戈壁指在干旱或极端干旱区，受长期、强烈的风蚀或物理风化作用，广泛分布于地势开阔地带，地表由砾石覆盖的荒漠景观^［1］。中国戈壁面积为5.7×10⁵ km^2［2］，是西北干旱区分布广泛的地貌类型，主要分布于新疆东部、准噶尔盆地、塔里木盆地，甘肃河西走廊西北部，内蒙古西部阿拉善高原及青海柴达木盆地等区域。戈壁区域由于丰富的太阳能资源和未利用土地资源，成为太阳能电站建设的最理想区域^［3］。然而，作为东亚乃至全球的主要沙尘源区^［4］，戈壁地表风力强劲，大风作用下产生强烈的风沙尘过程^［5］，从而会造成严重的风沙灾害，例如阻碍交通^［6］、破坏电力系统^［7］和掩埋文物等^［8］。因此，风沙问题势必对戈壁地区太阳能电站发电效率产生影响，对电站的正常运行产生危害。

光热发电作为新兴的太阳能发电技术，原理是利用定日镜反射或透射光学元件，收集太阳辐射并集中到焦点区域产生热能从而做功发电。光热发电的最大特点是具有储热功能，同时配置了汽轮发电机组，光热电站是自带储能的新能源形式的传统机组，聚合了新能源、储能和常规电源的优点。从长远发展趋势来看，未来光热发电量将远超光伏发电量^［9］。

目前，学者们对沙漠和戈壁地表风沙运动规律开展了广泛深入的研究。流沙、戈壁等沙尘源区的地表类型不同，导致近地表摩阻风速、地表粗糙度、输沙量、风沙流通量等不同。比如，流沙地表起动风速比戈壁地表低^［10］；沙漠地表输沙率随高度增加指数减少，但戈壁地表输沙率随高度变化表现为高斯函数^［11-12］；戈壁砾石覆盖下层细沙且空隙间可以产生湍流，使风速在砾石层上方降低且地表粗糙度增大，减少风对底层沙粒的吹蚀和搬运，从而降低输沙量并抑制风蚀^［13］。戈壁跃移沙粒与砾石之间近乎完全弹性碰撞，沙粒平均跃移高度远大于沙漠地表^［14-15］。Dong等^［16］认为，地表砾石覆盖度的增加会减弱风蚀强度和降低输沙率，当砾石覆盖度在50%左右时，戈壁地表的粗糙度和阻力系数呈现最大值，能明显减少风沙运动的发生。Wang等^［17］通过风洞模拟实验探讨戈壁地表风沙流特性，发现戈壁地表风沙活动主要在距地表20 cm高度内，最大输沙率出现在地表以上一定高度范围内，呈现“象鼻效应”。

早期，随着大规模光伏电站的建设运行，学者们对沙漠和戈壁地区光伏电站内风沙运动过程开展了研究。沙漠地区光伏电板的朝向方位会导致风沙过程中流场发生改变，上风向边缘处在板下、板前沿沙粒的搬运能力增强，出现地表风蚀现象，电站腹部板下、板前沿、板间位置粗糙度较上风向增大且风力减弱，在电板阵列行道间沙粒逐渐沉降并形成积沙带^［18］。光伏电站迎风方向沙粒粒径增大，背风方向沙粒粒径减小，需在迎风方向建设防护措施来减少风沙吹蚀对电站正常运行造成的危害^［17］。西北沙区光伏电站内输沙率随高度的增加呈对数递减规律，板下与板间最大值分布在距地表0~2.5 cm高度；气流到达光伏阵列内部能量衰减，板下与板间输沙率均降低50%左右，表明光伏电板等设施的阻滞作用使得近地层风沙输移能力减弱^［19］。

然而，目前关于戈壁地区光热电站内风沙输移过程的研究尚少，缺乏光热电站内的沙尘起动、释放和传输过程与规律的认识，致灾机理尚不清楚，无法指导光热电站内的工程防沙实践。由于光热电站的发电原理与光伏电站不同，光热电站内具有高反射率的定日镜面积较光伏电板更大，以及光热电站的建设对下垫面的改变，从而会引起光热电站内的风沙输移呈现出特殊规律。因此，为探索戈壁光热电站内风沙运动规律及其影响因素，本文以敦煌西戈壁100 MW塔式光热电站为研究对象，基于风、沙高频协同观测，对比研究了电站内外起沙风速、沙粒跃移层高度、输沙通量等风沙物理学参数，分析光热电站内外风况特征和输沙势时空变化特征，旨在初步揭示戈壁地区大型光热电站内风沙运动规律及风沙灾害形成机理，从而为光热电站风沙灾害防治提供理论依据。

研究区位于中国西北地区的甘肃省敦煌市（图1）。敦煌地处甘肃、新疆、青海三省区交会点，东至三危山，西临库姆塔格沙漠，南接鸣沙山，北连戈壁，与天山余脉相接，沙漠戈壁面积广阔。地理位置为39°40′—41°40′N、92°13′—95°30′E，总面积2.67万km²，其中绿洲面积仅占总面积的7.18%。敦煌市为暖温带干旱性气候，年降水量42.2 mm，年蒸发量高达2 505 mm。

敦煌市全年日照时长达3 247 h，日照百分率高达75%，年太阳辐射量大，发展光电产业潜力巨大，大面积的太阳能和风能发电站得以投资兴建。首航节能敦煌100 MW大型塔式光热电站是中国首个百兆瓦级太阳能光热发电示范电站，也是目前全球最高、聚光面积最大的熔盐塔式光热电站。该光热电站位于敦煌西戈壁，其大容量塔式熔盐发电系统由聚光集热系统、储热与换热系统及常规发电系统三大部分组成。光热电站占地140多万m²，定日镜逾1万面，塔高260 m。

研究区戈壁地表坚实平坦，为沙砾质戈壁，地表无植被覆盖^［20］。砾石覆盖度30%~40%，以粒径3~16 mm砾石为主。西戈壁下伏沙源丰富，多为粒径100~250 μm的细沙（图2），地表沙、砾质量比为3.07。电站场区内戈壁地表沙粒组成以中沙、细沙和极细沙为主，三者占沙粒总体积的82.93%。

在光热电站内布设高频风沙观测设备（图3A）。风速风向由两个三维超声风速仪（Wind Master Pro）测量，布设高度分别为0.5 m和2.0 m。利用5个风蚀质量通量传感器（SENSITH14-LIN，可感应粒径≥50 μm的跃移颗粒）测量跃移沙颗粒数，传感器布设高度分别为0.05、0.12、0.38、0.80、1.40 m。三维风速和输沙颗粒数同步测量，风速采集频率为20 Hz，输沙颗粒数采集频率为1 Hz。利用Big Spring Number Eight （BSNE）集沙仪垂直阵列测量不同高度输沙量，集沙仪集沙口面积为0.02 m（宽度）×0.05 m （高度），布设高度为0.05、0.18、0.29、0.61、1.13、2.15 m。在电站外布设三维超声风速仪和BSNE集沙仪（图3B），与电站内进行同步对比观测，布设高度与电站内相同。此外，在光热电站内外各架设一套自动气象站（HOBO U30，图3C、图3D），对电站内外2个观测点的风速、风向进行长期观测。24 h不间断观测，数据采集间隔为10 min。输出的数据用HOBO软件导出Excel数据并进行分析，用Origin软件作图。光热电站内观测点选择在定日镜场区较中间且环道内两块定日镜间隔较大处，方便仪器布设和数据观测。电站外观测点设置在电站西北方向（上风向）约2 km原始戈壁地表，周围无建筑物、地势开阔，以尽可能减少其他因素的干扰。

根据Stout等^［21］提出的方法，计算沙粒跃移间歇性参数（γ_ρ）。选取距地表5 cm风蚀质量通量传感器沙粒颗粒数数据，按5 min对观测数据进行划分，共60组。γ_ρ数值为0~1，0表明无沙粒跃移发生，1表示沙粒连续性传输。

在风速（u）达到某一临界值时风沙运动发生，该风速值即为临界起沙风速（u_t ）^［22］。本文中u_t 采用Stout等^［21］提出的The time fraction equivalence method （TFEM）方法计算得到。需要注意的是，当没有发生沙粒输移（γ_ρ=0）或发生连续输移（γ_ρ=1）时，u_t 是无法确定的。因此，只有当0<γ_ρ<1时，才能使用TFEM方法进行u_t 计算。选择0.05 m高度输沙颗粒数据和2 m高度风速数据进行u_t 计算。

跃移层高度（z_q）是通过对不同高度5 min平均输沙颗粒密度（q_p）进行指数拟合得到的^［22］。

式中：q_p0是拟合系数；z是高度。

输沙势采用Fryberger^［23］提出的计算公式：

式中：DP为输沙势，是一个矢量单位（VU）；V表示大于起沙风的风速，单位为节（knot，1节=1.852 km·h^-1）；V_t 为临界起动风速，单位为节；t为起沙风累计作用时间，用起沙风出现频率来表示，即起沙风出现的次数与总观测次数的百分比。通过矢量合成的办法，可将16个方位的输沙势进行合成，并得到最终的合成输沙势及其方向，即合成输沙势（Resultant Drift Potential，简称RDP）和合成输沙方向（Resultant Drift Direction，简称RDD）。合成输沙势与输沙势的比值（RDP/DP）称为方向变率指数，可以反映起沙风的方向变率。Fryberger^［23］根据输沙势大小，将风能环境分为高能（大于400 VU）、中能（200~400 VU）和低能（小于200 VU）。RDP/DP值越大说明风信情况越单一，越小则说明风信情况越复杂，大比率（>0.8）对应单峰型风况，中比率（0.3~0.8）对应锐双峰或钝双峰型风况，小比率（<0.3）对应复合风况。

输沙率是描述风力在单位时间内搬运和输送沙量并判断风沙灾害程度的重要指标。本文采用BSNE梯度集沙仪进行沙样采集，计算公式为^［24］：

式中：Q为输沙率，kg·m^-2·h^-1；W为总集沙量，kg；L为集沙面积，m²；∆T为观测时间，h。

使用Malvern激光粒度仪（MS3000）对BSNE集沙仪所收集沙粒样品的粒径分布进行测定和分析。Malvern激光粒度仪的量程为0.01~3 500 μm。考虑到MS3000的测量范围，在用仪器测定前滤掉样品中大于2 mm的砾石，然后绘制出1~1 000 μm粒径各个区间范围的粒度分布曲线。

风速是影响沙尘起动的主要因素。由图4可知，在整个沙尘暴发生期间，光热电站内的平均风速较电站外明显偏低。光热电站内2 m高度处风速为3.20~18.92 m·s^-1，平均值为7.65 m·s^-1；0.5 m高度处风速为0.66~9.33 m·s^-1，平均值为5.93 m·s^-1。电站外对照点2 m高度处风速5.34~23.28 m·s^-1，平均值为12.08 m·s^-1；0.5 m高度处风速为3.74~17.97 m·s^-1，平均值为9.83 m·s^-1。距地表0.5 m和2 m高度处电站内风速比电站外分别降低了39.67%和37.35%，这表明戈壁地区光热电站的建设对于戈壁近地表风速有明显的降低作用。本次沙尘暴发生期间光热电站内外的风向差异较小（图4C），电站内外主风向为西北和西南风，其中15:20—17:30为西北风，17:30—20:20风向逐渐变为西南风。

在观测时段内，不同高度的跃移沙颗粒数均在风速最大时段达到峰值。跃移沙颗粒数在0.05、0.12、0.38、0.8、1.4 m高度处的最大值分别是1.67×10⁶、1.51×10⁶、0.27×10⁶、0.04×10⁶、0.01×10⁶个·m^-2·s^-1。在观测时段内，跃移沙粒主要集中于距地表0.5 m高度范围内，0.5 m高度以上跃移沙颗粒数最大值减少1~2个数量级，0.5 m高度以下沙颗粒数占总沙粒数的90%以上（图5）。

沙粒跃移运动是一种非稳态过程。计算结果表明，研究区戈壁光热电站内沙粒跃移间歇性参数γ_ρ为2%~99.6%，平均值为42.79%（图6A）。可见，沙粒跃移运动具有明显的间歇性特征。但在17:50—18:40近1 h强沙尘期间，γ_ρ高达90%，表明沙粒发生近连续性输移。戈壁光热电站内γ_ρ与2 m高度处平均风速u遵循线性函数关系，呈明显的正相关关系，R²=0.65（图6B）。

起沙风速是探究区域风沙运动规律、制定防风治沙措施的重要风沙物理学参数，起沙风速的大小与土壤温湿度、沙粒粒径和植被盖度等因素相关。根据TFEM方法^［21］，对观测期电站内2 m高度处临界起沙风速U_t 进行计算。结果显示，观测期内戈壁光热电站内2 m高度处临界起沙风速为6.43~8.10 m·s^-1，平均值为7.37 m·s^-1（图7）。

跃移是风沙运动的主要形式，指颗粒在近地层以连续跳跃的形式向前移动的过程^［22］。关于风沙运动的大部分研究工作都是围绕风成跃移运动展开，沙粒跃移高度的确定，可为防沙措施高度的设计提供理论依据。根据公式（1），对不同高度5 min平均输沙颗粒密度（q_p）进行指数拟合，得到平均跃移层高度z_q。如图8所示，在本次观测期内，光热电站内z_q为0.1~0.35 m，平均值为0.15 m。

根据公式（2）对电站内外2023年5月至2024年4月全年逐月输沙势进行了计算（电站内Vt=7.36 m·s^-1，电站外V_t 采用作者前期在哈密南湖戈壁测量的起沙风速，为8.42 m·s^-1［25］）。在观测期电站内输沙势DP为1.72 VU，属于低风能环境，其中偏西风（SW-NNW）输沙势为1.63 VU，偏东风（NE-ENE）输沙势为0.08 VU，分别占全年输沙势的95.04%和4.63%。电站内年合成输沙势RDP为1.39 VU，合成输沙方向RDD为94°.93（E），输沙势方向变率RDP/DP为0.81，属于单峰型风况（图9）。电站外输沙势DP为45.46 VU，同样属于低风能环境，其中偏西风（SW-NNW）输沙势为29.40 VU，占年输沙势的64.67%。电站外年合成输沙势RDP为21.75 VU，合成输沙方向RDD为124.51°（SE，东南），输沙势方向变率RDP/DP为0.48，属于双峰型风况（图9）。

电站内各月的合成输沙方向均为E（东）和ESE（东南偏东），方向较为稳定（表1），输沙势最大值出现在7月，为7.82 VU。电站外输沙势最大值同样出现在7月，为152.07 VU。总体而言，电站内各月的合成输沙方向较电站外更稳定。

由图10可以看出，电站内外输沙率均随高度增加指数递减。在0.5 m以下随高度的增加输沙率显现急剧下降的趋势，当高度上升到0.5 m以上，变化趋势逐渐变缓。光热电站外0.5 m高度以下携沙量约占总携沙量的90%左右，而光热电站内约占95%左右。较低高度0.05 m处光热电站内的输沙率要远高于电站外，较高高度（0.175、0.285、0.605、1.125、2.145 m）电站内的输沙率明显低于电站外。整个观测期内光热电站内集沙仪5个高度总集沙量为2 146.33 g，电站外总集沙量为1 029.67 g，电站内总集沙量是电站外的2.08倍。此外，图10表明，在距地表0.2 m高度以下，电站内的输沙率比电站外高，而在0.2 m以上高度，电站内比电站外低。

集沙仪最底层（0~5 cm）所收集沙粒的运动形式除跃移外，还有部分沙粒是蠕移而来的。研究表明，粒径在500~2 000 µm的沙粒，一般属于表层蠕移的范畴^［26］，通常粒径在100~150 µm的沙粒最易以跃移形式运动^［2］。2023年6月16日沙尘暴发生期间，光热电站内戈壁地表0~5 cm高度内集沙仪收集的沙粒粒径在500 µm以上的组分约占总沙量的10%（图11）。因此，集沙仪最底层收集的沙粒中由蠕移运动的贡献量相对较少，可基本看作是跃移质。

不同高度的沙粒粒径变化可以表征风沙蚀积特征。由图12可以看出，光热电站内沙粒粒径大多处于易起动颗粒粒径组（50~250 μm），以及少部分在大风沙尘天气下极易被吹动的较细颗粒物（1~50 μm）。由图12还可以看出，在0.05、0.175、0.285 m这3个相对较低高度，光热电站内外的沙粒粒径峰值均在100~250 μm区间，而在0.605、1.125、2.145 m这3个相对较高高度处，光热电站内外的沙粒粒径峰值均在50~100 μm。光热电站内外的沙粒粒径差别不大，但值得注意的是，电站外的中粗沙体积比例随着高度的增加而先增加后减少。相比之下，在电站内，它们随着高度的增加而稳步下降。在≤3 m高度范围内，沙尘暴携沙以100~250 μm的细沙为主，占集沙总质量的50%左右。由此可以得出：在≤3 m范围内戈壁光热电站内风沙流运动形式以跃移为主。

光热电站内定日镜等设施增大地表粗糙度，具有明显降低风速的作用。数值模拟发现，沙漠地区光热电站内，距地表1 m高度处风速降低20%^［27］。殷代英等^［28］的研究结果表明大型光伏电站使得共和盆地荒漠区风速降低了53.92%。而我们的野外观测结果显示，戈壁光热电站内距地表0.5 m和2 m高度处，风速分别降低了39.67%和37.35%。对比发现，戈壁光热电站内风速没有荒漠地区光伏电站内风速降低明显，主要原因是两者电站规模以及地表植被覆盖度的不同。

受空气及土壤温湿度、植被覆盖度以及沙粒粒径等多种因素的共同影响，不同地区不同时间的起沙风速并不为固定值，而是在一定范围变化^［29-30］。一般戈壁地区2 m高度起沙风速约为11~20 m·s^-1［30］，我们测得的戈壁光热电站内2 m高度起沙风速u_t 为7.36 m·s^-1，比兰新高铁沿线烟墩戈壁低37%，比一般戈壁地表低36.52%~63.2%^［17］。相比于沙漠地表，光热电站内测得的起沙风速比陈渭南等^［31］在塔克拉玛干沙漠测得的起沙风速（5~6 m·s^-1）、杨兴华等^［32］测得塔克拉玛干沙漠腹地2 m高度临界起沙风速（4.0~6.0 m·s^-1）要略高，更接近于李凯崇等^［33］在河岸地区测得的沙质地表起沙风速（7 m·s^-1）。主要原因是光热电站内地表局部积沙，积沙在大风作用下更容易起动传输，使得电站内起沙风速较一般戈壁地表低，而由于戈壁光热电站与沙漠地表沙粒粒径和下垫面特征的不同，导致光热电站内起沙风速略高于一般沙漠地表。

输沙势是衡量区域风沙活动强度及风沙地貌演变的重要指标，也是目前风沙活动强度计算中应用最为广泛的指标^［34］，但输沙势只能表示区域潜在输沙能力，而不能精确反映区域的实际输沙能力。与中国北方其他沙区相比，如科尔沁沙地（DP=180.32 VU）^［35］、古尔班通古特沙漠（DP=48.25 VU）^［36］、毛乌素沙地（DP=66.75VU）^［37］、呼伦贝尔沙地（DP=279.10VU）^［38］、敦煌鸣沙山（DP=92.49VU）^［39］、柴达木盆地（DP=284.40VU）^［40］、塔克拉玛干沙漠（DP=5.40~399.00VU）^［41］等，敦煌戈壁光热电站内的输沙势均低于以上区域，主要原因是相比较于沙漠地表^［29］，光热电站内的起沙风速较高，且光热电站对风速的减弱作用明显。

张正偲等^［42］的研究结果表明：风沙活动特征与区域下垫面特征相互影响，互为因果， 因此不同区域之间的风沙活动特征存在显著差异。与张正偲等^［42］的研究结果相似，本文研究表明，电站内的输沙势远低于电站外，说明光热电站可降低区域风蚀强度，起到一定的防沙治沙效果。但电站内的实际输沙量高于电站外，主要原因是实测输沙量除了与风速、风向有关外，还受地表性质的影响，光热电站内积沙较多，沙源丰富，导致0.05 m高度以下输沙量增加。这与在敦格铁路沿线的研究结果^［43］相似。

此次沙尘暴期间，电站内沙粒跃移间歇性参数γ_ρ平均值在50%以下，说明观测期内电站内风沙输移表现为间歇性特征。然而，在强沙尘期间，γ_ρ高达90%，说明发生了近连续性输移。相比于沙漠地表，戈壁沙源供给相对不足，风沙输移一般过程具有间歇性特征，但在风速达到10 m·s^-1左右时，戈壁光热电站内γ_ρ最大值接近于1，且γ_ρ与2 m高度处平均风速成正比。这说明除沙源供给因素外，风速是影响γ_ρ的一个重要因素。

我们测得的戈壁光热电站内沙粒平均跃移层高度z_q介于0.1~0.35 m，平均值为0.15 m，比兰新高铁沿线百里风区高砾石覆盖度戈壁地表低74%^［17］。相关研究表明，沙质地表沙粒跃移主要在地表30 cm范围内^［13］。可见，地面性质对沙粒跃移高度影响很大。戈壁地表砾石坚硬，沙粒与砾石碰撞几乎处于弹性碰撞状态，因此，跃移沙粒消耗的能量少，反弹高度高^［14］。电站内沙粒粒径较细，地表积沙更接近沙质地表，跃移沙粒撞击地表后发生弹性形变，具有能量损失，因此沙粒平均跃移高度较戈壁地表低。

输沙量是衡量风蚀地区风沙危害的主要指标，影响输沙量大小的因素有很多，如风速、下垫面性质、植被覆盖度、沙粒粒径及水分等。本次野外观测结果显示，电站内输沙率随高度增加指数递减，而流沙地表输沙率随高度的增加也呈指数规律衰减^［18］。在近地层（0~20 cm）范围内，电站内输沙率大于电站外。随高度增加，在距地面20 cm以上高度范围内电站外输沙率较电站内大。陈曦等^［44］的研究结果表明：光伏电站内电板前沿、后沿及电场矩阵行道处输沙量均随着高度增加而呈降低趋势。这一点与我们的研究结果相似，但他们在各观测位置测得的输沙量随高度变化拟合曲线均为多项式曲线，与我们的研究结果存在差异，主要原因可能是研究区的地表类型以及地表沙粒粒径组成的不同所造成。光热电站具有降低风速的作用，然而整个观测期内光热电站内集沙仪5个高度总集沙量为2 146.33 g，电站外总集沙量为1 029.67 g，电站内是电站外的2.08倍。一般情况下输沙率是随着风速增大而增大，但电站内近地表0.05 m高度处电站内输沙率比电站外高264.18%，导致电站内总输沙量比电站外高，原因主要是电站内地表存在大量积沙，沙源增多且沙粒粒径较细（电站内不同高度集沙仪捕获的沙粒均较电站外更细），沙粒与砾石间弹性碰撞减少使得跃移层高度变低。在强风作用下，电站内地表积沙再次起动传输，从而使得电站内近地表0.05 m高度以下的输沙量较电站外大幅增加，风沙活动强度增强。

戈壁地区大型光热电站的建设，使得距地表0.5 m和2 m高度处风速分别降低了39.67%和37.35%，电站内风向无显著变化。

电站内沙粒跃移间歇性参数γ_ρ平均值为42.79%，具有明显的间歇性特征，但强沙尘时段γ_ρ高达99%，沙粒近连续性输移。

电站内2 m高度起沙风速u_t 为7.37 m·s^-1，较一般戈壁地表低。电站内沙粒跃移层高度为0.1~0.35 m，平均值为0.15 m。

电站内、外输沙势最大值均出现在7月，电站外年输沙势是电站内的26.43倍，且电站外比电站内风况更复杂。

电站内、外输沙率均随高度增加指数递减。与电站外相比，电站内近地表0.05 m高度处输沙率增加264.18%，而其他高度处输沙量均有所降低。整个观测期内光热电站内总集沙量是电站外的2.08倍。

相比于戈壁地区的光伏电站，目前对光热电站内风沙运动规律研究较少，光热电站内风沙灾害致灾机理尚不清楚。本文通过野外观测方法，初步揭示了戈壁光热电站内风沙输移规律，为戈壁光热电站风沙危害治理提供了理论依据。但目前尚缺乏对光热电站内外沙尘输移过程的长期定位观测数据，尤其是对电站内粉尘释放、传输和沉积规律的研究，这将是我们下一步要继续开展的工作。