文 | 王聰，任會(huì)來(lái)，張曉東

復(fù)雜地形拼合地形圖對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速推算的影響

文 | 王聰，任會(huì)來(lái)，張曉東

隨著大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的不斷上馬，平坦地形場(chǎng)址資源開(kāi)發(fā)殆盡，復(fù)雜地形場(chǎng)址的利用迫在眉睫。我國(guó)幅員遼闊，地形多樣，很多省份地處山地和丘陵地帶，同平坦地形相比，復(fù)雜地形（如山地）風(fēng)電場(chǎng)往往具有更好的風(fēng)能資源和更廣闊的開(kāi)發(fā)空間。

風(fēng)電場(chǎng)前期評(píng)估對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、運(yùn)行有著非常重要的意義，而地形圖的精度又直接影響前期評(píng)估的準(zhǔn)確性，還可以如實(shí)反映出場(chǎng)址的細(xì)節(jié)特點(diǎn)，因此地形圖的精確性十分重要。

在風(fēng)能資源評(píng)估過(guò)程中，按照可研編制規(guī)范的要求，需要收集風(fēng)電場(chǎng)邊界及其外延10km范圍內(nèi)的1:50000地形圖、風(fēng)電場(chǎng)邊界及其外延1km－2km范圍內(nèi)的1:10000地形圖或1:5000地形圖，盡量收集風(fēng)電場(chǎng)范圍內(nèi)1:2000地形圖。由于1:50000和1:10000地形圖一般的測(cè)繪時(shí)間都相對(duì)較早，無(wú)法反應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)及其周邊的地形、地貌的真實(shí)情況，而1：2000地形圖的測(cè)繪費(fèi)用較高，制作周期也長(zhǎng)。因此，目前在風(fēng)電場(chǎng)前期評(píng)估中，為了提升評(píng)估精度，對(duì)于能夠取得風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)實(shí)測(cè)1:2000地形圖的項(xiàng)目，多采用實(shí)測(cè)1:2000地形圖與1:50000或是1:10000地圖拼合的形式。這樣既可以提高對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建模影響最大的場(chǎng)內(nèi)地形的精度，又能節(jié)省資金。但是拼合的地形圖也有一定的缺點(diǎn)，比如拼合邊界部分過(guò)度劇烈，對(duì)流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

本文將使用主流的風(fēng)能資源計(jì)算軟件WT和WindSim，選取國(guó)內(nèi)某復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)為例，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析兩種地形：1:50000地形圖和拼合地形圖對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響。

場(chǎng)區(qū)描述

如圖1所示，場(chǎng)區(qū)內(nèi)最高海拔346m，山體大致為南北走向，地形起伏較為明顯。屬于典型的丘陵地帶，地形較為復(fù)雜。場(chǎng)區(qū)內(nèi)多以林地為主，在進(jìn)行兩種地形圖計(jì)算時(shí)，粗糙度采用相同的設(shè)置。1號(hào)機(jī)位于拼合地形圖中1:2000地形圖外部。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)有33臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，1座測(cè)風(fēng)塔，其中測(cè)風(fēng)塔位于場(chǎng)內(nèi)偏東方向。拼合地形呈長(zhǎng)條狀，東西長(zhǎng)（16km與主風(fēng)向平行），南北窄（最窄處600m）。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)主風(fēng)向不明顯，風(fēng)向位于東部扇區(qū)較多。

風(fēng)速分析

一、風(fēng)速結(jié)果

圖3為兩種地形下，WT與WindSim計(jì)算出來(lái)的各機(jī)位點(diǎn)的平均風(fēng)速。

從圖3可以看出，在不同地形圖下，風(fēng)速總體變化較

小，但仍有區(qū)別，兩款軟件都捕捉到了02號(hào)、03號(hào)，12號(hào)－15號(hào)，23號(hào)－29號(hào)等機(jī)組點(diǎn)位處的風(fēng)速變化，只不過(guò)在大小上略有不同。1號(hào)機(jī)組位于拼合地形圖中1:2000圖區(qū)域以外，平均速度本不應(yīng)該變化，但是由于測(cè)風(fēng)塔位于拼合地形圖中1:2000圖區(qū)域中，因此，測(cè)風(fēng)塔在兩種地形中的差別導(dǎo)致了1號(hào)機(jī)組風(fēng)速的微小變化。

將風(fēng)速變化超過(guò)0.1m/s的機(jī)組點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)，如表1所示，兩款軟件都捕捉到了08號(hào)、12號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、23號(hào)五個(gè)點(diǎn)位風(fēng)速變化過(guò)大，這說(shuō)明不是偶然情況。

這五個(gè)點(diǎn)位拼合前后的垂直高度差在所有機(jī)位中處于中下游水平，但是風(fēng)速變化卻很大，這主要是因?yàn)榈匦巫兓瘜?dǎo)致，但是準(zhǔn)確的地形變化我們無(wú)從得知，只能在地圖上捕捉到部分變化明顯的機(jī)位。如圖4所示，12號(hào)、13號(hào)機(jī)位極為靠近拼合地形的邊緣（100m），所以，可以判斷是邊緣地形的突變導(dǎo)致了風(fēng)速的變化。

因此，地形拼合邊緣處的風(fēng)電機(jī)組，有可能受到地形突變的影響而導(dǎo)致風(fēng)速變化。

表1 風(fēng)速差距較大機(jī)位

二、高度與風(fēng)速

如圖5所示，除13號(hào)機(jī)位外，所有風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位的垂直高度均有不同程度的增加，這是因?yàn)樵匦螆D為1:50000

地形圖，分辨率為90m，因此在一定程度上平滑了山體的變化，而1：2000圖的嵌入使得場(chǎng)內(nèi)地形變化更貼合實(shí)際，使得山體高度增加，山谷高度減小。絕大部分風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位又位于山頂區(qū)域，因此，除13號(hào)機(jī)組點(diǎn)位外，所有機(jī)組點(diǎn)位的垂直高度均有不同程度的增加。

我們將兩種地形垂直高度變化和風(fēng)速變化聯(lián)系起來(lái)，得到圖5的結(jié)果，可以看出，在垂直高度變化的過(guò)程中，風(fēng)速也有相應(yīng)的變化。WT在2號(hào)－7號(hào)，10號(hào)－23號(hào)等風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位處，曲線匹配非常好，趨勢(shì)極為相近；在08號(hào)、29號(hào)－33號(hào)點(diǎn)位處曲線差距較大，趨勢(shì)相近；其他點(diǎn)位處曲線匹配和趨勢(shì)都有較好的相關(guān)性。WindSim在曲線匹配和趨上都表現(xiàn)的比WT結(jié)果要差一些。

地形的拼合同樣導(dǎo)致了地形陡峭程度的變化，如圖6所示，拼合地形的陡峭程度均高于原地形，這也側(cè)面證明了拼合地形的機(jī)位垂直高度均有所提升。兩條曲線相關(guān)性良好，其相關(guān)值為0.81。

由以上分析可以看出，地形的拼合使場(chǎng)內(nèi)地形發(fā)生了變化，陡峭程度，垂直方向高度也隨之增加，引起了平均風(fēng)速的變化，垂直高度變化與風(fēng)速變化有一定的相關(guān)性。

三、兩軟件對(duì)比

圖7為拼合地形中，兩款軟件的計(jì)算風(fēng)速。可以看出，他們?cè)谠S多點(diǎn)位數(shù)值相近，但是在23號(hào)－26，28號(hào)－33號(hào)點(diǎn)位上，風(fēng)速差距較大。

這是由于WT和WindSim兩種軟件分別使用單方程和雙方程湍流模型，并且在求解參數(shù)以及垂直網(wǎng)格劃分上都有不同，所以結(jié)果也有差異，這里不做具體分析。

其他參數(shù)分析

一、入流角分析

同樣由于地形的變化，風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位處的入流角也均高于原地形，圖8為拼合地形下，兩軟件入流角的對(duì)比。由于兩軟件之間模型和參數(shù)存在很多區(qū)別，因此在這里只討論各自的趨勢(shì)和數(shù)值，不直接做橫向比較。

將入流角按由大到小順序排列進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩軟件都捕捉到了30號(hào)、28號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、11號(hào)點(diǎn)位的較大入流角。

由以上分析可以看出，地形的拼合使機(jī)位點(diǎn)的入流角發(fā)生了變化，同時(shí)導(dǎo)致了部分機(jī)位的入流角過(guò)大，而入流角的變化直接影響風(fēng)電機(jī)組的使用壽命，因此，在拼合地形下，入流角參數(shù)的變化應(yīng)該予以重視。

二、風(fēng)廓線分析

由圖5所示的高度差和圖6所示的陡峭指數(shù)可以看出，所有風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位的周邊地形均發(fā)生了不同程度的變化，這勢(shì)必導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位處的風(fēng)廓線發(fā)生變化。

根據(jù)風(fēng)向玫瑰圖，我們選出了22.5°、112.5°和135°三個(gè)風(fēng)頻較高的方向，對(duì)隨機(jī)抽取的11號(hào)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)廓線進(jìn)行觀察，如圖9所示，三個(gè)方向的風(fēng)廓線均發(fā)生改變，其中22.5°方向改變較大；112.5°和135°方向由于山頂?shù)募铀傩?yīng)提高了近地層的風(fēng)速，因此風(fēng)廓線出現(xiàn)了負(fù)切變現(xiàn)象。

由以上分析可以看出，地形的拼合使場(chǎng)內(nèi)機(jī)位的風(fēng)廓線發(fā)生了變化，因此導(dǎo)致了部分機(jī)位的切變也發(fā)生相應(yīng)的變化，而切變對(duì)風(fēng)電機(jī)組的使用壽命有一定的影響，因此，在拼合地形下，風(fēng)電機(jī)組點(diǎn)位處風(fēng)廓線的變化應(yīng)該予以重視。

表2 入流角差距較大機(jī)位

結(jié)論

拼合地形圖的使用，導(dǎo)致了計(jì)算過(guò)程中場(chǎng)內(nèi)地形的改變，因此會(huì)導(dǎo)致部分情況發(fā)生：

（一）使用拼合后的地形圖，機(jī)位點(diǎn)垂直方向高度普遍增加，同時(shí)陡峭指數(shù)（RIX）也隨之增加。

（二）使用拼合后的地形圖，拼合邊緣處的風(fēng)電機(jī)組，有可能受到地形突變的影響而導(dǎo)致風(fēng)速變化，高度變化與風(fēng)速變化有一定的關(guān)系。

（三）使用拼合后的地形圖，部分點(diǎn)位的入流角以及風(fēng)廓線發(fā)生了不同程度的變化，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行壽命有一定影響，因此應(yīng)予以重視。

（四）使用拼合后的地形圖，能夠更真實(shí)反映風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)地形的情況，從而在一定程度上提高風(fēng)電項(xiàng)目評(píng)估的精度。

以上使用拼合后的地形圖所發(fā)生的變化，將直接影響微觀選址的結(jié)果，從而在一定程度上影響風(fēng)電項(xiàng)目評(píng)估的精度。

（作者單位：王聰：龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司；任會(huì)來(lái)，張曉東：華北電力大學(xué)）