王 暉，孫朋杰，陳正洪，李 輝，賀莉微

（1.湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰?，武漢 430070；2.湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430070）

隨著風電場大規(guī)模集中開發(fā)程度的增加，限電、“棄風”不斷增加，內(nèi)陸省份風電的優(yōu)勢漸漸凸顯，內(nèi)地風電迎來大規(guī)模開發(fā)的階段。湖北省95%的風電場建在山區(qū)，風電場在開發(fā)過程中引起一定程度的水土流失和植被破壞等生態(tài)問題［1］。在建設(shè)風電場過程中，進行道路修建、基礎(chǔ)開挖、輸電線路架設(shè)等活動，這些活動會在一定程度上破壞原地表和植被。土地原有的緊密結(jié)構(gòu)遭到破壞，山區(qū)土壤抗蝕性低，植被破壞后恢復難度大。再塑地貌為水土流失的發(fā)生與發(fā)展創(chuàng)造了條件，在強降雨、大風等作用下水土流失急劇增加。湖北省高山地區(qū)平均氣溫偏低、夏季降雨量大，這些因素疊加會造成植被恢復難度大、期限長。

科學合理地在風電場建設(shè)工程破壞區(qū)進行適宜的植被恢復重建，成為急需解決的問題。風電場生態(tài)修復是指有目的地把風電場建設(shè)區(qū)域改建成定義明確的、固有的、歷史上的生態(tài)系統(tǒng)的過程，目的是仿效當?shù)靥囟ㄉ鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、生物多樣性及其變遷過程［2］。劉勝等［3］從恢復生態(tài)學角度，對云南省風電建設(shè)區(qū)進行了生態(tài)修復區(qū)劃研究，劃分了3個一級和7個二級修復分區(qū)，其分區(qū)方法是以經(jīng)驗判別和地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，以縣級行政區(qū)為基本單元，自上而下進行分區(qū)。董智等［4］以河北省壩上風電場建設(shè)區(qū)為研究對象，探討了風電場建設(shè)區(qū)水土流失特點、分區(qū)、防治重點及植被恢復措施。畢娜［5］通過鐵嶺地區(qū)生態(tài)環(huán)境特點和風電場待修復的環(huán)境類型，提出了該地區(qū)開展風電場生態(tài)修復的目標、原則及技術(shù)要求。錢怡伶［6］探討了風電設(shè)施產(chǎn)生的噪聲以及對植被、水土流失和鳥類生存的影響，提出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境影響減緩措施和生態(tài)恢復措施。

已有研究多是針對不同的個例進行生態(tài)修復設(shè)計和規(guī)劃，對大范圍、區(qū)域尺度的生態(tài)修復區(qū)劃研究較少。因此，在充分考慮氣象因素對風電場生態(tài)修復過程中植被恢復影響的基礎(chǔ)上，綜合考慮地理、土壤、植被、風能資源等多種因子的影響，開展湖北省風電場的生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復難易程度綜合區(qū)劃，為不同區(qū)域采取因地制宜的生態(tài)保護修復方案提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)及資料

研究資料包括氣象、土壤、植被、風能資源及地理信息5類。

1.1.1 氣象要素資料 取自湖北省89個國家級氣象觀測站及分布在全省的2 005個區(qū)域氣象站觀測數(shù)據(jù)（圖1），觀測時段為區(qū)域氣象站觀測質(zhì)量較好的2016—2018年3個完整年每日的累積降水、日最低氣溫、10 m高度最大風速等。資料進行質(zhì)量控制檢驗。

圖1 資料的氣象觀測站點分布

1.1.2 土壤要素資料 土壤要素資料包括以下內(nèi)容。

1）土地覆蓋分類數(shù)據(jù)：基于2017年Landsat TM/ETM/OLI遙感影像。采用遙感信息提取方法，經(jīng)波段選擇及融合，圖像幾何校正及配準并對圖像進行增強處理、拼接與裁剪，形成覆蓋湖北省范圍，水平分辨率為30 m的8類（農(nóng)田、森林、草地、灌木叢、濕地、水體、建設(shè)用地、荒地）土地覆蓋分類數(shù)據(jù)。

2）降雨侵蝕力數(shù)據(jù)：湖北省水土流失主要表現(xiàn)形式為水力侵蝕。利用全省降水資料，建立基于降雨量的降雨侵蝕力模型，計算土壤受侵蝕的潛在能力。

3）植被要素：歸一化植被指數(shù)（NDVI）。利用MODIS衛(wèi)星2019年MOD13A3通道產(chǎn)品，進行波段運算、拼接、掩膜等，最終形成水平分辨率為1 km的2019年湖北省歸一化植被指數(shù)。

4）風能資源資料：風能資源指標指離地面70 m高度風速和風功率密度。取自湖北省陸地風能資源高分辨率（1 km）評估（30年平均）數(shù)據(jù)集。該套數(shù)值模擬資料融合了湖北省200多座測風塔實際測風資料，經(jīng)過檢驗，模擬結(jié)果可信。

5）地理信息要素：地理信息包括海拔、坡度、坡向信息?；诤笔?∶50 000省界、水系、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM），利用Arcgis軟件三維空間分析功能提取得到湖北省海拔、坡度和坡向數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)劃方法

1.2.1 區(qū)劃指標的選取 風電場生態(tài)修復除涉及當?shù)睾０?、地形地貌特征外，還涉及氣象、土壤、植被等多個因子。氣象要素方面，年平均降水、夏季極端降水及極端低溫、大風等，都會影響風電場生態(tài)修復后的植被生長。土壤及植被要素方面，不同的土壤覆蓋類型、土壤降雨侵蝕力及不同的植被覆蓋率亦會造成破壞后的生態(tài)修復能力不同。風資源要素方面，湖北省風資源好的山地丘陵地區(qū)，風電場開發(fā)規(guī)模增大，造成的生態(tài)修復難度亦會增加。選取氣象、土壤、植被、地理信息、風能資源5大類12個要素作為評價因子建立區(qū)劃指標體系（表1）。

表1 影響湖北省風電場生態(tài)修復的評價因子

1.2.2 評價因子權(quán)重的確定 運用層次分析及專家打分相結(jié)合的方法，確定了各評價因子權(quán)重（表2）。

表2 各評價因子權(quán)重

1.2.3 加權(quán)綜合評分 各指標對風電場生態(tài)修復的相對重要程度各異，計算綜合指標體系時必須考慮到各自權(quán)重，用加權(quán)綜合評分法確定各評價指標的權(quán)重。

綜合指標的作用大小用數(shù)量化指標集中，表示評價對象的優(yōu)劣。由于各評價因子在計算過程中可能又包含了各自的一系列指標，為消除評價因子各指標的數(shù)量級和量綱之間的差異，對每個指標值進行歸一化處理。具體公式如下。

式中，Gi為第i個指標的歸一化值，Ai為第i個指標值，mini和maxi分別為第i個指標值中的最小值和最大值。

接著，計算各評價因子指數(shù)。

式中，Pj為第j項評價因子指數(shù)，Wi為第i項指標的權(quán)重，Gij為對于因子j的第i項指標的歸一化值，n為評價指標個數(shù)。

Pj可以認為是第j個評價單元對應(yīng)的風電場生態(tài)修復難易程度，數(shù)值范圍為0～1，保留小數(shù)點后兩位有效數(shù)字。將風電場生態(tài)修復難易程度等級分為4級，即易恢復區(qū)（0.00～0.25）、較易恢復區(qū)（0.25～0.35）、較難恢復區(qū)（0.35～0.45）、難恢復區(qū)（0.45～1.00）。

1.2.4 空間數(shù)據(jù)分析 采用ArcGIS軟件分析湖北省風電場生態(tài)修復綜合區(qū)劃。應(yīng)用ArcGIS空間分析、空間統(tǒng)計、地統(tǒng)計分析、矢量數(shù)據(jù)處理及柵格數(shù)據(jù)處理等模塊，完成區(qū)劃分析。

2 區(qū)劃指標建立

2.1 精細化氣象要素分布

湖北省三面環(huán)山，地勢為西、北、東三面高企，中部向南敞開，呈馬蹄形分布。由于其特殊的地理位置和復雜多樣的地形地貌，使得降水空間分布差異明顯。由于省內(nèi)89個國家氣象觀測站多設(shè)在低山和平原處，若僅以國家氣象觀測站數(shù)據(jù)直接進行空間插值分析，會造成較大誤差，難以表現(xiàn)山地氣候特征，甚至得到錯誤結(jié)論。加入無人值守的區(qū)域氣象站資料，可以較好彌補常規(guī)氣象站點稀疏的不足，對大的山體和代表剖面能進行較為詳細的氣象特征分析，估算和模擬能反映實際降水的時空分布，特別是能反映山區(qū)降水特征。利用了全省2 005個區(qū)域氣象站降水觀測資料，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)，將湖北省按主要山系劃分為8個區(qū)（圖2），分區(qū)域構(gòu)建降水與地理因子的模型，呈現(xiàn)復雜地形影響下的湖北省降水精細化分布特征。

圖2 湖北省降水研究區(qū)域劃分

利用各分區(qū)的氣象觀測站點的降水觀測資料，用ArcGIS軟件，提取站點高程資料（DEM）的經(jīng)度、緯度、高度、坡度、坡向信息，分區(qū)域建立基于地形影響的精細化降水模型，如表3、表4、表5所示。根據(jù)不同區(qū)域的降水模型，得到湖北省精細化的年降水分布、夏季降水、年平均最低氣溫的精細化分布情況，如圖3所示。

表3 年降水模型

表4 夏季降水模型

表5 年平均最低氣溫模型

圖3 湖北省氣象要素精細化特征分布

2.2 降雨侵蝕力

降雨侵蝕力的簡易模型算法主要依據(jù)次降雨量、日降雨量、月降雨量、年降雨量等幾種不同降雨類型資料。依據(jù)日降雨量建立的模型精度較高，其余幾種差別不大，且在降水豐富的南方區(qū)域，降雨侵蝕力的相對誤差變化范圍較?。?］。采用月降水量建立降雨侵蝕力模型。其模型形式為：

式中，R是降雨侵蝕力［MJ·mm（/hm2·h·年）］；Pi為各月降雨總量（mm），α和β為模型待定參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合湖北省精細化降水分布特征，確定α為0.047 9，β為1.620 3。

根據(jù)降雨侵蝕力模型及2016—2018年湖北省精細化降水分布模型，對湖北省的降雨侵蝕力R進行了計算，探明湖北省降雨侵蝕力，結(jié)果如圖4所示。

圖4 湖北省降雨侵蝕力空間分布

2.3 歸一化植被覆蓋指數(shù)

植被是抑制土壤侵蝕的主要因子［8］。雖然植被水土保持功能的指標涉及植被蓋度、枯落物厚度、植物根系密度與根量、植被類型、植物種類組成等。但由于某些指標測量較為繁瑣，大范圍獲取數(shù)據(jù)較為困難，在應(yīng)用上受到限制，仍廣泛采用植被覆蓋指數(shù)來反映抑制土壤侵蝕的能力。

下載MODIS衛(wèi)星2019年MOD13A3通道產(chǎn)品，利用MRT（MODISReprojection Tool）工具對圖像進行投影轉(zhuǎn)換（將正弦投影轉(zhuǎn)換成WGS84經(jīng)緯度投影）。將湖北省所處的四景MODIS數(shù)據(jù)進行拼接處理。利用ENVI軟件對湖北全省范圍進行掩膜，提取湖北省范圍內(nèi)逐月的歸一化植被指數(shù)柵格數(shù)據(jù)。并通過ENVI軟件中的波段運算（Band math），將上一步提取出來的柵格數(shù)據(jù)計算成標準格式及單位的數(shù)據(jù)，用最大合成法將歸一化植被覆蓋指數(shù)（NDVI）月數(shù)據(jù)合成年數(shù)據(jù)，最終形成分辨率為1 km的2019年湖北省NDVI空間分布（圖5）。

圖5 2019年湖北省NDVI空間分布

2.4 地理信息

地理信息準則層選取了海拔高度、坡度、坡向3個細分指標。海拔高度表達了地形的起伏狀況，構(gòu)成植被的垂直分布，隨著海拔的變化，植被類型也會垂直變化，進而影響生態(tài)修復的植被選擇。

坡向是決定地表不同部分接受光照并重新分配太陽輻射量的重要地形因子，是使局部地區(qū)產(chǎn)生氣候特征差異的主要因素［9］。坡向影響著山地的日照時數(shù)和太陽輻射強度。利用正弦函數(shù)和去量綱公式，把坡向朝南（90°～180°、180°～270°）的定義為0，坡向朝北（0°～90°、270°～360°）的定義為1。坡向朝北的地方植被修復難度較坡向朝南要大。

坡度表示地表單元陡緩的程度，可分為緩坡（≤15°）、中等坡（15°～45°）、陡坡（45°～90°）、倒坡（＞90°）。不同坡度對應(yīng)的生態(tài)修復難度不同，坡度越大，生態(tài)修復難度越大。

通過地理信息高程（DEM）數(shù)據(jù)，提取湖北省范圍內(nèi)的海拔、坡度、坡向信息，如圖6所示。

圖6 湖北省地表地理信息

2.5 風能資源指標

選取離地70 m高度的風速和風功率密度作為風能資源的兩個指標。對風電開發(fā)來說，全省風能資源好的山區(qū)風電場規(guī)劃和建設(shè)會更密集，道路開挖、基座建設(shè)等造成的生態(tài)破壞也大。因此，風能資源越好，在權(quán)重指標中占比也越大。

采用了中國氣象局陸地風能資源新評估結(jié)果“全國風能資源高分辨率評估（2019）數(shù)據(jù)集”的數(shù)據(jù)，即70～150 m高度水平分辨率1 km的30年數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬采用中尺度模式WRF和CALMET模式系統(tǒng)共同完成，同時模式同化了大量湖北省測風塔觀測資料。風資源情況如圖7所示。

圖7 湖北省70 m高度風資源分布

3 結(jié)果與分析

根據(jù)建立的各區(qū)劃指標及評價因子權(quán)重，得到湖北省風電場生態(tài)修復綜合區(qū)劃（圖8）。將風電場生態(tài)修復綜合區(qū)劃等級分為4級，即易恢復區(qū)、較易恢復區(qū)、較難恢復區(qū)、難恢復區(qū)。

圖8 湖北省風電場生態(tài)修復綜合區(qū)劃

3.1 易恢復區(qū)

易恢復區(qū)主要分布在江漢平原大部，襄陽中部的崗地平原，鄂東的浠水、蘄春、團風等地。上述地區(qū)基本處在平原地帶，區(qū)域人口密度大，城鎮(zhèn)集中，經(jīng)濟較發(fā)達。氣候條件方面，上述地區(qū)降水充沛、氣候溫和。土壤利用類型方面，上述區(qū)域主要是農(nóng)田和水體，根據(jù)湖北省生態(tài)保護紅線的相關(guān)要求，上述區(qū)域只能在有限的地方建設(shè)風電場，基本不會對當?shù)厣鷳B(tài)造成破壞，因此屬于易恢復區(qū)。

3.2 較易恢復區(qū)

較易恢復區(qū)主要分布在鄂東南、鄂西北部分丘陵地區(qū)，年平均氣溫較高，其中鄂東南降水豐富，土地類型以農(nóng)田、草地為主，土壤的降雨侵蝕力水平在全省處于中等水平，且該區(qū)域風資源條件一般，風電開發(fā)規(guī)模不大。

3.3 較難恢復區(qū)

較難恢復區(qū)主要分布在鄂東北的大別山區(qū)、鄂東南幕府山區(qū)、鄂北桐柏山區(qū)、大洪山、鄂西南恩施大部分區(qū)域，地貌基本以中低山地為主。土壤降雨侵蝕力較大，水土流失嚴重，且大多處于湖北省風能資源最為豐富的“三帶一區(qū)”（棗陽—英山中北部風帶，荊門—荊州南北向風帶，部分湖島及沿湖地帶，鄂西南和鄂東南部分高山地區(qū)）內(nèi)，已投產(chǎn)或正在進行風電開發(fā)建設(shè)的項目大多集中在此。由于區(qū)域多集中在山區(qū)，年降雨分布不均且夏季強降雨集中，山地氣溫隨海拔的升高降低，氣溫普遍較平原地區(qū)低。在風電場建設(shè)過程中，地表植被被破壞后，恢復難度較大。

3.4 難恢復區(qū)

難恢復區(qū)主要分布在湖北省部分中高山地區(qū)，包括鄂西南武陵山地的利川、來鳳、宣恩、鶴峰等地，鄂東南幕阜山系的通山、崇陽、通城等地，鄂東北大別山系的英山、羅田等地及大洪山、神農(nóng)架部分區(qū)域。上述區(qū)域的地理特點是海拔高、氣溫低，年降雨量大，其中鄂西南和鄂東南、大別山區(qū)是湖北省降雨最多的3個區(qū)域。上述區(qū)域由于降雨侵蝕力造成的水土流失也最為嚴重。從風能資源方面看，上述區(qū)域風資源條件好，是風電企業(yè)重點關(guān)注和開發(fā)的區(qū)域，雖然植被覆蓋率較高，但地處高山、中高山，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，一旦風電場開發(fā)建設(shè)破壞了當?shù)刂脖唬謴碗y度大。

4 小結(jié)與討論

1）選取5類要素12個指標因子、不同的擬合模型對指標因子進行建模，賦予各指標因子不同的權(quán)重影響系數(shù)，通過加權(quán)綜合評分的方法得到了4類風電場生態(tài)修復綜合區(qū)劃等級，分為易恢復區(qū)、較易恢復區(qū)、較難恢復區(qū)、難恢復區(qū)。

2）易恢復區(qū)主要分布在江漢平原大部，襄陽中部的崗地平原，鄂東的浠水、蘄春、團風等地；較易恢復區(qū)主要分布在鄂東南、鄂西北部分丘陵地區(qū)；較難恢復區(qū)主要分布在鄂東北的大別山區(qū)、鄂東南幕府山區(qū)、鄂北桐柏山區(qū)、大洪山、恩施大部區(qū)域中低山區(qū)；難恢復區(qū)分布在湖北省部分中高山地區(qū)。

3）影響風電場生態(tài)修復的要素多，對湖北省風電場生態(tài)修復進行了初步的區(qū)劃，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。生態(tài)修復是一項長期的、系統(tǒng)性的工作，需要進行長期、連續(xù)的監(jiān)測，調(diào)整和優(yōu)化生態(tài)修復的區(qū)劃及修復策略。內(nèi)陸地區(qū)特別是南方山區(qū)，風電場的建設(shè)在造成植被破壞的同時，也破壞了山地表層土壤，加之山地降雨時間集中、強度大，使得水土流失更為嚴重。在進行生態(tài)修復時，需要重視土壤的保護和修復。