地球科学进展, 2019, 34(10): 1038-1049 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1038

综述与评述

风电场对气候环境的影响研究进展

蒋俊霞,1,2, 杨丽薇1, 李振朝1, 高晓清,1

1. 中国科学院西北生态环境资源研究院/寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室,甘肃 兰州 730000

2. 中国科学院大学,北京 100049

Progress in the Research on the Impact of Wind Farms on Climate and Environment

Jiang Junxia,1,2, Yang Liwei1, Li Zhenchao1, Gao Xiaoqing,1

1. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources/Key Laboratory of Land Surface Process and Climate Change in Cold and Arid Regions, Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000, China

2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China

通讯作者: 高晓清(1966-),男,甘肃白银人,研究员,主要从事气候变化与气候资源方面的研究. E-mail:xqgao@lzb.ac.cn

收稿日期: 2019-07-01   修回日期: 2019-09-15   网络出版日期: 2019-11-29

基金资助: 国家重点研发计划项目“风电场
环境影响评价研究”.  2018YFB1502800
国家自然科学基金项目“大型风电场引起的局地气候效应研究”.  41575112

Corresponding authors: Gao Xiaoqing (1966-), male, Baiyin City, Gansu Province, Professor. Research areas include climate change and climate resources engaged. E-mail:xqgao@lzb.ac.cn

Received: 2019-07-01   Revised: 2019-09-15   Online: 2019-11-29

作者简介 About authors

蒋俊霞(1985-),女,甘肃兰州人,博士研究生,主要从事陆面过程与气候资源的研究.E-mail:jiangjx@lzb.ac.cn

JiangJunxia(1985-),female,LanzhouCity,GansuProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludelandsurfaceprocessesandclimateresourcesresearch.E-mail:jiangjx@lab.ac.cn

摘要

风电是发展最快的可再生能源之一,随着风能在全球范围内大规模发展,人们开始关注大规模风电场的部署及运行对生态环境和气候的影响。通过调研相关文献,总结归纳了风电场对气候和生态环境的影响:一方面风机的架设改变了原有空气动力学粗糙度高度,加强了下垫面对湍流的阻挡作用,直接影响边界层湍流运动,改变原有陆地表面和近地层大气之间的物质能量和水分交换的强弱程度和模式,影响大气环流和气候;另一方面由于风力涡轮机将一部分风动能转化为电能,产生风机尾流效应,改变了边界层中大尺度运动动能的收支模式与时空分布,导致大气各种通量(热量通量和水汽通量等)的变化,对温度、降水和风速等产生影响。通常情况下,风电场对近地面的增温或降温效应与大气的层结稳定性有关。尽管如此,在全球气候模式中的模拟结果表明,风电场对全球气候的平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化。风电几乎不排放二氧化碳和污染物,与其他传统能源相比,减少水资源消耗,同时可能破坏动物栖息地、鸟类碰撞和产生噪声视觉等一些消极生态影响,但是可以采取相应的一些措施来减缓这些不良影响。

关键词: 气候变化 ; 可再生能源 ; 风能 ; 风电场 ; 气候环境效应

Abstract

Wind power has become one of the fastest growing renewable energy. With the large-scale deployment of wind farms in the world, people have started to pay attention to the impact of wind farms on the ecological environment and climate. This paper summarized the impact of wind farms on climate and ecological environment by investigating relevant literature: In the areas of wind farms, on the one hand, the set-up of wind turbines changes original aerodynamic roughness height and strengthens the dragging of the land surface against turbulence, directly affecting the turbulent motion of the boundary layer, resulting in the changes of intensity and pattern of material energy and water vapor exchange between land surface and near-surface atmosphere, further affecting the atmospheric circulation and climate. On the other hand, wind turbines convert the majority of the wind kinetic energy into electric energy, which produces the wake effect of the wind turbine. The budget patterns and spatial and temporal distribution of large-scale kinetic energy in the boundary layer are changed correspondingly, generating changes in various fluxes (heat flux, water vapor flux, etc.) in the atmosphere, which affect temperature, precipitation, and wind speed. Generally, the warming or cooling effect of wind farms on the near-surface is related to the stability of atmosphere. However, simulations in the global climate model showed that the average impact of wind farms on global climate is small, much smaller than the expected changes in greenhouse gas emissions and the interannual changes in natural climate.Wind power emits almost no carbon dioxide and pollutants. Compared with other traditional energy sources, it reduces water consumption but may generate some negative ecological impacts such as animal habitats, bird collisions, and noise, vision impact. However, some measures can be taken to mitigate these adverse effects.

Keywords: Climate change ; Renewable energy sources ; Wind energy ; Wind farm ; Climatic and environmental impact.

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本文引用格式

蒋俊霞, 杨丽薇, 李振朝, 高晓清. 风电场对气候环境的影响研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(10): 1038-1049 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1038

Jiang Junxia, Yang Liwei, Li Zhenchao, Gao Xiaoqing. Progress in the Research on the Impact of Wind Farms on Climate and Environment. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(10): 1038-1049 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.10.1038

1 引 言

自然界中的风是一种可再生、无污染且储量巨大的能源。随着能源危机和环境污染等问题的日益突出和风力发电技术的快速发展,风电在世界各国出现了飞跃式发展。20世纪90年代以来,风电装机规模大幅增长,根据世界风能协会(World Wind Energy Association,WWEA)统计,2018年全球新增53.9 GW的风电装机,中国占25.9 GW,成为全球风电规模最大的国家。在全球气候变暖的背景下,风能对缓解能源供应压力、改善能源结构、减少环境污染和温室气体排放等方面有重要作用[1],但是大规模风电场的建设和运行对气候和生态环境的影响也受到越来越多的关注。

自20世纪70年代开始,国外就有研究确定了风能开发利用对环境的负面影响,这些负面影响包括鸟类撞击致死事件、噪声污染、视觉污染和电磁干扰等[2~4]。20世纪90年代以后,越来越多的研究者开始关注这些负面影响。进入21世纪后,能源安全和气候变化日益受到国际社会的关注,世界各地风电场数量增加、规模增大,计算机数值模拟技术日益成熟,国内外研究者开始使用风电场气象观测数据和数值模式,研究大规模风电场对全球和局地气候的影响。国外这些研究主要在欧美地区展开,国内大型风电场主要集中在西北、华北和东北等地,但是对于大规模风电场的气候效应研究还较少。

本文对大规模风电场对环境气候影响的相关文献进行分析,概述了大规模风电场对气候和环境的潜在影响,介绍了研究风电场气候效应的各种方法及风电场参数化方案,总结了现有案例的研究结果,最后对该方向的未来研究提出了建议。

2 风电场对全球、区域及局地气候的影响

随着风电场的规模越来越大,目前已经有一些推测指出风电场可能引起气候变化。Roy等[5]和Keith等[6]首次提出大规模风电场的运行可能会影响局地和全球气候。在部署风电场的地区,当风力穿过风机叶片时,风的动能相当大一部分被涡轮机提取而转化为电能[7]。这种能量之间的转换影响陆地表面和大气层之间的自然能量交换扰动和循环模式,改变风电场及其周边地区的天气和局地气候,从而影响全球气候。

2.1 研究方法概述

总结风电场气候效应研究的相关文献,目前主要通过风电场现场观测数据、卫星遥感数据和数值模拟来研究风电场对全球和局地气候的潜在影响。风电场现场观测气象要素的变化直接反映了风电场对气候的影响,但是由于现场观测数据种类较少[8]、可用性有限、成本高,因此目前使用风电场现场观测实验来分析其气候效应的相关研究较少;卫星遥感观测数据成本较低,可以确定风电场在更大范围的时空尺度上对气候的影响;受观测数据的限制,数值模拟是目前研究风电场气候效应的主要工具,主要通过在大涡模拟(Large Eddy Simulation, LES)模型[9~14]、中尺度气候模型[15~26]和全球气候模式[27~32]3种不同尺度的模型中对风机进行参数化,研究风电场对局地(小于几百平方公里)天气、区域(约100×104 km2)乃至全球(大陆或洲尺度)气候的影响。LES模式分辨率高,用来模拟大规模风电场时,计算量大,成本昂贵。全球气候模式分辨率粗糙,对风机尾流中的湍流模拟可能不太准确[12,31]。中尺度模式与大气环流模式相比,时空分辨率较高,适用于模拟大型风电场在中小尺度上的区域气候影响。模型中使用各种不同的参数化方法来研究风电场对气候的影响。在流体力学或者LES中,对单个风机施加在局部气流上的拖曳实现直接显式参数化;在区域或者中尺度模型中,通常通过对上升的拖曳和湍流混合进行显式处理,代表多个风机集合;在天气学或者全球尺度上,通过增大表面空气动力学粗糙度长度来表示风电场。

表1总结了相关的研究工作并列出了它们的主要特征,如研究区域、所用数据和模式以及风机参数化方案等。

表1   风电场气候效应相关研究

Table 1  The research on the climate effect of wind farms

作者年份参考文献研究地区数据和模式风机参数化方案
Roy等2004[5]北美大平原RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)动量汇和湍流源
Keith等2004[6]北美、欧洲和亚洲

NCAR GCM(Global Climate Model developed by National Center for Atmospheric Research)和GFDL AM(Atmospheric Model developed by Geophysical

Fluid Dynamics Laboratory)2

改变地面粗糙度长度、显式拖曳方案
Adams等2007[16]加拿大南部WRF(Weather Research and Forecasting Model)对风施加上升的拖曳力
Kirk-Davidoff等2008[27]北美、欧洲、亚洲NCAR CAM3.1地表粗糙度元素
Roy等2010[19]美国加利福尼亚风电场观测数据、RAMS动量汇和湍流源
Barrie等2010[28]北美地区GCM地表粗糙度元素
Wang等2010[29]全球CCM3地表粗糙度元素
Wang等2011[30]全球近海海域CAM(Community Atmospheric Model)3地表粗糙度要素(改变表面拖曳系数)
Roy2011[18]美国加利福尼亚RAMS商业涡轮机真实数据,次网格尺度参数化
Fiedler等2011[20]美国东部地区WRF 3.0WRF2.0风机参数化
Zhou等2012[33]美国德克萨斯中西部地区MODIS地表温度数据
Walsh-Thomas等2012[34]美国加利福尼亚南部地区Landsat5卫星遥感观测温度资料
Fitch等2012[21]美国WRF3.3平均流上加一个动量汇,将动能转化成电流和湍流动能
胡菊2012[35]中国河西走廊RegCM(Regional Climate Model)4.1增加地表粗糙度
Zhou等2013[36]德克萨斯州西部MODIS地表温度数据
Smith等2013[37]美国中西部地区风电场观测数据
Cervarich等2013[22]美国德克萨斯中西部WRF动量汇和湍流源
Fitch等2013[12]美国堪萨斯州WRF和LES增加地表粗糙度、动量汇和湍流源
Vautard等2014[23]欧洲地区WRF提取动量和产生额外的湍流动能
徐荣会2014[38]内蒙古自治区中部苏尼特右旗风电场野外观测数据
Fitch2015[31]全球CAM5动量汇和湍流源
Armstrong等2016[39]苏格兰地区风电场观测数据
Geng等2017[24]德克萨斯中西部WRFWRF2.0风机参数化
Pan等2017[25]美国德克萨斯州沿岸WRF上升的阻力和湍流动能源
Sun等2018[26]中国WRFWRF2.0风机参数化
Li等2018[32]撒哈拉WRF增加地表粗糙度

注:“—”表示无风机参数化方法

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2.2 风电场对全球和区域气候影响研究

风电场的大规模部署可通过改变地表粗糙度来影响大气环流。风电场全球气候效应研究主要在大气环流模式(General Circulation Model,GCM)、通用大气模式(Community Atmospheric Model,CAM)等全球气候模型中,模拟大规模风电场对大气环流、地表温度和降水等的影响。

Keith等[6]模拟了假想的大规模风电场对全球气候的影响。结果显示在风电场地区地表温度的变化可达1 ℃,地表风速的变化可以达到几米每秒,同时在扰动区域数千公里以外的非风电场区域也观察到同样大小的温度变化,因此推测风机对气候的主要影响机制具有非局部性。Kirk-Davidoff等[27]进一步证实了这种非局部效应,并指出粗糙度异常对应一个平均风的罗斯贝波响应,这种响应的大小与粗糙区域的水平长度尺度以及粗糙度异常的大小成比例。

Fitch[31]在全球气候模型CAM5中,用上升的动量汇和增强的湍流源来表示风机涡轮叶片,模拟了不同装机容量(2.5,10和20 TW)的风电场对温度等的影响。结果表明,随着装机容量增加,风电场对区域和全球气候的影响增大,风电场区域的最大温度变化小于0.7 ℃,对风速和湍流的影响更显著。

Barrie等[28]模拟发现北美地区风电场引起的粗糙度扰动与北大西洋上的旋风轨迹和发展的重大变化有关。Wang等[29]指出,当2100年陆上风力发电满足全球能源的10%甚至更多时,可能导致风电场区域地面增温超过1 ℃,低层大气温度也显著升高。他们还使用改进的气候模型进一步研究了不同安装面积和空间密度的大型海上风电场的潜在影响[30]。与陆上风电场相反,海上风机装置导致在其安装的近海区域出现地表冷却效应,这种冷却效应主要是由于风机引起的湍流混合增加不能被平均风动能的减少完全抵消,导致从海洋表面到低层大气的潜热通量增强。与陆上风电场相比,海上风机的大规模部署对全球气候的扰动相对较小。Sun等[26]利用实际风电场规模和分布信息,利用Fitch等[21]的风电场参数化模块,模拟了风电场对中国区域气候的影响,结果显示:对2 m气温的影响在±0.5 ℃以内,小于气温的年际变化幅度。Li等[32]在撒哈拉沙区设计了理想的风电场布局方案,模拟了风电场对北部非洲气候的影响,结果显示风电场的存在可以使该区域气温上升、降水增加2倍以上,同时由于植被和降水的正反馈,植被可以得到恢复,降水还会增加80%。结果虽然令人鼓舞,但由于是理想模拟实验,还有待验证。

综上所述,风力发电机将风能转化为电能,因此大规模风电场可以通过提取动能和改变近地层湍流输送能力,显著影响地表温度、大气环流和水文循环。模式模拟结果表明,大规模风电场可能导致区域气候变化,但是对全球平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化[23]。但由于风电场的全球气候效应研究很难获取相关的现场观测资料,目前主要通过在全球气候模型和大气环流模式中增加地表粗糙度,使用理想化的边界条件和初始条件进行模拟评估,未考虑地形、环境、风电场设备及湍流和风切变的影响,具有较大的不确定性[21]

2.3 风电场局地气候影响研究

风电场的局地气候效应研究主要是利用风电场场站观测数据、卫星遥感数据和数值模式来分析模拟风电场及其附近区域的气象要素,如温度、降水和风速等的变化,所用数值模式主要有中尺度区域模型RAMS,WRF和RegCM等。

2.3.1 风电场对局地温度的影响

Roy等[5]用动量汇和湍流动能源表示风电场,模拟了美国Oklahoma地区假想的大型风电场在天气尺度上对当地气候的可能影响。模拟结果表明,风机叶片产生涡流,增加近地表扰动,增强动量、热量的垂直混合,影响温度、湿度和地表感热潜热通量的垂直分布,导致表面空气变暖变干,降低地表感热通量。由于夜间的低空急流使得边界层处于层结稳定状态,轮毂高度水平的风速最强,动量、湿度和温度的垂直梯度大,垂直混合增强,因此近地面增温效应在清晨的时候最强烈。Roy等[19]对观测资料的分析结果表明,风电场在夜间和清晨的时候,下风向区域的近地表空气温度比上风向区域高,其他时间上风向区域的近地表空气温度高于下风向区域。风电场在夜间具有增温效应,白天具有降温效应。在夜间稳定大气中,风机尾流效应使得垂直混合增强,导致近地表变暖。在白天不稳定大气中,近地表变冷。

Roy[18]将商业涡轮机的真实数据集成到次网格尺度的风机参数化方案和初始条件中,研究了风电场对近地表温度、湿度和地表感热潜热通量的影响以及风电场下风向区域影响的空间分布,特别强调了风电场空间尺度的重要性。模拟结果表明,风电场对以上要素的影响依赖于大气相当位温的递减率和混合比,影响幅度不仅受轮毂高度风速的限制,而且在一定程度上取决于风电场的大小。风电场对其下风向18~23 km区域的水文气象有影响,风电场尾流的典型长度尺度约为20 km。

Zhou等[33]基于MODIS卫星数据,通过对德克萨斯中西部地区4个风电场和附近非风电场区域以及风机安装前和安装后的气温进行比较,发现相对于附近非风电场地区,风电场区域出现了高达0.72 ℃的增温,夜间这种增温效应尤为明显,与前述风电场观测结果[19]一致。Walsh-Thomas等[34]利用卫星遥感资料,研究了加利福尼亚南部地区的风电场区域温度变化,证实了Zhou等[33]的研究结果。Zhou等[36]进一步指出,风电场引起的夜间增温效应为0.31~0.70 ℃,夜间增温效应夏天比冬天更大,最大增温效应出现在夏季夜间。变暖效应的空间格局、幅度与风力发电机的地理分布耦合性夜间比白天强,夏季比冬季强。通常夜间大气边界层较白天更稳定更薄,风机使得垂直混合增强,产生更强的夜间效应。较强风速和最优发电范围内的风速频率夏季比冬季强,夜间比白天强,可能驱动风机产生更多的扰动,最终导致夏季夜间出现最强烈的增温效应。Harris等[40]在Zhou等[33,36]的研究基础上进一步证实了风电场可以导致夜间增温效应。

Smith等[37]观测美国中西部地区风机尾流发现在下风向距离大于2 km时,风电场对白天的垂直位温梯度没有影响,而夜间位温梯度明显降低。在轮毂高度上,有尾流条件下温度比无尾流条件下高1.6 ℃,与Rajewski等[41]在美国爱荷华州中部地区风电场的观测结果一致。但Armstrong等[39]发现苏格兰地区风电场运行期间,夜间空气仅增温0.18 ℃,绝对湿度增加0.03 g/m3。徐荣会[38]研究结果显示内蒙古地区风电场对3 m以下近地表空气在夜间有增温减湿效应,白天有降温增湿效应。

Fitch等[12]在WRF模型中增加空气动力学粗糙度长度表示风电场,发现风电场地区近地面温度变化达1~2 ℃,但是在LES中用上升动量汇来表示风电场,发现温度变化通常小于0.5 ℃。由此可见,不同参数化方法模拟结果可相差2~4倍。增加粗糙度的方法通常夸大了感热通量,导致温度变化更大。但是两种方法模拟出来的尾流在白天和夜晚均呈现出几乎相反的结构,这与观测事实一致。他们在LES中发现风电场覆盖面积为10 km×10 km时,风电场对局地气流及其下风向区域(达60 km)有显著影响[13]。Lu等[11,42]进一步发现在稳定大气层结条件下,风电场的存在可以改变大气边界层的稳定性,大气边界层厚度增加,地表热通量减少,近地表出现轻微的降温。

胡菊[35]使用A1B情境下的EH5OM数据,模拟表明甘肃省河西地区风电场及其下风向区域增温幅度最大仅约0.3 ℃;一天中最强增温出现在早晨和下午,而最弱增温出现在夜间,这与Roy等[5]的模拟结果不同。Cervarich等[22]在WRF模型中采用实际边界条件,模拟结果证实了Zhou等[33]的研究结果,夜间风电场下风向区域温度增加,白天地表温度变化信号比较弱,地表温度模式和风机位置之间没有明确的对应关系。模拟的地表温度变化比MODIS观测到的温度变化小得多。Geng等[24]利用真实初始和边界条件驱动WRF模型,也得到了相似的结果,此外他们还发现风电场尾流区域在下风方向上有明显的异常降温效应。下风向远距离的降温效应目前还未从卫星观测或者现场观测中发现,但是Fitch等[13]在理想化模拟中,也得到了夜间近地表降温效应。这可能与模式的能量约束有关。

2.3.2 风电场对局地降水的影响

Fiedler等[20]在WRF中发现大型风电场会对季节天气和降雨量产生明显影响,62个暖季的平均降雨量中,风电场东南部和周围的多个州区域降雨量增加了1%。作者认为可能是由于风电场在一定程度上阻碍了来自西北部干燥空气的水平对流。Vautard等[23]基于欧盟能源和气候政策,在WRF模型中模拟了当前和2020年情景下风能发电的气候影响,发现冬季降水变化在0~5%。

Pan等[25]的模拟研究表明,近海风电场对24小时累积降水的分布有很大影响,岸上、风电场下游明显减少,近海区域、风电场及其上游区域明显增加。在4个案例中,空间平均的24小时累积降水量分别下降了37%,28%,20%和25%。与无风机的控制案例对比,岸上降水减少区域的水平风散度增大,垂直速度降低。胡菊[35]利用RegCM对我国西北干旱区进行模拟,结果显示,大型陆上风电场增加了大气对流特性,对流降水日增加1~1.5 d/a,受水汽和地形的影响,降水量在部分地区没有相应增加,风电场区域降水量减少,对流降雨量变化范围为-5~+5 mm,占全年降雨量变化的主要部分。

2.3.3 大型风电场运行对局地风速的影响

Christiansen等[43]利用SAR雷达数据,研究了丹麦地区两座大型海上风电场对风速的影响,发现通过风电场后的平均风速减小8%~9%,风电场下风向5~20 km的范围内,风速会逐渐恢复到经风电场前风速的98%以上;Frandsen等[44]发现对于海上风电场,在下风向6,8和11 km处的风速与进入风电场的风速比值分别为0.86,0.88和0.90,表明风电场对风速的影响可以延伸至其下风向的10 km外,风速的衰减距离最大可达到30~60 km。Fitch等[21]也发现从海上风电场延伸至其60 km下游区域的中性边界层厚度均有风速衰减现象,风电场区域内风速衰减最多可达16%。上面这种风速衰减效应与Rooijmans[45]在MM5中模拟北海地区大规模海上风电场的风速减小现象一致。徐荣会[38]利用现场观测数据,发现内蒙古地区风电场对风速的影响随着周围环境风速的增大而减小。胡菊[35]模拟发现,我国河西走廊地区的大型风电场建成后,风电场的平均风速减小0.3 m/s。刘磊等[46]的研究表明:由于风机的存在,风电厂内风速的损失随着环境风速的增大而减小,损失量与风机的推力系数有关。陈伯龙等[47]利用边界层理论和梯度输送原理,依据动量守恒定律,在大气中性层结条件下建立了风电场的动量吸收模型和风电场下游的动量补偿模型,计算出风电场尾流距离。该尾流距离是风机直径、风塔高度、风机行数、风机动能利用系数、地表粗糙度和风机列间距的函数。

风电场通过改变地表粗糙度和提取风动能,改变边界层湍流运动,影响陆气之间能量物质的交换,引起局地地表温度、近地表气温、降水、风速等要素的变化,从而影响局地气候。基于观测数据的研究分析和基于数值模式的模拟实验都表明,风电场对近地表温度有冷却或增温效应,这种增温或降温效应与大气的层结稳定性有关。风电场运行期间风力涡轮机转动增强大气垂直混合程度,白天由于地面吸收太阳辐射,近地层气温高,大气温度呈递减层结,处于不稳定状态,即冷空气在暖空气之上,风机转动促进垂直混合,使得冷空气向下,暖空气向上,因此在白天产生冷却效应。而夜间由于辐射冷却效应,大气层结稳定,暖空气在冷空气上,垂直混合增强使得暖空气向下,冷空气向上,因此对近地面有增温效应。由于风机吸收大部分风动能转化为电能,改变了边界层中大尺度运动动能的收支模式与时空分布,导致大气各种通量(热量通量和水汽通量等)的变化,影响风电场及周边区域的温度和降水。风电场对其内部及下风向区域的风速有衰减效应,即产生尾流效应。尽管如此,在全球气候模式中的模拟结果表明,风电场对全球气候的平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化。

3 风电场对生态环境的影响

3.1 风电场对资源消耗和排放的影响

化石燃料排放的温室气体已被公认为是全球变暖的主要原因之一。与传统的化石燃料相比,风力发电是一项绿色无污染的技术,不产生二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫等温室气体、微粒和其他形式的空气污染[48]。从表2可以看出风能与其他形式的能源相比,环境影响较小。风力发电与常规能源相比,可以减少大气污染,2.5 kW系统可以减少1~2 t二氧化碳排放[50]。风能不仅减少二氧化碳的排放,还减少发电对淡水资源的消耗[51]。常规电源中的冷凝热力循环部分需要大量的水资源,表3列出了不同形式的发电厂所消耗的水资源,可以看出风电是消耗水资源最少的一种发电形式。此外据报道,马来西亚传统发电厂的平均耗水量约为1.48 L/ (kW·h),而2007年风能运行的消耗量仅为0.004 L/ (kW·h) [54]。从环境友好和健康的角度来说,风能是最具有优势的能源[55]。尽管风能与化石燃料等相比减少水资源的消耗和环境污染,但是自20世纪70年代开始,国外的一些研究者就开始关注大规模风电场对生态环境的负面影响,比如风机叶片产生的噪音、视觉冲击、鸟类撞击致死事件和电磁干扰等[56~59]

表2   风能与其他能源的环境影响比较[49]

Table 2  Comparison of environmental impacts of wind energy and other energy sources[49]

天然气石油核能水力发电风能
空气和水资源污染
全球变暖
水的热污染
陆地洪水
废物处理
采矿和钻井
工厂建设

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表3   风力发电与其他形式发电技术的水资源消耗比较[52,53]

Table 3  Comparison of water consumption between wind power and other forms of power technology[52,53]

技术Gal/(kW·h)L/(kW·h)
核能0.622.30
0.491.90
石油0.431.60
联合循环燃气0.250.95
风能0.0010.004
太阳能0.0300.110

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3.2 风电场对动植物的影响

风机和输电线路造成蝙蝠及鸟类的死亡使人们开始关注风能开发的生态影响。风能对动物的影响可以分为直接影响和间接影响,直接影响指的是与风力发电设备碰撞造成的死亡率,间接影响指的是栖息地的破坏和迁移。风电场对植物的影响方面,近期也取得了一些进展。

Arnett等[60]综合美国和加拿大风电场建设后的蝙蝠死亡案例,总结出蝙蝠死亡具有高度变化性和阶段性,在夏末和秋季达到高峰,在低风速时易发生。Drewitt等[61]利用现有风电场研究资料,探讨了风能发展对鸟类的潜在影响,主要包括碰撞、由于干扰造成的位移、屏障效应和栖息地丧失,这些影响可能直接造成鸟类死亡或者改变生存条件及繁殖率,其中风机碰撞引起的鸟类死亡是被广泛关注的风电场生态环境影响之一,也被认为是风电场的主要生态缺陷。Krijgsveld等[62]发现在秋冬季节,荷兰风电场鸟类碰撞率为平均每台风机每天0.08只,而当地鸟类夜间飞行时,碰撞死亡率为0.16%。Kikuchi[63]的研究结果表明,由于风电场致死的鸟类在世界范围内每年达数百万只,特别是稀有猛禽死亡率高,在鸟类迁徙路线上的风电场对鸟类威胁很大;据估计每台风机每年导致的鸟类碰撞死亡数量为0~40只[64]。不同地点的鸟类死亡数量有很大差异,有些地方潜在碰撞风险高,另外有些物种也更容易受伤[65]

Marques等[66]通过对大量文献进行回顾,总结了风力涡轮机与鸟类碰撞的相关因素和缓解策略。鸟类碰撞风险与物种特征(如形态、感觉知觉、物候、行为或丰度)、位置(如景观、飞行路线、食物供应和天气)以及风电场特性(涡轮机类型和配置,照明)等一系列因素有关,碰撞风险是由这些因素之间复杂的相互作用引起的。许遐祯等[67]利用鸟类监测数据,研究了风电场对盐城珍禽国家自然保护区鸟类的影响,发现风机转速较慢,鸟类飞行高度高于风机高度时,风机与鸟类的碰撞风险较低。

Pearce‐Higgins等[68]使用英国风电场的监测数据,研究了风电场建设和运行期间对高地鸟类繁殖密度的影响,发现红松鸡等的密度在风电场建设期间呈下降趋势,云雀的密度有所增加,风电场建设后,不同鸟的密度恢复程度不同。Farfán等[69]通过研究西班牙南部地区风电场附近的鸟类种群恢复,发现干扰或者撞击对小鸟的影响较小,风电场建设6.5年之后的猛禽数量较刚建设完有所增加,非猛禽类丰度下降,这可能与风电厂内地面小型动物增加有关。Stewart等[70]综合了分布在全球的19个风电场的鸟类丰度数据,得出风电场对鸟类丰度有显著的负面影响,雁形目比其他类群丰度衰退更大,其次是鱼形目、集形目、鹰形目和雀形目;风电场运行时间越长,丰度下降越大;进一步指出风电场在较长的时间尺度上可能具有重大的生物影响,但由于许多研究时段较短,因此相关证据较少,因此,需要更多的长期影响评估。

孙靖等[71]研究指出,风机噪声使鸟类空间活动范围减小,甚至还影响到鸟类的种群数量。许燕华等[72]分析了东沙沙洲风电场的建设对鸟类的影响,认为风机噪声对东沙沙洲迁徙鸟类影响不大;少数低飞候鸟可能存在撞机风险,风电场建设将使东沙沙洲鸟类栖息地面积减少81.5 km2,约占总栖息地面积的13.9%。尽管如此,风电场对鸟类的影响仍比其他常规能源小得多,风力发电导致的鸟类死亡比化石燃料少20倍[73]。即使风能在世界范围内广泛利用,因风电场致死的鸟类数量与其他人类活动,如森林砍伐、城市化等引起的鸟类死亡数量相比可以忽略不计[74]表4是由于人类活动导致的鸟类死亡数目[75],可以发现,风机致死的鸟类死亡数目与其他活动相比数量很少。许多明显的证据显示,风电场对鸟类的死亡率没有显著的影响。栖息在当地的鸟可以迅速适应风电场的存在,学会躲避障碍,因此风机对它们来说不是一个严重的问题[76]。并且还可以通过采取一些措施来减少鸟类与风机碰撞,比如德克萨斯州地区的一个风电场,使用鸟类雷达来探测风机区域内的鸟,如果发现风机对鸟有潜在危险,系统将使风机停止工作[77]

表 4   美国由于人类活动导致的鸟类死亡数目[75]

Table 4  Number of bird deaths due to human activities in the United States[75]

人为因素每年杀死的鸟类数量/×106
1 000
建筑100
狩猎100
交通工具60~80
通信塔10~40
农药67
电线0.01~174
风机0.15

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通常认为受到风电场影响最大的对象仅限于飞行物种。Maria Thaker等[78]的研究发现风电场对当地生态系统的影响范围比之前认为的更大,作者观察到在没有风电场的地区,捕食性鸟类的数量几乎是风电场周围的4倍。但是,风电场周围的蜥蜴较多,并认为这是由于风电场周围较少出现捕食性鸟类的攻击所致。作者认为,风电场类似于食物链顶端的又一营养级,会对周围动物产生级联效应。虽然风电场是可再生能源的一个关键来源,但在确定风电机的建造地点时,必须将风电场对当地生态系统的影响纳入考虑范围。

李国庆等[79]以内蒙古灰腾梁风电场为例,开展了风电场对植被影响的研究。研究发现风电场运行对风电场区域内/外植被的影响机制是不同的,风电场区域内不利于植被的生长,而上/下风区域却有利于植被的生长;相对于风电场建成前,风电场建成后的2008—2014年缓冲区和风电场区域植被恢复比例分别上升了26.66%和13.14%,但上风区域却上升了51.83%,下风区域上升了41.07%。作者同时也指出了该研究的不确定性,主要是无法在结果中剔除气候变化及放牧对研究区植被的影响。

3.3 风电场对噪声和视觉影响

风机引起的噪声和视觉影响会给人们的生活带来烦恼[80]。风机噪声可以分为机械和空气动力两种类型。机械噪声是由于风机部件如齿轮箱、发电机和轴承等运转产生的;空气动力性噪声是气流穿过风机叶片时产生的。风机转速增加,空气动力性噪声也增加。机械噪声主要是由风机齿轮、转轴等机械部件的活动造成的;空气动力学噪音主要包括风机叶片转动噪音和湍流噪音[81]。机械噪声频率低于1 000 Hz,而且机械噪音可以在设计阶段通过增加隔音和防震支撑降低,因此空气动力学噪声是主要的噪声来源[82]

当风速在8 m/s左右或者更大时,由于风本身的噪音可能完全掩盖了风机的噪声,很难测量风机的声压级别。风速较低但足以使风机叶片转动时,风机产生的噪音更加值得注意[83]。Kaldellis等[84]指出10 m高度处的风速为5.1 m/s时,风机产生的噪声是(48.5±1.6)dB,比周围环境的声音多出大约9 dB。风速为8 m/s时,风机产生的噪音范围是98~104 dB,人在500 m远的地方感受到的噪音是33~40 dB。已有的研究指出风机产生的噪音声压级与其他社会噪音如公路交通、飞机等相比幅度很小[83,85,86,87,88,89]

有意思的是,德国鲁尔大学的Neuffer等[90]在德国北部地震监测网络附近(小于5 km)的风电场噪声研究表明,与风速相关的监测点上,功率谱密度函数和4年时间段内的195个波形值表明,风机对地震噪声水平的影响在1~10 Hz的频率范围内。风速增大,所考虑的频段内的功率谱密度振幅以不同的频率增加,这与风机的高度、数量以及类型有关。增加站点与高风速相关的噪声水平,该站的记录质量变差,从而抑制了小地震事件的自动监测。地震监测网络的功能性和任务实现越来越受限于附近风机数量的不断增加。因此,对于噪声敏感区域风电场的建设,需要考虑风电场噪声对背景噪声的影响。

阳光下运动的风力发电机叶片产生的摇曳的阴影在多种因素(如与风力发电机距离、工作时间和太阳光)综合作用下,会对人产生视觉影响[87],现在风机的高度越来越高,风机对人的视觉冲击问题也愈发明显。但是这个影响是主观的,取决于人们对于风能的态度。

4 总结与展望

陆气之间的物质能量交换直接影响大气环流和气候变化[91]。地表附近的湍流流动是边界层摩擦力、蒸散发和热量输送等共同强迫的结果,太阳辐射被地表吸收后,一方面发射长波辐射,另一方面边界层的湍流运动将热量和水汽向上输送给近地层大气。边界层湍流运动是大气运动的最基本特征,也是陆地表面和近地层大气之间的物质能量和水分交换的主要方式,与大气稳定度和粗糙度扰动等直接相关[91]。地表粗糙度是影响陆气之间物质能量和水分交换的动力因子,影响陆气间物质能量交换过程的强弱。大规模风力发电机的架设一方面使得地表粗糙度增加、摩擦力增大,影响边界层湍流运动,改变原有陆地表面和近地层大气之间的物质能量和水分交换的强弱程度和模式,影响大气环流和气候;另一方面由于风力涡轮机将一部分风动能转化为电能,产生风机尾流效应,改变了边界层中大尺度运动动能的收支模式与时空分布,导致大气各种通量(热量通量和水汽通量等)的变化,对温度、降水和风速等产生影响。

风电场对近地面的增温或降温效应与大气的层结稳定性有关,风电场运行期间风力涡轮机转动增强大气垂直混合程度,白天产生冷却效应,夜间有增温效应。由于风机吸收大部分风动能转化为电能,风电场对其内部及下风向区域的风速有衰减效应,即产生尾流效应。这种局地效应可以引起大尺度的大气环流效应。

模式模拟结果表明,大规模风电场建设和运行导致区域气候变化,但是对全球平均影响很小,其影响远远小于温室气体排放引起的预期变化和自然气候的年际变化。但由于风电场的全球气候效应研究很难获取相关的现场观测资料,目前主要通过全球气候模型和大气环流模式在理想化的边界条件和初始条件下模拟评估,未考虑地形、环境和风电场设备等影响,具有较大的不确定性,有待进一步探索研究。

风电场对生态环境也有一系列的影响,如表5所示,与其他传统能源相比,风电场减少二氧化碳和污染物排放,发电过程消耗淡水资源少,但是也会产生飞行鸟类碰撞风机、破坏动物栖息地等以及大规模风机运行产生噪音等负面影响。尽管如此,风电场致死的鸟类数量与其他人类活动引起的鸟类死亡数量相比可以忽略不计,还可以采取一些有效措施如风电场选址、实时监控等来减少风电场对动物栖息地以及鸟类活动的影响。目前风电场对植被的影响研究比较少,还需进一步探索。

表5   风电场对生态环境的主要影响

Table 5  The main impact of wind farms on the ecological environment

正面影响负面影响不确定影响
减少二氧化碳鸟类碰撞植被影响
不排放污染物栖息地破坏视觉冲击
节约水资源噪声影响

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为了满足不断增长的能源需求与减缓日益严重的污染问题,未来风能发电将会进一步发展,风电场在世界范围内也会越来越多,风电场的气候和环境影响需要更深入、更具体的研究。我国制定了到2030年4×108 kW 和2050 年1×109 kW的风电装机发展目标,大规模、集中式开发方式依然是重要方式。我们必须科学规划,尽最大可能避免造成生态和气候环境的负面影响。为了保持我国风电产业的生态环境友好和绿色发展,应该在以下几个方面进一步开展研究:

(1)开展风电场生态气候环境效应现场调查、观测和监测,揭示生态气候环境效应的事实和机理,为相关生态环境保护和应对气候变化政策和措施提供科学依据。

(2)开发风电场生态—气候—环境效应模型,为我国不同下垫面、不同气候区、不同规模风电场布局对局地和区域生态气候环境的敏感性评估提供方法论和工具。

(3)开展气候变化背景下,我国风能资源的情景预估及其不确定性研究,为未来风能资源开发规划提供依据。

(4)建立风电场运行对生态环境影响的评价方法和指标体系,完善风电建设项目环境影响评价。

(5)结合风能资源情景,开展生态气候环境影响约束下,风电场开发布局和电网的适配性研究,为风电和电网的绿色规划提供支撑,为国家生态文明和2050年风电发展目标的实现提供保障。

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