仲 煒，葛 瑩，張 杰，王 沖，周靖斐，肖勝昌

（1. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2. 中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán) 昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

0 引 言

風(fēng)電場(chǎng)選址包括宏觀選址與微觀選址。宏觀選址是對(duì)一個(gè)較大地區(qū)的風(fēng)能、地形等條件進(jìn)行考察，篩選出風(fēng)能資源豐富的小區(qū)域的過(guò)程。微觀選址是在宏觀選址的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化布置，使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的過(guò)程[1]。然而，在高海拔山區(qū)，由于復(fù)雜地形的影響，各處的風(fēng)速有所不同，利用現(xiàn)有的風(fēng)電場(chǎng)選址軟件進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估存在一定困難，此時(shí)的選址結(jié)果基本不可靠[2]。因此，亟需對(duì)高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址方法開(kāi)展研究。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)選址做了大量的研究[3-7]。鄧院昌通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)位置進(jìn)行分析，認(rèn)為地形在宏觀選址中起著重要的作用[8]。王娟敏提出了一種基于GIS的風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址方法，利用GIS空間分析工具將地形因子疊加運(yùn)算，找出風(fēng)電場(chǎng)適宜區(qū)域。但由于對(duì)各地形因子只是簡(jiǎn)單疊加，其宏觀選址結(jié)果的合理性還存在一些問(wèn)題[9]。白紹桐以沿海城市的風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為例，考慮建筑物分布、土地性質(zhì)的影響，提出按盛行風(fēng)向不變時(shí)的風(fēng)機(jī)排列方式對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行布置[10]。洪祖蘭根據(jù)云南風(fēng)電場(chǎng)選址的實(shí)際情況，建議在高度適中的迎風(fēng)向山脊地區(qū)，根據(jù)山脊的寬度選擇單排或多排布置風(fēng)電機(jī)組[11]。吳培華根據(jù)國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)特點(diǎn)，認(rèn)為復(fù)雜地形下風(fēng)電場(chǎng)微觀選址需要考慮地形特征，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該順著山脊的走勢(shì)布置[12]。李良縣在對(duì)復(fù)雜山區(qū)風(fēng)機(jī)位置進(jìn)行分析后認(rèn)為，高海拔山區(qū)山脊、山頂點(diǎn)上的風(fēng)速、風(fēng)功率密度較高，適宜布置風(fēng)電機(jī)組[13]。

上述研究指明了在地形復(fù)雜的山區(qū)，以山脊、山頂點(diǎn)作為布置風(fēng)電機(jī)組的位置，提供了復(fù)雜地形下風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的理論依據(jù)，但并未指出如何智能、快速地獲取山脊線、山頂點(diǎn)。本文提出一種顧及地形的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址方法，在GIS環(huán)境下，利用SRTM DEM地形數(shù)據(jù)和風(fēng)能資源數(shù)據(jù)，自編python程序?qū)ρ芯繀^(qū)域進(jìn)行風(fēng)能資源評(píng)估，通過(guò)山脊線、山頂點(diǎn)的自動(dòng)、快速提取，改變了傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址中依靠人工判斷山脊線、山頂點(diǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)了高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址的智能布機(jī)。

本文第一部分總結(jié)了目前復(fù)雜地形以及高海拔山區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址方法；第二部分介紹了基于GIS空間分析的高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址方法，并在第三、四部分通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)例對(duì)該方法的合理性和可靠性進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 風(fēng)電場(chǎng)微觀選址規(guī)劃過(guò)程及理論依據(jù)

復(fù)雜地形下風(fēng)電場(chǎng)微觀選址需考慮地形條件的影響。首先計(jì)算擬建風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)的風(fēng)能資源，篩選出風(fēng)能資源豐富的區(qū)域；根據(jù)地形條件確定適合布置風(fēng)電機(jī)組的地形位置，要求坡度較緩；在實(shí)際地形上布置風(fēng)機(jī)，一般主風(fēng)向上為5～9倍風(fēng)機(jī)直徑，垂直主風(fēng)向上為3～5倍風(fēng)機(jī)直徑；計(jì)算發(fā)電量及湍流強(qiáng)度、尾流損失等的影響，比較不同方案，選擇最佳的風(fēng)機(jī)間距布置風(fēng)機(jī)[14]。

高海拔山區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址需結(jié)合地形特征進(jìn)行規(guī)劃。在高海拔山區(qū)，有的僅能在可放置風(fēng)機(jī)的位置上布置風(fēng)機(jī)；有的地方有山谷、山丘等地形組合，風(fēng)機(jī)布置受多種因素的綜合影響[15]；當(dāng)擬建風(fēng)電場(chǎng)位于山脊地區(qū)時(shí)，就順著山脊線的走勢(shì)，選取山脊線上的山頂點(diǎn)位置布置風(fēng)機(jī)。選擇山脊位置布置風(fēng)電機(jī)組有其理論依據(jù)。根據(jù)伯努利效應(yīng)，當(dāng)氣流通過(guò)山脊時(shí)，氣流會(huì)被壓縮而產(chǎn)生加速，當(dāng)山脊走向與風(fēng)向垂直時(shí)，過(guò)山脊時(shí)風(fēng)速約為山脊前風(fēng)速的兩倍，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)功率密度的關(guān)系，風(fēng)功率密度變?yōu)樯郊骨暗?倍，因此在地形復(fù)雜的山區(qū)常把山脊作為布置風(fēng)電機(jī)組的首選位置[11]。

2 基于GlS空間分析的風(fēng)電場(chǎng)智能微觀選址方法

本文按研究?jī)?nèi)容將技術(shù)路線分為4個(gè)部分：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、風(fēng)能資源評(píng)估、提取山脊線及山頂點(diǎn)、確定風(fēng)機(jī)布置方式。首先編寫python程序?qū)M建風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)功率密度文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，利用GIS軟件篩選出風(fēng)能資源豐富的區(qū)域；然后在GIS環(huán)境下編寫程序自動(dòng)提取擬建風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)的山脊線和山頂點(diǎn)；最后在風(fēng)能資源豐富的區(qū)域沿著山脊線和山頂點(diǎn)布置風(fēng)機(jī)，提供初步的高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址方案。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于GIS的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址技術(shù)路線Fig.1 Technical route of GIS based wind farm micro-site selection

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

從地理空間數(shù)據(jù)云下載擬建風(fēng)電場(chǎng)地區(qū)90m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)；準(zhǔn)備整個(gè)擬建地區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)功率密度的風(fēng)能資源文本數(shù)據(jù)。

2.2 風(fēng)能資源評(píng)估

高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址首先要考慮擬建地區(qū)的風(fēng)能資源狀況。利用python程序?qū)@取的測(cè)風(fēng)點(diǎn)位、風(fēng)速、風(fēng)功率密度的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，在GIS軟件中對(duì)風(fēng)速、風(fēng)功率密度柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，找出風(fēng)速、風(fēng)功率密度值較高的風(fēng)能資源豐富地區(qū)，將這些地區(qū)作為布置風(fēng)電機(jī)組的候選區(qū)域。

2.3 山脊線和山頂點(diǎn)提取

山脊線的提取主要根據(jù)GIS的水文分析方法。采用地表徑流模擬方法，通過(guò)模擬地形表面自然流水的狀態(tài)，找出分水線與合水線。分水線（山脊線）即為水流的起源點(diǎn)，水流方向只有流出方向而不存在流入方向，經(jīng)過(guò)地表徑流模擬計(jì)算之后，柵格的匯流累積量為零；合水線（山谷線）即為河網(wǎng)，通過(guò)設(shè)置合適的匯流累積量閾值提取合水線。然而在實(shí)際提取過(guò)程中，由于DEM數(shù)據(jù)的精度問(wèn)題以及洼地、平地地形的存在，提取的山脊線往往不連續(xù)，而提取的山谷線完整且連續(xù)，效果較好。針對(duì)這種情況，本文提出利用山谷線的提取原理來(lái)提取山脊線。利用反地形方法，將提取山脊線轉(zhuǎn)化為反地形下提取山谷線。山脊線具體提取過(guò)程如圖2所示。

圖2 山脊線提取流程圖Fig.2 Flow chart of extracting the ridge line

地表徑流模擬過(guò)程中，水流方向的計(jì)算采用D8算法。通過(guò)計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來(lái)確定水流離開(kāi)中心柵格的方向。距離權(quán)落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以柵格間的距離。

式中，d為DEM的柵格像元大小。中心柵格水流流出方向的編碼如圖3所示。根據(jù)距離權(quán)落差判斷中心柵格水流流出方向的過(guò)程如圖4所示。

圖3 水流流出方向的編碼圖Fig. 3 The coding of the water fl ow out direction

圖4 中心柵格水流流出方向確定Fig.4 The direction determination of central cell outf l ow

在獲取各柵格像元的水流流出方向后，將各像元的水量（1個(gè)單位）按水流流動(dòng)方向累加至整個(gè)研究區(qū)域，從而獲取匯流累積量柵格。最后選取合適的匯流量閾值，提取出河網(wǎng)。

山頂點(diǎn)的提取主要運(yùn)用GIS鄰域分析方法。山頂點(diǎn)是一定地域范圍內(nèi)的高程最大值點(diǎn)，因此，通過(guò)選取適宜的鄰域大小，對(duì)研究區(qū)域的數(shù)字高程模型作焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，找出鄰域范圍內(nèi)的高程最大值點(diǎn)。需要注意的是，選取的鄰域太小時(shí)，會(huì)提取出偽山頂點(diǎn)；鄰域太大時(shí)，將漏掉一些重要的山頂點(diǎn)。常用的鄰域分析窗口大小為11×11(cell)。山頂點(diǎn)具體提取過(guò)程如圖5所示。

圖5 山頂點(diǎn)提取流程圖Fig.5 Flow chart of extracting the mountain vertex

3 研究區(qū)域及其數(shù)據(jù)來(lái)源

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域：三道箐風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目位于云南省楚雄州姚安縣前場(chǎng)鎮(zhèn)。前場(chǎng)鎮(zhèn)位于姚安縣東部，東經(jīng)101°17′41″～101°21′7″，北緯25°34′21″～25°37′32″，最高海拔2364m，最低海拔1904m，平均海拔2015.5m，地貌主要是溶蝕堆積盆地。

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)來(lái)源：①?gòu)牡乩砜臻g數(shù)據(jù)云下載90 m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)；②三道箐風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的風(fēng)速、風(fēng)功率密度文本數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理：①在GIS軟件中，對(duì)下載的大范圍的SRTM DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，選取所需的前場(chǎng)鎮(zhèn)三道箐地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)；②對(duì)姚安縣風(fēng)能資源文本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整理出測(cè)風(fēng)點(diǎn)位坐標(biāo)、風(fēng)速、風(fēng)功率密度數(shù)據(jù)。

4 風(fēng)電場(chǎng)智能微觀選址結(jié)果

利用python程序?qū)⑷荔涞貐^(qū)的風(fēng)速、風(fēng)功率密度文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為如圖6和圖7所示的GIS柵格數(shù)據(jù)。圖6中紅色區(qū)域風(fēng)速＞6m/s，圖7中紅色區(qū)域風(fēng)功率密度＞350W/m2，屬于風(fēng)能資源最豐富的區(qū)域。因此，將兩圖中紅色區(qū)域作為布置風(fēng)電機(jī)組的候選區(qū)域。

圖6 風(fēng)速柵格Fig.6 Wind speed grid

圖7 風(fēng)功率密度柵格Fig.7 Wind power density grid

運(yùn)用前文所述山脊線和山頂點(diǎn)的提取方法，利用SRTM DEM地形數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取三道箐地區(qū)的山脊線和山頂點(diǎn)，如圖8所示。對(duì)提取的山脊線、山頂點(diǎn)進(jìn)行篩選，保留位于山脊線上的山頂點(diǎn)，將一些不落在山脊線上的山頂點(diǎn)刪去，如圖9所示。將篩選后位于山脊線上的山頂點(diǎn)與風(fēng)功率密度柵格疊置分析，如圖10所示。有很多山頂點(diǎn)并未落在風(fēng)能資源豐富的紅色區(qū)域，這些點(diǎn)位不滿足風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)能資源的要求，不能作為微觀選址的設(shè)計(jì)點(diǎn)位。進(jìn)一步篩選出位于風(fēng)能資源豐富區(qū)域的山頂點(diǎn)，如圖11所示。最終將圖中位于風(fēng)功率密度最高的紅色區(qū)域的山頂點(diǎn)作為布置風(fēng)電機(jī)組的候選位置。

圖8 山脊線和山頂點(diǎn)Fig.8 Ridge lines and mountain vertexes lines

圖9 位于山脊線上的山頂點(diǎn)Fig.9 Mountain vertexes on the ridge

圖10 山頂點(diǎn)與風(fēng)功率密度Fig.10 Mountain vertexesand wind power density

圖11 風(fēng)功率密度較高處的山頂點(diǎn)Fig.11 Mountain vertexes in high wind power density

圖12 微觀選址設(shè)計(jì)點(diǎn)位與實(shí)際點(diǎn)位比較Fig.12 Comparison between micro-site selection points and actual points

另外，將風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的實(shí)際微觀選址點(diǎn)位展開(kāi)如圖12所示。圖中山頂點(diǎn)為微觀選址設(shè)計(jì)點(diǎn)位，黑色圓點(diǎn)為風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)際微觀選址點(diǎn)位。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)點(diǎn)位與實(shí)際點(diǎn)位較為接近，可以用作初步微觀選址的參照。

由于下載的SRTM DEM數(shù)據(jù)精度不夠，以及在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的投影變換導(dǎo)致的偏差，提取的山脊線和山頂點(diǎn)的位置還不夠準(zhǔn)確，篩選出的位于山脊線上的山頂點(diǎn)大部分都未落在風(fēng)功率密度最高的區(qū)域，可選擇的微觀選址設(shè)計(jì)點(diǎn)位較少，且與風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)位存在一定偏差，這樣的距離偏差在初步微觀選址中可以接受。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作中初步確定的風(fēng)機(jī)位置，還需經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，考察實(shí)際地形下的安裝條件、交通條件，對(duì)不適宜的風(fēng)機(jī)位置進(jìn)行調(diào)整，在附近找到滿足安裝條件且交通便利的位置布置風(fēng)機(jī)。因此，高海拔山區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)微觀選址時(shí)，在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)選取山脊線上的山頂點(diǎn)布置風(fēng)電機(jī)組的方法是有效、可靠的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高海拔、地形復(fù)雜的山區(qū)，提出了一種基于GIS空間分析的風(fēng)電場(chǎng)智能微觀選址方法。在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，選取山脊線上的山頂點(diǎn)作為風(fēng)機(jī)點(diǎn)位，相比較傳統(tǒng)的依靠人工判斷山脊線和山頂點(diǎn)的方法，提供了一種快速、智能的選址方法，并通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)例對(duì)該方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，證明了該方法的可行性。但由于使用的地形數(shù)據(jù)精度不夠及數(shù)據(jù)處理過(guò)程中產(chǎn)生的投影偏差，提取的山脊線、山頂點(diǎn)與風(fēng)能資源分布情況未能完全吻合，導(dǎo)致在選取設(shè)計(jì)點(diǎn)位時(shí)有部分點(diǎn)位被篩選掉。如果能使用精度更高的地形數(shù)據(jù)，滿足微觀選址條件的點(diǎn)位將會(huì)更多，與實(shí)際的微觀選址結(jié)果也更接近。