風(fēng)電場(chǎng)對(duì)植被變化影響分析*
——以重慶武隆風(fēng)電場(chǎng)為例

文|李朋磊，李國(guó)慶，鄭平

風(fēng)電場(chǎng)對(duì)植被變化影響分析*
——以重慶武隆風(fēng)電場(chǎng)為例

文|李朋磊，李國(guó)慶，鄭平

隨著環(huán)境問(wèn)題的加劇和資源的日益短缺，風(fēng)能作為一項(xiàng)清潔能源，越來(lái)越受到各行業(yè)的重視，近年來(lái)我國(guó)的能源政策也逐步向風(fēng)能方向傾斜。目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在研究風(fēng)能帶來(lái)積極環(huán)境效應(yīng)的同時(shí)，也開(kāi)始思考風(fēng)電開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面作用，以衡量風(fēng)電開(kāi)發(fā)的利弊。當(dāng)前的研究多關(guān)注于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)本身對(duì)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)動(dòng)植物的擾動(dòng)，以及對(duì)周邊環(huán)境地表溫度、氣候等的可能影響。研究表明，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域內(nèi)近地表的空氣濕度以及表面感熱通量均會(huì)減小，對(duì)云和降水等其他氣象要素也能起到間接改變作用。同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)運(yùn)行導(dǎo)致下風(fēng)向的風(fēng)速明顯減小，造成下風(fēng)向處氣溫發(fā)生較為顯著地的上升或下降，上述要素均會(huì)影響植被的生長(zhǎng)狀態(tài)。目前利用遙感手段監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)植被影響的研究并不多見(jiàn)。本文以重慶武隆風(fēng)電場(chǎng)為例，以遙感技術(shù)為手段，從區(qū)域尺度探討風(fēng)電場(chǎng)對(duì)植被影響的范圍及強(qiáng)度，探討風(fēng)電場(chǎng)對(duì)植被變化的影響，以期為風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、植被保護(hù)與恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境改善等方面提供參考。

圖1 研究區(qū)位置圖

研究區(qū)位置與概況

研究區(qū)位于重慶武隆縣四眼坪，區(qū)域內(nèi)規(guī)劃建成了重慶市首個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，并于2009年正式供電。該區(qū)地處渝東南烏江下游，東連彭水，西鄰涪陵、南川，北接豐都，南界道真。該地區(qū)以中亞熱帶植物為主，植被類(lèi)型有常綠闊葉林、常綠針葉林、常綠針闊混葉林、竹林、常綠闊葉與落葉闊葉混交林、灌木林、疏林草地及灌叢草地。樹(shù)種構(gòu)成以速生優(yōu)質(zhì)樹(shù)種馬尾松、杉木、鐵尖杉、白花泡桐、香椿為主；同時(shí)生長(zhǎng)有屬?lài)?guó)家一級(jí)保護(hù)樹(shù)種的銀杉、珙桐、水杉，二、三級(jí)保護(hù)樹(shù)種的鵝掌楸、胡桃、銀雀樹(shù)等；還有經(jīng)濟(jì)樹(shù)種油桐、茶、漆、獼猴桃等。研究區(qū)位置如圖1所示，作者利用佳明手持GPS－62SC實(shí)地調(diào)查風(fēng)電場(chǎng)分布的外邊界，根據(jù)該區(qū)域的外切矩形，獲得風(fēng)電場(chǎng)分布的矩形區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電場(chǎng)區(qū)”）。同時(shí)選取該矩形的30km緩沖區(qū)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“緩沖區(qū)”）作為研究區(qū)，理由如下：

（1）從目前的已有研究看，風(fēng)電場(chǎng)主要以影響風(fēng)速的形式對(duì)地表過(guò)程進(jìn)行擾動(dòng)，風(fēng)電場(chǎng)影響風(fēng)速衰減的距離為30－60km。

（2）本文若選擇30km以上區(qū)域距離風(fēng)電場(chǎng)分布區(qū)域較遠(yuǎn)，土地利用類(lèi)型將發(fā)生重大變化。

數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；2000年－2015年MOD13Q1－NDVI數(shù)據(jù)及2001年、2005年、2010年、2013年MOD12Q1——土地類(lèi)型數(shù)據(jù)均來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局。

研究方法

一、植被范圍的確定

為避免下墊面差異對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響，本研究的重點(diǎn)集中在土地利用類(lèi)型中的林地、草地及灌叢植被。本文利用2001年、2005年、2010年、2013年的土地利用圖，計(jì)算出上述3個(gè)時(shí)間段植被覆蓋的公共區(qū)域，將公共區(qū)域作為本研究的植被范圍。

二、NDVI數(shù)據(jù)的重構(gòu)

本文所使用的NDVI數(shù)據(jù)雖然采用了最大值合成方法（Maximum Value Composite, MVC）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪和除云處理，但是MVC方法仍然無(wú)法保證每旬圖像的所有像元在該旬內(nèi)都是無(wú)云、無(wú)噪聲的，因此需要對(duì)上述NDVI數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。時(shí)間序列諧波分析法（Harmonic Analysis of Time Series，HANTS）結(jié)合了平滑和濾波兩種方法，本文通過(guò)HANTS濾波最終實(shí)現(xiàn)圖像的重構(gòu)，進(jìn)一步去除云量和噪聲的影響。另外，NDVI當(dāng)年生長(zhǎng)季和值相對(duì)于當(dāng)年最大值來(lái)說(shuō)更能代表植被當(dāng)年生長(zhǎng)狀態(tài)，所以本文將HANTS濾波后，各年生長(zhǎng)季4－11月的NDVI求和，代表當(dāng)年的植被生長(zhǎng)狀況。

三、植被變化趨勢(shì)分析

為監(jiān)測(cè)植被各年的變化狀況，本文通過(guò)線性趨勢(shì)斜率（LTA）方法，分別計(jì)算各像元2000年－2008年，2009年－2015年的各指標(biāo)的總體變化情況，如式（1）所示。

式中，x是時(shí)間，y是變化指標(biāo)（本文是各年生長(zhǎng)季4－11月NDVI和值，以下用NDVI_SUM表示），a是趨勢(shì)斜率，b是截距。a通過(guò)最小二乘法計(jì)算得到［式（2）］，來(lái)表示各指標(biāo)的變化趨勢(shì)。

式中，N表示參與計(jì)算的年份數(shù)量，2000年－2008年N＝9，2009年－2015年N＝7，xi中的i＝1時(shí)，則是研究時(shí)間段的第一年（本文分別指2000年、2009年），以此類(lèi)推。yi是每個(gè)像元的當(dāng)年生長(zhǎng)季4－11月NDVI和值（NDVI_SUM）。當(dāng)a＜0時(shí)表示該像元所代表的植被生長(zhǎng)狀態(tài)處于下降的狀態(tài)，反之，則表示該像元所代表的植被生長(zhǎng)狀態(tài)處于上升的狀態(tài)。

目前尚無(wú)對(duì)NDVI_SUM變化進(jìn)行分級(jí)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此參考草地退化的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2003），對(duì)NDVI_SUM變化等級(jí)進(jìn)行劃分，并對(duì)旁風(fēng)區(qū)、風(fēng)電場(chǎng)區(qū)、上風(fēng)區(qū)、下風(fēng)區(qū)的各等級(jí)所占植被面積的百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

四、風(fēng)向?qū)χ脖坏挠绊?/p>

統(tǒng)計(jì)涪陵氣象站2000－2015年的日、月風(fēng)向數(shù)據(jù)，分別得到如圖2a、圖2b所示的風(fēng)向頻率玫瑰圖，兩者存在較大差異。為避免氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方式對(duì)本文分析結(jié)果的影響，采用兩幅風(fēng)向頻率玫瑰圖的公共區(qū)域，即N和NE所夾方向?yàn)樯巷L(fēng)區(qū)、SW和S所夾方向?yàn)橄嘛L(fēng)區(qū)。同時(shí)為防止兩幅風(fēng)向玫瑰圖非重疊方向ESE和SSE、NNW和WNW所夾風(fēng)向?qū)Y(jié)果的影響，以下的分析均剔除上述兩個(gè)方向。風(fēng)向?yàn)橐燥L(fēng)電場(chǎng)中心為圓心，分別做半徑為5km，10km，15km，20km，25km，30km的扇形。因0－5km半徑的扇形在電場(chǎng)矩形區(qū)域內(nèi)，以0－5km作為電場(chǎng)區(qū)對(duì)植被進(jìn)行統(tǒng)一分析，最終分析上/下風(fēng)向?qū)χ脖挥绊懙膹?qiáng)度范圍。

圖2 風(fēng)向頻率玫瑰圖

結(jié)果與分析

利用上述方法分別得到2000年－2008年、2009年－2015年研究區(qū)及上下風(fēng)向處植被生長(zhǎng)變化的空間分布圖，圖3a、圖3b所示。從圖3可以看出，2000年－2008年，研究區(qū)植被以穩(wěn)定為主，2009年－2015年研究區(qū)植被以退化為主。

圖3 2000年－2008年（a）/2009年－2015年（b）植被變化趨勢(shì)

表1 NDVI_SUM變化等級(jí)的劃分

表2 上/下風(fēng)區(qū)不同距離下植被生長(zhǎng)情況

為進(jìn)一步定量分析圖3中各區(qū)域內(nèi)植被變化情況，計(jì)算并歸納得到表1。由表1可以看出，從退化比例上看，2000年－2008年，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)和上風(fēng)區(qū)內(nèi)植被退化比例最小，退化比例為0%，旁風(fēng)區(qū)內(nèi)退化區(qū)域所占比例最大，為0.31%，該區(qū)域內(nèi)87%以上的區(qū)域都是穩(wěn)定的，其余的大部分區(qū)域?qū)佥p度恢復(fù)。而2009年－2015年間，植被整體呈退化趨勢(shì)，各區(qū)域內(nèi)植被退化比例顯著上升，其中下風(fēng)區(qū)退化比例最高為57.70%，旁風(fēng)區(qū)退化比例為51.36%，電場(chǎng)區(qū)以及上風(fēng)區(qū)退化比例分別為27.88%，30.34%，明顯小于旁風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的退化比例，可見(jiàn)2009年－2015年植被退化比例顯著增多。一般認(rèn)為旁風(fēng)緩沖區(qū)受風(fēng)電場(chǎng)的影響較小，從表1中各區(qū)域植被的退化比例可以看出，下風(fēng)區(qū)植被退化比例大于旁風(fēng)區(qū)植被退化比例，電場(chǎng)區(qū)及上風(fēng)區(qū)植被退化比例均小于旁風(fēng)區(qū)植被退化比例。可見(jiàn)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行減緩了電場(chǎng)區(qū)及上風(fēng)區(qū)植被的退化，加速了下風(fēng)區(qū)植被的退化。

從穩(wěn)定比例上看，2000年－2008年各區(qū)域穩(wěn)定面積所占比例均在85%以上，2009年－2015年植被呈整體退化現(xiàn)象，大量穩(wěn)定區(qū)域過(guò)渡為退化區(qū)域。

從恢復(fù)比例上看，相對(duì)于2000年－2008年，2009年－2015年電場(chǎng)區(qū)及上風(fēng)區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)比例分別減少了6.71%和10.01%，旁風(fēng)區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)比例減少10.60%，下風(fēng)區(qū)區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)比例減少11.75%，可見(jiàn)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行有助于電場(chǎng)區(qū)和上風(fēng)區(qū)內(nèi)植被的恢復(fù)，但總體上不利于下風(fēng)區(qū)內(nèi)植被的恢復(fù)。

為了進(jìn)一步分析上/下風(fēng)區(qū)，距離風(fēng)電場(chǎng)中心不同范圍內(nèi)植被的變化情況，采取兩幅風(fēng)向頻率玫瑰圖的公共區(qū)域，即NNE和ENE所夾方向?yàn)樯巷L(fēng)區(qū)、SW和S所夾方向?yàn)橄嘛L(fēng)區(qū)，同時(shí)剔除兩幅風(fēng)向玫瑰圖非重疊方向ESE和SSE、NNW和WNW所夾風(fēng)向，風(fēng)向?yàn)橐燥L(fēng)電場(chǎng)中心為圓心，分別做半徑為5km，10km，15km，20km，25km，30km的扇形，得到不同距離內(nèi)植被面積變化的均值（表2所示）。從表2可以看出，在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前 （2000年－2008年），上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)植被基本上無(wú)退化區(qū)域，研究區(qū)范圍內(nèi)植被生長(zhǎng)狀況穩(wěn)定，小部分區(qū)域存在變好的趨勢(shì)；風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)后（2009年－2015年），下風(fēng)區(qū)植被出現(xiàn)退化現(xiàn)象，在0－20km范圍，上/下風(fēng)區(qū)退化趨勢(shì)大體一致，尤其在15－20km緩沖區(qū)內(nèi)，上風(fēng)區(qū)的退化比例高于下風(fēng)區(qū)，但是在20－30km范圍，下風(fēng)區(qū)退化比例卻明顯高于上風(fēng)區(qū)，表明在20－30km緩沖區(qū)內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行會(huì)加快下風(fēng)區(qū)域內(nèi)植被的退化。

圖4 上/下風(fēng)區(qū)不同距離下NDVI_SUM變化情況

為進(jìn)一步分析各區(qū)域內(nèi)NDVI_SUM的具體變化值，并減少地表?xiàng)l件異質(zhì)性、NDVI_SUM自然時(shí)空變化趨勢(shì)對(duì)研究結(jié)果的影響，本文參照的方法如下：認(rèn)為風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)之前的2000年－2008年各像元NDVI_SUM空間變化趨勢(shì)（A）為自然時(shí)空變化趨勢(shì)；2009年－2015年的NDVI_SUM空間變化趨勢(shì)（B）為自然及風(fēng)電場(chǎng)共同影響下的變化趨勢(shì)，兩者相減便得到風(fēng)電場(chǎng)影響下的NDVI_SUM時(shí)空變化趨勢(shì)（B－A）（圖4a）。為更直觀地分析圖4a各距離范圍內(nèi)植被的變化趨勢(shì)，求取電廠區(qū)域與距風(fēng)電場(chǎng)不同距離緩沖區(qū)內(nèi)旁風(fēng)區(qū)，上風(fēng)區(qū)，下風(fēng)區(qū)的NDVI_SUM變化率的平均值（圖4b）。

從圖4b可以看出，不同距離緩沖區(qū)內(nèi)，上風(fēng)區(qū)的NDVI_SUM變化趨勢(shì)減少值均小于相同緩沖區(qū)范圍內(nèi)旁風(fēng)區(qū)的減少值，進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行有助于上風(fēng)區(qū)植被的恢復(fù)。但對(duì)下風(fēng)區(qū)植被的影響卻比較復(fù)雜，從圖4b可以看出，相對(duì)于旁風(fēng)區(qū)，下風(fēng)區(qū)植被在0－20km是退化減緩的，在20－30km緩沖區(qū)內(nèi)是退化加快的，可見(jiàn)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)下風(fēng)區(qū)植被的影響因距離的不同存在明顯差異。

結(jié)論

從上述的分析可知，武隆風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)矩形電場(chǎng)區(qū)及30km緩沖區(qū)內(nèi)植被的生長(zhǎng)產(chǎn)生了明顯的影響，主要變現(xiàn)在：

（1）從整體上看，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行對(duì)電場(chǎng)區(qū)、上下風(fēng)區(qū)植被的影響機(jī)制是不同的，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行減緩了電場(chǎng)區(qū)及上風(fēng)區(qū)植被的退化，加速了下風(fēng)區(qū)植被的退化；

（2）風(fēng)電場(chǎng)對(duì)下風(fēng)區(qū)植被的影響存在距離差異，0－20km范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行會(huì)減緩區(qū)域內(nèi)植被的退化，在20－30km范圍內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行會(huì)加快區(qū)域內(nèi)植被的退化。

（作者單位：魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院）

山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目（J16LH51）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（41601598）。