hm2·h·年）］；Pi為各月降雨總量（mm），α和β為模型待定參數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合湖北省精細(xì)化降水分布特征，確定α為0.047 9，β為1.620 3。

根據(jù)降雨侵蝕力模型及2016—2018年湖北省精細(xì)化降水分布模型，對湖北省的降雨侵蝕力R進(jìn)行了計(jì)算，探明湖北省降雨侵蝕力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 湖北省降雨侵蝕力空間分布

2.3 歸一化植被覆蓋指數(shù)

植被是抑制土壤侵蝕的主要因子［8］。雖然植被水土保持功能的指標(biāo)涉及植被蓋度、枯落物厚度、植物根系密度與根量、植被類型、植物種類組成等。但由于某些指標(biāo)測量較為繁瑣，大范圍獲取數(shù)據(jù)較為困難，在應(yīng)用上受到限制，仍廣泛采用植被覆蓋指數(shù)來反映抑制土壤侵蝕的能力。

下載MODIS衛(wèi)星2019年MOD13A3通道產(chǎn)品，利用MRT（MODISReprojection Tool）工具對圖像進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換（將正弦投影轉(zhuǎn)換成WGS84經(jīng)緯度投影）。將湖北省所處的四景MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理。利用ENVI軟件對湖北全省范圍進(jìn)行掩膜，提取湖北省范圍內(nèi)逐月的歸一化植被指數(shù)柵格數(shù)據(jù)。并通過ENVI軟件中的波段運(yùn)算（Band math），將上一步提取出來的柵格數(shù)據(jù)計(jì)算成標(biāo)準(zhǔn)格式及單位的數(shù)據(jù)，用最大合成法將歸一化植被覆蓋指數(shù)（NDVI）月數(shù)據(jù)合成年數(shù)據(jù)，最終形成分辨率為1 km的2019年湖北省NDVI空間分布（圖5）。

圖5 2019年湖北省NDVI空間分布

2.4 地理信息

地理信息準(zhǔn)則層選取了海拔高度、坡度、坡向3個(gè)細(xì)分指標(biāo)。海拔高度表達(dá)了地形的起伏狀況，構(gòu)成植被的垂直分布，隨著海拔的變化，植被類型也會(huì)垂直變化，進(jìn)而影響生態(tài)修復(fù)的植被選擇。

坡向是決定地表不同部分接受光照并重新分配太陽輻射量的重要地形因子，是使局部地區(qū)產(chǎn)生氣候特征差異的主要因素［9］。坡向影響著山地的日照時(shí)數(shù)和太陽輻射強(qiáng)度。利用正弦函數(shù)和去量綱公式，把坡向朝南（90°～180°、180°～270°）的定義為0，坡向朝北（0°～90°、270°～360°）的定義為1。坡向朝北的地方植被修復(fù)難度較坡向朝南要大。

坡度表示地表單元陡緩的程度，可分為緩坡（≤15°）、中等坡（15°～45°）、陡坡（45°～90°）、倒坡（＞90°）。不同坡度對應(yīng)的生態(tài)修復(fù)難度不同，坡度越大，生態(tài)修復(fù)難度越大。

通過地理信息高程（DEM）數(shù)據(jù)，提取湖北省范圍內(nèi)的海拔、坡度、坡向信息，如圖6所示。

圖6 湖北省地表地理信息

2.5 風(fēng)能資源指標(biāo)

選取離地70 m高度的風(fēng)速和風(fēng)功率密度作為風(fēng)能資源的兩個(gè)指標(biāo)。對風(fēng)電開發(fā)來說，全省風(fēng)能資源好的山區(qū)風(fēng)電場規(guī)劃和建設(shè)會(huì)更密集，道路開挖、基座建設(shè)等造成的生態(tài)破壞也大。因此，風(fēng)能資源越好，在權(quán)重指標(biāo)中占比也越大。

采用了中國氣象局陸地風(fēng)能資源新評估結(jié)果“全國風(fēng)能資源高分辨率評估（2019）數(shù)據(jù)集”的數(shù)據(jù)，即70～150 m高度水平分辨率1 km的30年數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬采用中尺度模式WRF和CALMET模式系統(tǒng)共同完成，同時(shí)模式同化了大量湖北省測風(fēng)塔觀測資料。風(fēng)資源情況如圖7所示。

圖7 湖北省70 m高度風(fēng)資源分布

3 結(jié)果與分析

根據(jù)建立的各區(qū)劃指標(biāo)及評價(jià)因子權(quán)重，得到湖北省風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)綜合區(qū)劃（圖8）。將風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)綜合區(qū)劃等級分為4級，即易恢復(fù)區(qū)、較易恢復(fù)區(qū)、較難恢復(fù)區(qū)、難恢復(fù)區(qū)。

圖8 湖北省風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)綜合區(qū)劃

3.1 易恢復(fù)區(qū)

易恢復(fù)區(qū)主要分布在江漢平原大部，襄陽中部的崗地平原，鄂東的浠水、蘄春、團(tuán)風(fēng)等地。上述地區(qū)基本處在平原地帶，區(qū)域人口密度大，城鎮(zhèn)集中，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)。氣候條件方面，上述地區(qū)降水充沛、氣候溫和。土壤利用類型方面，上述區(qū)域主要是農(nóng)田和水體，根據(jù)湖北省生態(tài)保護(hù)紅線的相關(guān)要求，上述區(qū)域只能在有限的地方建設(shè)風(fēng)電場，基本不會(huì)對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)造成破壞，因此屬于易恢復(fù)區(qū)。

3.2 較易恢復(fù)區(qū)

較易恢復(fù)區(qū)主要分布在鄂東南、鄂西北部分丘陵地區(qū)，年平均氣溫較高，其中鄂東南降水豐富，土地類型以農(nóng)田、草地為主，土壤的降雨侵蝕力水平在全省處于中等水平，且該區(qū)域風(fēng)資源條件一般，風(fēng)電開發(fā)規(guī)模不大。

3.3 較難恢復(fù)區(qū)

較難恢復(fù)區(qū)主要分布在鄂東北的大別山區(qū)、鄂東南幕府山區(qū)、鄂北桐柏山區(qū)、大洪山、鄂西南恩施大部分區(qū)域，地貌基本以中低山地為主。土壤降雨侵蝕力較大，水土流失嚴(yán)重，且大多處于湖北省風(fēng)能資源最為豐富的“三帶一區(qū)”（棗陽—英山中北部風(fēng)帶，荊門—荊州南北向風(fēng)帶，部分湖島及沿湖地帶，鄂西南和鄂東南部分高山地區(qū)）內(nèi)，已投產(chǎn)或正在進(jìn)行風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的項(xiàng)目大多集中在此。由于區(qū)域多集中在山區(qū)，年降雨分布不均且夏季強(qiáng)降雨集中，山地氣溫隨海拔的升高降低，氣溫普遍較平原地區(qū)低。在風(fēng)電場建設(shè)過程中，地表植被被破壞后，恢復(fù)難度較大。

3.4 難恢復(fù)區(qū)

難恢復(fù)區(qū)主要分布在湖北省部分中高山地區(qū)，包括鄂西南武陵山地的利川、來鳳、宣恩、鶴峰等地，鄂東南幕阜山系的通山、崇陽、通城等地，鄂東北大別山系的英山、羅田等地及大洪山、神農(nóng)架部分區(qū)域。上述區(qū)域的地理特點(diǎn)是海拔高、氣溫低，年降雨量大，其中鄂西南和鄂東南、大別山區(qū)是湖北省降雨最多的3個(gè)區(qū)域。上述區(qū)域由于降雨侵蝕力造成的水土流失也最為嚴(yán)重。從風(fēng)能資源方面看，上述區(qū)域風(fēng)資源條件好，是風(fēng)電企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注和開發(fā)的區(qū)域，雖然植被覆蓋率較高，但地處高山、中高山，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，一旦風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)破壞了當(dāng)?shù)刂脖?，恢?fù)難度大。

4 小結(jié)與討論

1）選取5類要素12個(gè)指標(biāo)因子、不同的擬合模型對指標(biāo)因子進(jìn)行建模，賦予各指標(biāo)因子不同的權(quán)重影響系數(shù)，通過加權(quán)綜合評分的方法得到了4類風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)綜合區(qū)劃等級，分為易恢復(fù)區(qū)、較易恢復(fù)區(qū)、較難恢復(fù)區(qū)、難恢復(fù)區(qū)。

2）易恢復(fù)區(qū)主要分布在江漢平原大部，襄陽中部的崗地平原，鄂東的浠水、蘄春、團(tuán)風(fēng)等地；較易恢復(fù)區(qū)主要分布在鄂東南、鄂西北部分丘陵地區(qū)；較難恢復(fù)區(qū)主要分布在鄂東北的大別山區(qū)、鄂東南幕府山區(qū)、鄂北桐柏山區(qū)、大洪山、恩施大部區(qū)域中低山區(qū)；難恢復(fù)區(qū)分布在湖北省部分中高山地區(qū)。

3）影響風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)的要素多，對湖北省風(fēng)電場生態(tài)修復(fù)進(jìn)行了初步的區(qū)劃，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)長期的、系統(tǒng)性的工作，需要進(jìn)行長期、連續(xù)的監(jiān)測，調(diào)整和優(yōu)化生態(tài)修復(fù)的區(qū)劃及修復(fù)策略。內(nèi)陸地區(qū)特別是南方山區(qū)，風(fēng)電場的建設(shè)在造成植被破壞的同時(shí)，也破壞了山地表層土壤，加之山地降雨時(shí)間集中、強(qiáng)度大，使得水土流失更為嚴(yán)重。在進(jìn)行生態(tài)修復(fù)時(shí)，需要重視土壤的保護(hù)和修復(fù)。