庫布齊沙漠光伏電站內蘆葦沙障的防風固沙效益

石 濤, 蒙仲舉, 崔向新, 黨曉宏, 唐國棟, 賈瑞庭

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院/內蒙古自治區風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室,; 內蒙古 呼和浩特 010011)

中國西北干旱半干旱地區輻射充足，且土地使用成本低，是建設光伏電站的理想場所[1]。近年來在國家政策扶持下，太陽能發電建設項目逐漸增多，不僅能帶來顯著的經濟效益，還能發揮防風固沙的生態效益[2]。但沙漠地區植被稀少，地表裸露，生態脆弱，光伏電站建設過程中，機械化程度高會破壞地表形態[3]，從而引發環境問題，需要人們治理和保護。由于光伏板的匯集作用在板下沿會形成風蝕坑，導致沙粒在板間堆積，支撐光伏板的基柱裸露[4]，經過一個風季的風蝕，若不加以有效防治，會嚴重影響光伏電站的正常運營[5-6]。

現階段沙害防治模式主要為先用機械沙障固定，再進行植被措施。機械沙障使下墊面性質發生變化，地表粗糙度增加，從而降低近地表風速、減弱風蝕強度、改善微環境及沙丘表面穩定性，進而達到防風固沙目的[7-8]。沙障設置后能使地表粗糙度增加15～24倍，對保持土壤水分也起到了一定作用[9]，為今后植被恢復創造條件。蘆葦沙障多用于沙區鐵路公路沿線防護[10-11]、草原沙地等[12-13]風蝕防治，鋪設方式以直立式為主，平鋪蘆葦沙障施工簡便、見效快，適合大面積鋪設。因此，本文選取庫布齊沙漠200 MWp光伏電站為研究對象，通過野外觀測鋪設蘆葦沙障后近地表風速和輸沙量，分析風速廓線、地表粗糙度、摩阻風速、平均躍移高度、防風作用、固沙效益等指標的變化，旨在探明光伏電站內平鋪蘆葦沙障的防風固沙效益，為采取相應的風蝕防治措施提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市杭錦旗獨貴塔拉鎮工業園區，庫布齊沙漠200 WMp光伏電站地理坐標為37°20′—39°50′N，107°10′—111°45′E。該地區主要沙丘類型為新月型沙丘、新月型沙丘鏈和格狀沙丘鏈。流動沙丘分布廣泛，占61%，沙丘高度為10～60 m，地勢南高北低，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，年潛在蒸發量2 400 mm左右，年均太陽總輻射量597.9 kJ/cm2。全年盛行西風、西北風，年均風速3.5 m/s，年均大風天數為30 d，年沙塵暴日數27～57 d，風沙活動主要發生在3—5月。試驗光伏電站于2018年底完成裝機，光伏陣列東西走向，面向正南，單組光伏電板規格為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 野外風沙流觀測

觀測樣點在庫布齊沙漠200 MWp光伏電站內，選擇相鄰的兩個光伏陣列板間，一個板間鋪設蘆葦沙障，一個板間為裸沙作為對照(見圖1)，兩種下墊面地勢較為平坦且均無植被，蘆葦沙障鋪設蓋度約為50%～60%。

圖1 200MWp光伏電站防風固沙效益試驗觀測現場

(1) 風速觀測。數據觀測時間為2019年3月，風速觀測采用三杯風速儀測定，使用HOBO數采儀采集數據，觀測高度分別為20，50，100，200，310 cm，數據采集頻率為1 s，每隔3 s記錄1次數據，觀測期間風向主要為W。

(2) 輸沙量觀測。輸沙量與風速同步觀測，在兩種下墊面各布置1組集沙儀，集沙儀進沙口15層，每層進沙口尺寸為2 cm×2 cm，可以觀測近地表0—30 cm高度的輸沙情況。集沙儀的開口與觀測期間風向正對，其底部與地面齊平，觀測開始時同時打開集沙儀進沙口，觀測結束后同時關閉，共收集3次集沙，每次測定時間為1 h，將集沙儀收集的沙粒帶回實驗室，用0.01 g精度天平進行分層稱重，粒徑特征采用馬爾文2 000激光粒度儀測定。

2.2 指標計算

(1) 空氣動力學粗糙度和摩阻風速。本文采用普朗特—馮卡門的風速對數分布規律描述風速廓線方程為：

(1)

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

本研究采用對數廓線擬合的方法計算空氣動力學粗糙度，測得5個高度(20，50，100，200 cm和310 cm)處風速，并運用最小二乘回歸得到風速廓線擬合公式[15-16]：

μz=a+blnz

(2)

式中：a,b為回歸系數。在公式(2)中,令μz=0可求出:

z0=exp(-a/b)

(3)

由公式(2)和(3)計算可得摩阻風速計算方程為：

μ*=Kb

(4)

(2) 防風作用。

(5)

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

(3) 風速增加率。

(6)

式中：R為風速增加率；v2，v1分別為某兩個高度層h2，h1的平均風速值(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內總輸沙量。

3 結果與分析

3.1 風速廓線

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

圖2 蘆葦沙障與裸沙風速廓線對比

表1 蘆葦沙障與裸沙不同高度層的風速增加(F)和防風作用(R)

3.2 動力學粗糙度和摩阻風速

空氣動力學粗糙度和摩阻風速反映了下墊面對近地表氣流的摩擦阻力[17]，是評價蘆葦沙障防風效益的重要參數。將觀測數據利用公式(3)—(4)根據最小二乘法原理進行擬合，得到蘆葦沙障和裸沙的粗糙度和摩阻風速，蘆葦沙障擬合系數R2均大于0.97，超過0.98的數據占92%，裸沙擬合系數R2均大于0.96，超過0.98的數據占52%。蘆葦沙障和裸沙的粗糙度和摩阻風速差異顯著(見圖3)，由分析結果可見，蘆葦沙障摩阻風速為0.94～1.31 m/s，裸沙摩阻風速為0.61～0.94 m/s，摩阻風速變化幅度均較大，由于蘆葦沙障的存在，摩阻風速增大，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定。蘆葦沙障使得地表粗糙度和摩阻風速急劇升高，大大降低了地表的風蝕能力。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，并且本文的結果也符合Oke的研究。Toure等[20]認為空氣動力學粗糙度能夠反映土壤風蝕的潛力，基于本文研究結果，蘆葦沙障粗糙度明顯高于裸沙，風蝕潛力較小。

3.3 輸沙量垂直分布特征

為研究兩種下墊面輸沙量隨高度的變化規律，對兩種下墊面采用多種函數模型進行擬合，通過對所得函數關系式的分析(見圖4)，裸沙輸沙量隨高度增加符合指數函數關系式遞減，相關系數達到0.99，這與張正偲[21]、楊歡等[22]研究結果一致。蘆葦沙障擬合效果為冪函數最佳，相關系數達到0.86。這與張劍揮[23]、陳新闖[24]、劉芳等[25]研究結果類似，可見冪函數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律。

圖3 蘆葦沙障與裸沙粗糙度和摩阻風速對比

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，總輸沙量裸沙〔0.451 5 g/(cm2·min)〕>蘆葦沙障〔0.031 4 g/(cm2·min)〕，蘆葦沙障內輸沙量僅為裸沙的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。朱震達等[26]、Williams[27]研究得出風沙流在0—2 cm高度內傳輸且90%沙量在0—10 cm內傳輸，這與本文觀測結果一致。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沙流的躍移強度，躍移高度指風沙流累積輸沙量達到總輸沙量50%所對應的高度。本文通過3次輸沙量觀測數據的累計百分比平均值計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定性，增大了地表粗糙度，降低了來流風的攜沙能力，使貼地層的輸沙量減小，導致輸沙量垂直分布發生變異。李錦榮[28]、袁方等[29]人研究了沙柳沙障、麥草沙障風沙流結構變化規律，均發現下層輸沙量減小，上層輸沙量增大，與本文研究結果類似。

3.4 風蝕物粒度特征

風沙流中沙粒粒徑的垂向分布與風沙流搬運量和沙粒運動方式密切關系[30]。由于蘆葦沙障收集到的沙物質較少，所以分為上層(10—30 cm)、中層(2—10 cm)、下層(0—2 cm)共3層，對0—30 cm高度范圍內蘆葦沙障各層沙物質的粒度分析結果見表2。由表2可知，蘆葦沙障主要組分由細沙和中沙構成，細沙含量為71.99%～78.76%，中沙含量為15.98%～25.74%。蘆葦沙障細沙和極細沙含量自下而上均呈現遞增趨勢，中沙含量自下而上則表現出相反的變化，呈現遞減趨勢。

蘆葦沙障各層高度中沙含量均小于裸沙，極細沙含量均高于裸沙，細沙在各層高度則呈現不同的特征，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速，減弱了風沙流的攜沙能力，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生變異。

表2 蘆葦沙障風蝕物粒度構成

4 討論與結論

4.1 討 論

設置沙障可顯著提高地表粗糙度，降低近地表風速。通過對野外實測數據的分析，得到研究區蘆葦沙障風速廓線特征。結果顯示，風速廓線很好地符合對數函數分布，蘆葦沙障未改變風速廓線分布特征。楊偉超[31]研究了蘆葦沙障對風速的減弱情況，發現10 cm高度處的防風作用高于20 cm高度處的防風作用。也有學者[32]研究發現近地表10 cm高度的防風作用最好，蘆葦沙障的主要作用范圍在10 cm高度內。本文蘆葦沙障防風效能均小于前人研究的結果，這與鋪設方式密切相關。平鋪蘆葦沙障屬于透風式沙障，一部分氣流穿過障體，使得防風效能降低，但防風效能隨高度的增加逐漸減小的趨勢一致，離地面越高蘆葦沙障的防護作用逐步減弱，氣流逐漸回歸自然狀態。通過計算蘆葦沙障使地表粗糙度增加了3.47～3.79倍，有效降低近地表風速，抗風蝕能力增強，可見提高地表粗糙度是降低地表風蝕的有效措施。

風沙流活動主要集中在地表一定高度內，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分布，使之發生變異。通過野外實測數據得知，蘆葦沙障使總輸沙量降低了93.05%，說明蘆葦沙障對近地表風沙流起到了很好的攔截作用，但降低下層輸沙量的同時增加了上層輸沙量。刑恩德[33]通過研究發現輸沙量隨高度呈跳躍式分布，近地層輸沙量減小，與本文研究結果相似。尹瑞平[34]認為在躍移中落下的沙粒和地面碰撞時，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。鋪設蘆葦沙障后，近地表氣流攜沙能力下降，中沙含量減少，細沙被輸送到更高的位置，造成上層輸沙量無規則分布。

4.2 結 論

通過對庫布齊沙漠200 MWp光伏電站內鋪設蘆葦沙障后風速變化和輸沙狀況的野外觀測發現：

(1) 鋪設蘆葦沙障后，風速在各高度處均小于裸沙，風速廓線在半對數圖上呈直線分布，擬合系數為0.99。摩阻風速為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。防風作用最大值出現在20 cm高度處，為21.72%，且越接近地表風速削減作用越明顯。

(2) 總輸沙量裸沙〔0.451 5 g/(cm2·min)〕>蘆葦沙障〔0.031 4 g/(cm2·min)〕，蘆葦沙障內輸沙量僅為裸沙的6.95%，鋪設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分布，擬合系數為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沙和中沙構成，細沙含量為71.99%～78.76%，中沙含量為15.98%～25.74%，相較于裸沙，中沙含量減少，細沙含量增多。

鋪設蘆葦沙障后下墊面結構改變，有效降低了近地表風速，氣流攜沙能力下降，地表風蝕能力減弱，防風固沙效果顯著，是光伏電站有效的風蝕防治措施。