新疆九大风区再认识及三个新风区划定_贾杰斌.pdf

产业|Industry54 风能 Wind Energy 新疆九大风区再认识及三个新风区划定 文|贾杰斌，李钢，阎肃，盛夏新疆是我国风能资源储量最丰富、最早开展大规模风电场开发建设的地区之一。早期,新疆风能资源开发主要集中在九大风区,随着国家碳达峰、碳中和战略的实施,以及我国风电向着低风速、长叶片、大容量方向发展,新疆风电开发区域也突破了传统的九大风区,因此,有必要重新认识新疆风区。本文基于新疆地形、气候简要概述九大风区的成因及风况特征,对九大风区风电开发现状、前景进行了统计和展望,并根据近年来新疆风电发展的新趋势划定三个新风区,最后对十二个风区的开发潜力进行了对比分析。新疆九大风区成因及风况特征1.阿拉山口风区阿拉山口风区位于博州东北、塔城地区西南部。我国与哈萨克斯坦界山阿拉套山,由西向东终止于阿拉山口,塔城地区西部的巴尔鲁克山由东北向西南终止于阿拉山口,由此形成西北-东南走向平均宽度约 30km,长度约 100km 的阿拉山口峡谷。西西伯利亚冷空气经哈萨克斯坦通过阿拉山口峡谷进入我国,在峡管压缩作用下形成阿拉山口风区,其西北端起于哈萨克斯坦的阿拉湖,东南端终止于艾比湖。风区主体中上游 90km 在哈萨克斯坦境内,位于我国境内的只有下游 10km 范围,以及风区中游东侧塔城地区部分区域。我国境内风能资源较好的风区为阿拉山口市城区及下游的艾比湖湿地保护区、甘家湖梭梭林自然保护区,可开发面积主要分布在塔城地区托里县、裕民县。区域内全年盛行西北风,冬季准噶尔盆地冷高压通过阿拉山口峡谷向哈萨克斯坦回流形成弱东南风。2.老风口-玛依塔斯风区老风口-玛依塔斯风区位于塔城地区腹地。塔城盆地东缘进入长度约 80km 的玛依塔斯-老风口峡谷,北部为齐吾儿喀叶尔山,东南部为加依尔山,南北宽度平均 30km。由塔城盆地进入峡谷的西来冷空气,以及蒙古高压向西的幅散回流,在狭管压缩效应及引导气流动量下传作用下形成老风口-玛依塔斯风区。冷空气从塔城盆地入侵时为偏西风,蒙古高压幅散回流出现时为东风。风区冬季降雪量大,冷暖气团交替活动频繁,常常出现强风吹雪（俗称“白毛风”）现象,可能埋没低洼区域的风电机组箱变等设施。秋末初冬或冬末初春时期,当风区处于均压场天气形势、风速较小、环境气温在 0附近时会出现持续的辐射雾,维持时间可长达 3 5 天。大雾会凝结在风电场内集电线路上,压断集电线路、拉断杆塔造成较大损失；大雾还可能会凝结在机组叶片上,出现叶片甩冰等影响安全的情况。3.额尔齐斯河谷西部风区额尔齐斯河谷西部风区（下称“额河西部风区”）位于阿勒泰地区吉木乃县大部,布尔津县、哈巴河县及阿勒泰市南部,地处阿尔泰山与沙吾尔山之间宽广的额尔齐斯河谷地带。该风区盛行气流来源与老风口-玛依塔斯风区相似,即由西部哈萨克斯坦进入我国的冷空气及东部蒙古高压后部的幅散回流,不同之处是额河西部风区纬度偏北,范围更加宽广东西平均长约 200km,南北平均宽约 80km,因此,蒙古高压的幅散气流风向以东南风为主。风区冬季降雪量大,冷空气过境后一两天,即出现回流性持续东南大风,并伴有强风吹雪天气现象,风力最大可达 12 级,有较强的破坏性。大风主要分布在吉木乃县恰勒什海乡一带。4.达坂城风区达坂城风区位于乌鲁木齐市东南,天山山脉中段与东段的分界处。中天山山脉在达坂城区域出现隘口断层后,向东北方向迅速抬升高度并继续绵延为东天山,由此形成与冷空气来向平行的西北-东南走向的达坂城长峡谷。峡谷呈向西北开口的喇叭状,长度约 80km,平均宽度约25km,由西北向东南逐步变窄,具有很好的狭管压缩作用,是北疆冷空气穿越天山山谷进入吐鲁番地区的关键通道。达坂城风区盛行气流主要为上游冷空气流经峡谷所形成的西北气流。通常情况下,即使没有冷空气活动,南北疆存在较大的温度梯度同样会使气流从达坂城流向吐鲁番地区,Industry|产业2023年第02期 55 形成达坂城风区持续稳定的西北风。然而,该风区也会形成东南-偏南大风：当蒙古高压南掉到酒泉一带时,达坂城出现回流型东南-偏南大风；西北冷空气入侵新疆前,锋前升温减压作用使得北疆出现较大负变压,形成热低压或倒槽,达坂城区域处于东冷西暖的温度场、南高北低的气压场,从而出现东南-偏南大风。风区西北端植被茂盛,地表摩擦作用使盛行西北风风速较小,而东南风层往往在植被高度之上,且一旦出现即为 12m/s 以上大风。因此,风区西北端存在主风向为西北,但主风能方向为东南的特殊情况,如图 1 所示。5.小草湖风区小草湖风区即著名的“三十里风区”,位于吐鲁番市（a）风向 （b）风能图1 达坂城风区西北7930#测风塔100m高度风况022.54567.590112.5135157.520%40%60%0%180202.5225247.5270292.5315337.5022.54590112.5135157.530%20%10%0%180202.5225247.5270292.5315337.567.5产业|Industry56 风能 Wind Energy 西北,托克逊县和高昌区境内,与达坂城风区隔天山相连。小草湖风区的风能源于经达坂城峡谷翻越天山的冷空气,是我国内陆非台风因素极端大风出现最大值的地方（有测风塔记录该风区 70m 高度瞬时风速高达 66.6m/s）。春、夏、秋三个季节,南北疆常常存在着较大的温度梯度、气压梯度。冷空气过境时,北疆地面为冷高压、南疆往往为热低压的天气形势。气流从达坂城翻山后如同决堤的洪水,沿小草湖戈壁急速下坡,气块势能迅速转化为动能,对翻山气流起到很好加速作用。同时,空中西北急流产生动量下传,进一步加大了区域风速,形成小草湖区域大风。气流随着地势高度的下降,通过绝热增温,体积膨胀,能量较快释放,在推进过程中风速迅速减小。进入冬季,南北疆几无气压差,小草湖区域多静风。小草湖风区风向为西北,风能十分集中,风区东南端终止于托克逊县城北部 15km 处东西走向小山脊。风区极端大风不但风速大,且出现频率高。该风区风速频率呈少见的双峰分布（图 2）,虽然年均风速较大,但分布在风电机组切入、切出风速之外的风频占比高,可利用小时数相对偏少。极端大风及夹卷的砂砾是小草湖风区风电场设计须重点考虑的安全因素,曾经有风电场发生大风裹挟的砂砾打坏箱变、刷掉塔筒涂漆的情况。6.十三间房风区十三间房风区又名“百里风区”,位于哈密市西部,东起哈密了墩一带,西至吐鲁番市鄯善县七克台镇,风区成因与小草湖风区相似。东天山山脉延伸到哈密市境内时,在伊州区七角井镇出现一个低洼隘口,以西为东天山主峰博格达山、东为巴里坤山。北疆盛行冷空气通过两山之间的七角井隘口翻越天山进入南部十三间房区域,由此形成十三间房风区。七角井天山隘口相对宽阔,翻山冷空气范围较大,因此,风力强度弱于小草湖风区。风区全年盛行偏北风,主风能方向集中,冬半年有少量回流气流经十三间房风区通过七角井流向北疆；风区内出现弱的偏南风,风能频率占比很小。7.三塘湖-淖毛湖风区三塘湖-淖毛湖风区位于哈密市北部巴里坤县和伊吾县,是新疆九大风区中面积最大、风能品质最好的区域之一。准噶尔盆地向东至昌吉州木垒县收窄闭合,北塔山绵延向东为中蒙边境界山哈密段哈甫提克山系,由西北向东南绵延 300 多千米,与东天山山脉接近平行,两山之间距离约100km,由此形成狭长的巴里坤-伊吾谷地。进入北疆盆地的冷空气少量经达坂城、七角井翻越天山隘口流向南疆,但冷空气主体依然在巴里坤-伊吾谷地之间向东南移动,并在谷地持续受狭管压缩,形成三塘湖-淖毛湖风区。风区盛行西北风,当出现典型的北疆回流天气形势时,蒙古高压幅散回流使得风区出现弱东南风,风能频率占比较小。该风区面积大,风速稳定,无极端大风,是建设大规模风电基地的优质区域。8.哈密东南风区哈密东南风区位于哈密市东南部戈壁,风区成因既与图2 小草湖风区8659#测风塔风速频率双峰分布频率/%风速/（m/s）0 10 20 30 40 50 1612840 Industry|产业2023年第02期 57 图3 九大风区及其他区域建成风电项目装机容量、场区面积区域的天气形势直接有关,也与区域的特殊地形有着很大关系。天山山脉终止于哈密市东北部,新疆、甘肃界山马鬃山与天山东端之间有 80km 宽的谷地,北疆冷空气经三塘湖-淖毛湖风区流出天山山脉东端后,主体通过马鬃山以北向蒙古国和我国河西走廊方向移动,但另有一支冷空气经过天山与马鬃山之间的谷地豁口向西南方向倒灌,经哈密东南戈壁进入塔里木盆地。当蒙古高压维持或南下时,其后部的幅散回流经过河西走廊流经哈密东南风区,因此,哈密东南风能资源也受到强大的蒙古高压影响。由于哈密东南风区所处地理位置可能同时受两个或以上天气系统的影响,风区内不同区域主风向也有着一定变化。风区北部靠近马鬃山区域以东北风为主,南部区域则因冷空气倒灌进入南疆盆地,叠加蒙古高压回流,主风向以偏东-东南为主。受均压场控制时,哈密东南戈壁区域地表粗糙度小,会出现由空中西风气流动量下传带来的偏西风。9.罗布泊风区罗布泊风区位于巴音郭楞蒙古自治州东北部。南疆塔里木盆地北、西、南三面被高山阻挡,只有东北部开口,冷空气难以大规模翻越天山山脉和帕米尔高原进入南疆盆地,空中水汽输送也被青藏高原、帕米尔高原所阻断,形成南疆十分干旱的沙漠性气候。影响南疆的地面冷空气主要经哈密东南风区倒灌进入塔里木盆地,在阿尔金山的遮挡作用下,沿罗布泊由东北向西南流动,从而形成罗布泊风区。风区主风向为东北东,与阿尔金山走向接近平行。罗布泊风区春季 35 月多持续性沙尘天气,进行风电机组选型及运维时需要对此加以充分考虑。由以上分析可以看出,九大风区形成的内因是影响新疆的主要天气系统,外因则都建立在各风区特殊地形的基础上。因此,新疆风能资源利用既需研究大尺度天气系统活动规律,又要详细分析风电项目所处区域的大地形和微地形作用。新疆九大风区及其他区域风电项目开发现状经过 30 多年的开发建设,截至 2022 年 6 月底,新疆 14 个地区（州、市）中,乌鲁木齐、哈密、吐鲁番、博州、塔城、阿勒泰、巴州及昌吉州等 8 个地区（州、市）共建成风电项目总装机容量约 2438 万千瓦,场区总面积约5915km2。经统计,新疆九大风区及其他区域建成风电项目装机容量、场区面积如图 3 所示。其中,分布在九大风区的装机容量为 1943 万千瓦,占新疆建成风电总装机容量的 80%、场区总面积的 75.59%。九大风区中位于哈密市的三个风区总装机容量达 1308 万千瓦,占新疆风电总装机容量的 53.87%、场区总面积的52.19%；罗布泊风区、阿拉山口风区的装机容量则相对很小。这种分布局面的形成主要有以下三方面原因：一是有的风区可开发利用面积有限,如阿拉山口风区,大片面积为城区和两个国家级自然保护区；二是受风能资源品质所限,如小草湖风区年均风速虽然较大,但高频率的极端大风导致机组选型无法突破至大叶轮、大功率机组；三是受限于区域电力消纳能力与外送条件,如额河西部风区、老风口-玛依塔斯风区,地理位置处于我国电网末端,场区面积/km2产业|Industry58 风能 Wind Energy 当地消纳能力有限,不具备外送条件。新疆九大风区及其他区域已建风电项目装机容量占比如图 4 所示。从统计结果可以看出,除了九大风区外,新疆其他区域建成风电装机容量共 485 万千瓦,主要分布在昌吉州准东区域（460 万千瓦）、阿勒泰地区乌伦古河流域（15万千瓦）、赛里木湖三台区域（10 万千瓦）。显然,新疆风电开发区域已突破了九大风区,向以准东地区为代表的中低风速区域推进,这一趋势已然是新疆风电发展的新方向。因此,建议在九大风区的基础上,对新疆风区划分进行必要补充。三个新风区风况特征及风电开发潜力近期,金风科技组织完成了新疆风光电资源工程可开发量研究,全面分析了新疆 400 多座测风塔数据,结合新疆大气环流背景及影响新疆的主要天气系统,充分考虑新疆特殊地形地貌对风气候的影响,得出现有条件下新疆风电可开发面积 8.26 万平方千米,可开发容量 5.27 亿千瓦的结论。本文参照金风科技的研究成果,按照风气候成因的天气学原理,结合区域特殊地形,在原有九个风区的基础上新增三个风区,分别命名为准东风区、乌伦古河谷风区及伊犁河谷风区。1.准东风区 准东风区位于准噶尔盆地东部,范围包括昌吉州木垒县大部,奇台县北部,兵团第六师北塔山牧场等区域。阿尔泰山由西北向东南延伸至昌吉州东北部中蒙交界区域时产生支脉北塔山,向东南逐步靠近天山山脉,形成北塔山与天山之间向西北开口的喇叭状大地形。该地形对盛行于区域内的西风气流及蒙古高压东风回流产生一定狭管压缩作用,从而形成准东风区。风区内无极端大风,适宜使用大叶轮风电机组。就风区位置而言,准东风区位于哈密三塘湖-淖毛湖风区的上游方向,而风区内大石头区域是东天山山脉在木垒县东南部向北延伸出的山区台地。大石头区域紧邻天山东部隘口七角井,向南与十三间房风区相连,冷空气翻越大石头山区流向十三间房；当出现气压场南高北低的天气形势时,则有蒙古高压的东南风回流通过七角井流向准噶尔盆地,形成大石头区域优质稳定的风能资源。准东风区 100m 高度风能资源分布的基本特征为,大石头区域最好,年均风速 7 8m/s；北塔山区域次之,年均风速 6.5 7.5m/s；老君庙、三个泉区域年均风速 6 7m/s；四十个井子区域年均风速 5.5 6.5m/s,风频分布较理想。除大石头区域外,准东风区整体地形平坦,建设条件良好。风区内已建成风电项目 460 万千瓦,在建或开展前期工作的风电项目 300 多万千瓦。在此基础上,风区后期可开发容量潜力仍然在数千万千瓦量级。随着新疆风电向低风速区域继续发展,未来在准东的奇台县、吉木萨尔县、阜康市北部的大面积荒漠区域也具备风电开发的潜力。2.乌伦古河谷风区 乌伦古河谷风区位于阿勒泰地区东部乌伦古河中上游图4 九大风区及其他区域建成风电项目装机容量占比额河西部风区 6.85%罗布泊风区 0.62%乌伦古河谷风区 0.61%博州三台区域 0.41%小草湖风区 5.1%十三间房风区 4.72%Industry|产业2023年第02期 59 流域,由富蕴县、青河县中部、福海县东部乌伦古河流域部分面积构成。风区北部为阿尔泰山,南部为卡拉麦里山。乌伦古河由东南向西北注入乌伦古湖（又称福海）,河谷较浅,走向与区域盛行风向大体一致,当出现西高东低的气压场形势时,由额尔齐斯河谷侵入我国的冷空气沿乌伦古河谷向东南方向进入准噶尔盆地东部；当出现东冷西暖的温度场形势时,蒙古高压的幅散回流又经乌伦古河谷流向额河西部风区。风区 100m 高度年均风速在 5.5 6.5m/s,弱于额河西部风区,无极端大风,适宜使用大叶轮风电机组。乌伦古河谷风区多为荒漠丘陵地形,已建成风电项目15 万千瓦。后期,随着新疆风电向低风速方向持续发展,可开发容量潜力为千万千瓦量级。3.伊犁河谷风区 伊犁河谷北、东、南三面环山,北面有西北-东南走向的西天山山脉北支科古琴山、婆罗科努山；南有东北-西南走向的西天山山脉南支哈克他乌山和那拉提山；中部有乌孙山、阿吾拉勒山横亘,构成“三山夹两谷”（“两谷”为伊犁河谷、特克斯河谷）的地貌轮廓。向西为面对哈萨克斯坦的喇叭状开口,地势东高西低,西部开阔,向东逐步升高变窄,至新源县境内西天山山脉南北两支合为一体。伊犁河谷东西长约 300km,从所处地理位置的大尺度天气气候背景来看,伊犁河谷位于蒙古高压西部,中亚暖舌以东,常年盛行气流来自于两个气象要素,一是蒙古冷高压向西幅散的东风回流,二是从河谷西端流入的西来冷空气,其在伊犁河谷地形一定的狭管压缩和引导气流动量下传作用下,形成与河谷走向接近平行的东、西风。伊犁河南北两侧平原地区风能资源较好,但以城镇、居民、耕地为主,目前只有河谷南北两侧浅山区域的山脊、台地能够作为风电开发的目标区域,可开发利用面积有限,潜在开发容量为百万千瓦量级。后期,随着风电技术的发展和土地调规、开发政策的调整,伊犁河谷地具有一定风电开发潜力。风区 100m 高度年均风速在 5.5 6.5m/s,风频分布较理想,无极端大风,适宜使用大叶轮机组。伊犁河谷风区目前暂无建成风电项目,伊宁县、尼勒克县有 25 万千瓦风电项目在建。新疆十二个风区可开发潜力综述综合上文对新疆十二个风区资源分布及基本地形的分析,参照金风科技 新疆风光电资源工程可开发量研究 成果,初步划分十二个风区,其参考面积及可开发容量见表 1。十二个风区可开发量占新疆风电总可开发量（5.27 亿千瓦）的 93.36%。其中,三塘湖-淖毛湖风区、哈密东南表1 新疆十二个风区参考面积及可开发容量风区参考面积/km2容量潜力/万千瓦备注阿拉山口风区3000400风区内绝大多数土地属性受限老风口-玛依塔斯风区2000700风区内部分土地属性受限额河西部风区140005500-达坂城风区16001000-小草湖风区1000400-十三间房风区50002000-三塘湖-淖毛湖风区3300016000-哈密东南风区3000013000-罗布泊风区500001200风区内绝大多数土地属性受限准东风区120003600风区有向西拓展空间乌伦古河谷风区150005200-伊犁河谷风区6000200风区内主要为耕地、居民合 计17260049200-产业|Industry60 风能 Wind Energy 风区开发潜力最大,可达亿万千瓦量级；额河西部风区、乌伦古河谷风区次之,可开发容量在 5 千万千瓦量级；准东风区可开发容量在 3 千万千瓦量级,未来有潜在扩展至奇台县、吉木萨尔县、阜康市北部区域开发的可能；十三间房风区可达 2 千万千瓦量级；达坂城风区虽然面积较小,但风能资源条件好,通过挖掘风区内剩余可开发面积,对已建成风电项目进行加密排布扩容改造,并向南北两侧浅山区域拓展开发,也可达到千万千瓦量级；罗布泊风区面积最大,但风区东北部土地属性受限,只有风区下游西南部具有可开发条件,同样也能达到千万千瓦量级；老风口-玛依塔斯风区、阿拉山口风区、伊犁河谷风区、小草湖风区则分别受限于可开发面积或极端风况,开发潜力为百万千瓦量级。此外,巴州若羌县与青海省茫崖市相接的昆仑山口祁曼区域可开发面积和容量较大,但因处于 3000m 以上高海拔区域,空气密度低,100m 高度平均风速 5.5 6.5m/s,现有电价条件下开发经济性不理想。博州赛里木湖三台区域（已建成 10 万千瓦）,吐鲁番市托克逊县通盖、克尔碱等特殊地形均具备风电开发条件,受限于可开发面积较小,未来可开发容量均不足百万千瓦级别,因此,暂不定义为新风区。根据金风科技的研究成果,塔城地区裕民县、托里县、额敏县、和布克赛尔县有较大面积山地位于中纬度西风带中,山顶地形相对平缓,地势开阔,具有 2 千万千瓦量级风电开发潜力。结论本文对新疆九大风区的风况进行了分析,并参考金风科技新疆风光电资源工程可开发量研究成果,划定三个新风区,希望能为新疆风电下一阶段科学开发提供有益的帮助。需要指出,风区面积和可开发容量并不是恒定的,同时受较多敏感因素影响而动态变化。其中,风能资源禀赋与工程可施工条件是基本因素,还受国家新能源宏观政策、国土空间规划调整、电价、风电技术、风电项目设计水平、开发商利润收益标准等因素影响。因此,本文对新疆各风区面积的初步划定及可开发容量的估算是相对的,时间和空间上都具有阶段性。（作者单位：新疆金风科技股份有限公司）摄影：陈裕法