基于GIS空間分析的風機微觀選址研究

張 磊，袁鵬博，李小林

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

風能是一種可再生能源，很早就被人們利用。對于缺水、缺燃料和交通不便的沿海島嶼、草原牧區(qū)、山區(qū)和高原地帶，因地制宜地利用風力發(fā)電，非常適合[1]。同時由于利用風力發(fā)電非常環(huán)保，所以國內(nèi)外都很重視開發(fā)這一種新能源。然而風電場建設(shè)是一個比較復(fù)雜的工程，第一個需要考慮的問題就是風電場的選址工作。這需要在一個較大的區(qū)域內(nèi)綜合考慮風力資源、地形地貌和交通等因素,選擇出適合風電場建設(shè)的區(qū)域,然后再考慮風電場風機的排布問題,確定每臺風機的位置,以取得風電場最大的年發(fā)電量和最佳經(jīng)濟效益[2]。

進入20 世紀90年代以來，一場以信息技術(shù)為核心的革命正在深刻的改變著人類的生活，地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)隨著信息技術(shù)的發(fā)展迅速地發(fā)展壯大，并且被應(yīng)用于各行各業(yè)，在各行各業(yè)的社會實踐中，GIS 技術(shù)發(fā)揮它獨特的強大分析能力，為各行各業(yè)的從業(yè)者提供解決方案。在資源與環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域中，GIS 技術(shù)發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。GIS 技術(shù)不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息，便于制定決策、進行科學(xué)的標準評價，而且可以有效地對多時期的資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較，也可將數(shù)據(jù)收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經(jīng)濟效益，為解決資源環(huán)境問題提供技術(shù)支持[3]。GIS 技術(shù)的大場景空間分析能力非常適合應(yīng)用于我們風電場建設(shè)的選址工作中。

1 風電場微觀選址

風電場微觀選址是指選出風電場建設(shè)區(qū)域后再根據(jù)當?shù)鼐唧w情況布置風力發(fā)電機組即安裝風機。為使整個風電場獲得最大發(fā)電量,并且盡可能降低整個工程的施工成本。風機一般適宜選擇坡度在一定范圍內(nèi)的區(qū)域，坡向結(jié)合當?shù)仫L向選取能更好利用風力資源的坡向范圍。除此之外風機距離村莊一般不小于500 m(或600 m)，風機距離線路、道路一般大于200 m。距離礦區(qū)一般要滿足爆破安全距離，大于300 m 等[4]。

2 GIS空間分析技術(shù)在風機微觀選址中的應(yīng)用

風機微觀選址不僅要考慮坡度因素、坡向因素，還要保證距離村莊、礦區(qū)、道路、線路等要素有一定的安全距離，此時在這種大范圍內(nèi)進行目標區(qū)域篩選，GIS空間分析技術(shù)可以大顯身手。我們只需獲取風場區(qū)域數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM），運用GIS空間分析技術(shù)進行坡度、坡向分析，根據(jù)選擇的坡度坡向范圍進行目標區(qū)域范圍確定。而后再運用GIS空間分析技術(shù)對村莊、礦區(qū)、線路、道路等數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析，將緩沖區(qū)分析的結(jié)果與坡度坡向分析的結(jié)果進行疊加分析，在目標范圍里剔除可能影響村莊、線路、道路等的區(qū)域，這樣就能篩選出最適宜進行風機排布的目標區(qū)域，最后只需在篩選出的目標區(qū)域進行風機合理排布，無需考慮坡度過大，是否影響村莊、礦區(qū)等因素，為風機選址大大縮小可選目標區(qū)域，極大地提高設(shè)計人員的工作效率。

3 案例分析

選取烏蘭察布風電基地一期600 萬kW 示范項目為例，運用GIS空間分析方法，進行風機微觀選址工作。

3.1 項目背景

2019年9 月26 日，內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府與國家電力投資集團有限公司深化合作框架協(xié)議簽約儀式暨烏蘭察布風電基地一期600 萬kW 示范項目開工建設(shè)動員大會在四子王旗召開。會上宣布，烏蘭察布600 萬kW 風電示范項目作為我國首個大規(guī)模風電平價上網(wǎng)示范項目，也是目前全球最大單體陸上風電項目。

3.2 工作路線圖

選址工作路線圖見圖1。

圖1 工作路線圖

3.3 工作內(nèi)容

根據(jù)前文所述GIS空間分析工作方法，按步驟進行烏蘭察布600 萬kW 風電示范項目的風機選址工作研究。

首先，獲取整個項目區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)、以及項目區(qū)域內(nèi)村莊、礦區(qū)、道路、線路等敏感數(shù)據(jù)的矢量數(shù)據(jù)。并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理方便運用GIS空間分析方法對數(shù)據(jù)進行分析。

然后對項目區(qū)域DEM 數(shù)據(jù)進行坡度分析和坡向分析，而后根據(jù)項目實際情況選取閾值對結(jié)果數(shù)據(jù)進行篩選，選出滿足條件的坡度范圍和坡向范圍，而后對兩個篩選的結(jié)果進行疊加分析獲取重疊區(qū)域即同時滿足坡度條件和坡向條件的目標范圍，而后再將疊加結(jié)果進行柵格轉(zhuǎn)矢量操作，獲取面狀矢量目標區(qū)域范圍。

同時，對項目區(qū)域內(nèi)各種敏感數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析，形成緩沖面。

最后，將緩沖區(qū)分析形成的緩沖面和坡度坡向分析最終形成的面狀矢量目標區(qū)域進行疊加分析，剔除敏感數(shù)據(jù)緩沖范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，形成最終的目標區(qū)域。此目標區(qū)域即為最終我們需要的較適宜布置風機的區(qū)域范圍。

3.4 工作步驟

3.4.1 坡度計算

地表面某一點的坡度是表示地表在該點的傾斜程度的量，是既有大小又有方向的矢量。在地形分析中，坡度表示經(jīng)過地表某一點的切平面和水平面所形成的夾角[5]。根據(jù)坡度圖，可以了解到區(qū)域內(nèi)各位置的地形陡峭程度。在坡度圖中，每個像元都有一個坡度值，值越大表示地勢越陡峭，值越小表示地勢越平坦[6]。

圖中中心點e 的坡度和坡向的計算公式如下：

柵格數(shù)據(jù)集的像元值即為中心點的值，在計算坡度和坡向時，可以通過插值得到每個點的高程值，然后計算每個點的坡度和坡向。由于計算點的坡度和坡向沒有實際意義，所以該方法計算的是柵格數(shù)據(jù)集中各像元平面的坡度平均值。

坡度計算一般采用擬合曲面法。擬合曲面一般采用二次曲面，即3×3 的窗口，見圖2。每個窗口的中心為一個高程點。

圖2 窗口示意圖

3.4.2 坡向計算

坡向用度數(shù)表示，坡向分析結(jié)果的范圍是0～360°。以正北方0°為開始，按順時針移動，回到正北方以360°結(jié)束。坡度圖中每個像元的值代表了其像元面的斜坡面對的方向，平坦的坡面沒有方向，賦值為-1。

由于坡向是圓的度量，10°坡向比30°坡向更靠近360°。因此，用坡向做數(shù)據(jù)分析之前，用戶需要對坡向進行轉(zhuǎn)換，即：將坡向分為東、西、南、北4 個基本方向（或者東、西、南、北、東南、西南、東北、西北8 個基本方向），可通過柵格重分級功能完成轉(zhuǎn)換，突出需要考慮的坡向范圍。在坡向計算時，也是在基于X和Y 的兩個方向進行計算[7]，其結(jié)果見式（4）：

3.4.3 坡度與坡向的重分類和敏感數(shù)據(jù)緩沖區(qū)分析

計算出坡度和坡向的結(jié)果，根據(jù)計算結(jié)果需要篩選符合相應(yīng)的數(shù)據(jù)。GIS 中常用的篩選，在烏蘭察布項目中我們根據(jù)計算結(jié)果采用重分類方法對數(shù)據(jù)進行篩選，將符合條件的范圍數(shù)據(jù)設(shè)置為1，將不符合條件的數(shù)據(jù)設(shè)置為0。對坡度和坡向的DEM 數(shù)據(jù)重分類后，采用兩個DEM 數(shù)據(jù)相乘的方法，將坡度和坡向的重分類結(jié)果相乘。結(jié)果數(shù)據(jù)為1就是符合坡度和坡向范圍的數(shù)據(jù)即同時滿足坡度和坡向篩選條件。柵格數(shù)據(jù)上數(shù)據(jù)為1 的區(qū)域范圍就是同時滿足坡度條件和坡向條件的數(shù)據(jù)。而后在進行失柵轉(zhuǎn)換，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，形成同時滿足坡度坡向條件的矢量面數(shù)據(jù)。

同時通過各種敏感矢量數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析形成敏感區(qū)緩沖面。

3.4.4 數(shù)據(jù)疊加

最后，將上一步緩沖區(qū)分析形成的敏感區(qū)緩沖面和坡度坡向分析最終形成的同時滿足坡度坡向條件的矢量面數(shù)據(jù)進行疊加分析，剔除敏感數(shù)據(jù)緩沖范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，形成最終的目標區(qū)域。此目標區(qū)域即為最終我們需要的較適宜布置風機的區(qū)域范圍。設(shè)計人員可在最終目標區(qū)域內(nèi)進行風機布設(shè)，無需考慮坡度，坡向以及敏感區(qū)域等影響因素，大大提高設(shè)計人員的工作效率。

4 結(jié)語

GIS空間分析技術(shù)作為一種技術(shù)手段運用于風電場微觀選址工作中，能夠快速地運用GIS 強大的空間分析能力進行大范圍的數(shù)據(jù)分析，大大縮小設(shè)計人員風機布設(shè)目標范圍區(qū)域。為設(shè)計人員的風機微觀選址工作提供十分有效的幫助，極大地減少設(shè)計人員去風場現(xiàn)場進行查勘工作以及進行風機布設(shè)的工作時間，降低風電場的建設(shè)成本與建設(shè)周期。