高山草甸區(qū)風(fēng)電場對局地微氣象的影響研究

內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站 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，是我國鼓勵和支持的清潔能源；截至2020年底，全國風(fēng)電機組累計裝機臺數(shù)超過15萬臺，累計裝機容量2.9億千瓦，累計并網(wǎng)容量2.8億千瓦；全國風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電量4665億千瓦時，占全國全部發(fā)電量的6.1%。預(yù)計在未來的十年中國將會進(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)電對平原和海上的微氣象影響并不大。從小尺度看，我國陸上風(fēng)電機組輪轂中心高度一般在65米至80米，個別超過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)電場對區(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)電場對區(qū)域氣候環(huán)境的影響與機制是本次研究的目標(biāo)。

觀測目標(biāo)風(fēng)電項目位于內(nèi)蒙古灰騰梁地區(qū)高山草甸，區(qū)域地勢開闊，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，實地調(diào)查和現(xiàn)狀監(jiān)測相結(jié)合，對微氣象的氣象因子指標(biāo)及與微氣象指標(biāo)有較強相關(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)電場生產(chǎn)規(guī)模49.5MW，建設(shè)單機容量1500kW 的WTGS 1500A 型風(fēng)力發(fā)電機組33臺，風(fēng)機輪轂高度65m，風(fēng)輪直徑77m。機組年均上網(wǎng)電量124415MWh。同時建設(shè)了一臺容量為120MVA 戶外變壓器，3回35kV 集電線路，建設(shè)容量動態(tài)無功補償裝置一套。項目區(qū)氣候特征主要表現(xiàn)為冬季漫長寒冷、春季干旱多風(fēng)、夏季短促、秋季氣溫劇降。項目區(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

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

觀察溫度濕度。避免在觀察表面溫度時出現(xiàn)陰影，傳感器的探頭指向真北。關(guān)于自動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，觀測時間控制與風(fēng)速控制。

觀測風(fēng)速設(shè)置。各觀測點設(shè)置風(fēng)杯，觀察觀測高度與各風(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，還需要使用自動氣象站的風(fēng)速傳感器，觀測風(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測量點放置一個蒸發(fā)皿。然后需要定期觀察、測量、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)電機軸水分蒸發(fā)趨勢的觀測點平行于風(fēng)向作為風(fēng)電機軸布置，觀測點布置在頂部[1]。

3 風(fēng)電場生態(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、實地調(diào)查、狀態(tài)監(jiān)測、3S 技術(shù)相結(jié)合的分析方法，通過項目建設(shè)前后的影像對比分析來體現(xiàn)對周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響；根據(jù)項目建設(shè)內(nèi)容和生產(chǎn)經(jīng)營特點分析，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、車輛運輸、設(shè)備和材料堆放等活動。

3.1 土壤環(huán)境影響

項目建設(shè)過程中風(fēng)電機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)的擾動過程增加了恢復(fù)區(qū)土壤松散程度。施工土地擾動是短期作用，通過人工施肥增加土壤養(yǎng)分，及時采取有利于植物生長的平整、壓實等措施，在一定程度上改善了土壤養(yǎng)分和保水性能；所以從長期來看，對擾動區(qū)土壤影響不大。

3.2 土地利用變化分析

項目的實施對當(dāng)?shù)氐耐恋乩酶窬之a(chǎn)生了一定的影響，主要體現(xiàn)在項目所用永久和臨時用地。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)對植被的影響主要表現(xiàn)在地表開挖、材料和設(shè)備的運輸和堆放，以及工程機械和人類活動對草場的破壞。項目區(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)簡單，層次不清晰，生長茂密，植物少，有時形成平墊。草類如艾草、羊茅、翦股穎、馬尾草、毛茛、黃芪、黃芪等。植物生長緩慢，土層薄，被擾動后存在隱患。但是，通過實施覆土、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、人為碾壓等活動破壞了區(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[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，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)電場對局地微氣象環(huán)境的影響

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

觀測數(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、相對濕度較高的情況下，風(fēng)電場內(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)電場對溫度的影響程度趨于零。

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

風(fēng)電場內(nèi)外地表蒸發(fā)量無顯著差異。發(fā)電機組無論是永磁直驅(qū)還是齒輪箱變對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)象也不會出現(xiàn)。

5 結(jié)語

風(fēng)電機組是地面上增加最多的建筑物，風(fēng)電場的存在改變了地面原有的粗糙結(jié)構(gòu)，理論上在場內(nèi)風(fēng)速減低。由于風(fēng)機在運行過程中增強了大氣的垂直混合，增暖和降溫效果取決于近地表大氣的穩(wěn)定性特征，這種影響會干擾原始的穩(wěn)定性特性。此時的風(fēng)力渦輪機葉片的湍流運行增強了垂直混合，從而冷空氣向上移動，致使表面附近的空氣向上加熱。風(fēng)電場建設(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)電場局部消耗，產(chǎn)生的熱能釋放到風(fēng)電場周圍的大氣中。這一效果僅限于風(fēng)場內(nèi)部和與風(fēng)場相鄰的周圍區(qū)域，在整個過程中，風(fēng)電場并沒有直接影響近地表系統(tǒng)的整體能量平衡。

風(fēng)電場建設(shè)只是改變了大氣能量的轉(zhuǎn)換路徑，并沒有改變原來的地表微氣象系統(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)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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)。《風(fēng)電場對地表空氣溫度的影響》使用來自美國加利福尼亞州著名的風(fēng)電場的數(shù)據(jù)，據(jù)信風(fēng)力渦輪機葉片的旋轉(zhuǎn)會增加熱量和水蒸氣的垂直攪動，這會影響迎風(fēng)天氣條件，通常還會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好處是，它有助于減少風(fēng)電場附近的霜凍，并延長附近作物的生長時間。這與本研究中觀察到的結(jié)果一致。但是由于本次觀測對象為單個風(fēng)電場，對于風(fēng)電場群的微氣象變化還需要做長期觀測。