輸電線路山火風(fēng)險(xiǎn)分布研究及應(yīng)用

王 勝，王 飛

(國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050)

0 引言

近年來，輸電線路因山火引起的跳閘、停運(yùn)或降壓運(yùn)行事件明顯增加。這一方面是因?yàn)橹矘湓炝?、退耕還林以及封山育林等保護(hù)措施的出臺(tái)，線路走廊附近植被密度和高度明顯增加，另一方面是受居民煉山燒荒、上墳祭祖等習(xí)俗的興盛以及各種極端天氣等因素的影響。2013年下半年，湖北地區(qū)持續(xù)天干物燥，降水量歷史同期最低，導(dǎo)致山火頻發(fā)。

由于輸電線路架設(shè)于戶外，線路走廊常通過植被茂密的林區(qū)、遍布茅草的山區(qū)和農(nóng)田等山火高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，山火對(duì)線路安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。超特高壓輸電線路走廊遠(yuǎn)離城市，這種情況更加嚴(yán)重，500 kV輸電線路在山火下的工頻擊穿強(qiáng)度降低為純空氣間隙下的23%[1-3]，2013年冬季湖北電網(wǎng)發(fā)生了多起山火引起線路跳閘事件。

研究山火風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律，為線路防范山火提供依據(jù)，但是由于影響山火發(fā)生的因素眾多，而且不同地區(qū)影響因素各異，建立有效的山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法和標(biāo)準(zhǔn)存在很大難度。目前我國已頒布雷區(qū)、污區(qū)、冰區(qū)、風(fēng)區(qū)和舞動(dòng)區(qū)域等級(jí)劃分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分布圖繪制方法也較為成熟[4-10]。但在山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方面還處于起步階段。本文通過山火事故調(diào)研及理論分析，結(jié)合山火的發(fā)生頻率法，提出了確定線路走廊山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的改進(jìn)LEC方法，并以湖北省為實(shí)例闡述了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的應(yīng)用情況，結(jié)果表明風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果與實(shí)際情況吻合較好，在指導(dǎo)線路運(yùn)維部門有針對(duì)性開展線路巡視、重點(diǎn)區(qū)段蹲守和山火現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等工作方面發(fā)揮了重要作用。

1 發(fā)生頻率法

發(fā)生頻率法是線路特殊區(qū)域劃分的一種常用方法，即對(duì)實(shí)際線路歷史上曾發(fā)生的災(zāi)害故障情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)發(fā)生頻率進(jìn)行災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分。該方法一般用于舞動(dòng)等特殊區(qū)域分布研究，受地區(qū)已建線路的規(guī)模及故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性影響較大。但不適合于研究山火風(fēng)險(xiǎn)分布規(guī)律，原因是：

1）發(fā)生山火的次數(shù)遠(yuǎn)多于山火引起線路故障的次數(shù)，采用發(fā)生頻率法將遺漏大量山火案例；

2）不同地區(qū)影響山火發(fā)生的因素各異，不能僅以山火發(fā)生次數(shù)來確定山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。湖北省以燒荒、祭祀等為引發(fā)山火的主要因素，發(fā)生如2009年2月澳大利亞大規(guī)模森林火災(zāi)的可能性很小。因此在確定山火風(fēng)險(xiǎn)時(shí)要充分考慮引發(fā)山火因素的差異。

3）每年山火發(fā)生次數(shù)差異較大，這與每年降水量分布等氣象因素關(guān)系密切。而且，山火風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間特征也十分明顯。湖北省每年10月到次年4月為山火高發(fā)時(shí)段，尤其以春節(jié)期間和清明節(jié)前后尤為集中。

因此，本文提出研究山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的改進(jìn)LEC法。通過調(diào)查區(qū)域內(nèi)引起山火的主要因素及其時(shí)空分布規(guī)律，結(jié)合氣象條件，確定山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，繪制區(qū)域動(dòng)態(tài)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖，方便運(yùn)維人員使用。將山火歷史記錄作為案例來確定引發(fā)山火因素和等級(jí)分布情況的驗(yàn)證。

2 湖北山火特點(diǎn)分析

2.1 起火原因分析

綜合分析湖北電網(wǎng)2000年以來山火跳閘和山火險(xiǎn)情事件原因，發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)既與氣象條件和地理環(huán)境有關(guān)，又與人的活動(dòng)有關(guān)[11]，具體表現(xiàn)為：

1）從山火發(fā)生的地理環(huán)境分析，湖北境內(nèi)地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?，山地約占全省總面積55.5%，丘陵和崗地約占24.5%，平原湖區(qū)約占20%，山地面積比例超過一半，而山火或發(fā)生在平原地區(qū)的蘆葦蕩里，或發(fā)生在長(zhǎng)滿茅草、灌木和易燃樹木的山區(qū)里，這與每年失火位置和次數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)完全一致，比如，與江西交界的通山境內(nèi)山脈連綿起伏，是全省最嚴(yán)重的山火重災(zāi)區(qū)之一。在山區(qū)，一方面，由于近年來國家大力推行封山育林政策，許多林區(qū)都禁止砍伐，給電力部門開展輸電線路通道清理工作帶來了困難；另一方面，湖北林區(qū)內(nèi)長(zhǎng)有大量的松樹和杉樹，這些樹都含有油脂，極易燃燒，且樹林里常常鋪有厚厚的一層松針和落葉，旁邊還有大量枯黃的雜草，在天氣干燥的冬季很容易被點(diǎn)燃，而且一旦失火，火勢(shì)極容易迅速蔓延，很難控制。

2）從山火發(fā)生的氣象條件分析，冬季草木枯萎、天氣干燥，特別是2013年下半年，湖北地區(qū)持續(xù)天干物燥很少下雨，歷史上同期少見，長(zhǎng)期的干燥天氣使地面上的茅草和枯枝敗葉等可燃物很少吸收到水分，加上空氣濕度小導(dǎo)致可燃物水分的蒸發(fā)，從而使蘆葦、茅草等易燃植物變得異常干燥，更加容易被燒荒、上墳燒香、放鞭等野火點(diǎn)燃，一個(gè)小小的煙頭可能引起一場(chǎng)大火。干燥的氣候條件正是2013年冬季山火頻發(fā)的重要原因之一。

3）從起火原因分析，湖北境內(nèi)山火均由人為因素引起，如農(nóng)民燒荒，上墳燒香點(diǎn)蠟燭，小孩玩火，亂扔煙頭等。在許多農(nóng)村里，農(nóng)田和山地里堆有大量的秸稈，為圖省事，許多農(nóng)民往往采取火燒方式，火勢(shì)極易沿著長(zhǎng)滿雜草的田埂向山上的林區(qū)蔓延。元宵墳前點(diǎn)蠟燭和清明時(shí)節(jié)上墳祭祖燒香是普遍的民風(fēng)民俗，雖說那時(shí)已是萬物復(fù)蘇，但是冬季過后留下來的枯枝敗葉在晴朗的天氣里依然是危險(xiǎn)的易燃物，上墳期間稍有大意就很容易將墳前的枯葉雜草點(diǎn)燃。

2.2 山火易發(fā)地段特點(diǎn)分析

從山火發(fā)生的地理位置看，山火均發(fā)生在平原地區(qū)的蘆葦蕩里或者是長(zhǎng)滿茅草和灌木的山區(qū)里，江西交界的咸寧和黃石地區(qū)以及大別山山系的孝感和黃岡地區(qū)是山火頻發(fā)的重災(zāi)區(qū)，山火的發(fā)生和火勢(shì)的發(fā)展與所處的地理環(huán)境具有很大的相關(guān)性，具體表現(xiàn)為：

1）在平原地區(qū)，湖北境內(nèi)平原地區(qū)常有當(dāng)?shù)鼐用耖_發(fā)魚塘、藕塘等情況，近年來線路經(jīng)過的地區(qū)出現(xiàn)一些無人管理的魚塘、湖泊、沼澤地的淺層水系生長(zhǎng)了大量的蘆葦?shù)人参铮锒^后，蘆葦枯黃，加之天氣持續(xù)干燥，魚塘沼澤地區(qū)干涸，蘆葦?shù)戎参飿O易燃燒。蘆葦蕩周邊往往是農(nóng)民的田地，農(nóng)民燒荒時(shí)極易被從田埂蔓延過來的野火或者飛來的火星點(diǎn)燃。

2）在丘陵地區(qū)，隨著改革開放不斷深入，大量村鎮(zhèn)務(wù)工人員涌入城市建設(shè)之中，在家直接從事務(wù)農(nóng)的通常為婦女和老人，勞動(dòng)力嚴(yán)重不足，造成大量農(nóng)田無人耕作，特別是原來丘陵地段的梯田荒廢后荒草叢生，一般都超過一人高，加之經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，人民生活水平不斷提高，原先作為生火做飯的茅草、荊棘無人砍伐，每逢秋季、春節(jié)、清明時(shí)節(jié)，當(dāng)?shù)鼐用駸捝綗?、上墳祭祖、燃放煙花、孩童玩火等行為極易引起火災(zāi)。

3）在山區(qū)，許多林區(qū)植被密度大，并且湖北的林區(qū)通常生長(zhǎng)著許多極易燃燒的松樹和杉樹，成為山火發(fā)生的危險(xiǎn)點(diǎn)。另一方面，在山火頻繁的山頭，因連年山火導(dǎo)致山表面覆蓋著密密麻麻的長(zhǎng)茅草，并且這些山頭往往連接著農(nóng)民的田地和茂密的森林，到了冬季，枯萎的茅草易于點(diǎn)燃，一旦起火，在風(fēng)的助長(zhǎng)下很容易迅速延展，極不易開展撲滅或控制工作。另外，山區(qū)特殊的氣象條件對(duì)火勢(shì)的蔓延方向和發(fā)展速度有很大的影響。在山體較大的山區(qū)，山谷交錯(cuò)，復(fù)雜的地形伴隨著復(fù)雜的氣象條件，山火發(fā)展到山谷的拐角處可能由平緩?fù)蝗蛔兊醚该?；在坡?shì)較陡的地方，火勢(shì)向山頂發(fā)展的趨勢(shì)更為迅速，一方面熱浪沿坡上升，另一方面串起的火苗可直接將上方的植被點(diǎn)燃，火勢(shì)呈立體式發(fā)展。

2.3 山火多發(fā)時(shí)段分析

根據(jù)對(duì)湖北省山火發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)山火發(fā)生時(shí)段一般具有如下特點(diǎn)：

1）從一年的時(shí)間周期來看，山火多發(fā)生在每年10月1日至翌年4月30日止。在湖北區(qū)域，春節(jié)期間（1-2月）和清明節(jié)前后（3-4月）尤為集中。但2013年湖北地區(qū)持續(xù)干燥少雨，山火來的特別早，特別猛，10月份便進(jìn)入山火頻發(fā)期。

2）從一天的時(shí)間周期來看，大部分山火發(fā)生在16∶00—19∶00，該時(shí)段環(huán)境干燥，并且正是人們進(jìn)行戶外作業(yè)和活動(dòng)的時(shí)間，易引起山火。根據(jù)農(nóng)村習(xí)俗，農(nóng)民們往往在黃昏期間清理田地，焚燒秸稈，形成人為火源；另外，此時(shí)間段正逢放學(xué)期間，農(nóng)村孩子喜歡在田野里玩火，山火防范意識(shí)極其薄弱，形成火源危險(xiǎn)點(diǎn)。

3 基于改進(jìn)LEC評(píng)價(jià)的山火風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

3.1 LEC方法

本文提出的山火風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，借鑒對(duì)危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的LEC方法[12]（又稱格雷厄姆·金尼方法），使用工程化的處理思路，采用專家調(diào)查法調(diào)整相關(guān)參數(shù)，得到山火風(fēng)險(xiǎn)的定量值，如下式所示

式中：R為山火風(fēng)險(xiǎn)值；L為山火造成的最大可能的結(jié)果，取值如表1所示。

表1 后果嚴(yán)重程度表Tab.1 Severity of consequences

后果特別嚴(yán)重指的是影響重要輸電通道多條線路、跨區(qū)電網(wǎng)線路或特高壓線路運(yùn)行；嚴(yán)重指影響500 kV線路運(yùn)行；比較嚴(yán)重指影響220 kV及部分重要的110 kV線路運(yùn)行；一般指影響部分非重要110 kV線路及110 kV以下等級(jí)線路運(yùn)行。E為暴露時(shí)間，即為山火事件發(fā)生的頻率，取值從10分到0.5分，如表2所示。

表2 山火發(fā)生頻率分值表Tab.2 Value of occurrence frequency of forest fires

C為可能性，即為一旦發(fā)生山火，導(dǎo)致輸電線路發(fā)生故障跳閘的可能性，取值從10分到0.1分，如表3所示。

表3 山火引發(fā)線路跳閘可能性分值表Tab.3 Value of possibility of transmission line trip caused by forest fires

3.2 基于干旱指數(shù)的改進(jìn)LEC方法

山火的發(fā)生不僅與可燃物、火源有關(guān)，還與火險(xiǎn)天氣關(guān)系密切，干旱程度越高，山火風(fēng)險(xiǎn)越大。因此，在研究山火風(fēng)險(xiǎn)分布時(shí)，應(yīng)考慮當(dāng)前天氣的干旱程度。

根據(jù)世界氣象組織1980年的統(tǒng)計(jì),各種應(yīng)用的干旱指數(shù)有55種之多。本文選取2006年中國氣象局提出的《氣象干旱等級(jí)》（GB/T20481-2006）規(guī)定的綜合氣象干旱指數(shù)（CI）作為山火風(fēng)險(xiǎn)分布的校正因子[13,14]。

綜合氣象干旱指數(shù)CI是以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、相對(duì)濕潤指數(shù)和降水量為基礎(chǔ)建立的一種綜合指數(shù),既反映短時(shí)間尺度和長(zhǎng)時(shí)間尺度降水量，又反映短時(shí)間尺度水分虧欠情況，適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測(cè)。CI一般為負(fù)數(shù)，其值越小表明干旱越嚴(yán)重。CI計(jì)算公式為

式中：Z30、Z90分別為近30 d和近90 d的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；M30為近30 d的相對(duì)濕潤度指數(shù)；a、b、c為系數(shù),一般分別取0.4、0.4和0.8。

修訂后的山火風(fēng)險(xiǎn)值為

根據(jù)山火風(fēng)險(xiǎn)值，按照由輕到重分為四個(gè)等級(jí)，分別為低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)，如表4所示。

表4 山火風(fēng)險(xiǎn)程度表Tab.4 Risk level of forest fires

4 應(yīng)用實(shí)例

按上述改進(jìn)LEC方法，開展湖北某地區(qū)的山火風(fēng)險(xiǎn)分布研究。

首先，通過分析收集區(qū)域內(nèi)植被、墳場(chǎng)、燒荒煉山點(diǎn)分布及歷史上發(fā)生的山火跳閘事件，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?，?duì)存在山火風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域確定L、E、C各項(xiàng)分值，再根據(jù)式1求出不考慮氣象情況的山火風(fēng)險(xiǎn)值R。然后按表4對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)程度得到山火風(fēng)險(xiǎn)分布，如圖1所示。

圖1 不考慮氣象情況的山火風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.1 Risk distribution of forest fires risk withoutconsidering weather conditions

其次，通過獲取的綜合氣象干旱指數(shù)，對(duì)圖1的山火風(fēng)險(xiǎn)分布進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)山火風(fēng)險(xiǎn)分布的動(dòng)態(tài)更新，對(duì)未來一段時(shí)間的山火風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如在2013年6月，由于該區(qū)域降水豐富，CI值較小，因此2013年6月27日的山火風(fēng)險(xiǎn)分布如圖2所示，全區(qū)域山火風(fēng)險(xiǎn)都較低。

圖2 2013年6月27日山火風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.2 Risk distribution of forest fires risk in June 27,2013

2013年12月18日山火風(fēng)險(xiǎn)分布如圖3所示，2013年下半年以來，該區(qū)域持續(xù)天干物燥很少下雨，CI值較大，因此圖中有較大片的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

圖3 2013年12月18日山火風(fēng)險(xiǎn)分布Fig.3 Risk distribution of forest fires risk in December 18,2013

2013年下半年長(zhǎng)期干燥天氣使蘆葦、茅草等易燃植物變得異常干燥，易被燒荒、上墳燒香、放鞭等野火點(diǎn)燃引發(fā)山火。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析2013年12月該區(qū)域因山火造成的500 kV及以上等級(jí)輸電線路跳閘、停運(yùn)或降壓運(yùn)行（直流）事件，確定山火火點(diǎn)分布如圖4所示，共有11處，其中位于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的有7處。運(yùn)行實(shí)例說明山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖的準(zhǔn)確性較高。

圖4 2013年12月山火火點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of forest fires points in December,2013

考慮到該區(qū)域山火特點(diǎn)，結(jié)合山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖，如在12月份對(duì)山火高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域下午14：00-19：00采取特巡、蹲守等措施，將可以有效遏制山火對(duì)輸電線路運(yùn)行的威脅。

5 結(jié)論

本文采用改進(jìn)LEC方法研究輸電線路山火風(fēng)險(xiǎn)分布特征，考慮了氣象條件對(duì)山火風(fēng)險(xiǎn)分布的影響。應(yīng)用實(shí)例說明了本方法對(duì)區(qū)域內(nèi)輸電線路山火風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高，效果好，為防范輸電線路山火故障、提高線路運(yùn)維可靠性提供了技術(shù)保障。

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