库布齐沙漠光伏设施对近地表风速和输沙通量的影响

Impact of the Photovoltaic Facilities in Kubuqi Desert on Near-Surface Wind Speed and Sand Transport Flux

摘要

为评估沙区光伏电站建设对风沙输移特征及生态环境的影响，利用2023年9月1日—2024年3月31日气象、沙尘强化观测试验期间风速等资料，基于Owen起沙估算模型，定量给出研究区光伏外围流沙区、光伏边缘区板间、光伏边缘区板下水平输沙通量。结果表明：（1）光伏外围流沙区平均风速显著高于光伏中心区和光伏边缘区，光伏外围流沙区约是光伏中心区和光伏边缘区的1.3倍和1.8倍；（2）光伏外围流沙区、光伏边缘区板间、光伏边缘区板下摩擦速度（u_*）和起沙风速（u_t）分别为0.36、0.28、0.30 m/s和6.0、4.3 、4.6 m/s；（3）光伏外围流沙区、光伏边缘区板间、光伏边缘区板下平均沙尘水平通量分别为0.12、0.05、0.04 kg·m^-1·min^-1。沙区光伏电站建设对风速和水平输沙通量有显著的拦截作用，可有效减弱近地表风沙活动。

Abstract

To evaluate the impact of photovoltaic power station construction in sandy areas on wind and sand transport characteristics and the ecological environment, meteorological data, including wind speed, collected during the intensive observation experiment on sand and dust from September 1, 2023, to March 31, 2024, were used. Based on the Owen sand emission estimation model, this study quantitatively calculates the horizontal sand transport flux in the surrounding quicksand area, the inter-panel area, and the under-panel area at the edge of the photovoltaic facilities in the study area.The results show that: (1)The average wind speed in the peripheral quicksand area of the photovoltaic facility is significantly higher than in the central and edge areas, being approximately 1.3 times and 1.8 times greater, respectively. (2)The friction velocity and sand emission velocity in the peripheral quicksand area, inter-panel area, and under-panel area of the photovoltaic edge are 0.36 m/s, 0.28 m/s, 0.30 m/s and 6.0 m/s, 4.3 m/s, and 4.6 m/s, respectively. (3)The average horizontal sand transport fluxes in the peripheral quicksand area, inter-panel area, and under-panel area of the photovoltaic edge are 0.12, 0.05, and 0.04 kg·m^-1·min^-1, respectively.Overall, the construction of photovoltaic facilities in sandy areas has a significant impact on reducing wind speed and horizontal sand transport flux, effectively decreasing near-surface aeolian activity.

Graphical abstract

关键词

输沙通量 / 起沙风速 / 风沙活动 / 光伏电站 / 库布齐沙漠

Key words

sand transport flux / sand emission velocity / aeolian activities / photovoltaic power station / Kubuqi Desert

能源系统的快速零碳化是实现碳中和目标的必要条件之一。 我国正加速从“化石能源向可再生能源为主”的能源消费结构转化，光伏装机不断攀升。2020年我国光伏行业协会向外界公布了“十四五”光伏装机需求，预计2060年光伏装机占比将达到40%，总装机量54.7亿kW，较目前有26倍的增长空间，复合年增速约为10%^[1]。

我国是太阳能资源丰富的国家之一，具有发展绿色能源的优势。光伏发电需占用大量的土地资源，“十四五”期间我国新增光伏用地面积约为2 400~3 200 km²；2060年光伏用地总面积将达到58.5万km^2[2]。如此大面积的光伏电站布设和运行，将对光伏场地及周边区域产生一定的生态影响，短期内会引起光伏电站周边各项环境要素的改变，长期和宏观尺度上则对区域生态演替产生复杂影响。现阶段关于光伏产业领域，学者们主要针对光伏发电组件材料及安装方式^[3]、光伏组件电学模型与仿真^[4]、降尘对发电效率影响^[5]等方面进行研究。库布齐沙漠作为我国第七大沙漠， 拥有丰富的太阳能资源和低土地占用成本，成为大规模地面式光伏电站建设的理想区域。学者们主要针对库布齐沙漠光伏电站内表层沉积物粒度分布特征^[6-7]、风速脉动特征^[8]、不同植被覆盖类型下土壤养分分布^[9-10]进行研究。库布齐沙漠200 MWp光伏阵列风沙活动导致北侧边缘区域光伏电板板下出现掏蚀现象，形成以光伏电板下沿为轴线的风蚀坑（沟）^[11]，在电板背风侧板间区域形成堆积沙垄。地表形态变化一方面导致按照平坦沙表面风荷载设计的结构强度不足，严重风蚀区光伏组件有倒塌风险，另一方面地表形态变化势必会加剧地表粉尘释放速率，增加沙尘在光伏电板上的沉积，加速降低光伏电板发电效率^[5]，有效防治沙区光伏电站地表次生风沙危害成为亟待解决的关键问题。目前针对库布齐沙漠光伏设施干扰下沙质地表侵蚀动力机制及近地表风沙输送特征的影响研究较少，且库布齐沙漠由于近现代气候变化和人类活动的影响，导致草地植被退化，生产力下降，土地风蚀沙化，沙尘暴频发，生态系统日渐退化^[12]。光伏电站的建设必然会对当地生态系统产生长期和复杂的影响，如何协调脆弱生态系统保护与光伏电站生态影响，成为亟需解决的重要科学问题。随着光伏装机数量和规模的上升，这一问题也日益受到重视。在脆弱生态区发展光伏，有必要开展光伏电站对区域生态系统的影响评估。

本文以库布齐沙漠200 MWp光伏电站为研究区，选取光伏中心区、光伏边缘区（距离光伏中心区西北方500 m）、光伏外围流沙区（距离光伏中心区西北方1 000 m）3个观测点，基于典型下垫面的综合对比监测，对光伏设施干扰下沙质地表侵蚀动力机制及近地表风沙输送特征进行研究，旨在揭示光伏设施建设对近地表风速及输沙通量的影响，为光伏发电在沙漠地区的可持续发展提供科学依据，为评估库布齐沙漠光伏电场建设产生的气象与生态环境效应提供科学支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗独贵塔拉镇工业园区库布齐沙漠200 MWp光伏电站（37°20'～39°50' N，107°10'～111°45' E）。该区属于典型温带大陆性季风气候，海拔1 136 m，年平均气温为5～8 ℃，年均太阳总辐射为597 kJ·cm^-2，年降水量为150～400 mm，且季节分布不均匀，主要集中在6—9月，年蒸发量为2 100～2 700 mm。风沙活动主要集中在11月—次年5月，全年大风天数为25～35 d。平均风速≥5 m/s的次数为323.4次，最多年份达418次^[13-14]。该地区沙丘主要呈NW—ES走向的新月形沙丘、新月形沙丘链和格状沙丘链等，沙丘高度为10～60 m，半固定沙地占30%，其余60%为流动性沙地，且流动性较强^[15-16]。

光伏电站于2018年12月施工完成，电站由36°最佳倾角的单晶硅电池板阵列组成，电池板板面向南，呈东西走向，相邻两排光伏阵列间距为900 cm，板上沿垂直高度为300 cm，板下沿垂直高度为35 cm。单组光伏板由2排18列99 cm × 195 cm基本光伏板单元组成，单组光伏板整体规格为4 m × 18 m，地面投影宽度约为3.2 m，电站面积为5.37 km²。

1.2 试验设计与数据处理

1.2.1 近地表微气象及起沙监测

为评估沙区光伏设施建设对区域生态环境的影响，分别在光伏中心区、光伏边缘区及光伏外围流沙区各布设1套10 m、3 m及2 m梯度HOBO小型气象站（图1）。光伏中心区10 m梯度气象站分别设有0.5、1.0、2.0、10.0 m四层梯度风速，风向和空气温、湿度传感器均安装在2 m和10 m高度；为了分析沙区光伏电板板上和板下风速、温度、湿度等气象要素分布特征，光伏边缘区观测点设有0.5、1.0、2.0、3.0 m四层梯度风速（由于光伏电板上沿距地面垂直高度3 m，因此，选取3 m风速代表光伏电板板上风速），风向和空气温、湿度传感器均安装在2 m高度。光伏外围流沙区作为对照观测站，设有0.5、1、2 m三层梯度风速，风向和空气温、湿度传感器均安装在2 m高度。

地表起沙监测借助风蚀传感器开展，由美国Sensit公司生产，传感器上端有一个环状压电式晶片，当沙粒撞击在晶片上时，会输出脉冲信号给数据采集器，记录下撞击颗粒的数目，并记为一次起沙活动。风蚀传感器经过长期野外试验验证^[17-18]，对起沙过程的测量效果良好。为分析光伏设施干扰对地表起沙的影响，分别在光伏边缘区板间和光伏边缘区板下安装1套风蚀传感器（图1b），并选取距离光伏中心区西北方1 000 m的流沙区（光伏外围流沙区）作为对照观测点（图1c）。传感器的安装高度为5 cm，数据采集频率为1 Hz，集成在CR1000 型（Campbell）数据采集器中，输出量包括测量高度的起沙量（撞击颗粒数）和起沙时间。

本文观测时段为2023年9月1日—2024年3月31日，所有传感器的测量数据统一存储在CR1000型数据采集器中，可提供1 s、1 min、30 min和1 h 时间步长的测量数据，本文所有数据为分钟数据。

1.2.2 沙尘水平通量（<italic>Q</italic>）的计算方法

沙尘水平通量（Q）即单位时间内通过单位宽度与从地表到最大测量高度或积分高度所构成截面的沙尘量，可由Owen^[19]计算方案确定，该方案将土地利用分为裸露地表、牧场或草原、农田等 6种类型，同时考虑降水、土壤质地、粗糙度、农田耕作等对临界摩擦速度的影响，从而更具有效性和合理性。

Q=\frac{Ec\rho }{g}{u}_{\mathrm{*}}^x\left[\mathrm{1}-{\left(\frac{u_{\mathrm{*}t}}{u_{\mathrm{*}}}\right)}^{\mathrm{2}}\right]。（1）

式中：E为可发生起沙的地表比重（单位：%），本文光伏外围流沙区地表几乎无任何植被，植被覆盖度可视为0，E取值1，光伏边缘区地表植被覆盖度为30%，E取值0.7；c为系数（取值为0.8）；x为幂次方（取值为3）；u_* 为摩擦速度（单位：m/s）；ρ是空气密度（1.02 kg/m³）；g为重力加速度（9.81 m/s²）；u_*t 为临界起沙摩擦速度。其中，u_* 可通过如下公式计算得到^[20]：

u(z)=\frac{u_{\mathrm{*}}}{k}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{z}{z_{\mathrm{0}}}\right)。（2）

式中：u(z)为高度z处风速，单位：10^-2m/s；系数k为0.4，z为高度（单位：cm），z_o 是空气动力学粗糙度，通过梯度风速，利用最小二乘法求得光伏外围流沙区z_o 为0.027 cm，光伏边缘区z_o 为0.087 cm。u_*t 亦可通过以下公式计算得到：

u_t(z)=\frac{u_{\mathrm{*}t}}{k}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(\frac{z}{z_{\mathrm{0}}}\right)。（3）

式中：u_t 为起沙风速，系数k为0.4，z为高度（cm），z_o 是空气动力学粗糙度。

2 结果与分析

2.1 光伏电站不同位置气象要素分布特征

图2、图3分别为研究区光伏中心区、光伏边缘区、光伏外围流沙区风速、温度、湿度及水汽压日和月分布。光伏外围流沙区平均风速为3.4 m/s，最大值为10.2 m/s，出现在2023年12月7日13时；光伏中心区平均风速为2.6 m/s，最大值为9.8 m/s，出现在2023年11月23日13时；光伏边缘区平均风速为1.9 m/s，最大值为8.0 m/s，出现在2023年12月5日14时；光伏阵列对风速有一定的阻挡作用，使风速减弱，光伏外围流沙区风速>光伏中心区>光伏边缘区。光伏中心区平均温度最高，为1.2 ℃；光伏边缘区次之，为0.9 ℃；光伏外围流沙区最低，为0.4 ℃，说明光伏电板可以吸收一定的太阳辐射，对区域具有增热、保温作用。光伏边缘区相对湿度最高，为55.7%，光伏中心区次之，为54.3%，光伏外围流沙区最小，为48.9%，主要是由于工作人员定期对光伏电板进行清洗及维护，且光伏区地面多种植农作物，植物蒸腾作用共同导致光伏区相对湿度较流沙区高。

为评估光伏设施建设对区域生态环境的影响，图4给出了研究区光伏电板的板上与板下气象要素（风速、温度、湿度）分布。光伏电板下平均风速为3.4 m/s，板上平均风速为3.9 m/s，板上明显高于板下，说明光伏阵列可以阻挡风速，导致风速减弱。此外，光伏电板下平均温度为9.3 ℃，板上平均温度为9.7 ℃，说明光伏电板可以吸收一定的太阳辐射，对区域具有增热、保温作用。光伏电板下平均相对湿度为50.2%，板上平均相对湿度为48.2%，板下明显高于板上。

2.2 光伏电站不同位置起沙阈值及起沙风分析

起沙阈值包括临界起沙风速u_t 和临界起沙摩擦速度u_*t，是判定起沙发生与否的关键参数。本文借助风蚀传感器对光伏外围流沙区、光伏边缘区板间、光伏边缘区板下近地表沙粒进行监测，图5是风蚀传感器所测沙粒撞击数与风速的关系。对于光伏外围流沙区，当风速＞5.7 m/s时，沙粒开始移动，风速＞6.0 m/s时，沙粒移动速度加快，撞击颗粒数增加。由此可以确定光伏外围流沙区u_t 为6.0 m/s；对于光伏边缘区板间位置，当风速＞4.0 m/s时，沙粒开始移动，风速＞4.3 m/s时，沙粒移动速度加快，撞击颗粒数增加。由此可以确定光伏边缘区板间位置u_t 为4.3 m/s；同理，对于光伏边缘区板下位置，当风速＞4.0 m/s时，沙粒开始移动，风速＞4.6 m/s时，沙粒移动速度加快，撞击颗粒数增加。由此可以确定光伏边缘区板下位置u_t 为4.6 m/s。由于气流受到光伏电板倾斜向下的导流作用，集流加速并形成回旋涡流，导致光伏板板间、板下较光伏外围流沙区更容易发生起沙事件。

图6给出了研究区光伏外围流沙区、光伏边缘区、光伏中心区起沙风风向分布。光伏外围流沙区、光伏边缘区和光伏中心区起沙风风向差异显著，光伏外围流沙区和光伏边缘区起沙风风向较单一，光伏外围流沙区97.0%为N方向，光伏边缘区90%为E方向，光伏中心区起沙风风向分布相对复杂，处W方向外，其他方向均有出现，主要集中在E、NW、NE方向，共计占比42%，其中E方向最大，为20%。这可能是由于光伏设施排布方向影响了光伏中心区起沙风风向分布。研究区光伏板面向正南、东西排布，光伏中心区位于光伏腹地位置，在环境风向为偏W或偏N风时，密集排布的光伏板会扰乱风向，导致光伏中心区起沙风风向相对复杂。

2.3 光伏电站不同位置沙尘水平通量特征

图7为研究区观测期间光伏外围流沙区、光伏边缘区板间、光伏边缘区板下沙尘水平通量分布。光伏外围流沙区平均沙尘水平通量为0.13 kg·m^-1·min^-1，总沙尘水平通量为23.6 kg·m^-1·min^-1，最高值为0.51 kg·m^-1·min^-1，出现在2023年12月7日13时37分；光伏边缘区板间平均沙尘水平通量为0.05 kg·m^-1·min^-1，总沙尘水平通量为14.8 kg·m^-1·min^-1，最高值为0.33 kg·m^-1·min^-1，出现在2024年3月21日14时；光伏边缘区板下平均沙尘水平通量为0.04 kg·m^-1·min^-1，总沙尘水平通量为12.6kg·m^-1·min^-1，最高值为0.41 kg·m^-1·min^-1，出现在2024年1月6日13时，总体上，沙尘水平通量由大到小依次为：光伏外围流沙区>光伏边缘区板间>光伏边缘区板下。

3 讨论

3.1 降水对起沙的影响

本文以2024年春季典型沙尘暴强化观测试验期间观测到的一次降水天气过程为例，分析降水对起沙的影响（图8）。3月26日10:06研究区风速为7.2 m/s，风蚀传感器明显监测到撞击沙粒数，起沙天气发生，由于期间并无发生降水，土壤湿度为0 m³/m³；16:00，风速达到最大值（11.2 m/s），撞击沙粒数也达到观测期间的最大值；19:30研究区出现微量降水，降水量为0.02 mm，土壤湿度增长为0.013 m³/m³，风速较之前有所下降，但仍保持在6.3～7.5 m/s，然而，风蚀传感器并未监测到撞击沙粒数，表明降水导致的土壤湿度增加对起沙产生了明显的抑制作用；27日02:00，土壤湿度降至 0.002 m³/m³，接近降水前的土壤湿度水平，当风速为5.3～7.8 m/s时，有起沙发生，撞击沙粒数＞0，但明显低于降水时同等风力条件的撞击沙粒数，表明此刻降水导致的土壤湿度增加对起沙的抑制作用显著降低。研究区降水导致的土壤湿度升高对起沙有明显的抑制作用，且抑制作用长达9 h，低于撒哈拉沙漠的12 h及塔克拉玛干沙漠的24 h^[21]。本文仅对一次典型降水过程对于起沙的影响进行分析，至于降水量的差异会对起沙有何影响需进一步研究。

3.2 光伏电站对风速、输沙通量的影响

通过对光伏外围流沙区、光伏中心区及光伏边缘区3个观测点风速的观测，得到光伏区风速较光伏外围流沙区降低了55.9%。与殷代英等^[22]研究一致，后者发现光伏电站的布设使风速减小了53.9%和43%；较贾瑞庭^[23]得到的结果明显偏大，后者发现光伏电站的布设使得风速减小了11.1%～29.8%。造成差异的主要原因是观测期间风向与光伏电板板面的夹角不同。风向和光伏电板板面垂直时，气流经光伏电板阻挡作用受到最大的升力和阻力，阵列内风速降低显著，风向和电板板面夹角<90°时，对近地表风速所起到的拦截作用较弱。观测期间光伏中心区起沙风风向相对复杂，除W方向外，其他方向均有出现，主要集中在E、NW、NE方向，共计占42%。因此，气流经光伏电板阻挡作用受到最大的升力和阻力，光伏阵列内风速降低显著，而贾瑞庭等^[23]在观测期间，风向（W）与光伏电板板面平行，导致光伏阵列对风速的拦截作用较弱。

本文得到光伏外围流沙区平均沙尘水平通量为0.13 kg·m^-1·min^-1，光伏边缘区沙尘水平通量为流沙区的38.5%，与陈曦等^[24]、肖雨婷等^[25]研究结果一致，电站内输沙量低于流沙区。与刘娅楠^[26]、王慧娟^[27]等在塔克拉玛干沙漠和塔里木盆地得到的结果差异较大，这可能与不同沙漠区域下垫面植被分布、土壤颗粒粒径及土壤组分等因素相关。本文初步研究光伏外围流沙区、光伏中心区、光伏边缘区侵蚀机理，但关于光伏板干扰下的侵蚀动力学机制仍然不能完全解释，有必要继续开展光伏设施干扰下流场格局变异及其与地表侵蚀堆积过程动力关联的系统研究，明晰地表形态演化的过程，可为沙漠地区光伏电站内风沙危害的科学防治提供理论支撑。

4 结论

（1）库布齐沙漠200 MWp光伏中心区和光伏边缘区平均温度分别较流沙区高0.7、0.5 ℃,相对湿度分别较流沙区高7.5%、7.1%。说明光伏电板可以吸收一定的太阳辐射，对区域具有增热、保温作用。由于工作人员定期对光伏电板进行清洗及维护，且光伏区地面多种植农作物，植物蒸腾作用共同导致光伏阵列内边缘观测点相对湿度较高。

（2）结合不同位置风况观测结果，光伏边缘区板间位置受到光伏设施的阻滞作用最强烈，近地表300 cm高度范围风速明显低于光伏外围流沙区和光伏中心区，地表起沙风速均小于光伏外围流沙区和光伏中心区，表明气流受到光伏电板倾斜向下的导流作用，气流加速并形成回旋涡流，导致气流对地表剪切力增大，可蚀性上升，导致板间位置处于强风蚀状态。

（3）库布齐沙漠200 MWp光伏设施可以降低过境风速和削弱携沙气流。光伏外围流沙区平均沙尘水平通量最高，为0.13 kg·m^-1·min^-1，光伏边缘区板间次之，为0.05 kg·m^-1·min^-1，光伏边缘区板下沙尘水平通量最小，为0.04 kg·m^-1·min^-1，流沙区约是光伏边缘区板间和光伏边缘区板下的2.6倍和3.3倍，说明光伏阵列截留阻沙效果显著。

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基金资助

国家自然科学基金联合基金(U2242209)

中国气象局青年创新团队项目(CMA2024QN13)

新疆科技创新团队（天山创新团队）项目(2022TSYCTD0007)