賈瑞庭, 蒙仲舉, 黨曉宏, 唐國(guó)棟, 石濤
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010018)
光伏發(fā)電是將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能,是環(huán)保節(jié)能可再生的綠色資源利用方式,是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[1-3]。沙漠地區(qū)豐富的太陽(yáng)能輻射和土地空間資源是光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)的優(yōu)良選址[4-5],但沙區(qū)風(fēng)沙活動(dòng)劇烈,生態(tài)系統(tǒng)脆弱且穩(wěn)定性低,風(fēng)蝕和沙埋危害嚴(yán)重威脅光伏發(fā)電設(shè)施的安全。針對(duì)沙區(qū)光伏電站風(fēng)沙危害,許多學(xué)者開展了光伏板干擾下的地表風(fēng)蝕堆積機(jī)理和沙害防治措施研究。郭彩贇等[6]研究指出,光伏板干擾改變了流場(chǎng)分布,導(dǎo)致光伏電板不同位置處地表發(fā)生蝕積態(tài)勢(shì),從而引起板前沿風(fēng)蝕坑(溝)、板間堆積沙壟地貌現(xiàn)象;袁方等[7]通過(guò)綜合分析植物風(fēng)蝕防治機(jī)理、效益,探究了最佳風(fēng)蝕防治措施。
以往的沙害防治研究主要偏重于單組電池板對(duì)近地表風(fēng)沙活動(dòng)的影響,而過(guò)境風(fēng)和攜沙氣流在陣列內(nèi)的風(fēng)沙活動(dòng)研究較少。因此,研究光伏陣列不同位置的流場(chǎng)和輸沙差異,有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)沙漠地區(qū)光伏電站對(duì)近地表風(fēng)沙活動(dòng)的影響?;诖?,本研究在庫(kù)布齊沙漠200 MWp光伏電站測(cè)定了陣列外圍流動(dòng)沙地、陣列內(nèi)上風(fēng)向邊緣和下風(fēng)向邊緣3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速變化和輸沙情況,探討了光伏陣列對(duì)局部風(fēng)沙活動(dòng)的影響,以期為評(píng)估沙漠地區(qū)建設(shè)規(guī)?;夥娬緦?duì)風(fēng)沙環(huán)境的影響提供理論支撐。
研究區(qū)位于鄂爾多斯市獨(dú)貴塔拉鎮(zhèn)200 MWp光伏電站(37°20′—39°50′ N,107°10′—111°45′ E,圖1),該區(qū)屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候,海拔1 136 m,年平均氣溫為5~8 ℃,年均太陽(yáng)總輻射量597.9 kJ·cm-2,年均降水量150~400 mm,且季節(jié)分布不均勻,主要集中在6月下旬到9月上旬,年蒸發(fā)量2 100~2 700 mm。風(fēng)沙活動(dòng)集中在3—5月,最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)24 m·s-1,年大風(fēng)日數(shù)25~35 d,在WNW盛行風(fēng)作用下形成新月型沙丘、新月型沙丘鏈和格狀沙丘鏈,且植被覆蓋度低,60%的沙地為流動(dòng)沙地[7-8]。
光伏電站于2018年12月施工完成,電站由36°最佳傾角的單晶硅電池板陣列組成,電池板板面向南,呈東西走向,相鄰兩排光伏陣列間距900 cm,板上沿垂直高度270 cm,板下沿垂直高度35 cm;單組電池板由2排18列99 cm×195 cm基本光伏電板單元組成,整體規(guī)格為400 cm×1 800 cm;電站面積為5.37 km2,建設(shè)前進(jìn)行了地面平整,地形起伏度較小,試驗(yàn)期間光伏陣列內(nèi)地表植被蓋度為0%。
為分析光伏陣列的防風(fēng)阻沙效應(yīng),對(duì)光伏陣列內(nèi)上風(fēng)向邊緣處測(cè)點(diǎn)A、下風(fēng)向邊緣處測(cè)點(diǎn)B的風(fēng)速變化和輸沙情況進(jìn)行觀測(cè)(圖2)。有研究表明,光伏電板的存在改變了近地表流場(chǎng)分布,光伏電板的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)類似,光伏電板迎風(fēng)側(cè)到背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)表現(xiàn)為板后沿匯流加速、板下阻流減速、板前沿抬升加速和板間消散恢復(fù)區(qū)。其中板間區(qū)域受光伏板局部影響較小,更能代表區(qū)域光伏陣列的風(fēng)沙環(huán)境特征。因此,本研究光伏陣列內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)在板間位置。與此同時(shí),在距離光伏陣列西側(cè)邊緣300 m處的外圍流動(dòng)沙地設(shè)置對(duì)照觀測(cè)點(diǎn)。
風(fēng)速觀測(cè):數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間為2019年4月,風(fēng)速風(fēng)向傳感器和數(shù)據(jù)采集儀均采用美國(guó)Onset Computer Corporation 的小型HOBO移動(dòng)氣象站。觀測(cè)高度分別為20、50、100和200 cm,數(shù)據(jù)采集頻率為1 s,每隔3 s記錄1次數(shù)據(jù),觀測(cè)期間風(fēng)向?yàn)閃。
圖2 觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Experimental observation site
輸沙量觀測(cè):輸沙量與風(fēng)速同步觀測(cè),在不同觀測(cè)點(diǎn)各布置1組階梯式集沙儀,集沙儀進(jìn)沙口15層,每層進(jìn)沙口尺寸為2 cm×2 cm,可以觀測(cè)近地表0~30 cm高度的輸沙情況。集沙儀的開口與觀測(cè)期間風(fēng)向正對(duì),其底部與地面平齊,觀測(cè)開始時(shí)同時(shí)打開集沙儀進(jìn)沙口,觀測(cè)結(jié)束后同時(shí)關(guān)閉,測(cè)定時(shí)間為30 min,將收集的沙粒帶回實(shí)驗(yàn)室,用0.01 g精度天平進(jìn)行分層稱重,粒徑特征采用激光粒度儀測(cè)定。
1.3.1風(fēng)速變化率風(fēng)速變化率的計(jì)算公式如下。
(1)
1.3.2空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻速度空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度是氣-固界面“無(wú)滑移”層厚度,表示近地表風(fēng)速減小到0時(shí)的高度。本研究采用普朗特-馮卡門的速度對(duì)數(shù)分布規(guī)律描述風(fēng)速廓線方程(公式2),根據(jù)近地表4個(gè)高度的風(fēng)速和高度的自然對(duì)數(shù)擬合線性函數(shù)(公式3),通過(guò)最小二乘法求出擬合直線的截距a和斜率b,在公式(3)中,令uz=0可求出粗糙度和摩阻速度[9-10]。
(2)
uz=a+bln(z)
(3)
z0=exp(a/b)
(4)
uz=kb
(5)
式中,uz為高度z處的平均風(fēng)速,m·s-1;u*為摩阻速度,m·s-1;z為風(fēng)速廓線上的某點(diǎn)距地面垂直高度,m;z0代表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度,m;k為卡門常數(shù),取值0.4。
1.3.3輸沙率輸沙率是觀測(cè)高度內(nèi)單位時(shí)間通過(guò)單位寬度的輸沙量,輸沙率計(jì)算公式如下。
(6)
式中,q為輸沙率,g·min-1·cm-1;Q為輸沙量,g;t為觀測(cè)時(shí)間,min。
1.3.4沙物質(zhì)粒徑垂向分布特征集沙儀沙物質(zhì)粒徑通過(guò)濕篩法測(cè)定,試驗(yàn)儀器為Mastersiaer 3000激光粒度儀。為了能更清楚揭示風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)特征,將集沙儀采集的沙物質(zhì)通過(guò)激光粒度分析并將平均粒徑轉(zhuǎn)化為Φ值標(biāo)準(zhǔn)以便于分析。利用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化法將實(shí)際土壤粒徑轉(zhuǎn)換為Φ值。
Φ=-log2D
(7)
式中,D為沙物質(zhì)粒徑,mm。
利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Orgin 7.0進(jìn)行作圖。
2.1.1風(fēng)速變化圖3顯示,由于光伏陣列的阻擋作用,陣列上風(fēng)向邊緣處觀測(cè)點(diǎn)A和下風(fēng)向觀測(cè)點(diǎn)B相較于流動(dòng)沙地在近地表0.2 m高度處平均風(fēng)速分別降低了27.76%、29.83%。隨著觀測(cè)高度增加,風(fēng)速降低效果呈現(xiàn)降低趨勢(shì),在2.0 m高度處平均風(fēng)速分別降低了11.01%、17.44%。由于W風(fēng)向條件下陣列下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B風(fēng)程更長(zhǎng),相較于陣列上風(fēng)向邊緣處觀測(cè)點(diǎn)A對(duì)過(guò)境風(fēng)削弱作用則更為明顯。因此,過(guò)境風(fēng)由流動(dòng)沙地進(jìn)入光伏陣列后,沿風(fēng)程各高度的風(fēng)速不斷被削弱且減弱效果隨高度增加而降低,表明光伏陣列對(duì)近地表風(fēng)速有較大的阻滯作用。
2.1.2風(fēng)速廓線和粗糙度風(fēng)速廓線分布反映了陣列內(nèi)外風(fēng)速垂直變化規(guī)律(圖4),風(fēng)沙流活動(dòng)集中在近地表,大量的含沙顆粒積累了大量的動(dòng)能。因此,20—50 cm高度內(nèi)風(fēng)速隨高度增加變化比較急劇,50—200 cm高度內(nèi)風(fēng)沙活動(dòng)較弱,含量較低和粒徑較小的懸移質(zhì)對(duì)風(fēng)速變化影響不明顯,風(fēng)速隨高度的變化逐漸放緩。流動(dòng)沙地不同風(fēng)速梯度下風(fēng)速與高度自然對(duì)數(shù)均呈良好的線性關(guān)系,風(fēng)速廓線方程為uz=a+blnz,擬合相關(guān)度R2均大于0.97;由于光伏陣列對(duì)氣流活動(dòng)的干擾,相較流動(dòng)沙地,陣列內(nèi)風(fēng)速廓線發(fā)生顯著變化,不同梯度風(fēng)速觀測(cè)期光伏陣列內(nèi)不同高度風(fēng)速差異性較流動(dòng)沙地的減小,陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A 20—50 cm高度內(nèi)風(fēng)速增加更劇烈,風(fēng)速廓線呈對(duì)數(shù)規(guī)律;陣列下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B 20—50 cm高度內(nèi)風(fēng)速增加較劇烈,50—100 cm高度內(nèi)風(fēng)速有降低趨勢(shì),只有在風(fēng)速較大時(shí),風(fēng)速廓線呈對(duì)數(shù)規(guī)律。
圖3 觀測(cè)點(diǎn)A、B的風(fēng)速變化率Fig.3 Wind speed change rate of observation point A and B
粗糙度和摩阻速度是描述下墊面對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)所受摩擦阻力的重要參數(shù)。表1結(jié)果表明,過(guò)境風(fēng)由流動(dòng)沙地進(jìn)入光伏陣后粗糙度和摩阻速度增大,流動(dòng)沙地、陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A和下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B粗糙度分別為0.001、0.233、0.109 cm,上風(fēng)向邊緣測(cè)點(diǎn)A、上風(fēng)向邊緣測(cè)點(diǎn)B粗糙度分別為流動(dòng)沙地的233倍和109倍。流動(dòng)沙地、陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A和下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B摩阻速度分別為0.374、0.591、0.497 m·s-1。摩阻速度差異規(guī)律性與粗糙度一致,陣列內(nèi)摩阻速度均大于流動(dòng)沙地。由此可見,光伏陣列布設(shè)增大了對(duì)近地表風(fēng)能的削弱作用,導(dǎo)致地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度和摩阻速度增大,光伏陣列內(nèi)風(fēng)蝕潛力降低。
圖4 光伏陣列不同部位不同風(fēng)速梯度條件下風(fēng)速廓線Fig.4 Wind profile under different wind speed gradient conditions at different photovoltaic array parts
表1 粗糙度和摩阻速度Table 1 Roughness and friction speed
2.2.1輸沙量隨高度的分布特征風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)是指氣流搬運(yùn)的沙物質(zhì)隨高度的分布特征,輸沙率是描述風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)和風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo),為研究輸沙量隨高度的變化規(guī)律,通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行風(fēng)沙流通量擬合,而擬合函數(shù)受研究方法、積沙儀效率和研究區(qū)沙物質(zhì)性質(zhì)的影響,擬合函數(shù)有分段函數(shù)、冪函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)等。本研究通過(guò)多個(gè)函數(shù)進(jìn)行風(fēng)沙流通量擬合,發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)擬合相關(guān)度最佳,其函數(shù)形式為:Q=a×ebz,R2均大于0.99(表2)。因此,流動(dòng)沙地、上風(fēng)向邊緣、下風(fēng)向邊緣處3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)輸沙量隨高度的按e的負(fù)指數(shù)規(guī)律減小。
流動(dòng)沙地0—6 cm輸沙量占總輸沙量的83.02%,且集中于0—2 cm高度,90%以上的輸沙量集中于0—10 cm;上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A 0—8 cm輸沙量占總輸沙量的84.59%,90%以上的輸沙量集中于0—12 cm;下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B 0—6 cm輸沙量占總輸沙量的84.83%,90%以上的輸沙量集中于0—8 cm。攜沙氣流由流動(dòng)沙地經(jīng)過(guò)光伏陣列后,陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A沙物質(zhì)躍移質(zhì)活動(dòng)層高度增加,下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B沙物質(zhì)躍移質(zhì)活動(dòng)層高度降低(圖5),其原因?yàn)樯巷L(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A位于陣列入風(fēng)口屬于氣流驟變區(qū),電池板對(duì)過(guò)境氣流具有導(dǎo)向作用,氣流沿電池板向上運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致躍移質(zhì)活動(dòng)加強(qiáng),而下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B經(jīng)陣列削弱后,氣流較穩(wěn)定,躍移質(zhì)高度低于上風(fēng)向邊緣和流動(dòng)沙地,可知,陣列干擾下削弱了沙物質(zhì)輸移,絕對(duì)輸沙量降低,起到類似沙障的作用。
表2 輸沙量與高度擬合關(guān)系Table 2 Fitting relationship between sediment transport and height
流動(dòng)沙地、上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A和下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B的輸沙率隨高度變化如圖6。隨高度增加,輸沙率趨于減少,但是降低趨勢(shì)表現(xiàn)為3個(gè)階段:0—6 cm 高度范圍內(nèi)輸沙率隨高度的增加而迅速減少,減少率范圍為62%~78%;6—10 cm 高度范圍內(nèi)輸沙率隨高度的增加降低較緩;10—30 cm 高度范圍內(nèi)輸沙率隨高度的增加變化較小。0—30 cm垂直輸沙斷面,流動(dòng)沙地、陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A和下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)輸沙率分別為2.72、1.77、1.30 g·min-1·cm-1,陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A和下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B輸沙率分別為流動(dòng)沙地的65.07%、47.79%。
圖5 不同高度輸沙量百分含量Fig.5 Percentage of sand transport at different heights
圖6 輸沙率垂直分布特征Fig.6 Vertical distribution characteristics of sand transport rate
2.2.2平均粒徑隨高度分布特征研究砂粒粒徑和高度的關(guān)系,對(duì)于認(rèn)識(shí)砂粒的運(yùn)動(dòng)特性具有重要意義。圖7結(jié)果顯示,集沙儀中沙物質(zhì)由貼地層至高層 φ 值呈增大趨勢(shì),即隨高度升高平均粒徑變小,φ 值都集中在2.0~2.5范圍內(nèi),是以中沙和細(xì)沙為主。在0—5 cm高度內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)平均粒徑隨高度增加明顯降低趨勢(shì);在5—10 cm高度內(nèi)流動(dòng)沙地平均粒徑降低較小,而陣列上風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)A平均粒徑有增大趨勢(shì),下風(fēng)向邊緣觀測(cè)點(diǎn)B平均粒徑表現(xiàn)為先急劇降增大都趨于穩(wěn)定;在10—15 cm高度內(nèi)觀測(cè)點(diǎn)A平均粒徑變化與流動(dòng)沙地一致,觀測(cè)點(diǎn)B則表現(xiàn)為先降低后忽增大趨勢(shì);15—30 cm高度內(nèi)平均粒徑均表位為降低趨勢(shì)。同時(shí)由于攜沙風(fēng)在陣列內(nèi)受電板阻擋作用風(fēng)速降低,氣流托舉力降低,大顆粒沙物質(zhì)無(wú)法輸送到高處,導(dǎo)致陣列內(nèi)平均粒徑減小。
通過(guò)陣列外流動(dòng)沙地、陣列內(nèi)上風(fēng)向邊緣和下風(fēng)向邊緣3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和輸沙觀測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明,光伏陣列內(nèi)風(fēng)速降低11.01%~29.83%,且隨高度增加降幅減弱。殷代英等[11]對(duì)共和盆地荒漠區(qū)研究指出,光伏電站的布設(shè)使得風(fēng)速減小了53.92%;張金萍[1]研究結(jié)果顯示,相對(duì)電站周邊,電站內(nèi)風(fēng)速降低23%~43%。造成這一差異的主要原因是觀測(cè)期間風(fēng)向與光伏電板板面的夾角不同。風(fēng)向和光伏電板板面垂直時(shí),氣流經(jīng)光伏電板阻擋作用受到最大的升力和阻力,陣列內(nèi)風(fēng)速降低顯著,風(fēng)向和電板板面夾角小于90°時(shí),對(duì)近地表風(fēng)速所起到的攔截作用較弱。而本研究風(fēng)向(W)與光伏電板板面的平行,陣列對(duì)風(fēng)速的攔截作用最弱,因此,本研究光伏陣列內(nèi)的風(fēng)速的降低值低于前人研究結(jié)果。光伏陣列干擾了氣流紊動(dòng)性,陣列內(nèi)風(fēng)速廓線發(fā)生變化,風(fēng)速增加率隨高度增加均呈降低趨勢(shì),但陣列內(nèi)風(fēng)速增加率均高于流動(dòng)沙地,即陣列內(nèi)風(fēng)速在垂直高度的變化大于流動(dòng)沙地,這與線性擬合后的斜率變化一致。該結(jié)果與趙鵬宇[12]報(bào)道的烏蘭布和沙區(qū)光伏陣列風(fēng)速廓線在垂直高度變化相一致。陣列內(nèi)上風(fēng)向邊緣和下風(fēng)向邊緣近地表粗糙度分別為流動(dòng)沙地(0.001 cm)的233倍、109倍。因此光伏電站建設(shè)會(huì)改變?cè)摰貐^(qū)原來(lái)的下墊面狀況,增加地表粗糙度,削弱了過(guò)境風(fēng)能量,近地表風(fēng)速沿風(fēng)程逐漸降低,陣列內(nèi)風(fēng)蝕潛力降低。
圖7 沙物質(zhì)粒徑垂向分布特征Fig.7 Vertical distribution characteristics of sand material size
此外,陣列外流動(dòng)沙地90%以上的輸沙量集中于0—10 cm,這與張華等[13]的研究結(jié)果一致,其研究表明科爾沁流動(dòng)沙地80%以上的輸沙量集中在0—10 cm高度層內(nèi)。攜沙氣流由流動(dòng)沙地經(jīng)過(guò)光伏陣列后,光伏電板對(duì)過(guò)境氣流具有導(dǎo)向作用,氣流沿電池板向上運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致躍移質(zhì)活動(dòng)加強(qiáng),陣列上風(fēng)向邊緣躍移質(zhì)活動(dòng)層高度增加,90%以上的輸沙量集中于0—12 cm。下風(fēng)向邊緣陣列削弱后,氣流較穩(wěn)定,躍移質(zhì)活動(dòng)層高度降低,90%以上的輸沙量集中于0—8 cm。陣列外的流動(dòng)沙地輸沙率為2.72 g·min-1·cm-1,陣列內(nèi)上風(fēng)向邊緣和下風(fēng)向邊緣輸沙率為流動(dòng)沙地的65.07%和47.79%,這與陳曦等[14]的研究結(jié)果一致,其研究結(jié)果表明,電站內(nèi)輸沙量低于裸沙對(duì)照,且隨著深入電站內(nèi)內(nèi)部,輸沙率呈降低趨勢(shì)。為探究輸沙量隨高度的分布特征,本研究通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行風(fēng)沙流通量擬合,發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)擬合相關(guān)度較佳,指數(shù)函數(shù)擬合相關(guān)度最佳,陣列干擾并沒(méi)有改變風(fēng)沙流通量函數(shù),這與Namikas[15]和Ellis等[16]研究結(jié)果一致。Dong等[17]通過(guò)對(duì)不同類型地表的風(fēng)沙流進(jìn)行擬合函數(shù)比較分析,指出指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)都能較好地模擬近地表1 m以下的風(fēng)沙流,建議使用系數(shù)較少的指數(shù)函數(shù)模型。根據(jù)陳曦[18]對(duì)沙區(qū)光伏電場(chǎng)的風(fēng)沙流輸移特征研究,結(jié)合本研究結(jié)果可以看出,沙區(qū)光伏電站設(shè)施可以降低過(guò)境風(fēng)速和削弱攜沙氣流。本研究可為沙區(qū)大規(guī)模光伏設(shè)施建設(shè)對(duì)脆弱生態(tài)環(huán)境的風(fēng)沙活動(dòng)影響提供參考依據(jù)。