張榮 陳正洪 孫朋杰

（1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖北分院，武漢 430074；2 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430070）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)不可再生能源的開采和消耗，越來越多的目光關(guān)注到風(fēng)能、太陽能等清潔、可再生的能源。風(fēng)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，2000年以來風(fēng)電占?xì)W洲新增裝機(jī)的30%，2007年以來風(fēng)電占美國新增裝機(jī)的33%[1]，美國還提出到2030年風(fēng)電用電量占比將提升至 20%。我國風(fēng)能利用經(jīng)歷了從趕跑者到領(lǐng)跑者的階段，從2004年的742 MW，到截至2017年底的195 GW，增長了263倍，一躍成為全球太陽能風(fēng)能裝機(jī)量最高的國家[2]。從風(fēng)能資源分布情況來看，我國風(fēng)能主要分布于“三北”地帶，隨著前期開發(fā)，資源豐富、地形簡單的區(qū)域越來越少，同時(shí)也由于三北地區(qū)限電現(xiàn)象嚴(yán)重，越來越多的注意力轉(zhuǎn)移到內(nèi)陸山區(qū)。近年來隨著低風(fēng)速高塔筒風(fēng)機(jī)技術(shù)、分布式風(fēng)電技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，大大拓展了風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用范圍與前景。風(fēng)資源相對豐富、地形復(fù)雜的山區(qū)已成為陸上風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn)[3]。

風(fēng)力發(fā)電在提供清潔能源的同時(shí)亦帶來了一定程度的水土流失和生態(tài)環(huán)境破壞問題[4]，特別是山地風(fēng)電場，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。水土流失是指由于自然或人為因素的影響、雨水不能就地消納、順勢下流、沖刷土壤，造成水分和土壤同時(shí)流失的現(xiàn)象。主要原因是地面坡度大、土地利用不當(dāng)、地面植被遭破壞、耕作技術(shù)不合理、土質(zhì)松散、濫伐森林、過度放牧等。水土流失的危害主要表現(xiàn)在：土壤耕作層被侵蝕、破壞，使土地肥力日趨衰竭；淤塞河流、渠道、水庫，降低水利工程效益，甚至導(dǎo)致水旱災(zāi)害發(fā)生，嚴(yán)重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；水土流失對山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及下游河道帶來嚴(yán)重威脅。風(fēng)電場內(nèi)工程由于開挖、填埋等作業(yè)頻繁，使原生地表的覆蓋物和土壤結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致土壤抗蝕性降低，而且恢復(fù)難度大[5]，為水土流失及相關(guān)災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展創(chuàng)造了條件。依據(jù)《中華人民共和國水土保持法》的規(guī)定，在風(fēng)電場建設(shè)過程中，水土保持方案應(yīng)當(dāng)與工程同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投產(chǎn)，遵循“三同時(shí)”制度。但在實(shí)際工作中，有的風(fēng)電場追求盡早并網(wǎng)發(fā)電，并未遵循這一制度，造成風(fēng)電場水土大量流失及生態(tài)破壞。

因此采取合理的水土保持措施，有效防治水土流失是十分有必要的，可保障風(fēng)電場健康、穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展[6-8]。本文對山區(qū)風(fēng)電場水土流失這一研究領(lǐng)域進(jìn)行較為全面總結(jié)，從山區(qū)風(fēng)電場水土流失的特點(diǎn)、影響風(fēng)電場水土流失關(guān)鍵問題分析兩方面入手對文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，意在探索該領(lǐng)域下一步的研究方向，指導(dǎo)科學(xué)、合理地開發(fā)山區(qū)風(fēng)能資源。

1 山區(qū)風(fēng)電場水土流失特點(diǎn)

在山地風(fēng)電場建設(shè)期間，由于場內(nèi)道路、升壓站建設(shè)等活動(dòng)頻繁[9-10]，使地表土壤原來生長的植被遭受破壞，沙土、石塊裸露，改變了土壤的理化性質(zhì)，使得土地原有的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞，在強(qiáng)降雨、大風(fēng)等作用下水土流失急劇增加?？傮w來說，山區(qū)風(fēng)電場水土流失有以下特點(diǎn)。

1.1 擾動(dòng)多樣性

在擾動(dòng)方式方面，根據(jù)工程特點(diǎn)，山區(qū)風(fēng)電場工程范圍內(nèi)，容易破壞原有地貌引發(fā)水土流失的部分有道路工程、發(fā)電機(jī)組區(qū)、升壓站、輸電線路等[11-12]。陳俊松等[13]統(tǒng)計(jì)了云南某山地風(fēng)電場項(xiàng)目水土保持分區(qū)面積及所占比例（表1），其中，以風(fēng)電場進(jìn)場及場內(nèi)道路占地面積最大，其破壞原有地貌也最多，其次為棄渣場區(qū)和風(fēng)機(jī)機(jī)組區(qū)。

王蔚[14]以湖南九澤水風(fēng)電場為例，分析了施工期間各區(qū)域水土流失量（表2）。場內(nèi)交通設(shè)施導(dǎo)致水土流失量最多，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及棄渣場區(qū)導(dǎo)致水土流失也占比較多。

表2 湖南九澤水風(fēng)電項(xiàng)目施工期水土流失量分析 Table 2 Analysis of soil and water Loss during the construction period of Jiuze Water Wind Power Project in Hunan

孟憲華[15]以遼寧省康平縣大富山風(fēng)電場為例，分析了項(xiàng)目工程占地及影響區(qū)域（表3）。

表3 遼寧省康平縣大富山風(fēng)電場工程影響區(qū)面積 Table 3 Area affected by Dafushan Wind Field Project, Kangping County, Liaoning Province

尹武君等[16]以四川西南部某山區(qū)風(fēng)電場為例，預(yù)測水土流失最多的是檢修、施工道路占地及影響區(qū)，其次是吊裝場地（發(fā)電機(jī)組區(qū)域）。

因此，山地風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)水土流失以道路工程、發(fā)電機(jī)組區(qū)挖、填等擾動(dòng)作業(yè)頻繁為主，是水土流失防治的重點(diǎn)地段。集電線路、升壓站和臨時(shí)生活區(qū)地區(qū)擾動(dòng)作業(yè)范圍及頻次較小，為水土流失防治的次重要地段。

1.2 時(shí)空分布不均性

在空間上，由于具備高質(zhì)量的風(fēng)能資源是風(fēng)電建設(shè)場地最基本的條件，一般也只有在山脊及山脊線兩側(cè)才能滿足要求，一般沿山脊線進(jìn)行布置，所開發(fā)的風(fēng)電場區(qū)域所占用的土地一般不是完整的一個(gè)坡面或者山頭，占地面積大[17]，具有地域不完整性，由施工造成的水土流失在空間上分布不均?？傮w來說，在風(fēng)機(jī)布設(shè)的山脊及進(jìn)場道路兩側(cè)水土流失嚴(yán)重，山谷等地較輕。

在時(shí)間方面，風(fēng)電場建設(shè)引起的水土流失主要發(fā)生在工程建設(shè)施工期[18-19]。施工期所造成的水土流失具有突發(fā)性，在整個(gè)流失過程中水土流失有時(shí)輕微，有時(shí)非常劇烈[20]。水土流失劇烈階段主要發(fā)生在每年中的降雨集中期[21]。特別是處于我國亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的南方丘陵山區(qū)，年平均降雨量大，雨季集中。時(shí)段集中、強(qiáng)度大的降雨是造成水土流失的主要驅(qū)動(dòng)因子[22]。孟憲華[15]通過在風(fēng)電場布設(shè)固定和臨時(shí)監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行水土流失監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示侵蝕量較大的時(shí)段為每年的5—9月，此段為該地區(qū)的主要降雨時(shí)段，降雨沖刷下墊面，極易產(chǎn)生水土流失。劉強(qiáng)[23]通過測釬法與降塵缸法對五凌鄯善風(fēng)電場進(jìn)行了5個(gè)月（2014年3—8月）的水土流失強(qiáng)度侵蝕監(jiān)測。經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測區(qū)水土流失狀況與原地貌相比，有較明顯的變化，反映出施工過程擾動(dòng)、破壞了原來地表結(jié)構(gòu)，增加了水土流失量，水土流失在各月呈現(xiàn)明顯的變化不均的特征（圖1）。

圖1 風(fēng)力侵蝕深度月變化[23] Fig. 1 Monthly variation in wind erosion depth[23]

由于風(fēng)電工程建設(shè)工期短，水土流失形成快[24]，主要流失時(shí)段主要集中在施工期[25]。以云南大理某風(fēng)電場水土保持監(jiān)測結(jié)果來看[26]，整個(gè)項(xiàng)目的監(jiān)測時(shí)段為準(zhǔn)備期1個(gè)月，施工期1年，自然恢復(fù)期1年。監(jiān)測結(jié)果顯示，項(xiàng)目在整個(gè)建設(shè)過程中施工準(zhǔn)備期、施工期、自然恢復(fù)期，分別占到總水土流失量的比例為6.84%、83.96%、9.18%。魏宏[27]通過將風(fēng)電場劃分為6個(gè)預(yù)測單元，預(yù)測了施工期及自然恢復(fù)期可能造成的水土流失面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施工期新增水土流失量占新增總量的 55.22%。因此，施工期產(chǎn)生的水土流失量大，是產(chǎn)生水土流失的重點(diǎn)時(shí)期，必須做好水流失防治工作。

2 影響風(fēng)電場水土流失關(guān)鍵問題分析

2.1 降雨的影響

2.1.1 降水對邊坡穩(wěn)定性影響

受風(fēng)電場交通設(shè)施及風(fēng)電機(jī)組開挖的影響，原有邊坡地貌被部分或完全改變。受邊坡的植被完整性性、工程地質(zhì)條件、巖土體性質(zhì)、偶發(fā)的地震、周期性的降雨過程、地表水匯集和已有加固措施等因素的綜合影響[28]，邊坡變形的發(fā)展會(huì)變的非常復(fù)雜。

賈洪彪等[29]研究了非飽和邊坡在降雨作用下的穩(wěn)定性。在短期強(qiáng)降水情況下，設(shè)計(jì)降水歷時(shí)2 d，計(jì)算時(shí)長7 d，降水強(qiáng)度分別為40、60、100 mm/d。各種工況均為0～2 d 為降水時(shí)間，3～7 d 為無雨?duì)顟B(tài)，短期降水作用后滑坡穩(wěn)定性變化情況如圖2所示。

圖2 短期降水作用后滑坡穩(wěn)定性變化情況[29] Fig. 2 Changes of landslide stability after short-term precipitation[29]

持續(xù)性降水情況下，分別設(shè)置20、40、60、80、100 mm/d 共5 種降水強(qiáng)度，降水時(shí)長均為5 d，滑坡穩(wěn)定性變化情況如圖3所示。

研究表明，降水時(shí)長為2 d時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在降水期間急劇下降，降水后經(jīng)歷波動(dòng)調(diào)整，最后以每天約0.01的趨勢上升；降水持續(xù)時(shí)間為5 d時(shí)，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在降水后期下降速度變緩甚至保持平穩(wěn)狀態(tài)。

顏斌等[30]研究了黃土邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性。研究表明邊坡的變形破壞與降水存在密切聯(lián)系，降水入滲作用促進(jìn)了邊坡變形破壞向不利的一面發(fā)展。以銅川市為例，該區(qū)滑坡、崩塌發(fā)生頻率與降水周期對應(yīng)（圖4）。

圖4 銅川市區(qū)滑坡頻率與降水關(guān)系[30] Fig. 4 Relationship between landslide frequency and precipitation in Tongchuan city[30]

邊坡安全系數(shù)K與土體含水量的關(guān)系如圖5所示，安全系數(shù)K值隨含水量增大而減小。

圖5 坡體含水量與安全系數(shù)關(guān)系圖[30] Fig. 5 Relationship between slope water content and safety factor[30]

劉世波[31]從兩個(gè)階段討論了降水過程對邊坡穩(wěn)定性的影響：第一階段，降水影響的主要是上層一定深度的土體，對邊坡穩(wěn)定性的影響主要是孔隙水壓力的變化。在此階段降水對邊坡下滑力以及抗剪強(qiáng)度影響是有限的。第二階段是在持續(xù)降水條件下，經(jīng)歷時(shí)間長，滲流不斷發(fā)展，對邊坡內(nèi)部巖土體產(chǎn)生較大影響。降水入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響主要集中在此階段。

2.1.2 降水對土壤侵蝕的影響

通過前面定性的分析得知，降雨是引發(fā)風(fēng)電場水土流失的關(guān)鍵因子。至于降雨與土壤侵蝕程度之間的具體關(guān)系，需要進(jìn)行定量分析。降雨侵蝕力是由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，也是表征降雨與徑流對土壤侵蝕的影響，主要受雨量、雨強(qiáng)、雨型、降雨歷時(shí)及頻率的影響[32]。研究并計(jì)算降雨侵蝕力，準(zhǔn)確評估降雨對土壤侵蝕的影響，對風(fēng)電場水土流失防治具有重要意義。

在降雨侵蝕力指標(biāo)及模型建立方面，國外開展這方面研究較早。Wischmeier[33]提出將次降雨總能量（E）與該次降雨I30min（最大30 min雨強(qiáng)）的乘積R=EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)；用Brown等[34]建立了降雨侵蝕力公式，是一個(gè)冪函數(shù)公式，函數(shù)連續(xù)性好，物理意義明確。Richardson等[35]利用日降水資料建立了日降雨模型，使得計(jì)算更為精確。

降雨侵蝕力計(jì)算模型也得到我國眾多學(xué)者的驗(yàn)證。由于不同學(xué)者獲取的降雨資料不同，許多學(xué)者在實(shí)際應(yīng)用中對此模型進(jìn)行了改進(jìn)（表4）。

已有的模型中，大多以降雨量12 mm為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)[53-55]。但是，區(qū)域降雨侵蝕力模型的選擇或確定需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣鳌⒔邓卣?、水土保持措施等進(jìn)一步的深入研究后確定。

2.2 風(fēng)電場水土流失強(qiáng)度預(yù)測

2.2.1 水土流失預(yù)測單元?jiǎng)澐?/p>

根據(jù)風(fēng)電場建設(shè)過程中不同功能區(qū)域，分為堆墊面（土質(zhì)低堆墊面、土質(zhì)高堆墊面）、開挖面（土質(zhì)開挖面）、平臺(tái)（升壓站場地、道路路面）建設(shè)[16,56]。依照同一擾動(dòng)類型的流失特點(diǎn)和流失強(qiáng)度基本一致、不同擾動(dòng)類型的流失特點(diǎn)和流失強(qiáng)度明顯不同的原則，有的研究人員在進(jìn)行風(fēng)電場水土流失強(qiáng)度預(yù)測時(shí)，分為4個(gè)預(yù)測單元進(jìn)行：風(fēng)機(jī)場地區(qū)、升壓站區(qū)、施工道路及直埋電纜用地區(qū)、施工及安裝場地區(qū)[57-58]。有的學(xué)者將預(yù)測單元?jiǎng)澐譃?個(gè)：施工道路、主廠區(qū)、風(fēng)機(jī)區(qū)、施工生活區(qū)、棄渣區(qū)[59-61]。也有的學(xué)者將預(yù)測單元?jiǎng)澐譃?個(gè)，即升壓變電站、風(fēng)機(jī)及箱式變壓器、集電線路、道路工程、供電線路及施工生產(chǎn)生活區(qū)[27]。

2.2.3 水土流失強(qiáng)度預(yù)測

風(fēng)電場水土流失與環(huán)境條件密切相關(guān)。許多學(xué)者從影響水土流失的氣象因子、植被因子及地形因子進(jìn)行了研究分析。氣象因子方面，主要研究包括，前文提到的利用降雨資料計(jì)算并分析了區(qū)域范圍內(nèi)降雨侵蝕力的情況；用水文數(shù)據(jù)分析了相關(guān)區(qū)域水沙時(shí)空變化特征[62-63]；用降水資料分析了不同坡度、土地利用模式和降水變化的水土流失分異[64]。植被因子是影響水土流失的主要因子。許多水土流失預(yù)測模型中，植被因子是其關(guān)鍵參數(shù)[65-66]。在水土保持的研究中，Linda等[67]、Jain等[68]、鐘紅平等[69]、郭金停等[70]等采用NDVI指數(shù)作為植被因子指數(shù)。地形因子方面，已有的研究基本采用了兩種定量評價(jià)區(qū)域尺度土壤侵蝕的指標(biāo)。一種根據(jù)侵蝕地貌學(xué)理論擬訂替代指標(biāo)[71]，間接表示坡度的陡緩。二是對基于DEM提取的坡度進(jìn)行變換，能更為精確的反映地形的起伏情況。

表4 部分學(xué)者提出的降雨侵蝕力計(jì)算模型 Table 4 Calculation model of rainfall erosion force proposed by some scholars

對于風(fēng)電工程中造成的水土流失量計(jì)算及預(yù)測，普遍參照《水土保持綜合治理—效益計(jì)算方法》（GB/T 15774-2008）[72]。結(jié)合規(guī)定，掌握的工程建設(shè)對地表、植被的擾動(dòng)情況，廢棄物的組成、堆放位置和形式等情況[73]，采用類比法結(jié)合數(shù)學(xué)模型法預(yù)測造成的水土流失量。

風(fēng)電場不同區(qū)域水土流失量可按下面的公式計(jì)算[74-75]：

新增土壤流失量按下式計(jì)算：

式中，W為擾動(dòng)地表土壤流失量；ΔW為擾動(dòng)地表新增土壤流失量；n為預(yù)測單元，1,2,3,…,n；k為預(yù)測時(shí)段（1表示施工準(zhǔn)備期，2表示施工期，3表示自然恢復(fù)期）；Fi為第i個(gè)預(yù)測單元的面積（km2）；Mik為擾動(dòng)后不同預(yù)測單元不同時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)（t/(km2·a)）；ΔMik為不同單元各時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)（t/(km2·a)）；Mi0為擾動(dòng)前不同預(yù)測單元不同時(shí)段的土壤侵蝕模數(shù)（t/(km2·a)）；Tik為預(yù)測時(shí)段。

通過對風(fēng)電場水土流失量的預(yù)測，對建設(shè)過程中可能產(chǎn)生的水土流失及危害，對治理的重點(diǎn)防治時(shí)段、防治措施、水土保持監(jiān)測等提供依據(jù)，采取有效地治理措施，減少水土流失。

2.2.2 土壤侵蝕模數(shù)的確定

作為風(fēng)電場水土流失強(qiáng)度預(yù)測公式的重要因子，需要對風(fēng)電場區(qū)域擾動(dòng)前后的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行確定。土壤侵蝕模數(shù)是指單位時(shí)段內(nèi)單位水平投影面積上的土壤侵蝕總量。土壤侵蝕模數(shù)包括施工擾動(dòng)前（原生）土壤侵蝕模數(shù)、施工過程中的土壤侵蝕模數(shù)和施工擾動(dòng)后（恢復(fù)期）土壤侵蝕模數(shù)[56]。

對施工擾動(dòng)前土壤侵蝕模數(shù)的確定，多是根據(jù)對研究區(qū)水土保持規(guī)劃、水土流失現(xiàn)狀等資料，以及對開發(fā)區(qū)域內(nèi)未受干擾區(qū)域水土流失情況的調(diào)查，按照《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）[76]風(fēng)蝕強(qiáng)度分級(jí)表，確定各預(yù)測單元施工前的原始土壤侵蝕強(qiáng)度，獲得各區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)本底值。工程建設(shè)期和擾動(dòng)后土壤侵蝕模數(shù)采用類比工程法確定土壤模數(shù)。

也有學(xué)者通過對土壤流失量進(jìn)行直接監(jiān)測，獲得更為精確的土壤侵蝕模數(shù)。王文濤[77]通過測釬法在風(fēng)電場各區(qū)域內(nèi)按原地貌、施工期、擾動(dòng)后布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測土壤流失量；王繼增等[78]在開發(fā)項(xiàng)目中綜合采用了標(biāo)樁法、徑流小區(qū)法、侵蝕溝量測法、人工模擬降雨法對施工過程中的不同單元的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測。歐陽力等[79]針對不同擾動(dòng)單元的流失特點(diǎn)，對不同地表擾動(dòng)類型，分別采用標(biāo)樁法、侵蝕溝樣方測量法、簡易徑流小區(qū)法以及人工模擬降雨方法進(jìn)行多點(diǎn)位、多頻次的監(jiān)測，經(jīng)綜合分析得出不同擾動(dòng)類型的侵蝕強(qiáng)度；王利軍[80]通過溝槽法、測釬法測量了內(nèi)蒙古某風(fēng)電場的土壤侵蝕模數(shù)。

3 結(jié)論與討論

本文回顧了山區(qū)風(fēng)電場水土流失特點(diǎn)、影響風(fēng)電場水土流失關(guān)鍵因子等方面的相關(guān)研究成果，并對其進(jìn)行了總結(jié)，主要結(jié)論如下：

1）山區(qū)風(fēng)電場水土流失具有地域不完整性及擾動(dòng)多樣性的特點(diǎn)，道路施工區(qū)、風(fēng)電機(jī)組建設(shè)區(qū)是水土流失的重點(diǎn)區(qū)域；水土流失呈現(xiàn)時(shí)空分布不均性特點(diǎn)，水土流失時(shí)段主要集中在施工期，且水土流失劇烈階段主要發(fā)生在每年中的降雨集中期

2）降雨是影響風(fēng)電場水土流失的最關(guān)鍵因子，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)在降水期間急劇下降，降水入滲作用促進(jìn)了邊坡變形破壞向不利的一面發(fā)展，容易引起水土流失及邊坡不穩(wěn)；降雨侵蝕力指標(biāo)與降雨量及雨強(qiáng)有關(guān)，按照獲取氣象資料的不同，目前主要采用月降雨量及日降雨量來分別估算降雨侵蝕力

3）在進(jìn)行山區(qū)風(fēng)電場水土流失強(qiáng)度預(yù)測時(shí)，將整個(gè)預(yù)測區(qū)域劃分為4～6個(gè)單元，確定各預(yù)測單元工程擾動(dòng)前、施工期、擾動(dòng)后的土壤侵蝕模數(shù)，采用類比法結(jié)合數(shù)學(xué)模型法預(yù)測造成的水土流失量。

由于內(nèi)陸風(fēng)電場大部建在山區(qū)，而山區(qū)氣候復(fù)雜多變，局地小氣候特征明顯。降雨、氣溫等氣象因子不具有規(guī)律性，需要綜合考慮氣象、地理、土壤、植被等多種因素，開展風(fēng)電場水土流失風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃，科學(xué)、合理的開發(fā)山區(qū)風(fēng)能資源。