风电场对水体蒸散发量的改变研究

　　摘    要：　以黄河三角洲北部风电场为例, 利用SEBAL模型, 采用Landsat5-TM和Landsat8-OLI/TIRS数据、气象数据、DEM数据以及MODIS数据反演出风电场建设前后水体的蒸散发 (ET) , 分析单个风机和风电场对水体ET的影响, 最终得出如下结论: (1) 在单个风机中, 风力发电机的建设对以风机为中心的200 m缓冲区内水体ET有均匀化作用, 并且对缓冲区内的各风向水体ET均匀化程度不同, 下风向区域水体ET的均匀化程度最大, 旁风向区域水体ET的均匀化程度最小。 (2) 在整个风电场区域内, 风机数量影响风电场对水体ET的均匀化程度, 且风机密度与均匀化程度呈负相关, 风机越密集均匀化程度越小、越稀疏、均匀化程度越大。

　　关键词：　风电场; 蒸散发; 黄河三角洲湿地; SEBAL模型;

　　Abstract：　Taking wind farm at the north of Yellow River Delta for example, based on the Landsat5-TM and Landsat8-OLI/TIRs data, meteorological data, DEM data and MODIS data, we used SEBAL model to invert the water evapotranspiration (ET) before the construction of wind farm, and analyzed the influence of single wind turbine and wind farm on the water ET. The following conclusions show that (1) in a single wind turbine, the construction of the wind turbine has homogenization effect on the water ET within the 200 m of buffer with the wind turbine as the center, and the effects are different. The water ET homogenization down the wind is the biggest, and the homogenization degree is the smallest at the side wind direction. (2) In the whole wind farm area, the number of wind turbines affect the homogenization degree of water ET, and the wind turbines density is negatively correlated with the degree of homogenization. The denser the wind turbines, the homogenization degree of the wind turbines are smaller, vice versa.

　　Keyword：　wind farm; ET; Yellow River Delta wetland; SEBAL model;

　　随着能源产业结构的不断调整, 风能作为一种零污染的清洁能源, 已在国内外有了迅速的发展, 尤其在临海区域, 该区风速大, 风能资源约为陆地的3倍, 近海风电开发前景尤为广阔[1,2]。目前在沿海地区建成的大型风力发电厂主要集中在沿海的滩涂、潮间带以及近海的盐田养殖池等区域。沿海风力发电在带来积极的环境效益的同时, 其对沿海地区环境的负面作用也开始引起国内外学者的关注。有研究表明, 沿海地区的风力发电机可能会对临近的生物以及珍禽产生不利的影响[3,4], 同时风力发电机对周边地表气象要素也会产生一定的影响[5,6]。蒸散发 (Evaportranspiration;以下简称ET) 作为陆面生态系统与水文过程的重要纽带, 地表水量和地表能量平衡的重要因子, 它影响地表降水和能量辐射的分配。对于大多数湿地而言, ET是湿地水循环的重要组成部分和水分损失的主要途径, ET很大程度上影响着湿地的水热平衡, ET的变化将导致以水体为代表的湿地生态系统水热收支不平衡[7]。本文以黄河三角洲湿地北部的风电场为例, 利用SEBAL模型, 分析风电场对水体ET的影响, 期待为湿地生态系统水资源的合理利用以及生态保育提供借鉴。

　　1、 研究区概况与数据来源

　　1.1、 研究区概况

　　本文研究区位于渤海湾南岸和莱州湾西岸, 属黄河三角洲北部地区, 地理位置于118°33′～119°20′E、37°35′～38°09′N之间。从行政区划上看, 主要分布在东营市, 少部分分布于滨州的沾化县和无棣县, 本区属于暖温带大陆季风气候, 平均气温约为12.8℃。研究区湿地分布广泛, 湿地类型丰富, 景观类型多样, 作为我国最广阔、最完整、最年轻的具有国际生态保护意义的典型新生湿地生态系统和具有重大开发价值的河口区域, 一直受到国内外的广大关注[8,9]。

　　本文研究的对象主要是常年积水的湿地 (河流、湖泊、河口水域、水库、盐池养殖池以及滩涂) 。研究区内已投运的风电场9个, 其中最主要的有大唐风电场、国华风电场、华能风电场, 风机均在2011年之前建成[10,11,12]。为深入讨论风机数量对ET的影响, 本文将研究区划分为A、B、C 3个研究区, 其中风机密集程度大小关系为:C<B<A, 如图1所示。

　　图1 研究区位置图

　　1.2、 数据来源与处理

　　1) 遥感数据:主要采用Landsat5和Landsat8的数据, 下载网址:http://www.gscloud.cn/。

　　2) 气象数据:研究区近地表的风速、风向、温度数据, 来源于中国气象数据共享网 (网址:http://data.cma.cn) 。

　　3) 日出日落数据:在日出日落时间查询网获取, 网址:http://sunrise.supfree.net/。

　　4) 风机位置数据:由谷歌解译及作者实测补充得到。

　　5) 大气水汽含量数据:采用MODIS大气水汽含量产品, 下载网址:http://reverb.echo.nasa.gov/reverb。

　　6) 高程数据:DEM数据, 下载网址:http://www.gscloud.cn/。具体数据内容见表1。

　　表1 遥感及其气象数据

　　2、 研究方法与技术路线

　　2.1、 研究方法

　　2.1.1、 SEBAL模型与水体区域的提取

　　本文采用SEBAL模型进行水体ET的反演, 该模型的物理概念较为清楚, 输入的数据量少, 能够在不同的气候条件下应用, 且除遥感影像外, 所需要的气象数据较少。到目前为止, 该模型在水体ET研究中得到广泛的应用[12,13,14], 同时SEBAL模型对湿地ET具有很好的反演精度。

　　根据研究区的土地利用类型图, 对风电场建成前和建成后的遥感影像进行监督分类, 提取出建成前后未发生变化的水体区域

　　2.1.2、 单个风机对ET的影响

　　对提取出的水体区域内的所有风机做200 m的缓冲区, 基于当日风向数据, 确定上下风向以及旁风向, 利用SEBAL模型反演出ET, 分别统计风电场建设前后各个风向的ET均值和标准差, 通过对比建设前后各个风向ET的均值和标准差, 分析风电场对各方向ET的影响程度。

　　本文选200 m作为缓冲区的理由如下:

　　1) 根据风机高度和太阳高度角求得成像时刻风机的阴影长度为50 m, 为了避免风机阴影的影响, 缓冲区范围应该大于50 m。

　　2) 缓冲区大于200 m, 会使风机的下风向与周边风机的上风向重合, 不利于分析。

　　2.1.3、 风电场对ET的整体影响

　　通过统计A、B、C 3个区域的风电场建设前后的ET均值和标准差, 同时根据各区域中风机的数量关系, 来分析风电场中风机的密集程度对水体ET的影响。

　　2.2、 技术路线 (如图3)

　　图3 技术路线图

　　3、 研究结果与分析

　　3.1、 研究结果

　　3.1.1、 单个风机对水体ET的影响

　　利用上述方法反演出风机建成前后的水体ET, 对上、下风向和旁风向的水体ET进行区域统计分析, 得出上下风向以及旁风向的水体ET均值和标准差。

　　表2 蒸散发均值统计表

　　根据表2中风机建成前后各风向的ET的均值的变化情况, 可得到 (1) 上风向区域:风机建成后水体ET均值的变化范围小于建成前; (2) 下风向区域:风机建成后水体ET均值的变化范围小于建成前; (3) 旁风向区域:风机建成后水体的ET均值的变化范围小于建成前。结合 (1) 、 (2) 和 (3) 可知, 与建成前相比, 建成后各风向的水体ET变化范围明显减小, 波动的幅度降低。在表2中可以看出, 和其他风向相比, 风机建成后下风向区域的水体ET均值的变化范围最小, 旁风向区域的水体ET均值的变化范围最大。

　　为了避免ET均值受极端数据的影响, 对各风向水体ET的标准差进行统计, 分析各风向水体ET的离散程度, 标准差越小说明数据越稳定, 偏离程度越小。

　　表3 蒸散发标准差统计表

　　根据表3中风机建成前后各风向ET的标准差的变化情况, 可得到 (1) 上风向区域:建成后水体ET的标准差明显降低; (2) 下风向区域:建成后水体ET的标准差也明显降低; (3) 旁风向区域:建成后水体ET的标准差降低。由 (1) 、 (2) 、 (3) 可知, 风力发电机的建设使得上风向、下风向以及旁风向的水体ET的标准差降低。结合表2、3可知, 风力发电机的建设使得上风向、下风向以及旁风向的水体ET均值变化范围减小, 标准差降低, 说明风力发电机的建设使得上风向、下风向以及旁风向区域的水体ET趋于均匀化。

　　在风机建成后的同一日期, 和其他风向相比, 下风向区域水体ET的标准差值最小, 旁风向区域水体ET的标准差值最大, 说明风力发电机的建设后, 下风向区域水体ET的偏离程度小于其他风向, 稳定性高于其他风向, 旁风向区域的水体ET的偏离度大于其他风向, 稳定性低于其他风向。可以看出, 风力发电机对其200 m缓冲区内的各风向水体ET均匀化程度不同, 下风向区域的均匀化程度大于其他风向, 旁风向区域的均匀化程度最小。

　　3.1.2、 风电场对水体ET的整体影响

　　为了得到风电场区域对水体ET的整体影响, 对A、B、C 3个区域的均值和标准差进行了统计, 如表4所示。

　　表4 蒸散发的均值和标准差/ (mm/day)

　　根据表4中A、B、C 3个区域建成前后水体ET的均值和标准差, 可以得到建成前后ET的均值的变化特点为:风电场建成后各区域水体ET均值的变化范围小于建成前。而标准差的变化特点为:建成后各区域的水体ET的标准差都降低。综上可知, 在风电场建成后各区域水体ET的均值变化范围减小, 标准差值降低, 说明在风电场建成后, 各区域的水体ET趋于均匀化。

　　在风电场建成前的同一日期中, 2004-05-05各区域水体ET的标准差的大小关系为:B>C>A;2005-05-08各区域水体ET的标准差的大小关系为:C<A<B;2005-05-24各区域水体ET的标准差的大小关系为:A<C<B, 而在风电场建成后各时间各区域水体ET的标准差的大小关系都遵循C<B<A的规律 (2013-05-30除外) , 和建成前相比, 建成后各区域水体ET的标准差都明显变小, 可见风电场的建设使得各区域的水体ET趋于均匀化, 且其均匀化的大小关系为A<B<C。由图1可知, 各区域风机密集程度的大小关系为C<B<A, 刚好与各区域水体ET的均匀化程度相反, 可知风机密度越大的区域水体ET的变化程度越大, 风机密度越小的区域水体ET的变化程度越小, 风机越密集的区域水体ET的均匀化程度越小, 风机密度越小的区域水体ET的均匀化程度越大。

　　3.2、 结果分析

　　3.2.1 、单个风机对ET的影响结果分析

　　在分析单个风机对水体ET的影响中, 本文得出在以风机为中心的200 m缓冲区之内, 风机的建设会使得周围区域的水体ET趋于均匀化。现有研究表明, ET主要受到太阳辐射、云量、气温、风速、相对湿度等气象因子的影响[15], 本文数据都选用5～6月份数据, 太阳辐射、云量和相对湿度的差别很小, 风电场内风速的变化很大程度上决定着风电场内ET的变化。在风力发电机运行过程中, 会吸收气流的能量, 从而使下游地区风速减小20～40%, 风机周围风速的大小关系是:上风向风速>下风向风速[16], 且在风电场的影响范围内, 风力发电机的转动使局地风速减小, 风速趋于均匀[17]。风电场的存在扰动大气边界层, 改变陆地的大气水热通量, 对局地气候产生影响[18]。在风力发电机运行过程中, 会吸收气流的能量, 从而使下游地区风速减小, 使得风电场内的风速趋于一致, 从而使得风力发电机周围区域的蒸散发量趋于均匀化。

　　另外, 本文研究结果表明, 风力发电机对其200 m缓冲区内的各风向水体ET均匀化程度不同, 下风向区域的均匀化程度最大, 旁风向区域的均匀化程度最小。李国庆研究得到风力发电机会加快地表ET且在下风区对ET的影响程度最大[19];徐荣会研究得到独立风电机对其附近位置的水面蒸发情况存在一定的影响, 这种影响主要表现在平行于风向的风机轴线方向上, 即迎风侧的蒸发量随着距离风电机距离的增加逐渐减小, 背风侧的水面蒸发量同样是随着距离风电机距离的增加而逐渐减小, 且背风侧减小更为明显[15]。两者均说明风力发电机对各风向水体ET均匀化程度不同, 且对下风向处的影响程度最大。独立风电机的影响主要表现在平行于风向的风机轴线方向上, 那么对旁风向区域的影响小于上下风向, 对旁风向处的影响程度最小。

　　3.2.2、 风电场对ET的整体影响结果分析

　　本文研究结果表明, 从整个风电场区域来看, 风机数量影响风电场对水体ET的均匀化程度, 且与均匀化程度呈负相关, 风机越密集均匀化程度越小、越稀疏, 均匀化程度就越大。Christiansen等利用合成孔径雷达研究了海上大型风电场对所在地区气候的影响, 结果表明, 通过风电场后的平均风速减小了8～9%, 尤其在风电场内部区域风速的减弱情况更为明显[20], 在风电场的影响范围内, 风力发电机的转动使局地风速减小, 风速趋于均匀[17]。在风电场中内部风速下降且趋于均匀, 使得风电场区域内水体ET区域均匀化。在一定规模的风电场中, 风机数量越多, 单个风机影响的范围就会重叠, 两个风机对周围环境的影响的作用力相遇, 气流之间的碰撞必然会使局地气候产生不稳定, 从而使得ET更不均匀。

　　4、 结论与讨论

　　本文的结论如下: (1) 在单个风机中, 风力发电机的建设对以风机为中心的200 m缓冲区内水体ET有均匀化作用, 并且对缓冲区内的各风向水体ET均匀化程度不同, 下风向区域水体ET的均匀化程度最大, 旁风向区域水体ET的均匀化程度最小。 (2) 在整个风电场区域内, 风机数量影响风电场对水体ET的均匀化程度, 且风机密度与均匀化程度呈负相关, 风机越密集均匀化程度越小, 越稀疏均匀化程度越大。

　　下面的一些因素使本文存在不确定性: (1) 受数据获取的限制, 本文只分析了5月份风电场对水体ET的影响, 然而月份和季节的不同, 致使近地表所接受的太阳辐射、温度以及风速等因素变化, 风电场对水体ET的影响还待进一步分析。 (2) 在探讨风电场对水体ET的整体影响中得到, 风机越密集的区域, 对200 m缓冲区之外的区域的ET影响更不均匀这个结论, 由于各种条件的限制, 并没有对其进行真实的统计。 (3) 风电场的建设对各风向水体ET的均匀化的影响, 还有待进一步的探讨。 (4) 水体的ET变化与环境的多种因素有关, 通常呈周期性变化, 因此时间跨度应较长。本文分析的水体ET所采集的数据时间并没有达到一个周期, 其结论具有阶段性的特点, 因此需要进行进一步研究。

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