戈壁光热电站内风沙环境特征及运动规律

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00114

摘要/Abstract

摘要：

风沙灾害是戈壁地区大型光热电站面临的最主要环境问题，为了探明戈壁光热电站内风沙运动规律，在敦煌西戈壁塔式光热电站内开展了高频风沙输移过程及风动力环境观测研究。结果表明：（1）大型光热电站的建设使近地表风速明显降低，距地表0.5 m和2 m高度处风速分别降低了39.67%和37.35%，电站内年输沙势较电站外降低93.62%，光热设备起到了很好的防风固沙作用。（2）地表积沙导致电站内起沙风速降低，近地层输沙率增大。电站内2 m高度起沙风速u_t 为7.36 m·s^-1，比一般戈壁地表降低36.52%~63.2%。观测期内电站内0.05 m高度范围内输沙量是电站外的3.64倍。（3）电站内风沙输移表现为间歇性特征，但在强沙尘时段出现近连续性输移，跃移间歇性参数γ_ρ高达99%。（4）电站内、外输沙率均随高度增加呈指数递减，电站内沙粒平均跃移层高度z_q为0.1~0.35 m，平均值为0.15 m，比一般戈壁地表约低20%。

关键词: 光热电站, 戈壁, 起沙风速, 输沙通量, 跃移间歇性

Abstract:

Wind-blown sand disaster is the most important environmental problem faced by large-scale concentrated solar power plant in the gobi area. In order to find out the law of wind-blown sand movement in the gobi concentrated solar power plant， we carried out high-frequency wind-blown sand transport process and wind dynamic environment observation research in west Dunhuang gobi tower concentrated solar power plant. The observation results show that：（1） The construction of large concentrated solar power plant significantly reduces the wind speed near the surface， and the wind speed at the height of 0.5 m and 2 m from the surface decreases by 39.67% and 37.35%， respectively. The annual sand transport potential inside the power station is reduced by 93.62% compared with that outside the power station. （2） The surface sand accumulation results in the decrease of the sand driving wind speed in the power station and the increase of the sand transport rate in the near ground. The u_t of sand generating wind speed at 2 m height in the power station is 7.36 m·s^-1， which is 36.52%-63.2% lower than the general gobi surface. During the observation period， the sediment transport in the 0.05 m height range of the power station is 3.64 times that outside the power station. （3） The wind and sand transport in the power station is intermittent， but near continuous transport occurs in the period of strong dust， and the saltation intermittent parameter γ_ρis up to 99%. （4） The sediment transport rate in and out of the power station decreases exponentially with the increase of height. The average saltation layer height z_q of the sand in the power station ranges in 0.1-0.35 m， and the average is 0.15 m， which is about 20% lower than the general gobi surface.

Key words: concentrated solar power plant, gobi, sand driving wind speed, sediment transport flux, saltation intermittency

中图分类号:

X169

李振洋, 张宏伟, 尚思汝, 张同攀, 杨帅, 谭立海, 王军战, 叶得力, 庞秀岚, 王涛. 戈壁光热电站内风沙环境特征及运动规律[J]. 中国沙漠, 2025, 45(2): 17-28.

Zhenyang Li, Hongwei Zhang, Siru Shang, Tongpan Zhang, Shuai Yang, Lihai Tan, Junzhan Wang, Deli Ye, Xiulan Pang, Tao Wang. Environmental characteristics and movement rules of wind-blown sand in gobi concentrated solar power plant[J]. Journal of Desert Research, 2025, 45(2): 17-28.

图/表 13

图1 研究区地理位置图

Fig.1 Location map of the research area

图2 电站内外地表沙砾粒径组成

Fig.2 Particle size composition of surface sand inside and outside the gobi concentrated solar power plant

图3 戈壁光热电站内外风沙观测仪器布设

Fig.3 The instrumental layout of wind-blown sand inside and outside the gobi concentrated solar power plant

图4 2023年6月16日沙尘暴发生期间光热电站内外0.5 m和2 m高度处风速及风向

Fig.4 Wind speed and direction at heights of 0.5 m and 2 m inside and outside the concentrated solar power plant on June 16， 2023

图5 2023年6月16日沙尘暴发生期间戈壁光热电站内不同高度跃移沙颗粒数随时间变化

Fig.5 Saltation particle counts in different heights in the gobi concentrated solar power plant changed with time for the dust storm of June 16， 2023

图6 2023年6月16日沙尘暴发生期间戈壁光热电站内沙粒跃移间歇性参数γρ变化（A）以及γρ与2 m高度处平均风速的关系（B）

Fig.6 Variation （A） of the intermittency of saltation γρ with time， and the relationship between intermittency of sand transport γρ and the average wind speed （B） in a height of 2 m

图7 2023年6月16日沙尘暴发生期间戈壁光热电站内2 m高度处临界起沙风速ut

Fig.7 The threshold velocity for saltation in a height of 2 m on June 16，2023

图8 2023年6月16日沙尘暴发生期间沙粒平均跃移层高度

Fig.8 Time series of the average saltation layer height zq on June16， 2023

图9 电站内外年输沙势玫瑰图

Fig.9 The rose diagrams of annual drift potential inside and outside the gobi concentrated solar power plant

表1 电站内外各月输沙势统计

Table 1 Monthly sand drift potential inside and outside the gobi concentrated solar power plant

月份	电站内				电站外
月份	DP/VU	RDP/VU	RDD/(°)	RDP/DP	DP/VU	RDP/VU	RDD/(°)	RDP/DP
5	0.47	0.41	107(ESE)	0.87
6	3.77	3.37	103(ESE)	0.89
7	7.82	5.04	96(E)	0.64	152.07	116.86	107(ESE)	0.76
8	4.53	4.44	107(ESE)	0.98	96.08	45.45	114(ESE)	0.47
9	0.55	0.47	102(ESE)	0.85	26.05	20.49	101(E)	0.78
10	0	0	—	—	1.55	1.22	236(SW)	0.78
11	0	0	—	—	4.29	4.27	249(WSW)	0.99
12	0	0	—	—	5.24	4.63	94(E)	0.88
1	0	0	—	—	15.66	12.93	243(WSW)	0.82
2	0	0	—	—	5.00	3.79	122(ESE)	0.75
3	1.55	1.52	119(ESE)	0.98
4	1.88	1.85	94(E)	0.98

图10 输沙率随高度变化曲线

Fig.10 The variation in qzm as a function of height z above the gobi surface during the observation period on June 16，2023

图11 2023年6月16日沙尘暴发生期间集沙仪最底层（0~5 cm高度）收集沙粒累积曲线

Fig.11 Accumulation curve of sand particles collected at the bottom layer （0-5 cm） of the sand collector on June 16， 2023

图12 2023年6月16日戈壁光热电站内外不同高度沙粒粒径

Fig.12 Particle size of sand in different heights inside and outside the gobi concentrated solar power plant on June 16， 2023

参考文献 44

1	冯益明，吴波，周娜，等.基于遥感影像识别的戈壁分类体系研究［J］.中国沙漠，2013，33（3）：635-641.
2	朱震达，吴正，刘恕，等.中国沙漠概论［M］.北京：科学出版社，1980：46-65.
3	刘世增，常兆丰，朱淑娟，等.沙漠戈壁光伏电厂的生态学意义［J］.生态经济，2016，32（2）：177-188.
4	徐传奇.中国北方沙尘暴时空演化特征及源贡献［D］.兰州：兰州大学，2020.
5	李亚云，成巍，王宁，等.塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠春季沙尘暴特征及其气象影响因素对比［J］.中国沙漠，2023，43（4）：1-9.
6	张克存，安志山，庞营军，等.青藏铁路北麓河路段风沙防护体系阻沙效益［J］.中国沙漠，2016，36（5）：1216-1222.
7	赵宏波，赵东来，汪洋，等.风沙气候对电力光缆通信线路的影响分析［J］.光通信研究，2013，（6）：39-41.
8	王涛，张伟民，汪万福，等.莫高窟窟顶戈壁防护带阻截和输导功能研究［J］.中国沙漠，2004，24（2）：75-78.
9	崔容强，喜文华，魏一康，等.太阳能光伏发电［J］.中国建设动态.阳光能源，2004（4）：72-76.
10	吴正.风沙地貌与治沙工程学［M］.北京：科学出版社，2003：76-97.
11	Zhang Z C， Bird A， Zhang C X，et al.Not all gravel deserts in northern China are sources of regionally deposited dust［J］.Atmospheric Environment，2022，273：118-184.
12	Zhang Z C， Dong Z B， Qian G Q，et al.Gravel-desert surface properties and their influences on the wind-erosion threshold friction velocity in North-west China［J］.Boundary-Layer Meteorology，2021，179：117-131.
13	刘连友，刘玉璋.砾石覆盖对土壤吹蚀的抑制效应［J］.中国沙漠，1999，19（1）：60-62.
14	张伟民，谭立海，张克存，等.不同砾石覆盖度床面蚀积过程的野外风洞实验研究［J］.地理科学，2012，32（11）：7-9.
15	Kok J F， Parteli E J R， Michaels T I，et al.The physics of wind-blown sand and dust［J］.Report of Progress Physical，2012，75（10）：106-121.
16	Dong Z B， Qu J J， Liu X P，et al.Experimental investigation of drag coefficients of gobi surfaces［J］.Science in China （Series D），2002，45（7）：609.
17	Wang T， Qu J J， Tan L H，et al.Aeolian sediment transport over the Gobi with high gravel coverage under extremely strong winds in the Hundred Miles windy area along the Lanzhou-Xinjiang High-Speed Railway［J］.Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，2022，220：104-157.
18	杨世荣.库布齐沙漠光伏电站风沙运动及蚀积特征研究［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.
19	杨帆，牛天祥，张振师，等.沙漠地区光伏电站风沙活动规律及其影响因素［J］.西北水电，2022（5）：79-84.
20	钱广强，董治宝，罗万银，等.基于数字图像的中国西北地区戈壁表面砾石形貌特征研究［J］. 中国沙漠，2014，34（3）：625-633.
21	Stout J E， Zobeck T M.Intermittent saltation［J］.Sedimentology，1997，44（5）：959-970.
22	何艺峰，刘春雨，王志强，等.跃移层风沙输运数值模拟［J］.环境科学与技术，2012，35（）：74-77.
23	Fryberger S G.Dune forms and wind regime［M］//McKee E D.A Study of Global Sand Seas.Washington，USA：USGS，1979：137-169.
24	饶璋超，罗永钦，袁强，等.典型非均匀推移质输沙率公式适用性比较［J］.泥沙研究，2024，49（2）：17-24.
25	Wang Tao， Qu Jianjun， Tan Lihai.Aeolian sediment transport over sandy gobi：field studies in the Nanhu gobi along the Hami-Lop Nor Railway［J］.International Soil and Water Conservation Research，2023，11：125-134.
26	党梦娇，蒙仲举，斯庆毕力格，等.库布齐沙漠南缘光伏电站内表层沉积物粒度特征［J］.土壤通报，2019，50（2）：260-266.
27	Xiao J H， Ye D T， Xie X S，et al.Numerical simulation of the airflow at the world's largest concentrated solar power plant in a desert region［J］.Solar Energy，2022，232：421-432.
28	殷代英，马鹿，屈建军，等.大型光伏电站对共和盆地荒漠区微气候的影响［J］.水土保持通报，2017，37（3）：15-21.
29	伊力哈木·伊马木，李菊艳，玉米提·吾提库尔，等.起沙风速的观测方式及其影响因素研究综述［J］.中国水土保持，2021（5）：42-44.
30	胡菲，张克存，安志山，等.敦煌沙漠、绿洲和戈壁地表风动力环境特征同步对比［J］.中国沙漠，2020，40（4）：113-119.
31	陈渭南，董治宝，杨佐涛，等.塔克拉玛干沙漠的起沙风速［J］.地理学报，1995（4）：360-367.
32	杨兴华，马明杰，周成龙，等.不同起沙阈值判定方案在塔克拉玛干沙漠的适用性对比研究［J］.干旱区研究，2022，39（4）：1006-1016.
33	李凯崇，薛春晓，蒋富强，等.高原与戈壁地区风沙流结构特性差异研究［J］.铁道工程学报，2014，31（7）：7-11.
34	罗凤敏，高君亮，辛智鸣，等.乌兰布和沙漠东北缘起沙风风况及输沙特征［J］.农业工程学报，2019，35（4）：145-152.
35	张华，李锋瑞，李玉霖，等.科尔沁沙地奈曼旗近5年来风况及合成输沙势［J］.中国沙漠，2004（5）：107-111.
36	郭洪旭，王雪芹，蒋进，等.古尔班通古特沙漠腹地输沙风能及地貌学意义［J］.干旱区研究，2011，28（4）：580-585.
37	庞营军，吴波，贾晓红，等.毛乌素沙地风况及输沙势特征［J］.中国沙漠，2019，39（1）：62-67.
38	王帅，哈斯.呼伦贝尔沙质草原区域风况与风蚀坑形态特征［J］.水土保持研究，2008（3）：74-76+80.
39	王永胜，杨文斌，李永华，等.库姆塔格沙漠东缘荒漠绿洲过渡带风况及输沙势［J］.干旱区资源与环境，2015，29（1）：140-144.
40	鲍锋，董治宝，张正偲.柴达木盆地风沙地貌区风况特征［J］.中国沙漠，2015，35（3）：549-554.
41	杨兴华，李红军，何清，等.塔克拉玛干沙漠荒漠过渡带春季风沙活动特征：以肖塘为例［J］.中国沙漠，2012，32（4）：915-920.
42	张正偲，董治宝，赵爱国，等.输沙量与输沙势的关系［J］.中国沙漠，2011，31（4）：824-827.
43	姚宏乐.敦煌-格尔木铁路高大沙丘区的风沙环境特征及风沙危害综合防护体系［J］.中国沙漠，2015，35（3）：555-564.
44	陈曦，高永，翟波，等.沙区光伏电场的风沙流输移特征［J］.干旱区研究，2019，36（3）：684-690.

[1]	王阿晴, 朱雅娟, 马媛, 蔺方春, 李蕴. 戈壁沙冬青（ *Ammopiptanthus mongolicus* ）群落水分来源的年际动态[J]. 中国沙漠, 2025, 45(1): 85-93.
[2]	钱广强, 杨转玲, 邢学刚, 董治宝, 潘凯佳, 孟雨萱, 郭酉元. 砾波纹地表风沙颗粒蠕移特征及其地貌学意义[J]. 中国沙漠, 2024, 44(6): 287-298.
[3]	郭晓敏, 王海兵, 廖承贤, 杨皓钦, 华天红, 刘旭. 苏宏图戈壁地表沉积物组分变异性及其成因[J]. 中国沙漠, 2024, 44(5): 95-104.
[4]	陈俊言, 贯雅雯, 张越, 陈渔, 毕鸿儒, 娄高僮, 郭馨阳, 王洋, 陈思宇. 戈壁沙漠沙尘向青藏高原传输路径和传输机制：以2020年4月一次沙尘事件为例[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 158-171.
[5]	李悦, 王海兵, 廖承贤, 张雪, 华天红, 闫民杰. 戈壁风沙运动及其对下垫面砾石盖度影响的风洞模拟[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 194-201.
[6]	任嘉隆, 刘继亮, 王永珍, 方静, 冯怡琳, 高安岭, 宋嫒霞, 辛未冬. 戈壁荒漠地表节肢动物聚集对降水及温度的响应[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 207-219.
[7]	乌友罕, 殷婕, 武子丰, 哈斯额尔敦. 巴丹吉林-乌兰布和沙漠输沙带新月形沙丘动态[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 78-89.
[8]	冯怡琳, 王永珍, 林永一, 刘继亮, 方静, 刘任涛, 赵文智. 河西走廊中部荒漠收获蚁（ *Messor desertus* ）蚁穴对秋季地表节肢动物群落结构的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(6): 121-130.
[9]	廖承贤, 王海兵, 刘茜雅, 李悦. 以计算流体动力学模型（CFD）模拟的戈壁地表风沙两相流运动特征[J]. 中国沙漠, 2023, 43(6): 71-78.
[10]	李亚云, 成巍, 王宁, 李欣, 高睿. 塔克拉玛干沙漠和戈壁沙漠春季沙尘暴特征及其气象影响因素对比[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 1-9.
[11]	陈书峄, 张伟民, 马绍休, 谭立海, 梁林昊. 戈壁近地表粉尘释放动力机制的野外风洞试验[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 216-225.
[12]	管雪薇, 杨采怡, 刘广明, 汪季, 肖蒙, 丁延龙, 陈金林. 吉兰泰盐湖防护体系阻沙效应及输沙粒度特征[J]. 中国沙漠, 2022, 42(4): 50-59.
[13]	林永一, 王永珍, 赵文智, 李锋瑞, 巴义彬, 刘继亮. 红外相机记录的河西走廊荒漠生态系统中兽类和鸟类的群落动态[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 159-169.
[14]	刘继亮, 赵文智, 李锋瑞, 巴义彬. 河西走廊中部砾质戈壁蛛形纲节肢动物群落特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 155-164.
[15]	赵明珠, 俎瑞平, 王军战, 谭立海. 哈罗铁路沿线沉积物粒度特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(1): 19-27.