风电场对植被变化影响分析*——以重庆武隆风电场为例

文|李朋磊，李国庆，郑平

风电场对植被变化影响分析*
——以重庆武隆风电场为例

文|李朋磊，李国庆，郑平

随着环境问题的加剧和资源的日益短缺，风能作为一项清洁能源，越来越受到各行业的重视，近年来我国的能源政策也逐步向风能方向倾斜。目前国内外很多学者在研究风能带来积极环境效应的同时，也开始思考风电开发过程中对环境的负面作用，以衡量风电开发的利弊。当前的研究多关注于风电场建设本身对风电场区域内动植物的扰动，以及对周边环境地表温度、气候等的可能影响。研究表明，风电场区域内近地表的空气湿度以及表面感热通量均会减小，对云和降水等其他气象要素也能起到间接改变作用。同时，风电场的建设运行导致下风向的风速明显减小，造成下风向处气温发生较为显著地的上升或下降，上述要素均会影响植被的生长状态。目前利用遥感手段监测风电场对植被影响的研究并不多见。本文以重庆武隆风电场为例，以遥感技术为手段，从区域尺度探讨风电场对植被影响的范围及强度，探讨风电场对植被变化的影响，以期为风电场的建设、植被保护与恢复、生态环境改善等方面提供参考。

图1 研究区位置图

研究区位置与概况

研究区位于重庆武隆县四眼坪，区域内规划建成了重庆市首个风电场，并于2009年正式供电。该区地处渝东南乌江下游，东连彭水，西邻涪陵、南川，北接丰都，南界道真。该地区以中亚热带植物为主，植被类型有常绿阔叶林、常绿针叶林、常绿针阔混叶林、竹林、常绿阔叶与落叶阔叶混交林、灌木林、疏林草地及灌丛草地。树种构成以速生优质树种马尾松、杉木、铁尖杉、白花泡桐、香椿为主；同时生长有属国家一级保护树种的银杉、珙桐、水杉，二、三级保护树种的鹅掌楸、胡桃、银雀树等；还有经济树种油桐、茶、漆、猕猴桃等。研究区位置如图1所示，作者利用佳明手持GPS－62SC实地调查风电场分布的外边界，根据该区域的外切矩形，获得风电场分布的矩形区（以下简称“电场区”）。同时选取该矩形的30km缓冲区（以下简称“缓冲区”）作为研究区，理由如下：

（1）从目前的已有研究看，风电场主要以影响风速的形式对地表过程进行扰动，风电场影响风速衰减的距离为30－60km。

（2）本文若选择30km以上区域距离风电场分布区域较远，土地利用类型将发生重大变化。

数据来源及预处理

气象数据来源于中国气象数据网；2000年－2015年MOD13Q1－NDVI数据及2001年、2005年、2010年、2013年MOD12Q1——土地类型数据均来源于美国国家航空航天局。

研究方法

一、植被范围的确定

为避免下垫面差异对研究结果产生明显的影响，本研究的重点集中在土地利用类型中的林地、草地及灌丛植被。本文利用2001年、2005年、2010年、2013年的土地利用图，计算出上述3个时间段植被覆盖的公共区域，将公共区域作为本研究的植被范围。

二、NDVI数据的重构

本文所使用的NDVI数据虽然采用了最大值合成方法（Maximum Value Composite, MVC）对数据进行了去噪和除云处理，但是MVC方法仍然无法保证每旬图像的所有像元在该旬内都是无云、无噪声的，因此需要对上述NDVI数据进行进一步处理。时间序列谐波分析法（Harmonic Analysis of Time Series，HANTS）结合了平滑和滤波两种方法，本文通过HANTS滤波最终实现图像的重构，进一步去除云量和噪声的影响。另外，NDVI当年生长季和值相对于当年最大值来说更能代表植被当年生长状态，所以本文将HANTS滤波后，各年生长季4－11月的NDVI求和，代表当年的植被生长状况。

三、植被变化趋势分析

为监测植被各年的变化状况，本文通过线性趋势斜率（LTA）方法，分别计算各像元2000年－2008年，2009年－2015年的各指标的总体变化情况，如式（1）所示。

式中，x是时间，y是变化指标（本文是各年生长季4－11月NDVI和值，以下用NDVI_SUM表示），a是趋势斜率，b是截距。a通过最小二乘法计算得到［式（2）］，来表示各指标的变化趋势。

式中，N表示参与计算的年份数量，2000年－2008年N＝9，2009年－2015年N＝7，xi中的i＝1时，则是研究时间段的第一年（本文分别指2000年、2009年），以此类推。yi是每个像元的当年生长季4－11月NDVI和值（NDVI_SUM）。当a＜0时表示该像元所代表的植被生长状态处于下降的状态，反之，则表示该像元所代表的植被生长状态处于上升的状态。

目前尚无对NDVI_SUM变化进行分级的统一标准，因此参考草地退化的国家标准（中华人民共和国农业部，2003），对NDVI_SUM变化等级进行划分，并对旁风区、风电场区、上风区、下风区的各等级所占植被面积的百分比进行统计。

四、风向对植被的影响

统计涪陵气象站2000－2015年的日、月风向数据，分别得到如图2a、图2b所示的风向频率玫瑰图，两者存在较大差异。为避免气象数据统计方式对本文分析结果的影响，采用两幅风向频率玫瑰图的公共区域，即N和NE所夹方向为上风区、SW和S所夹方向为下风区。同时为防止两幅风向玫瑰图非重叠方向ESE和SSE、NNW和WNW所夹风向对结果的影响，以下的分析均剔除上述两个方向。风向为以风电场中心为圆心，分别做半径为5km，10km，15km，20km，25km，30km的扇形。因0－5km半径的扇形在电场矩形区域内，以0－5km作为电场区对植被进行统一分析，最终分析上/下风向对植被影响的强度范围。

图2 风向频率玫瑰图

结果与分析

利用上述方法分别得到2000年－2008年、2009年－2015年研究区及上下风向处植被生长变化的空间分布图，图3a、图3b所示。从图3可以看出，2000年－2008年，研究区植被以稳定为主，2009年－2015年研究区植被以退化为主。

图3 2000年－2008年（a）/2009年－2015年（b）植被变化趋势

表1 NDVI_SUM变化等级的划分

表2 上/下风区不同距离下植被生长情况

为进一步定量分析图3中各区域内植被变化情况，计算并归纳得到表1。由表1可以看出，从退化比例上看，2000年－2008年，风电场区和上风区内植被退化比例最小，退化比例为0%，旁风区内退化区域所占比例最大，为0.31%，该区域内87%以上的区域都是稳定的，其余的大部分区域属轻度恢复。而2009年－2015年间，植被整体呈退化趋势，各区域内植被退化比例显著上升，其中下风区退化比例最高为57.70%，旁风区退化比例为51.36%，电场区以及上风区退化比例分别为27.88%，30.34%，明显小于旁风区和下风区的退化比例，可见2009年－2015年植被退化比例显著增多。一般认为旁风缓冲区受风电场的影响较小，从表1中各区域植被的退化比例可以看出，下风区植被退化比例大于旁风区植被退化比例，电场区及上风区植被退化比例均小于旁风区植被退化比例。可见风电场运行减缓了电场区及上风区植被的退化，加速了下风区植被的退化。

从稳定比例上看，2000年－2008年各区域稳定面积所占比例均在85%以上，2009年－2015年植被呈整体退化现象，大量稳定区域过渡为退化区域。

从恢复比例上看，相对于2000年－2008年，2009年－2015年电场区及上风区内植被恢复比例分别减少了6.71%和10.01%，旁风区内植被恢复比例减少10.60%，下风区区域内植被恢复比例减少11.75%，可见风电场的运行有助于电场区和上风区内植被的恢复，但总体上不利于下风区内植被的恢复。

为了进一步分析上/下风区，距离风电场中心不同范围内植被的变化情况，采取两幅风向频率玫瑰图的公共区域，即NNE和ENE所夹方向为上风区、SW和S所夹方向为下风区，同时剔除两幅风向玫瑰图非重叠方向ESE和SSE、NNW和WNW所夹风向，风向为以风电场中心为圆心，分别做半径为5km，10km，15km，20km，25km，30km的扇形，得到不同距离内植被面积变化的均值（表2所示）。从表2可以看出，在风电场建设前 （2000年－2008年），上风区和下风区植被基本上无退化区域，研究区范围内植被生长状况稳定，小部分区域存在变好的趋势；风电场建设后（2009年－2015年），下风区植被出现退化现象，在0－20km范围，上/下风区退化趋势大体一致，尤其在15－20km缓冲区内，上风区的退化比例高于下风区，但是在20－30km范围，下风区退化比例却明显高于上风区，表明在20－30km缓冲区内，风电场的运行会加快下风区域内植被的退化。

图4 上/下风区不同距离下NDVI_SUM变化情况

为进一步分析各区域内NDVI_SUM的具体变化值，并减少地表条件异质性、NDVI_SUM自然时空变化趋势对研究结果的影响，本文参照的方法如下：认为风电场建设之前的2000年－2008年各像元NDVI_SUM空间变化趋势（A）为自然时空变化趋势；2009年－2015年的NDVI_SUM空间变化趋势（B）为自然及风电场共同影响下的变化趋势，两者相减便得到风电场影响下的NDVI_SUM时空变化趋势（B－A）（图4a）。为更直观地分析图4a各距离范围内植被的变化趋势，求取电厂区域与距风电场不同距离缓冲区内旁风区，上风区，下风区的NDVI_SUM变化率的平均值（图4b）。

从图4b可以看出，不同距离缓冲区内，上风区的NDVI_SUM变化趋势减少值均小于相同缓冲区范围内旁风区的减少值，进一步验证了风电场的运行有助于上风区植被的恢复。但对下风区植被的影响却比较复杂，从图4b可以看出，相对于旁风区，下风区植被在0－20km是退化减缓的，在20－30km缓冲区内是退化加快的，可见风电场对下风区植被的影响因距离的不同存在明显差异。

结论

从上述的分析可知，武隆风电场运行对矩形电场区及30km缓冲区内植被的生长产生了明显的影响，主要变现在：

（1）从整体上看，风电场运行对电场区、上下风区植被的影响机制是不同的，风电场运行减缓了电场区及上风区植被的退化，加速了下风区植被的退化；

（2）风电场对下风区植被的影响存在距离差异，0－20km范围内，风电场的运行会减缓区域内植被的退化，在20－30km范围内，风电场的运行会加快区域内植被的退化。

（作者单位：鲁东大学资源与环境工程学院）

山东省高等学校科技计划项目（J16LH51）；国家自然科学基金青年基金（41601598）。