沙漠地區(qū)光伏電站風(fēng)沙活動規(guī)律及其影響因素

楊 帆,牛天祥,張振師,李 鵬,曹永翔,2,趙 雨,2,李玉進(jìn)

(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065；2. 陜西省“四主體一聯(lián)合”河湖生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)校企聯(lián)合研究中心，西安 710065；3. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司 博士后科研工作站，西安 710065；4. 西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點實驗室，西安 710048)

0 前 言

中國西北地區(qū)光熱資源豐富、土地遼闊，得天獨厚的資源優(yōu)勢使其成為發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的最佳潛力地區(qū)。光伏電站主要集中分布于西北戈壁、沙漠荒地等生態(tài)脆弱區(qū)，其對區(qū)域環(huán)境和氣候的影響受到廣泛關(guān)注[1-3]。光伏電站建設(shè)初期，必然擾動地表破壞原生植被[4]，造成地表松散物質(zhì)活化進(jìn)而為風(fēng)沙活動提供了豐富沙源，加之光伏電站建設(shè)使得過境氣流格局發(fā)生了強(qiáng)烈變化，引起區(qū)域風(fēng)蝕發(fā)展與局部堆積，威脅光伏電站的安全運行；然而，光伏電站建成后，太陽能發(fā)電板具有不透水性和遮陰性[5]等特點，成排的光伏陣列引起局部區(qū)域微氣候和水熱資源[6-7]的重新分配，且光伏陣列的建設(shè)提高了地表粗糙度，減弱了風(fēng)速，改變了風(fēng)向、風(fēng)速及流場，降低了光伏電站腹地的風(fēng)沙活動，從而為地表結(jié)皮和植被的恢復(fù)提供了有利條件。因此，揭示光伏電站與脆弱環(huán)境的互饋影響對于區(qū)域生態(tài)治理具有重要的指導(dǎo)意義。

近年來，為實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”，光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迎來了新的機(jī)遇。探究分析光伏電站區(qū)風(fēng)沙活動規(guī)律及其影響因素，為光伏陣列布設(shè)、水保措施采取提供依據(jù)，降低在戈壁、沙漠荒地等生態(tài)脆弱區(qū)建設(shè)光伏電站帶來的風(fēng)沙危害，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，成為行業(yè)發(fā)展關(guān)注的熱點，利用光伏電站開展荒漠化治理成為了一種新技術(shù)、新模式[8-9]。在我國干旱半干旱地區(qū)，風(fēng)沙活動是地表物質(zhì)運移的主要表現(xiàn)形式，多年來國內(nèi)外學(xué)者對于自然狀況風(fēng)沙活動規(guī)律開展了深入研究[10-12]，揭示了區(qū)域風(fēng)沙變化特征及其動力學(xué)過程。而針對光伏電站風(fēng)沙活動及動力學(xué)機(jī)制的研究還不夠全面，針對光伏陣列不同下墊面特征的風(fēng)沙活動研究還不夠系統(tǒng)。

為探究沙區(qū)光伏電站風(fēng)沙活動規(guī)律及其影響因素，本文以西北沙區(qū)某光伏電站為研究區(qū)，基于野外原位觀測試驗，通過分析光伏電站風(fēng)沙活動特征及地表輸沙過程，揭示不同風(fēng)沙防治措施對光伏電站場區(qū)風(fēng)沙輸移過程的影響因素，以期深化光伏電站區(qū)域風(fēng)沙治理體系及生態(tài)修復(fù)模式的研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省神木市大保當(dāng)鎮(zhèn)(109.95°E，38.69°N)，地處毛烏素沙地東南緣，屬典型半干旱區(qū)，以半固定和固定沙梁、沙丘為主。區(qū)內(nèi)太陽能資源豐富，年日照時數(shù)為2 737.5 h，多年平均氣溫9.1 ℃，年均降雨量437.9 mm，年平均風(fēng)速2.6 m/s，多年大風(fēng)日數(shù)28 d，全年盛行西北風(fēng)。研究區(qū)位情況見圖1。

圖1 研究區(qū)位情況

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

本試驗以野外試驗樣地布設(shè)及配套設(shè)備進(jìn)行實地監(jiān)測為主。由于光伏電站迎風(fēng)側(cè)為風(fēng)沙活躍區(qū)[13]，選擇以光伏場區(qū)主風(fēng)向前排光伏單元為研究區(qū)域，且向外部邊緣擴(kuò)展10 m范圍以此布設(shè)試驗樣地。

本研究分別布設(shè)工程措施和植物措施開展對比試驗。工程措施選擇以礫石壓蓋和草方格沙障為主，礫石壓蓋措施選擇粒徑2～4 cm材料按照蓋度28%進(jìn)行鋪設(shè)，草方格措施由麥草材質(zhì)組成1 m×1 m方格式沙障；植物措施為避免植株過高影響光伏發(fā)電，選擇當(dāng)?shù)爻Ｒ姷木疤烊?Sedumaizoon)和狼尾草(Pennisetumalopecuroides)2種草本植物，景天采用扦插方式栽植密度為16 株/m2，狼尾草以1 kg/畝標(biāo)準(zhǔn)播撒草籽。

本試驗對風(fēng)速、風(fēng)速流場、輸沙率、土壤和植被特征等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在光伏項目區(qū)外圍安置HOBO U30氣象站采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；風(fēng)速和流場數(shù)據(jù)使用FR2030風(fēng)速監(jiān)測系統(tǒng)；輸沙率采用階梯式集沙儀；土壤特征(容重、孔隙度、緊實度、含水率、砂礫、結(jié)構(gòu)性指數(shù)、有機(jī)質(zhì))和植被特征(蓋度、高度、密度)采用常規(guī)方式進(jìn)行測定。

2.2 樣地及觀測點布設(shè)

(1)樣地布設(shè)

根據(jù)光伏電站場區(qū)位置，由北部邊緣至南(沿主風(fēng)向)布設(shè)試驗小區(qū)(見圖2)，包括光伏板外圍區(qū)域18 m×7 m(長×寬)、光伏板下區(qū)域18 m×3 m(長×寬)和光伏板間區(qū)域18 m×7 m(長×寬)，為了對不同措施實施后的風(fēng)沙活動特征進(jìn)行對比，試驗以裸沙區(qū)域為對照，分別布設(shè)礫石壓蓋、草方格、景天三七和狼尾草等措施，共計15塊樣地。

圖2 試驗小區(qū)布設(shè)

(2) 觀測點布設(shè)

根據(jù)試驗小區(qū)布設(shè)分別在樣地A、B、C區(qū)域處布設(shè)風(fēng)速監(jiān)測儀和集沙儀。以光伏板外圍監(jiān)測點為對照，分別在距離2、3、4、7.5、12、13 m和14 m處布設(shè)風(fēng)速檢測儀，風(fēng)杯安裝高度按照20、40、60、80、100、120、150 cm和200 cm共8個梯度(見圖3)。本試驗選擇高度25 cm階梯式集沙儀采集相關(guān)數(shù)據(jù)，單個進(jìn)沙口尺寸為2.5 cm×2.5 cm(長×寬)，集沙儀開口對準(zhǔn)主風(fēng)向。各觀測點位設(shè)備同步進(jìn)行觀測，風(fēng)速、集沙儀數(shù)據(jù)采集按照間隔分別為1 min和24 h。

圖3 觀測點布置

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1輸沙率

輸沙率是是衡量沙區(qū)沙害程度的主要指標(biāo)之一。本試驗采用野外階梯式集沙儀進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，計算公式為：

(1)

公式(1)中:Q為輸沙率，g·cm-2·min-1；W為總集沙量，g；L為集沙面積，cm2；ΔT為觀測時間，min。

2.3.2風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值(λ)反應(yīng)土壤風(fēng)蝕過程中地表的蝕積情況，以此判斷風(fēng)蝕、沙埋和搬運狀況，計算[14]如下:

(2)

公式(2)中：Q2～10為風(fēng)沙流中2～10 cm輸沙率，g·cm-2·min-1；Q0～ 1為風(fēng)沙流中0～1 cm輸沙率，g·cm-2·min-1。

2.3.3粗糙度

地表粗糙度是描述地表對氣流抗阻的重要參數(shù)，實施措施后能有效增加地表粗糙度，提高抗風(fēng)蝕能力，計算如下[15]：

(3)

公式(3)中：Z1、Z2為地表任意2個不同高度，cm；U1、U2分別為同一時刻Z1、Z2高度上的風(fēng)速，m·s-1。

2.4 數(shù)據(jù)處理

試驗樣品在室內(nèi)采用精度為千分之一電子天平稱重，各試驗數(shù)據(jù)以監(jiān)測時段求取平均值作為計算依據(jù)。通過SPSS 20.0和Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(One-way ANOVA)比較各參數(shù)間差異(P<0.05)，使用Origin9.0和Surfer11進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 光伏電站對風(fēng)速的影響

風(fēng)沙活動受到地表下墊面變化的顯著影響，其實質(zhì)是光伏矩陣的建設(shè)引起區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙活動物理環(huán)境的改變。各對照樣地測點a、b、c地表20 cm和200 cm處平均風(fēng)速(見圖4)表明，光伏電站外圍高度200 cm(測點a)處平均風(fēng)速均高于光伏矩陣內(nèi)(P<0.05)，測點b和測點c高度200 cm處平均風(fēng)速較測點a處分別減少6.95%和12.09%。從水平梯度來看，各測點高度20 cm處平均風(fēng)速隨著向光伏矩陣內(nèi)部深入呈先增加后減小的趨勢，測點b和測點c高度20 cm處平均風(fēng)速較測點a處分別增加23.66%和減小7.29%；從垂直梯度來看，測點a、c高度200 cm處平均風(fēng)速均大于高度20 cm處平均風(fēng)速(P<0.05)，測點b高度20 cm和高度200 cm處平均風(fēng)速較為相近，表明光伏板的存在增大了背側(cè)出風(fēng)口處過境氣流的風(fēng)速。由于光伏陣列與地表存在一定的夾角，當(dāng)過境氣流沿光伏板下部通過時，其出口斷面逐漸減小然后又增大，導(dǎo)致近地層20 cm處風(fēng)速呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢[16]；在光伏陣列阻滯作用下，其內(nèi)部行道間高度200 cm處風(fēng)速均低于曠野風(fēng)速，從而使其內(nèi)部形成了較為穩(wěn)定的風(fēng)沙活動區(qū)域。

圖4 光伏電站不同區(qū)位地表風(fēng)速變化情況

3.2 光伏電站對風(fēng)速廓線的影響

風(fēng)速廓線反映了光伏電站區(qū)域不同空間位置風(fēng)速的分布情況。圖5(a)為光伏電站外圍測點a與光伏電站陣列行道間測點c處的風(fēng)速廓線，可以看出觀測點垂直梯度風(fēng)速隨高度的增加而增大呈“J”型變化趨勢且符合指數(shù)分布規(guī)律。光伏陣列行道間測點c處高度20～100 cm風(fēng)速增速大于高度100～200 cm風(fēng)速增速，地表100 cm以上風(fēng)速垂直梯度變化趨勢較弱，表明過境氣流經(jīng)過光伏板阻滯作用影響后其內(nèi)部區(qū)域風(fēng)速波動減小。風(fēng)速廓線變化特征表明光伏電站的建設(shè)對外部和內(nèi)部氣流活動產(chǎn)生了較大影響，測點a、c處風(fēng)速在高度40～100 cm均隨著高度的增加顯著增大，陳曦等[16]、郭彩贇等[17]研究結(jié)果表明光伏陣列的布設(shè)能夠顯著影響近地層垂直梯地風(fēng)速的分布，因此，這一高度區(qū)域也成為沙區(qū)光伏電站防沙治沙的關(guān)鍵。

圖5(b)為不同區(qū)位光伏陣列背側(cè)風(fēng)速廓線變化特征，其風(fēng)速隨高度的增加呈先減小后增大趨勢。這可能主要與光伏陣列布設(shè)方式有關(guān)，由于本研究區(qū)光伏板下沿距離地表約35 cm，在光伏板作用影響下，當(dāng)過境氣流途徑光伏陣列時一部分氣流沿光伏板下部區(qū)域加速通過，另一部分則越過光伏板上沿流向其內(nèi)部，因此，在光伏板背側(cè)形成了較為穩(wěn)定的弱風(fēng)區(qū)直至這兩股氣流再次相匯，導(dǎo)致緊貼光伏板背側(cè)風(fēng)速出現(xiàn)先減小后增大的變化特征。從水平梯度變化來看，測點d各垂直梯度風(fēng)速均小于測點b處且波動趨勢減緩，表明隨著過境氣流向光伏電站腹地移動時光伏陣列有效降低了電站內(nèi)部氣流風(fēng)速，減弱系數(shù)可達(dá)17.14%～32.12%。

圖5 光伏電站不同空間位置風(fēng)速廓線變化特征

3.3 光伏電站對風(fēng)速流場的影響

圖6為光伏電站裸沙樣地風(fēng)速流場變化過程。結(jié)果表明，過境氣流進(jìn)入光伏板控制區(qū)域后從斷面A到斷面B等值線逐漸加密，這是由于受到氣流過境斷面面積不斷減小的影響，使光伏板下區(qū)域高度100 cm以內(nèi)風(fēng)速逐漸增大；在光伏板出風(fēng)口B處其對過境氣流的阻滯作用在地表20～80 cm處產(chǎn)生氣流渦旋，從而在光伏板背側(cè)出現(xiàn)低風(fēng)速區(qū)域直至完全消散。當(dāng)過境氣流受到光伏板阻擋后其背側(cè)風(fēng)沙流能量呈梯級衰減，隨著氣流繼續(xù)深入，行道間風(fēng)場等值線變化波動顯著，這主要是由于地表高度2～3 m處過境氣流在越過光伏板后逐漸下沉與出風(fēng)口B處加速通過氣流匯集所致。當(dāng)氣流到達(dá)下一排光伏板進(jìn)風(fēng)口C處時，在前排光伏板的阻滯削減作用下，后排各垂直梯度風(fēng)速顯著降低(P<0.05)，過境氣流變化特征與在斷面A、B處表現(xiàn)一致。尚河英[18]等研究表明風(fēng)速強(qiáng)度隨著高度的增加而增強(qiáng)，這與本研究區(qū)域風(fēng)速流場垂直梯度變化情況較為一致，從整個區(qū)域垂直梯度來看風(fēng)速隨高度的增加呈增大趨勢。

圖6 光伏電站裸沙樣地風(fēng)速流場

3.4 光伏電站對風(fēng)沙輸移的影響

光伏電站場區(qū)輸沙率及輸沙高度存在顯著變化。圖7為光伏板下方和行道間輸沙率變化情況，結(jié)果表明，隨著高度的增加輸沙率呈遞減趨勢(P<0.05)且服從對數(shù)函數(shù)分布，其最大值均分布在0～2.5 cm高度層，分別為0.228 g·cm-2·min-1和0.127 g·cm-2·min-1。隨著氣流向光伏陣列內(nèi)部深入，行道間輸沙率與上風(fēng)向光伏板下輸沙率相比降低了52.54%，各層輸沙率較板下輸沙率降低29.06%～69.19%，表明光伏板的存在增加了對近地層風(fēng)沙活動的攔截能力。對比不同位置風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值(λ)，光伏板下方λ值大于1表明該區(qū)域風(fēng)沙流呈非飽和狀態(tài)使得氣流能夠有效挾帶更多沙粒，這與過境氣流流場分布一致，而光伏板行道處風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征值λ小于1，表明此處風(fēng)沙流趨向飽和狀態(tài)進(jìn)而產(chǎn)生堆積。從挾沙氣流輸移過程來看，光伏板阻擋加了近地面出風(fēng)口處的風(fēng)速，進(jìn)而增強(qiáng)了對沙粒的搬運能力使此處產(chǎn)生下凹微地形，在長期吹蝕作用下造成地表區(qū)域掏蝕現(xiàn)象發(fā)生，風(fēng)蝕溝逐漸顯現(xiàn)。而在光伏陣列行道處隨著氣流輸移能力降低使得沙粒逐漸在板間沉降，在持續(xù)作用下積聚于迎風(fēng)側(cè)逐漸形成沿光伏板走向的積沙帶。通過實地現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于光伏板前后區(qū)域不同程度吹蝕和堆積現(xiàn)象的發(fā)生，在光伏陣列區(qū)域形成風(fēng)蝕溝(坑)等地貌形態(tài)，進(jìn)而加大了區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害對光伏電站的影響。

圖7 光伏電站場區(qū)不同位置輸沙率變化特征

4 討 論

光伏電站場區(qū)不同樣地風(fēng)沙活動特征表明，在光伏電站特別是上風(fēng)向邊緣區(qū)域采用工程和植物措施后能夠有效控制近地層氣流和地表輸沙過程。在光伏陣列阻滯和分流作用下，一部分過境氣流沿光伏板斜向下急流加速通過，其余則越過光伏板從上部轉(zhuǎn)移進(jìn)而降低了光伏場區(qū)內(nèi)部氣流的波動，在光伏板和人工措施的雙重干預(yù)下導(dǎo)致區(qū)域地表沙源和過境氣流分布的顯著變化，因此，光伏電站風(fēng)沙輸移過程是在區(qū)域風(fēng)沙流、地表物質(zhì)組成及植被狀況等因素綜合影響及互饋作用下的復(fù)雜動力學(xué)過程，隨著氣流運動、地表下墊面特征及擾動因素的變化從而引起局部風(fēng)沙活動環(huán)境的改變。

為了綜合評價各項指標(biāo)影響因素并考慮其內(nèi)部關(guān)聯(lián)性，參照試驗過程中裸沙(C0)、礫石壓蓋(C1)、草方格(C2)、景天(C3)和狼尾草(C4)樣地條件，通過量化觀測期內(nèi)各樣地特征選擇11個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，從而提取出3個公因子其特征值分別為4.584、3.903和2.091，累計方差工程率達(dá)到96.16%，可以代替原來的11個變量作為描述各措施風(fēng)沙防治效益的綜合變量。表1為樣地各指標(biāo)初始載荷矩陣，其中第1主成分表明土壤容重、緊實度、植株高度和密度是影響區(qū)域風(fēng)沙活動的主要因素，第2主成分主要從土壤粗糙度、表層含水率、砂礫含量、結(jié)構(gòu)性指數(shù)和有機(jī)質(zhì)等因子解釋相關(guān)信息，第3主成分則主要解釋土壤孔隙度和植株蓋度等信息。對各主成分因子進(jìn)行綜合得分和排序(見表2)，通過綜合評價得到風(fēng)沙防治效益順序為C3> C4> C1> C2> C0，即各樣地風(fēng)沙防治效益大小順序為景天>狼尾草>礫石>草方格>裸沙。結(jié)果表明，在光伏電站通過降低近地層風(fēng)速和減少地表吹蝕物質(zhì)能夠有效提升區(qū)域風(fēng)沙防治效果，由于光伏電站面臨局部區(qū)域風(fēng)沙吹蝕和堆積作用的持續(xù)影響，對重點部位選擇工程和植物相結(jié)合的方式建立耐旱耐風(fēng)蝕且兼顧經(jīng)濟(jì)性的防治措施，能夠提高光伏電站場區(qū)防風(fēng)固沙能力和促進(jìn)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)。

表1 樣地各指標(biāo)初始因子載荷矩陣

表2 不同樣地的風(fēng)沙防治主成分、綜合主成分

5 結(jié) 論

(1) 在光伏陣列阻滯和分流作用下，增大了下沿出風(fēng)口處氣流風(fēng)速，在緊貼其背側(cè)則形成一定弱風(fēng)區(qū)。

(2) 光伏電站外圍和行道間風(fēng)速隨著高度的增加而增大呈“J”型變化趨勢，在高度40～100 cm風(fēng)速波動變化顯著。光伏陣列內(nèi)部風(fēng)速均低于外部曠野風(fēng)速，對過境氣流風(fēng)速的減弱系數(shù)為17.14%～32.12%。

(3) 從風(fēng)速流場變化過程來看，光伏陣列在下沿出風(fēng)口高度20～80 cm產(chǎn)生氣流渦旋增強(qiáng)了對板下沙粒的搬運能力，隨著氣流深入光伏電站腹地能量呈梯級衰減，在行道間產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，輸沙率隨高度的增加呈遞減趨勢服從對數(shù)函數(shù)分布。

(4) 對比各樣地風(fēng)沙防治效益大小順序為景天>狼尾草>礫石>草方格>裸沙。

(5) 對重點區(qū)域選擇適宜的工程和植物防治措施，通過降低近地層風(fēng)速和減少地表吹蝕物質(zhì)，能夠提高光伏電站場區(qū)防風(fēng)固沙能力和促進(jìn)區(qū)域的生態(tài)保護(hù)修復(fù)。