青海省共和盆地光伏發電基地風沙災害現狀、成因及其防治措施

譚立海, 馬 鹿, 安志山, 屈建軍, 殷代英, 劉進輝, 王 濤

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院, 敦煌戈壁荒漠研究站, 甘肅省風沙災害防治工程技術研究中心, 甘肅 蘭州 730000; 2.青海黃河上游水電開發有限責任公司, 青海 西寧 810008)

青海省共和盆地光伏發電基地風沙災害現狀、成因及其防治措施

譚立海1, 馬 鹿2, 安志山1, 屈建軍1, 殷代英1, 劉進輝1, 王 濤1

(1.中國科學院 西北生態環境資源研究院, 敦煌戈壁荒漠研究站, 甘肅省風沙災害防治工程技術研究中心, 甘肅 蘭州 730000; 2.青海黃河上游水電開發有限責任公司, 青海 西寧 810008)

[目的] 分析青海省共和盆地塔拉灘光伏發電基地風沙災害現狀，并探討風沙災害的成因，提出相應的防治對策。[方法] 利用徠卡全站儀對光伏發電基地沙丘移動速率以及典型電站積沙量進行了實地測量，并結合氣象資料分析了風沙災害形成的區域風沙環境特征。[結果] 沙丘前移與風沙流遇阻后在太陽能板間形成積沙是該區風沙危害的主要表現形式：該區沙丘類型以新月形沙丘為主，移動速度達12.56 m/a；在一面積99 hm2、風沙災害最為嚴重的光伏園區內，2016年2—4月3個月內上風向光伏板間積沙可達3 090 m3；研究區屬中能風沙環境，為單峰風況，起沙風以西風和西北西風為主，兩組風向占年輸沙勢的92.1%。[結論] 風力強勁、風旱同期等自然特點以及過度放牧導致的土地沙漠化提供沙源是該區風沙災害的主要成因，亟需建立固沙與阻沙措施相結合的風沙災害綜合防治體系進行風沙災害防治。

光伏; 風沙災害; 防治模式; 共和盆地

文獻參數： 譚立海, 馬鹿, 安志山, 等.青海省共和盆地光伏發電基地風沙災害現狀、成因及其防治措施[J].水土保持通報，2017,37(3)：182-187.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.030； Tan Lihai, Ma Lu, An Zhishan, et al. Present situation, causes and control measures of aeolian sand disaster in photovoltaic power generation base in Gonghe Basin, Qinghai Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：182-187.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.030

太陽能光伏等新能源產業可以改變化石燃料為主的能源格局，緩解能源緊缺，推進節能減排，對建設資源節約型和環境友好型社會具有重要意義[1]。青海省是中國太陽能最為豐富的地區之一，日照時間長，且有著廣闊的荒漠地區，可利用土地面積大，地勢平坦，為開發利用太陽能提供了有利的土地條件[2]。共和盆地是青海省開發光電新能源的主要區域之一，目前共和盆地光伏產業園區占地面積達76.6 km2，總裝機容量為1 490 MW[3]，并與龍羊峽水電實現互補，對促進西部地區社會經濟可持續發展具有重要的意義。然而，近年來，在全球氣候變暖的背景下，青海高原出現草地退化、沙漠化加劇等一系列生態問題，土地沙漠化已經成為共和盆地生態環境惡化的主要問題[4-5]。共和盆地的沙漠化土地占共和盆地面積的62.84%，主要分布在塔拉灘及黃河以南的木格灘地區，沙漠化土地以流動沙丘、半固定沙丘為主[6]。橫跨共和盆地的3條綿延數百公里沙帶，自西南向東北逐步延伸，風沙危害不斷加劇，一條面積為2.80×105hm2的新月型沙丘鏈已經抵達黃河上游龍羊峽庫區，其中塔拉灘沙丘是最主要部分[7]。在此背景下，共和盆地塔拉灘地區發展光伏產業勢必受到風沙危害的影響。本文擬對青海共和盆地塔拉灘光伏發電基地風沙災害現狀進行實地調查與測量，分析風沙災害的形成原因，以期提出相應的防治措施。

1 研究區概況

共和盆地位于青藏高原東北部，地理坐標為98°46′—101°22′E和35°27′—36°56′N，整個盆地呈東寬西窄的葫蘆形，東西長約210 km，南北寬約60 km，總面積13 800 km2[8]。研究區位于共和盆地塔拉灘地區。該區海拔2 900～3 100 m，年均溫1.0～5.2 ℃，屬典型的高寒干旱荒漠和半干旱草原區，氣候長期高寒、干旱與多風；多年平均降水量303 mm，全年降水量的90.4%集中于5—9月，蒸發量達到1 800 mm，是降水量的6倍[9]。該區多年平均大風日數51 d，多年沙塵暴日數平均為16 d，最多達55 d，大風主要發生在冬春兩季。土壤主要為栗鈣土，土層厚度一般是50—70 cm。研究表明，研究區所在的塔拉灘是共和盆地沙漠化土地的主要分布區，以流動沙丘和半固定沙丘為主[8]。

2 風沙災害現狀

研究區內沙害較為嚴重的區域為光伏基地的西北側與中部地區?；罨城鹨苿雍惋L沙流是威脅共和光伏基地電廠安全運營的2種主要風沙危害方式。該區沙丘主要以新月形沙丘及沙丘鏈組成，移動速度快，對光伏電站潛在危害大；其次，風沙流在遇到光伏電站后，由于光伏電站增大了地表粗糙度并在站前上風向和內部形成減速區，造成積沙。經粒度分析表明，該區沙丘沙以極細沙與細沙為主，平均粒徑為0.107 mm(圖1)，根據Bagnold[10]的研究，該粒徑沙粒極易起動形成風沙流。

圖1 共和盆地光伏發電基地邊緣上風向流動沙丘沙粒度組成

為定量評估區域風沙災害現狀，筆者利用全站儀對研究區域內典型光伏矩陣內的積沙形態以及周邊沙丘動態變化進行了測量。使用全站儀型號為Leica TS06，是徠卡TS系列中一款專業型全站儀，測量偏差約1.5 mm。沙丘脊線測量選用有棱鏡測量模式，其他沙丘各點采用無棱鏡模式，測點密度約為1 m×1 m。以監測的典型風沙災害光伏電站為例，具體說明以上兩種方式風沙危害現狀。所監測光伏電站園區東西長1 100 m，南北寬900 m，園區于2016年2月8日對電站西側、北側積沙進行過清理，清理工作持續7 d時間，然而，清沙沒有達到預期效果，僅3個月時間，電站積沙危害又相當嚴重。據測量發現，電站矩陣西南角沙丘前緣已延伸至電站邊緣，沙丘高度與太陽能板高度相當，積沙體長度為48 m，寬12.8 m，平均高度1.81 m，積沙量為1 112.06 m3，沙丘移動將很快掩埋光伏矩陣；其中，新月形沙丘一獸角已繞過電站西南角，最大高度為1.9 m，長約20 m，經測量計算該沙丘體積為256.53 m3。電站西側中部板間積沙體呈舌狀，經測量計算，大型舌狀積沙體平均積沙量大為70.84 m3，中型積沙體平均積沙量為47.13 m3，而小型積沙體平均積沙量為14.87 m3。經統計，板間大型積沙體14個，中型42個，小型8個，板間總積沙量為3 090.18 m3。綜上風沙災害現狀，如不及時采取有效防沙工程措施，光伏電站上方向將會被沙丘埋沒，嚴重影響光伏電站的安全運營。

為更清晰表述所監測沙丘動態變化特征，筆者分別于2015年6月與2016年7月對監測光伏電站外圍邊界一典型沙丘進行了2期沙丘動態變化監測。分別沿沙丘走向、垂直沙丘走向截取沙丘斷面。其中，縱斷面(圖2a)為沿沙丘走向截取的斷面，橫斷面1(圖2b)為沙丘上風向斷面，橫斷面2(圖2c)為沙丘中部的斷面，橫斷面3(圖2d)為沙丘尾部的斷面。

首先，由縱斷面圖可知(圖2a)，沙丘斷面形態變化很大。第一，斷面線的長度由2015年6月的65.8 m增加到2016年7月的79.4 m，增加13.6 m；第二，斷面線的最高點高度由3.0 m下降為2.5 m；第三，斷面線中部20～40 m內發生風蝕，斷面線高度降低。根據沙丘前緣邊界前移距離判斷，沙丘的年移動速率為12.56 m/a。

其次，比對2015年6月和2016年7月的橫斷面圖2b,圖2c,圖2d(標號順序從上風向到下風向)可知：在風力作用下，沙丘各個部位的斷面線同樣發生很大變化。與2015年6月的橫斷面1(圖2b)相比，2016年7月的斷面線寬度增加1.22 m，斷面最高點高度降低0.52 m，且斷面形態由倒“V”型變為倒“U”型，表明沙丘體積增大；橫斷面2(圖2c)斷面線寬度增加0.4 m，斷面最高點高度降低0.67 m，而斷面頂點兩端的坡度減??；橫斷面3(圖2d)的斷面線寬度減少3.3 m，但斷面線最高點高度增加0.03 m。

圖2 青海省共和盆地監測沙丘斷面變化

3 風沙災害成因分析

3.1 風沙環境

3.1.1 起沙風況 起沙風是確定風沙活動發生與否及其活動強度的重要依據，也是研究風沙運動規律、解決風沙工程問題的關鍵指標之一。根據實地觀測，共和盆地塔拉灘地區2 m高起沙風速為6 m/s。統計分析2015—2016年該區氣象資料表明，研究區起沙風頻率為9.96%(圖3)。從風速分級來看，6～8和8～10 m/s風速段分別占起沙風頻率的44.13%和28.90%，兩者共占起沙風頻率的73.03%，而10～12 m/s以及大于12 m/s 風速分別占起沙風頻率的13.41%和13.55%。從風向來看，W和WNW風向分別占起沙風頻率的47.36%和29.32%，兩者占起沙風的76.69%；其次是ENE風向，占起沙風頻率的11.39%，再就是WSW風向，占起沙風頻率的8.16%。因此，研究區起沙風主要為W和WNW兩組風向，以6～10 m/s風速段為主。

圖3 2015-2016年共和盆地塔拉灘起沙風玫瑰圖

3.1.2 輸沙勢 輸沙勢是目前風沙活動強度計算中應用最為廣泛的方法[11-12]，而且是衡量區域風沙活動強度極其重要的指標[13]。Fryberger[14]對Lettau[15]的輸沙率公式進行修改并提出了如下被廣泛接受和應用的輸沙勢計算公式：

DP=V2(V-Vt)t

(1)

式中：DP——輸沙勢(VU)；V——大于起動風速值的風速(m/s)；Vt——起動風速(m/s)；t——起沙風作用時間，在統計表中以頻率(%)表示。通過矢量合成法將16個方位輸沙勢進行合成后可以得到合成輸沙勢(RDP)和合成輸沙方向(RDD)，它反映了一個地區輸沙能力的大小和輸沙凈走向。合成輸沙勢與輸沙勢的比值稱為方向變率(RDP/DP)，用來反映一個地區風向組合情況和風信復雜的程度。Fryberger根據輸沙勢大小分為高(>400)、中(200～400)、低(<200)3種風能環境。RDP/DP值越大說明風信情況越單一，越小則說明風信越復雜。一般而言，小比率(<0.3) 往往與復合風況相對應；中比率(0.3～0.8)對應銳雙峰或鈍雙峰風況；而大比率(>0.8)則對應于單峰風況。

通過對區域內所架設氣象站2015年7月至2016年6月風況資料的分析，結果表明，該區年輸沙勢為212.7 VU，屬中風能環境，合成方向為99.6°，合成輸沙勢與總輸沙勢比值(RDP/DP)為0.87，表明該區域為單峰風況，起沙風以W和WNW風為主，占時段總輸沙勢的92.1%(圖4)。光伏基地西北側新月形沙丘及沙丘鏈為區域風沙流提供了豐富的沙源，而且正好與起沙風主風向W和WNW風相疊加，在偏西風作用下，沙丘移動以及風沙流積沙對電站造成嚴重的危害。

3.1.3 風旱同季 分析研究區月平均降水量和2 m平均風速關系可知，降水量與風速存在反比關系，即風速較大時，降水量較小；風速較小時，降水量則較大，屬于典型的“風旱同季”(圖5)。共和盆地光伏基地1—4月風速較大，2 m高月平均風速最大可達8.64 m/s，而此時段降水較少。冬春季節，降水量較小，植被蓋度較低，對土壤保護作用減小，地表抗風蝕能力較小，而同期風速較大，極易造成土壤風蝕，破壞地表，形成更多的碎屑物質。夏季，平均風速降低，風蝕減弱，而同期降水量增大，河流徑流量增大，水蝕增強?？梢?，“風旱同季”形成風蝕、水蝕交替出現的環境，導致地表土壤結構離散分解增強，進一步加劇了地表風沙活動的強度。

圖4 2015年7月至2016年6月共和盆地塔拉灘輸沙勢

圖5 研究區2015年7月至2016年6月2 m 高度處月平均風速與月平均降水量

3.2 人為影響

人為因素導致的土地沙漠化為風沙災害的形成提供了豐富的沙源。研究表明，2005年共和盆地共有各類沙漠化土地7 419.62 km2，其中嚴重沙漠化和重度沙漠化土地面積占沙漠化土地總面積的20.12%[5]。塔拉灘是共和盆地土地沙化最為嚴重的地區，總面積約2.96×105hm2，如今已有26%的土地嚴重沙化，42%的土地正在沙化[6]。共和盆地的土地沙漠化主要是由農牧人口、牲畜數量迅猛增加以及過度開墾草地為耕地引起的[4]。1953—2004年的50 a來，共和農牧人口呈持續增加趨勢：1953年全縣農牧人口僅4.04萬，到2004年增加到12.64萬，增加了2.13倍(圖6)。過度放牧是共和盆地土地沙漠化的主導因素。在過去幾十年牲畜數量持續增加，進入21世紀后，隨著國家退耕還林和還草工程的實施，禁牧舍飼時牲畜數量開始出現小幅回落(圖6)。長期過度放牧使草場植物群落結構發生明顯變化，植被覆蓋度降低，地表出現裸露，加上該區第四紀砂物質豐富[16]，最終導致土地沙漠化的發展。在大風的作用下，沙漠化土地提供豐富沙源，導致風沙災害嚴重。

圖6 青海省共和縣農牧人口、牲畜數量變化趨勢

4 風沙災害綜合治理模式

基于以上風沙災害現狀以及災害成因，以上述監測風沙災害的光伏電站園區為例，說明該區風沙災害綜合治理模式。綜合防護體系主要由機械防沙措施組成，分為前沿阻沙帶、空白帶以及固沙帶組成。風沙綜合防護體系主要沿光伏電廠外圍邊界，綜合防護體系總面積約為152.8 hm2。其中，不同類型措施設計主要依據地形條件、地表狀況(緊實度、含沙量等)具體而定。

4.1 前沿阻沙帶

前沿阻沙帶是整個防沙體系的最外圍，也是最前沿，起到阻攔沙物質、降低風速的作用。前沿阻沙帶由三道HDPE網阻沙柵欄組成(1.5 m高)，阻沙柵欄的總體走向依光伏電廠地形的變化而變化，總長度約7 680 m，阻沙柵欄間距為30 m。

4.2 固沙帶

固沙帶采用HDPE網固沙障固定沙丘。HDPE固沙網采用環保樹脂纖維制成，抗紫外線強，耐高溫(+75 ℃)和低溫(-35 ℃)，抗老化時間≥10 a；與其他沙障相比，具有無污染、耐老化、低成本、可重復使用與便于施工等優點。研究表明，采用環保先進的HDPE網固沙新材料制成的功能性固沙障，結構上為上疏下密型來替代結構均一的普通塑料網沙障，不僅可以增大下墊面的粗糙度，降低了底層風速，而且明顯減小地表風蝕，通過對產品絲徑、密度的控制，使其具有最佳的透風率，網與專用立柱配合可組合成各種規格的固沙網格，能有效降低風速，抗風蝕能力強[17]。

在阻沙柵欄下風向的沙丘地段，設置HDPE沙障，平均寬度為500 m，具體布局及寬度依沙丘走勢及形態確定。HDPE沙障設置在阻沙柵欄的基部及兩側各5 m，防止柵欄基部掏蝕。HDPE網固沙沙障在沙丘迎風坡還是背風坡上方格都應適當加密，縮小規格，加大用量。固沙網孔隙度采用“下密上疏”式結構，可設置規格1 m×1 m的固沙帶，孔隙度為40%，高度為20 cm；根據當地地形，先按1 m×1 m格點打樁，樁長度約50 cm，埋深30 cm，將固沙網固定在樁上，底部緊貼沙面。此沙障效能模擬了稻草制成的草方格，采用上疏下密結構設計，能有效固定流沙，抑制掏蝕發生，形成穩定的凹曲面，使用壽命在10～12 a，而草方格使用壽命僅有2～3 a。待沙床面穩定后，人工撒播草種，植物以鄉土物種為主，主要選用檸條、沙蒿等當地物種。

5 結 論

(1) 共和盆地光伏發電基地區域屬中能風沙環境，為單峰風況，起沙風以W和WNW風為主，2組風向占年輸沙勢的92.1%。周邊沙丘類型以新月形沙丘為主，移動速度達12.56 m/a。

(2) 沙丘前移與風沙流遇阻后在光伏板間形成積沙是該區風沙危害的主要表現形式。

(3) 風力強勁、風旱同期等自然特點以及過度放牧導致的土地沙漠化提供沙源是該區風沙災害的主要成因。

(4) 沙害初步治理模式為建立固、阻結合的風沙危害綜合防護體系。

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Present Situation, Causes and Control Measures of Aeolian Sand Disaster in Photovoltaic Power Generation Base in Gonghe Basin, Qinghai Province

TAN Lihai1, MA Lu2, AN Zhishan1, QU Jianjun1, YIN Daiying1, LIU Jinhui1, WANG Tao1

(1.GansuCenterforSandHazardReductionEngineeringandTechnology,DunhuangGobiDesertResearchStation,NorthwestInstituteofEco-EnvironmentandResources,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.HuangheHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Xining,Qinghai810008,China)

[Objective] To reveal the current situation of aeolian hazards in the photovoltaic industrial park of Gonghe Basin, Qinghai Province, and to analyze the causes and thus to put forward specific control mea-sures. [Methods] Dune migration rate and the current situation of aeolian hazards such as sand accumulation amount were measured by Leica total station, and meteorological data were used to analyze the characteristics of regional aeolian environment. [Results] Dune migration and sand accumulation between solar panels were two main patterns of aeolian sand disaster in the study area where dunes were mainly composed of barchans. Sand dunes moved in a rate of 12.56 m/a in the study area. In a photovoltaic garden(99 hm2in area) suffering from severe aeolian sand disaster, the accumulated sand between solar panels could reach 3 090 m3during February to April of 2016. The study area belongs to the medium level of aeolian environment with two main prevail sand-driving wind directions of west and north west, which accounted for 92.1% of the annual drift potential. [Conclusion] The strong wind energy, the features of windy and dry weather presenting in the same period and the strong desertification result in the serious aeolian sand disaster in the study area. Hence, a comprehensive sand-control system should be quickly established to combat the aeolian sand disaster.

photovoltaic industry; aeolian sand disaster; control measures; Gonghe Basin

2016-09-23

2016-11-28

黃河水利水電公司項目“光伏產業帶動生態建設試驗示范研究” (90Y490B21)； 國網河北省電力公司項目(SGTYHT/16-JS-198)

譚立海(1985—),男(漢族),山東省臨朐縣人,博士,助理研究員,主要從事風沙物理與風沙工程學研究。E-mail:tanlihai18@163.com。

屈建軍(1959—),男(漢族),陜西省高陵縣人,博士,研究員,博導,主要從事風沙工程學研究。E-mail:qujianj@lzb.ac.cn。

A

1000-288X(2017)03-0182-06

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