高山草甸區(qū)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)局地微氣象的影響研究

內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站 程學(xué)慧

風(fēng)電是可再生能源領(lǐng)域商業(yè)化程度最高的能源，是我國(guó)鼓勵(lì)和支持的清潔能源；截至2020年底，全國(guó)風(fēng)電機(jī)組累計(jì)裝機(jī)臺(tái)數(shù)超過15萬臺(tái)，累計(jì)裝機(jī)容量2.9億千瓦，累計(jì)并網(wǎng)容量2.8億千瓦；全國(guó)風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電量4665億千瓦時(shí)，占全國(guó)全部發(fā)電量的6.1%。預(yù)計(jì)在未來的十年中國(guó)將會(huì)進(jìn)入能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展的關(guān)鍵期，而可再生能源將取代其他能源的位置，占據(jù)消費(fèi)增量的主體地位。

由于季風(fēng)水汽的輸送高度是近地面層的850-900百帕，而陸上風(fēng)電場(chǎng)位于季風(fēng)路徑，因而可開發(fā)山脊、開發(fā)容量有限，由此可知，風(fēng)電對(duì)平原和海上的微氣象影響并不大。從小尺度看，我國(guó)陸上風(fēng)電機(jī)組輪轂中心高度一般在65米至80米，個(gè)別超過100米，再加上葉片總高度小于200米，影響可忽略。因高山草甸本身氣候特殊性，已建風(fēng)電場(chǎng)對(duì)區(qū)域氣候、環(huán)境的影響常常是當(dāng)?shù)鼐用耜P(guān)注的問題；揭示海拔大于2000米的高山草甸風(fēng)電場(chǎng)對(duì)區(qū)域氣候環(huán)境的影響與機(jī)制是本次研究的目標(biāo)。

觀測(cè)目標(biāo)風(fēng)電項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古灰騰梁地區(qū)高山草甸，區(qū)域地勢(shì)開闊，是蒙古高原溫帶典型草原地帶，有濕地、五花草甸灌木、山地典型草原等多種自然景觀。通過遙感解譯、數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)合地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段，實(shí)地調(diào)查和現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)相結(jié)合，對(duì)微氣象的氣象因子指標(biāo)及與微氣象指標(biāo)有較強(qiáng)相關(guān)性的土地利用類型、植被類型等生態(tài)質(zhì)量要素進(jìn)行了調(diào)查分析。

1 工程基本情況

目標(biāo)風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)規(guī)模49.5MW，建設(shè)單機(jī)容量1500kW 的WTGS 1500A 型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，風(fēng)機(jī)輪轂高度65m，風(fēng)輪直徑77m。機(jī)組年均上網(wǎng)電量124415MWh。同時(shí)建設(shè)了一臺(tái)容量為120MVA 戶外變壓器，3回35kV 集電線路，建設(shè)容量動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置一套。項(xiàng)目區(qū)氣候特征主要表現(xiàn)為冬季漫長(zhǎng)寒冷、春季干旱多風(fēng)、夏季短促、秋季氣溫劇降。項(xiàng)目區(qū)年均氣溫為4.2℃，盛夏最高氣溫不超過15℃，極端最低氣溫為-32.8℃；年平均氣壓為856.9kPa；年均相對(duì)濕度為53%；年降水量為324.7mm，年蒸發(fā)量為2048.0mm。年均風(fēng)速為3.4m/s。

2 氣象因子的觀測(cè)

微氣象因子選擇地表水分蒸發(fā)、風(fēng)速、溫度和相對(duì)濕度等氣象因子。

觀察溫度濕度。避免在觀察表面溫度時(shí)出現(xiàn)陰影，傳感器的探頭指向真北。關(guān)于自動(dòng)氣象站的位置以及溫度傳感器，濕觀察地表溫度、濕度和高度。最重要的是要求采樣間隔設(shè)置，觀測(cè)時(shí)間控制與風(fēng)速控制。

觀測(cè)風(fēng)速設(shè)置。各觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置風(fēng)杯，觀察觀測(cè)高度與各風(fēng)速值的相關(guān)性，設(shè)置風(fēng)速數(shù)據(jù)，采集時(shí)間間隔，根據(jù)不同季節(jié)性采取數(shù)據(jù)等。此外，還需要使用自動(dòng)氣象站的風(fēng)速傳感器，觀測(cè)風(fēng)速值。

地面水分蒸發(fā)情況觀察。為了保持邊緣水平，首先我們需要在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)放置一個(gè)蒸發(fā)皿。然后需要定期觀察、測(cè)量、記錄前一天注入的淡水蒸發(fā)后的剩余水量，并重新注水觀察蒸發(fā)情況。沿風(fēng)電機(jī)軸水分蒸發(fā)趨勢(shì)的觀測(cè)點(diǎn)平行于風(fēng)向作為風(fēng)電機(jī)軸布置，觀測(cè)點(diǎn)布置在頂部[1]。

3 風(fēng)電場(chǎng)生態(tài)質(zhì)量的調(diào)查

相關(guān)生態(tài)質(zhì)量要素采用文獻(xiàn)調(diào)查、實(shí)地調(diào)查、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、3S 技術(shù)相結(jié)合的分析方法，通過項(xiàng)目建設(shè)前后的影像對(duì)比分析來體現(xiàn)對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響；根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)分析，生態(tài)環(huán)境影響主要發(fā)生在施工期，主要影響內(nèi)容為施工人員參與地表開挖、地基處理、車輛運(yùn)輸、設(shè)備和材料堆放等活動(dòng)。

3.1 土壤環(huán)境影響

項(xiàng)目建設(shè)過程中風(fēng)電機(jī)組基座安裝和電纜溝開挖敷設(shè)剝離原有土壤，增加了破碎度并改變了土壤粒度，導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝寥赖脑薪Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化[2]。高山草甸原生土壤類型主要為草甸土、栗鈣土等，質(zhì)地緊密，建設(shè)的擾動(dòng)過程增加了恢復(fù)區(qū)土壤松散程度。施工土地?cái)_動(dòng)是短期作用，通過人工施肥增加土壤養(yǎng)分，及時(shí)采取有利于植物生長(zhǎng)的平整、壓實(shí)等措施，在一定程度上改善了土壤養(yǎng)分和保水性能；所以從長(zhǎng)期來看，對(duì)擾動(dòng)區(qū)土壤影響不大。

3.2 土地利用變化分析

項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)當(dāng)?shù)氐耐恋乩酶窬之a(chǎn)生了一定的影響，主要體現(xiàn)在項(xiàng)目所用永久和臨時(shí)用地。生態(tài)修復(fù)前，將原有中、低覆蓋草地轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)用地；道路的線性劃分會(huì)增加同質(zhì)土地利用類型斑塊數(shù)量[3]，導(dǎo)致土地的整體破碎度有所增加。

3.3 植被的影響

工程建設(shè)對(duì)植被的影響主要表現(xiàn)在地表開挖、材料和設(shè)備的運(yùn)輸和堆放，以及工程機(jī)械和人類活動(dòng)對(duì)草場(chǎng)的破壞。項(xiàng)目區(qū)植被為典型的草原植被，多為寒性形而上的多年生草本植物，常伴有形而上的多年生雜草。群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層次不清晰，生長(zhǎng)茂密，植物少，有時(shí)形成平墊。草類如艾草、羊茅、翦股穎、馬尾草、毛茛、黃芪、黃芪等。植物生長(zhǎng)緩慢，土層薄，被擾動(dòng)后存在隱患。但是，通過實(shí)施覆土、人工施肥、播撒鄉(xiāng)土草種等保水保生態(tài)修復(fù)措施，將有效抑制和減緩生態(tài)破壞。

3.4 土壤侵蝕的影響

工程施工期間，地表開挖擾動(dòng)、人為碾壓等活動(dòng)破壞了區(qū)內(nèi)植被，大風(fēng)暴雨易造成水土流失。人為擾動(dòng)改變了原有地形的坡度，降低了水土保持功能，使表層土層松動(dòng)[4]。降低土壤的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)與性能，引起風(fēng)蝕和水蝕。同時(shí)，土方工程的開挖回填、施工過程中廢棄的土方工程的疊合將成為水土流失的物質(zhì)基礎(chǔ)，導(dǎo)致該地區(qū)水土流失加劇。

4 干旱區(qū)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)局地微氣象環(huán)境的影響

觀測(cè)期間數(shù)據(jù)顯示，季節(jié)間的風(fēng)向、風(fēng)速差異較大，而與測(cè)量風(fēng)速位置的差異并不大。風(fēng)電場(chǎng)擾動(dòng)降低了風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速，然而越過風(fēng)場(chǎng)在開闊的環(huán)境中隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)速的影響立刻下降[5]。

觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，全天的溫度變化取決于晝夜間溫度的增減程度；無論晝夜，風(fēng)場(chǎng)內(nèi)外的地表溫度都存在著差異；在整體區(qū)域環(huán)境高溫、相對(duì)濕度較高的情況下，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部有一些升溫、減濕反響。但更重要的是，隨著環(huán)境溫度升高，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)溫度的影響程度趨于零。

就風(fēng)場(chǎng)區(qū)域來看，晝間風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生一定的冷卻和加濕作用，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)垂直位置溫度和風(fēng)向分別下降時(shí)，相應(yīng)高度相對(duì)濕度增加；在夜間具有一定的升溫和降低濕度的作用。

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)外地表蒸發(fā)量無顯著差異。發(fā)電機(jī)組無論是永磁直驅(qū)還是齒輪箱變對(duì)垂直方向地面的蒸發(fā)幾乎沒有影響；在北方干旱半干旱區(qū)，風(fēng)輪背后凝結(jié)水汽尾羽的現(xiàn)象也不會(huì)出現(xiàn)。

5 結(jié)語

風(fēng)電機(jī)組是地面上增加最多的建筑物，風(fēng)電場(chǎng)的存在改變了地面原有的粗糙結(jié)構(gòu)，理論上在場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速減低。由于風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中增強(qiáng)了大氣的垂直混合，增暖和降溫效果取決于近地表大氣的穩(wěn)定性特征，這種影響會(huì)干擾原始的穩(wěn)定性特性。此時(shí)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的湍流運(yùn)行增強(qiáng)了垂直混合，從而冷空氣向上移動(dòng)，致使表面附近的空氣向上加熱。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)直接影響地表氣體系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換，葉片的旋轉(zhuǎn)干擾了垂直混合結(jié)構(gòu)。在風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中，大氣中原有的能量循環(huán)格局也發(fā)生了細(xì)微的變化。將消耗的一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為熱能，風(fēng)能的一小部分在風(fēng)電場(chǎng)局部消耗，產(chǎn)生的熱能釋放到風(fēng)電場(chǎng)周圍的大氣中。這一效果僅限于風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部和與風(fēng)場(chǎng)相鄰的周圍區(qū)域，在整個(gè)過程中，風(fēng)電場(chǎng)并沒有直接影響近地表系統(tǒng)的整體能量平衡。

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)只是改變了大氣能量的轉(zhuǎn)換路徑，并沒有改變?cè)瓉淼牡乇砦庀笙到y(tǒng)來增加總能量。地表溫度和大氣溫度的相互影響使兩者之間產(chǎn)生了一定的關(guān)系。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，地表溫度與溫度回歸方程得到的方程為線性，斜率大于0，呈正相關(guān)?！讹L(fēng)電場(chǎng)對(duì)地表空氣溫度的影響》使用來自美國(guó)加利福尼亞州著名的風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)，據(jù)信風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)會(huì)增加熱量和水蒸氣的垂直攪動(dòng)，這會(huì)影響迎風(fēng)天氣條件，通常還會(huì)影響附近的溫度夜間較低，白天小幅上升，但幅度不大。這種輕微升溫的另一個(gè)好處是，它有助于減少風(fēng)電場(chǎng)附近的霜凍，并延長(zhǎng)附近作物的生長(zhǎng)時(shí)間。這與本研究中觀察到的結(jié)果一致。但是由于本次觀測(cè)對(duì)象為單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)群的微氣象變化還需要做長(zhǎng)期觀測(cè)。