云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖的研究及繪制

謝銀昌，林小柏， 王 磊

(1.云南省電力設(shè)計(jì)院，云南 昆明 650011；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，云南 昆明 650217)

覆冰是一種自然現(xiàn)象，就電力系統(tǒng)而言，覆冰是自然災(zāi)害。嚴(yán)重覆冰對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有著災(zāi)難性的影響，導(dǎo)致電力線路機(jī)械和電氣性能的急劇下降，引起斷線、倒塔、絕緣子閃絡(luò)等多種事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

云南省位于我國(guó)的西南地區(qū)，境內(nèi)山脈連綿起伏，河流縱橫交錯(cuò)，地貌復(fù)雜，云南省境內(nèi)立體氣候顯著，氣象災(zāi)難頻繁。受季風(fēng)氣候影響，普遍存在的微地形、微氣候特征，決定了云南省是全國(guó)覆冰嚴(yán)重的地區(qū)之一。

云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖反映了一定區(qū)域內(nèi)覆冰的分布規(guī)律，是輸電線路防冰、抗冰設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。進(jìn)行輸電線路建設(shè)或改造時(shí)，覆冰分布圖能提供科學(xué)依據(jù)，選擇最安全、經(jīng)濟(jì)的路徑和抗冰設(shè)計(jì)。進(jìn)行輸電線路抗冰設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)線路路徑的覆冰情況，因地制宜的選擇不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，既能有效的進(jìn)行抗冰，又能節(jié)約工程造價(jià)。覆冰分布圖對(duì)防冰、抗冰工作具有指導(dǎo)意義，抗冰、防冰、融冰等技術(shù)提供技術(shù)支撐能對(duì)重冰區(qū)進(jìn)行巡查和監(jiān)控，能有效的防治冰災(zāi)事故發(fā)生。本課題的研究及繪制云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行具有重大的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。

1 覆冰類型與覆冰研究現(xiàn)狀

輸電線路覆冰的類型與氣象因素有密切的聯(lián)系，不同的氣象因素組合可形成不同的覆冰類型。通常將導(dǎo)線覆冰分為以下幾類。

雨淞：一般是由水滴直徑較大的過冷卻雨或毛毛雨降落形成，密度接近 0.9 g/cm3。密度大于0.7 g/cm3的冰稱為雨凇，雨凇視感為透明或半透明、密實(shí)、無(wú)孔隙，手感為堅(jiān)硬、光滑、濕潤(rùn)、粘附力很強(qiáng)，形狀色澤為橢圓形、光滑似玻璃。在雨凇覆冰情況下，覆冰是連續(xù)增長(zhǎng)。雨淞覆冰是最嚴(yán)重的一種導(dǎo)線覆冰形式。

霧淞：風(fēng)攜帶霧中或云中的過冷卻水滴與導(dǎo)線表面碰撞而形成霧凇，密度在0.1～0.3 g/cm3之間，霧凇分為粒狀和晶狀兩種，其中粒狀霧凇視感為粗顆粒、不透明，手感為脆、較濕潤(rùn)，形狀色澤為橢圓形、白色；晶狀霧凇視感為細(xì)粒、不透明，手感為松、脆、干燥，形狀色澤為針狀、純白色。霧凇是冬季高海拔山區(qū)輸電線路最常見的一種覆冰形式。

混合淞：通常是過冷卻水滴在導(dǎo)線上形成的雨淞與霧淞交替混合凍結(jié)形成的不透明的覆冰，密度在0.2～0.6 g/cm3之間，混合淞視感為成層或不成層，似毛玻璃，較密實(shí)，基本無(wú)孔隙，手感為較堅(jiān)硬、較濕潤(rùn)，形狀為橢圓形或圓形?；旌箱列纬蓵r(shí)間較長(zhǎng)，覆冰厚度可以達(dá)到幾百mm，危害特別大。輸電線路事故多半是在混合淞下發(fā)生。

濕雪：是自然降雪粘附在輸電線路上而形成的。密度在0.2～0.4g/cm3之間，空氣中的干雪或冰晶很難粘結(jié)在導(dǎo)線表面，即使降落在上面，也很容易被風(fēng)吹掉。當(dāng)空氣中的雪含有過冷卻水滴，變成濕雪后才容易粘附在導(dǎo)線上。此外還有白霜，是空氣中的濕氣與0℃以下的冷物體接觸時(shí)，濕氣在冷物表面凝華形成的，一般覆冰量不會(huì)很大，不會(huì)對(duì)輸電線路造成很大的危害。

2 云南導(dǎo)線覆冰成因分析

影響我國(guó)的絕大部分冷空氣均來(lái)自極地地區(qū)的冷空氣爆發(fā)。當(dāng)極地渦旋運(yùn)動(dòng)的中心偏離北極時(shí)，極地冷空氣隨著渦旋運(yùn)動(dòng)的偏離從新地島附近進(jìn)入西伯利亞，在冬季強(qiáng)烈的陸地冷卻輻射作用下變得干冷，沿途不斷南下變性后從新疆維吾爾自治區(qū)進(jìn)入我國(guó)，然后由西北逐漸向東和東南推進(jìn)，進(jìn)入太平洋后整個(gè)過程結(jié)束，所經(jīng)地區(qū)一般出現(xiàn)劇烈的降溫和雨雪天氣。

由于青藏高原的阻擋作用，影響云南省的冷空氣過程與全國(guó)大多數(shù)地區(qū)明顯不同。30多年的統(tǒng)計(jì)分析表明，影響云南省的冷空氣過程可以分為三大路徑：東北路徑、偏東路徑和西北路徑三個(gè)方向，其頻率分布見圖1。云南省的導(dǎo)線覆冰與冷空氣的路徑、強(qiáng)弱息息相關(guān)，故云南省覆冰主要集中在滇東北、滇東地區(qū)、滇西北地區(qū)和滇東南地區(qū)。

圖1 影響云南的冷空氣路徑及其頻率分布圖

云南省1971～2000年冰凍天氣分布圖如圖2，可以看出云南省冰凍天氣分布大致呈西北—東南向，基本沿高黎貢山、無(wú)量山、哀牢山等山脈為界。冰凍天數(shù)最多的是滇東北的鎮(zhèn)雄和威信，年平均可達(dá)50～80 d，其次是滇東北的昭通和魯?shù)?、滇西北的德欽和貢山，年平均為30～50 d，滇東的曲靖市各縣區(qū)、滇西北的維西、蘭坪、劍川，年平均為10～30 d，滇中地區(qū)、滇西北東南部地區(qū)和滇東南地區(qū)年平均為10 d以下。

圖2 云南省1971～2000年冰凍天氣分布圖

從圖3“云南省50多年來(lái)冰凍天氣連續(xù)日數(shù)極值分布圖”，可以看出冰凍天氣連續(xù)日數(shù)極值大值區(qū)域仍然是滇東和滇西北地區(qū)。鎮(zhèn)雄和威信冰凍天氣連續(xù)日數(shù)極值達(dá)40～60 d，滇東大部分地區(qū)、德欽和貢山等地為20～40 d，滇中、滇東南和滇西北部分地區(qū)為5～10 d，滇西南部分高海拔地區(qū)僅為1～2 d。

綜合上述，由于影響云南的三大路徑冷空氣的發(fā)生頻率、影響范圍、嚴(yán)重程度各不相同，使得云南省覆冰主要集中在滇東、滇東北地區(qū)，其次是滇西北地區(qū)，再次是滇東南地區(qū)。云南冰凍天氣最嚴(yán)重的是滇東北和滇東地區(qū)，其次是滇西北地區(qū)，滇中和滇東南地區(qū)較輕，滇西南除高海拔地區(qū)外，幾乎沒有冰凍天氣。

3 云南易覆冰區(qū)覆冰特點(diǎn)

圖3 云南省50多年來(lái)冰凍天氣連續(xù)日數(shù)極值分布圖

云南地形以山地為主，大致以玉龍山、元江谷地和云嶺山脈南段為界，分為東西兩部分。東部是云貴高原的一個(gè)組成部分，稱為云南高原；西部是橫斷山地，屬橫斷山系南段。東部及西部地形地貌的差異，是造成東西電線覆冰不同的基礎(chǔ)。北方南下冷空氣注入四川盆地后，沿大涼山的東側(cè)進(jìn)入云南。到滇東北遇到昭通東南方、南方、西南方的石門坎、尖山、堂瑯山和萊靈山，會(huì)澤東南的牯牛山，昆明東北的梁王山等山脈，冷空氣受阻趨于靜止，形成昆明靜止鋒。此靜止鋒在滇東北最長(zhǎng)可停留10～15 d之久，鋒面逆溫明顯，下層過冷卻水汽也比西部多，常形成凍結(jié)天氣。滇西北地區(qū)雖然海拔高、氣溫低，但寒流受到青藏高原的阻擋，冬季常在該地區(qū)形成低渦，基本上沒有“昆明靜止鋒”產(chǎn)生的天氣，故與滇東北相較電線覆冰相對(duì)較輕，持續(xù)時(shí)間較短。但該地區(qū)立體氣候明顯，在海拔高程、空氣濕度等凍結(jié)條件滿足的情況下，仍會(huì)出現(xiàn)粘附濕雪及粒狀霧凇的現(xiàn)象。

在這種冷空氣活動(dòng)和大地形的綜合作用下，導(dǎo)致云南省東重西輕、北重南輕的電線覆冰分布特點(diǎn)。覆冰厚度在30 mm及以上地區(qū)主要分布在滇東及滇東北地區(qū)，如昭通地區(qū)的鎮(zhèn)永甲線、永甘甲乙線、威甘線、威鎮(zhèn)多線、大鎮(zhèn)線、鎮(zhèn)鎮(zhèn)線、昭大線、曲靖地區(qū)的宣曲線、宣以線、云貴交界的羊盤線及東川地區(qū)的以東線等，均與昆明靜止鋒有關(guān)。滇西北的碧羅雪山由于空氣濕度大、海拔高，局部微地形、微氣象點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)冰厚30 mm的情況，如福蘭線、福劍線、大華橋送出線等。覆冰厚度20 mm也是東部大于西部、北部大于南部，主要集中在滇東北、滇東、滇西北及部分滇中地區(qū)。

云南滇東、滇北地區(qū)、滇東南的電線覆冰主要表現(xiàn)為雨凇、霧凇及混合凍結(jié)，而滇西北地區(qū)則主要表現(xiàn)為粘附濕雪。

4 冰區(qū)分布圖的繪制

4.1 覆冰模型的建立

根據(jù)云南省冷空氣的路徑、強(qiáng)弱及各區(qū)域覆冰性質(zhì)，將云南省區(qū)劃為五個(gè)大區(qū)域，即：滇東北和滇東、滇西北、滇東南、滇中及滇西南五個(gè)大區(qū)域，然后再根據(jù)每個(gè)區(qū)域內(nèi)形成覆冰的特點(diǎn)、覆冰性質(zhì)又進(jìn)行細(xì)化，形成局部區(qū)域的覆冰模型，見圖4。

圖4 云南省覆冰模型、冰區(qū)區(qū)劃及冰區(qū)預(yù)警預(yù)報(bào)流程圖

滇東北及滇東區(qū)域覆冰模型研究時(shí)，研究人員依據(jù)Kathleen F研究的成果做為基礎(chǔ)，選取滇東及滇東北22個(gè)站點(diǎn)最冷月(1月份)平均氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速值、相對(duì)濕度和降水量，再結(jié)合云南滇東北的實(shí)際情況構(gòu)建了相應(yīng)的覆冰模型如式(1)所示：

式中：P為降水率；N為凍雨時(shí)數(shù)；V為風(fēng)速；ρi為冰密度；ρw為水密度W=0.067 P0.846為空氣液態(tài)水含量。通過實(shí)際考察的覆冰資料與22個(gè)站點(diǎn)的氣象觀測(cè)資料反算系數(shù)，得到較為合理的系數(shù)取值(K=0.0013)，由此計(jì)算得到22個(gè)站點(diǎn)冬季最冷月的覆冰量。

由于長(zhǎng)序列完整覆冰資料很難獲得，遠(yuǎn)不能滿足輸電線路工程設(shè)計(jì)的需求。因此，充分利用現(xiàn)有氣象站常規(guī)氣象觀測(cè)資料(覆冰四要素：氣溫、濕度、降水和風(fēng)速風(fēng)向)、冷空氣襲經(jīng)路徑、強(qiáng)弱、影響范圍及下墊面情況建立覆冰模型及未來(lái)通過上述氣象預(yù)報(bào)資料預(yù)測(cè)近期覆冰厚度的方法。對(duì)輸電線路規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)及已建輸電線路的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)都具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 冰區(qū)劃分原則

根據(jù)“南方電網(wǎng)冰區(qū)分布圖繪制方法”(2013年試行版)，劃分冰區(qū)應(yīng)遵循地區(qū)相似性與差異性的原則，按照不同的指標(biāo)分級(jí)進(jìn)行劃分。在同一冰區(qū)，計(jì)算用覆冰參數(shù)應(yīng)盡量相同，同時(shí)考慮立體氣候特點(diǎn)和地形影響，在進(jìn)行不同冰區(qū)劃分時(shí)，又要遵循以下原則：

(1)一個(gè)冰區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的覆冰量要基本接近。

(2)一個(gè)冰區(qū)應(yīng)屬同一氣候區(qū)，形成覆冰的天氣條件應(yīng)大致相同。

(3)一個(gè)冰區(qū)內(nèi)應(yīng)地形條件類似，同一地理位置海拔相當(dāng)。

(4)對(duì)風(fēng)口、埡口、分水嶺、迎風(fēng)坡、山頂突出處等微地形、微氣候區(qū)，宜酌情加大處理。

4.3 冰區(qū)劃分依據(jù)

(1)云南省五個(gè)大區(qū)域覆冰模型成果；

(2)覆冰成因及影響覆冰的氣象條件分析結(jié)果；

(3)區(qū)域各調(diào)查點(diǎn)設(shè)計(jì)冰厚的分析計(jì)算結(jié)果；

(4)區(qū)域氣象站、觀冰站覆冰分析計(jì)算結(jié)果；

(5)區(qū)域地形、海拔及植被分類結(jié)果；

(6)區(qū)域已建輸電線路設(shè)計(jì)冰區(qū)及運(yùn)行資料；

(7)區(qū)域冰雪災(zāi)害記錄和報(bào)告。

4.4 冰區(qū)劃分技術(shù)方法

云南地形復(fù)雜多樣，氣候呈現(xiàn)地域變化，覆冰是地形因子與氣候因子綜合影響的結(jié)果，相應(yīng)的覆冰呈現(xiàn)了地域性規(guī)律，冰區(qū)劃分應(yīng)充分考慮各種可能的影響因素。冰區(qū)劃分主要依照以下步驟進(jìn)行：

(1)根據(jù)覆冰成因及影響覆冰的氣象條件分析結(jié)果，結(jié)合類似地形(經(jīng)緯度、海拔、相對(duì)高差、植被分類)、氣候帶(氣溫、濕度 、風(fēng)、日照)內(nèi)覆冰存在相近特征的規(guī)律，以各調(diào)查點(diǎn)設(shè)計(jì)冰厚分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對(duì)覆冰地區(qū)按地形環(huán)境與覆冰條件基本一致原則進(jìn)行覆冰地形氣候分區(qū)；

(2)在同一類似地形氣候區(qū)內(nèi)，依據(jù)覆冰資料(包括觀測(cè)、調(diào)查覆冰及已建線路設(shè)計(jì)覆冰、運(yùn)行資料、鄰近類似區(qū)冰雪災(zāi)害記錄或報(bào)告)地點(diǎn)及該地點(diǎn)的地形氣候特征類比延伸確定其代表的類似子區(qū)域，以該點(diǎn)的覆冰量近似代表子區(qū)域的覆冰量。

(3)對(duì)各子區(qū)域的覆冰量作歸類整合連接形成冰區(qū)圖。覆冰量級(jí)及區(qū)劃見圖5。

4.5 云南冰區(qū)圖的繪制

根據(jù)云南省電力設(shè)計(jì)院及云南省氣象臺(tái)研究的“云南電網(wǎng)覆冰區(qū)劃模型”及氣象臺(tái)(站)的觀測(cè)資料、電線覆冰觀測(cè)記錄、氣象災(zāi)害史料、現(xiàn)有電力、通信線的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析、歸納，用計(jì)算機(jī)在1∶25萬(wàn)電子地形圖上分區(qū)域，進(jìn)行圖層分類和屬性編碼、轉(zhuǎn)換矢量空間數(shù)據(jù)及屬性、投影坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、采用克里金或其它空間插值分析法及冰區(qū)的海拔跨度構(gòu)建冰區(qū)分級(jí)圖層，通過GIS疊加分析、圖層融合等步驟。繪制出“云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖草圖”；現(xiàn)場(chǎng)考察組攜帶“云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖草圖”進(jìn)行全省性實(shí)地普查，到各地州(市)電力、氣象部門、電信部門及交通運(yùn)輸部門征詢意見，對(duì)各地區(qū)較大的山脈、“微地形、微氣象點(diǎn)”及輸電線路的典型事故地段進(jìn)行實(shí)地考察，進(jìn)一步調(diào)查核實(shí)“云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖草圖”；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察論證結(jié)果，對(duì)“云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖草圖”的復(fù)核及修正，最終根據(jù)制圖標(biāo)準(zhǔn)，制作項(xiàng)目所需的地圖符號(hào)、庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)地圖要素符號(hào)化處理及標(biāo)注屬性、圖面調(diào)整裝飾，形成1∶250000的“云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖”矢量圖及JPG柵格圖(云南省50年一遇冰區(qū)分布圖見圖5)。

圖5 云南省50年一遇冰區(qū)分布圖

5 結(jié)論與展望

云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖的研究基于云南2008年電網(wǎng)覆冰災(zāi)害、1983年等覆冰較為嚴(yán)重年份的實(shí)地覆冰調(diào)查，總結(jié)出云南電網(wǎng)的受災(zāi)事故類型及電網(wǎng)覆冰特征，結(jié)合云南獨(dú)特的氣候及地理?xiàng)l件等因素，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、分析、歸納出不同的覆冰組合，用計(jì)算機(jī)在1：250000電子地形圖上分區(qū)域歸納云南電網(wǎng)覆冰分布規(guī)律，且作為冰區(qū)的劃分依據(jù)，得到不同重現(xiàn)期的覆冰區(qū)劃圖。

云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖反映了一定區(qū)域內(nèi)覆冰的分布規(guī)律，是輸電線路防冰、抗冰設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。進(jìn)行輸電線路建設(shè)或改造時(shí)，覆冰分布圖能提供科學(xué)依據(jù)，選擇最安全、經(jīng)濟(jì)的路徑和抗冰設(shè)計(jì)。進(jìn)行輸電線路抗冰設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)線路路徑的覆冰情況，因地制宜的選擇不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，既能有效的進(jìn)行抗冰，又能節(jié)約工程造價(jià)。覆冰分布圖對(duì)防冰、抗冰工作具有指導(dǎo)意義，抗冰、防冰、融冰等技術(shù)提供技術(shù)支撐能對(duì)重冰區(qū)進(jìn)行巡查和監(jiān)控，能有效的防治冰災(zāi)事故發(fā)生。繪制云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行具有重大的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。本文主要得到以下結(jié)論：

(1)通過多年的統(tǒng)計(jì)資料，并結(jié)合云南特殊的地形地貌、地理位置、天氣氣候特征等方面，總結(jié)分析出影響云南省的三大冷空氣路徑，其發(fā)生的頻率為：東北路徑為63%，西北路徑為28%，偏東路徑為9%。即云南省覆冰天氣現(xiàn)象主要出現(xiàn)在滇東北及滇東地區(qū)，其次是滇西北地區(qū)，最少是出現(xiàn)在滇東南及其他地區(qū)。

(2)云南地處低緯度高海拔地區(qū)，山高谷深，立體氣候明顯。輸電線路通常經(jīng)過寒帶、寒溫帶、溫帶、亞熱帶等多種氣候類型。這種獨(dú)特的地形地貌和多樣的氣候特征，決定了輸電線路氣象條件的特殊性、局部性、多樣性及復(fù)雜性。云南電線覆冰分布特點(diǎn)為滇東北、滇東及滇東南地區(qū)的電線覆冰主要表現(xiàn)為雨凇及雨凇為主的混合凍結(jié)，而滇西北地區(qū)則主要表現(xiàn)為粘附濕雪。

(3)云南省滇西南大部地區(qū)及溝谷、平壩地區(qū)冬季溫度稍高，氣溫很難將至0C以下，不易形成覆冰現(xiàn)象，只有在海拔較高的山區(qū)，由于氣溫低、空氣濕度大，冬季常形成雨雪冰凍及大霧天氣，為覆冰的形成提供了有利條件。

(4)由于云南境內(nèi)微地形、微氣候點(diǎn)眾多，風(fēng)口、埡口、峽谷風(fēng)道、迎風(fēng)面等微地形地區(qū)會(huì)造成局部地區(qū)導(dǎo)線上覆冰嚴(yán)重增加，這些區(qū)域的覆冰厚度不能根據(jù)大范圍內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)來(lái)確定，所以在冰區(qū)區(qū)劃時(shí)進(jìn)行了“兩微”校訂，最終得到較為合理、準(zhǔn)確的冰區(qū)分布圖，但是“兩微”校訂是非常復(fù)雜的，實(shí)際工程勘測(cè)中需進(jìn)一步復(fù)核。

(5)覆冰是一種自然現(xiàn)象，屬小概率事件，而影響覆冰的因素多且復(fù)雜。到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚沒有完全解決電網(wǎng)覆冰問題。因此本項(xiàng)目對(duì)云南電網(wǎng)覆冰的調(diào)查也不是很全面，針對(duì)云南電網(wǎng)覆冰分布我們只積累了較少的數(shù)據(jù)，在后續(xù)的研究中，需進(jìn)行長(zhǎng)期的覆冰觀測(cè)，不斷完善云南省電網(wǎng)冰區(qū)分布圖。

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