沙漠地區光伏電站風沙活動規律及其影響因素

楊 帆,牛天祥,張振師,李 鵬,曹永翔,2,趙 雨,2,李玉進

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；2. 陜西省“四主體一聯合”河湖生態系統保護與修復校企聯合研究中心，西安 710065；3. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 博士后科研工作站，西安 710065；4. 西安理工大學 旱區生態水文與災害防治國家林業局重點實驗室，西安 710048)

0 前 言

中國西北地區光熱資源豐富、土地遼闊，得天獨厚的資源優勢使其成為發展光伏產業的最佳潛力地區。光伏電站主要集中分布于西北戈壁、沙漠荒地等生態脆弱區，其對區域環境和氣候的影響受到廣泛關注[1-3]。光伏電站建設初期，必然擾動地表破壞原生植被[4]，造成地表松散物質活化進而為風沙活動提供了豐富沙源，加之光伏電站建設使得過境氣流格局發生了強烈變化，引起區域風蝕發展與局部堆積，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域微氣候和水熱資源[6-7]的重新分配，且光伏陣列的建設提高了地表粗糙度，減弱了風速，改變了風向、風速及流場，降低了光伏電站腹地的風沙活動，從而為地表結皮和植被的恢復提供了有利條件。因此，揭示光伏電站與脆弱環境的互饋影響對于區域生態治理具有重要的指導意義。

近年來，為實現“雙碳目標”，光伏等新能源產業的發展迎來了新的機遇。探究分析光伏電站區風沙活動規律及其影響因素，為光伏陣列布設、水保措施采取提供依據，降低在戈壁、沙漠荒地等生態脆弱區建設光伏電站帶來的風沙危害，促進光伏產業的可持續發展，成為行業發展關注的熱點，利用光伏電站開展荒漠化治理成為了一種新技術、新模式[8-9]。在我國干旱半干旱地區，風沙活動是地表物質運移的主要表現形式，多年來國內外學者對于自然狀況風沙活動規律開展了深入研究[10-12]，揭示了區域風沙變化特征及其動力學過程。而針對光伏電站風沙活動及動力學機制的研究還不夠全面，針對光伏陣列不同下墊面特征的風沙活動研究還不夠系統。

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

1 研究區概況

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

圖1 研究區位情況

2 研究方法

2.1 試驗設計

本試驗以野外試驗樣地布設及配套設備進行實地監測為主。由于光伏電站迎風側為風沙活躍區[13]，選擇以光伏場區主風向前排光伏單元為研究區域，且向外部邊緣擴展10 m范圍以此布設試驗樣地。

本研究分別布設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%進行鋪設，草方格措施由麥草材質組成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電，選擇當地常見的景天三七(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/畝標準播撒草籽。

本試驗對風速、風速流場、輸沙率、土壤和植被特征等數據進行采集，在光伏項目區外圍安置HOBO U30氣象站采集基礎數據；風速和流場數據使用FR2030風速監測系統；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、結構性指數、有機質)和植被特征(蓋度、高度、密度)采用常規方式進行測定。

2.2 樣地及觀測點布設

(1)樣地布設

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

圖2 試驗小區布設

(2) 觀測點布設

根據試驗小區布設分別在樣地A、B、C區域處布設風速監測儀和集沙儀。以光伏板外圍監測點為對照，分別在距離2、3、4、7.5、12、13 m和14 m處布設風速檢測儀，風杯安裝高度按照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數據，單個進沙口尺寸為2.5 cm×2.5 cm(長×寬)，集沙儀開口對準主風向。各觀測點位設備同步進行觀測，風速、集沙儀數據采集按照間隔分別為1 min和24 h。

圖3 觀測點布置

2.3 數據分析

2.3.1輸沙率

輸沙率是是衡量沙區沙害程度的主要指標之一。本試驗采用野外階梯式集沙儀進行數據收集，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風沙流結構

風沙流結構特征值(λ)反應土壤風蝕過程中地表的蝕積情況，以此判斷風蝕、沙埋和搬運狀況，計算[14]如下:

(2)

公式(2)中：Q2～10為風沙流中2～10 cm輸沙率，g·cm-2·min-1；Q0～ 1為風沙流中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，實施措施后能有效增加地表粗糙度，提高抗風蝕能力，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高度上的風速，m·s-1。

2.4 數據處理

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

3 結果與分析

3.1 光伏電站對風速的影響

風沙活動受到地表下墊面變化的顯著影響，其實質是光伏矩陣的建設引起區域內風沙活動物理環境的改變。各對照樣地測點a、b、c地表20 cm和200 cm處平均風速(見圖4)表明，光伏電站外圍高度200 cm(測點a)處平均風速均高于光伏矩陣內(P<0.05)，測點b和測點c高度200 cm處平均風速較測點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處平均風速隨著向光伏矩陣內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處平均風速均大于高度20 cm處平均風速(P<0.05)，測點b高度20 cm和高度200 cm處平均風速較為相近，表明光伏板的存在增大了背側出風口處過境氣流的風速。由于光伏陣列與地表存在一定的夾角，當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，導致近地層20 cm處風速呈現先增大后減小的變化趨勢[16]；在光伏陣列阻滯作用下，其內部行道間高度200 cm處風速均低于曠野風速，從而使其內部形成了較為穩定的風沙活動區域。

圖4 光伏電站不同區位地表風速變化情況

3.2 光伏電站對風速廓線的影響

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

圖5(b)為不同區位光伏陣列背側風速廓線變化特征，其風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方式有關，由于本研究區光伏板下沿距離地表約35 cm，在光伏板作用影響下，當過境氣流途徑光伏陣列時一部分氣流沿光伏板下部區域加速通過，另一部分則越過光伏板上沿流向其內部，因此，在光伏板背側形成了較為穩定的弱風區直至這兩股氣流再次相匯，導致緊貼光伏板背側風速出現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部氣流風速，減弱系數可達17.14%～32.12%。

圖5 光伏電站不同空間位置風速廓線變化特征

3.3 光伏電站對風速流場的影響

圖6為光伏電站裸沙樣地風速流場變化過程。結果表明，過境氣流進入光伏板控制區域后從斷面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，使光伏板下區域高度100 cm以內風速逐漸增大；在光伏板出風口B處其對過境氣流的阻滯作用在地表20～80 cm處產生氣流渦旋，從而在光伏板背側出現低風速區域直至完全消散。當過境氣流受到光伏板阻擋后其背側風沙流能量呈梯級衰減，隨著氣流繼續深入，行道間風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口B處加速通過氣流匯集所致。當氣流到達下一排光伏板進風口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處表現一致。尚河英[18]等研究表明風速強度隨著高度的增加而增強，這與本研究區域風速流場垂直梯度變化情況較為一致，從整個區域垂直梯度來看風速隨高度的增加呈增大趨勢。

圖6 光伏電站裸沙樣地風速流場

3.4 光伏電站對風沙輸移的影響

光伏電站場區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)且服從對數函數分布，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部深入，行道間輸沙率與上風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沙活動的攔截能力。對比不同位置風沙流結構特征值(λ)，光伏板下方λ值大于1表明該區域風沙流呈非飽和狀態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，而光伏板行道處風沙流結構特征值λ小于1，表明此處風沙流趨向飽和狀態進而產生堆積。從挾沙氣流輸移過程來看，光伏板阻擋加了近地面出風口處的風速，進而增強了對沙粒的搬運能力使此處產生下凹微地形，在長期吹蝕作用下造成地表區域掏蝕現象發生，風蝕溝逐漸顯現。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，在持續作用下積聚于迎風側逐漸形成沿光伏板走向的積沙帶。通過實地現場調研發現，由于光伏板前后區域不同程度吹蝕和堆積現象的發生，在光伏陣列區域形成風蝕溝(坑)等地貌形態，進而加大了區域風沙災害對光伏電站的影響。

圖7 光伏電站場區不同位置輸沙率變化特征

4 討 論

光伏電站場區不同樣地風沙活動特征表明，在光伏電站特別是上風向邊緣區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移進而降低了光伏場區內部氣流的波動，在光伏板和人工措施的雙重干預下導致區域地表沙源和過境氣流分布的顯著變化，因此，光伏電站風沙輸移過程是在區域風沙流、地表物質組成及植被狀況等因素綜合影響及互饋作用下的復雜動力學過程，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沙活動環境的改變。

為了綜合評價各項指標影響因素并考慮其內部關聯性，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，通過量化觀測期內各樣地特征選擇11個指標進行主成分分析，從而提取出3個公因子其特征值分別為4.584、3.903和2.091，累計方差工程率達到96.16%，可以代替原來的11個變量作為描述各措施風沙防治效益的綜合變量。表1為樣地各指標初始載荷矩陣，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域風沙活動的主要因素，第2主成分主要從土壤粗糙度、表層含水率、砂礫含量、結構性指數和有機質等因子解釋相關信息，第3主成分則主要解釋土壤孔隙度和植株蓋度等信息。對各主成分因子進行綜合得分和排序(見表2)，通過綜合評價得到風沙防治效益順序為C3> C4> C1> C2> C0，即各樣地風沙防治效益大小順序為景天>狼尾草>礫石>草方格>裸沙。結果表明，在光伏電站通過降低近地層風速和減少地表吹蝕物質能夠有效提升區域風沙防治效果，由于光伏電站面臨局部區域風沙吹蝕和堆積作用的持續影響，對重點部位選擇工程和植物相結合的方式建立耐旱耐風蝕且兼顧經濟性的防治措施，能夠提高光伏電站場區防風固沙能力和促進區域的生態保護與修復。

表1 樣地各指標初始因子載荷矩陣

表2 不同樣地的風沙防治主成分、綜合主成分

5 結 論

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

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

(3) 從風速流場變化過程來看，光伏陣列在下沿出風口高度20～80 cm產生氣流渦旋增強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，在行道間產生堆積現象，輸沙率隨高度的增加呈遞減趨勢服從對數函數分布。

(4) 對比各樣地風沙防治效益大小順序為景天>狼尾草>礫石>草方格>裸沙。

(5) 對重點區域選擇適宜的工程和植物防治措施，通過降低近地層風速和減少地表吹蝕物質，能夠提高光伏電站場區防風固沙能力和促進區域的生態保護修復。