沙漠地區風電場地質災害危險性分析

【摘 要】針對沙漠地區風蝕沙埋這一工程地質問題，以榆林地區某風電場為例，通過地質災害現狀分析，利用模糊綜合評判法和最大隸屬度原則，對擬建工程地質災害危險性進行綜合評估，研究該區風蝕沙埋災害對風電場的影響程度及危險性。

【關鍵詞】榆林；風電場；風蝕沙埋；模糊綜合評判

0.引言

隨著人們環境保護意識的增強，風能作為一種潔凈的可再生能源，在我國得到了迅猛發展。榆林地區風能資源豐富，但是榆林地區風蝕沙埋災害對風電場的工程建設造成了威脅，為了進一步發展該區的風能資源，就必須依據國家現行法律法規[1]對風蝕沙埋這一地質災害的危險性進行分析。目前，模糊綜合評判作為一種數學方法已經在公路、鐵路等行業廣泛使用[2-6]，下面以榆林地區某風電場為例，研究風蝕沙埋災害對電廠工程建設及運營的影響，進行定性、定量的現狀分析，并通過模糊綜合評判進行危險性評估。

1.風蝕沙埋作用的形成條件

該風電場地處毛烏素沙漠南緣，屬典型的中溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候區，南部黃土高原向北部毛烏素沙漠過渡，形成的南風；西風帶環流影響形成的偏西風。

1.1風沙作用的物質條件

本區地層巖性簡單，表層為5～9m厚的全新統風積松散砂土，中部為厚40m左右的上更新統河湖相、沖湖積黃土狀粉土和粉細砂。其中全新統風積松散沙土為松散、干燥的沙土層，顆粒成份以粉沙和細沙為主；上更新統薩拉烏蘇組粉質粘土和粉細沙顆粒成分以粉粒為主，含有大量細沙，礦物成分以長石、石英為主。這種地層結構、礦物成分等特征決定了評估區內沙源充足，為風沙的形成造就了物質條件。

1.2風沙形成的動力條件

區內全年多風，年平均風速2.1m/s，歷年最大風速為19.2m/s，主導風向以NNW為主，以3～5月風速相對較大，其中春季4月風速最大，為2.9m/s。9月至次年2月風速相對較小，1月和12月最小，為1.6m/s。根據前人研究資料，該區沙土的顆粒粒徑以0.1～0.25mm為主，起始風速即臨界風速為4～5m/s。該區的大風風速超過臨界風速值，具備了形成風沙的動力條件。

1.3風沙作用的植被條件

該區地處中溫帶大陸性干旱、半干旱氣候區，沙地多為固定和半固定沙丘，植被較發育，覆蓋率多在30%以上，但局部地段和局部部位植被覆蓋率小于15%，致使沙地裸露、片狀流沙發育，易于大風起動和搬運。

2.地質災害現狀分析

2.1風沙特征數據的分析計算

2.1.1輸沙量

輸沙量指氣流在單位時間內通過單位寬度或面積的沙量，它是制定防沙措施的重要數據。影響輸沙量的主要因素有風速和沙源，前人通過大量的研究，推導出一些計算公式。這里采用R·A·拜格諾公式：

Q=（V-Vt）3

式中Q—輸沙量（g/cm·min）。

V—風速（m/s）。

Vt—起動風速（m/s）。

按照歷年最大風速19.2（m/s）和起動風速4（m/s）計算，最大輸沙量約為3511.8（g/cm·min）。

2.1.2沙粒移動速度

沙丘的移動速度受制于風況、沙丘高度、水分植被等多種因素。與沙丘高度的關系為，在風力相等的情況下，沙丘愈高、移動愈慢，反之則愈快，其關系式為：

D=Q/ρH

式中Q—單位時間通過寬度的總沙量（g/cm·min）。

ρ—沙子的密度（g/cm3）。

H—沙丘高度（cm）。

D—沙粒移動速度（cm/min）。

取沙子的密度為2.6（g/cm3），計算出沙丘高度為3、10、20m時的沙粒移動速度分別為6.0、1.8、0.9（cm/min）。

2.1.3沙丘移動速度和沙丘移動強度

如上所述，影響沙丘移動速度的因素眾多，無法用理論計算。根據區域氣象資料和區域地質環境條件，結合歷史資料綜合分析，毛烏素沙地由于水分、植被條件較好、沙丘大都處于固定、半固定狀態，移動速度不大，一般“年前移值”為1～3m。根據我國風沙區沙丘移動強度分級，屬于慢速。

2.2風沙災害危險性現狀分析

風沙的危害方式主要有風蝕、沙埋、磨蝕三種，對于不同的受災體其危害存在差異。現狀情況下的危害對象主要有公路、鄉間道路、農田和房屋。

主要地質災害類型為風蝕沙埋，區內植被覆蓋率多在30%以上，局部地段約15%，人口集中區周邊均有防護林，且處于沙丘間的風沙草灘區內，道路為生產道路和鄉村道路，沙埋現象不嚴重，風蝕沙埋現狀評估危險性小。

3.基于模糊綜合評判的危險性評估

地質災害危險性綜合評估是在地質災害現狀評估、地質災害預測評估的基礎上，并充分考慮地質環境條件的差異，結合建設工程的特點，選擇適宜的評判指標，針對不同地段，全面權衡，合理對比，確定某一區塊地質災害的發育程度與危險性大小，進行地質災害危險性綜合評估。

3.1模糊綜合評價的數學模型

首先，考慮影響評估區地質災害危險性的影響因素，建立因素集U={u1，u2，…u10}，其中包括：地質災害因素（u1 影響面積比、u2 現狀危險性、u3 預測危險性）、基本因素（u4 沙丘高度、u5 流沙面積、u6 沙丘形態、u7 坡向指標、u8 植被覆蓋率）和引發因素（u9 工程活動、u10 降雨條件）。

其次，按照國土資源部頒發的“地質災害危險性評估技術要求（試行）”，將擬建工程區域的地質災害危險性劃分為三級：Ⅰ級（危險性小），地質災害弱發育，危害程度小；Ⅱ級（危險性中等），地質災害中等發育，危害程度中等；Ⅲ級（危險性大），地質災害強發育，危害程度大。以此建立由評價結果組成的評價集V={v1，v2，…，vm}。因此可以建立的評價集即V={危險性小，危險性中等，危險性大}。

最后，對各因素分配權值，建立權重集，即表示為權向量A=（a1，a2，…，an），式中ai為第i個因素的加權值。對第i個因素的單因素模糊評價為V上的模糊子集R=（ri1，ri2，…，rim），于是單因素評價矩陣R為：

該區采用MAPGIS的DTM分析功能對評估區按正方形進行自動剖分，單元面積為250m×250m，對于邊界附近不足一個單元的較小單元，則剖分為多邊形或合并到相臨單元，共剖分出280個單元，最大單元面積78125m2。以調查區1∶1萬的數字地形圖和本次地質災害調查數據為基礎，利用GIS從DEM數據中分別提取基本評價指標：沙丘高度、流沙面積以及坡向統計指標。由于完全基于調查災點數據，因此能夠獲取評價單元內精確的災害點影響面積與單元面積比值。植被覆蓋率可以利用本次實際調查的結果予以賦值，人類工程活動和地質災害危險性采用人工賦值。該區各因素權重值及隸屬度取值表見表1-3。

表1-3 評價指標權重及隸屬度取值表

則對該評估區的綜合模糊評價B是V上的模糊子集B=A°R。

3.2結論及建議

根據上述方法，在定量計算分級分區的基礎上，綜合考慮各種因素，綜合評估認為，擬建工程區為地質災害危險性小區（Ⅰ級）。

擬建工程區為生態環境相對脆弱的區域，應在工程建設和運行中加強對生態環境的保護，做到“邊施工、邊治理”，減少風蝕沙埋災害對工程的影響。風機基坑開挖時，應避免切坡開挖。在強降雨時，基坑壁較為松散，易發生坍塌，盡量避免在雨季開挖基坑，以防對施工人員造成威脅。修建施工道路時，盡量利用區內已有道路，減少對地質環境的破壞。

4.小結

通過模糊綜合評判可以快速對場地內各個區塊進行快速評估，評估結果可靠，該評估方法對同類型的沙漠區地質災害危險性評估具有借鑒意義。

【參考文獻】

[1]國土資源部.地質災害危險性評估技術要求（試行）[S].北京：國土資源部，2004.

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