江西省輸電線路覆冰厚度區(qū)域性分布規(guī)律

王 熹，張 庭，趙 超

(中國電力建設集團江西省電力設計院，江西 南昌 330096)

江西省丘陵山地眾多，水系縱橫交錯，導致全省范圍內(nèi)覆冰差異顯著。根據(jù)國家電網(wǎng)公司冰區(qū)圖可知，該省境內(nèi)覆冰就包含5個等級，這給設計階段確定冰厚帶來較大難度。因此有必要對江西省境內(nèi)覆冰規(guī)律進行探究。

輸電線路的覆冰主要受氣象、地形以及導地線自身條件影響。劉春城等指出導線覆冰是熱力學、流體力學和電流電場耦合作用的結(jié)果。黃新波等利用覆冰影響深度分析法，確定了線路覆冰與微氣象條件等因素之間的關(guān)系。同時諸多輸電線路覆冰預測數(shù)學模型被提出，典型的有Imal模型、Goodwin模型、Chaine模型和Makkonen模型，但這些模型是基于世界不同地區(qū)實際覆冰觀測規(guī)律得出的，很難在實際中得以應用。

影響覆冰的因素中溫度、海拔、風速、導線特性等可以量化表征，而地形等只能以文字描述，故覆冰影響因素無法完全量化，從而無法用統(tǒng)一的模型對覆冰準確預測。同時，設計覆冰計算對折算系數(shù)以及氣象站覆冰觀測資料的要求較高。但代表氣象站以及折算系數(shù)的選取主觀性較強，從而導致目前設計覆冰的計算僅停留在冰區(qū)劃分的層面上，無法準確確定實際冰厚。

文章首先分析了氣象站覆冰資料對于區(qū)域覆冰規(guī)律研究的代表性；其次，對氣象站標準冰厚與海拔和緯度之間的關(guān)系進行研究，提出該省覆冰厚度區(qū)域性分布規(guī)律，為后續(xù)對復雜地區(qū)覆冰預測提供參考。

1 氣象站分布特征及覆冰觀測情況

江西省境內(nèi)共有87座氣象站，氣象站觀測場地的位置大都分布在各級縣市中心或者附近區(qū)域。其中有覆冰觀測任務的氣象站共有17座，見圖1，這些氣象站平面分布較均勻，海拔分布范圍為30.4～1164 m(圖2)，基本覆蓋了江西省所有特征的地形地貌，其觀測資料基本能代表江西省境內(nèi)各地區(qū)的氣象條件。但對于海拔400～700 m范圍內(nèi)的山地，沒有覆冰觀測站布設，其中主要為撫州、吉安以及贛州三市行政區(qū)域交界的山區(qū)和宜春與九江交界的山區(qū)。這給江西省境內(nèi)在該海拔區(qū)域內(nèi)的覆冰分析與預測帶來了困難。

圖1 江西省覆冰觀測站分布圖

圖2 區(qū)域覆冰站觀測場海拔分布情況

有覆冰觀測任務的氣象站均是按照有關(guān)覆冰觀測要求架設，分南北向和東西向兩檔線，導線長1 m、直徑4 mm，導線離地高度為2.2 m。因此實測冰厚資料滿足一致性的要求。除井岡山氣象站覆冰觀測資料年限為1998年至今以外，其它氣象站覆冰資料均有50年，資料序列完整，所得出的歷史最大覆冰厚度可靠，能較好的代表該省覆冰情況。本文通過選取各氣象站監(jiān)測的歷史最大覆冰重量來計算各站離地2.2 m高標準覆冰厚度，見公式(1)。

式中：B0為標準冰厚(mm)；G為覆冰重量；L為覆冰體長度，取1 m；r為導線半徑，取2 mm。

通過計算得出各氣象站歷史最大標準冰厚來分析區(qū)域內(nèi)覆冰的規(guī)律。其中井岡山站的觀測資料年限雖然只有20年，但其歷史最大標準冰厚與多數(shù)站出現(xiàn)的時間段相同，均為2008年，據(jù)文獻分析結(jié)果可知，2008年是江西省有氣象記錄以來最嚴重的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍災害性天氣。因此該站歷史最大標準冰厚同樣具有代表性。

綜上所述，利用江西省境內(nèi)已有的覆冰觀測站的歷史最大標準冰厚資料來分析覆冰在江西省境內(nèi)的分布規(guī)律及其影響因素具有可行性和代表性。

2 海拔對覆冰厚度的影響

已有研究表明，覆冰厚度與海拔高度在一定范圍內(nèi)大致呈正相關(guān)，海拔愈高，覆冰愈易，冰愈厚。因為隨著海拔的升高，風速隨之增大，溫度隨之降低，為覆冰的形成創(chuàng)造了條件。趙芳良等通過研究發(fā)現(xiàn)，在我國，線路覆冰凝結(jié)高度的地域特點是西高東低，北高南低。在凝結(jié)高度點以上，覆冰隨海拔的升高而增厚。前蘇聯(lián)學者布琴斯基曾提出了頓巴斯地區(qū)覆冰平均直徑和海拔高度的經(jīng)驗關(guān)系。

式中：D為最大標準覆冰厚度(mm)；h是海拔高度(m)；e為自然對數(shù)的底；ai、bi為隨覆冰類型和地區(qū)而變化的系數(shù)。

本文利用各氣象站統(tǒng)計的歷史最大覆冰結(jié)果，建立江西省境內(nèi)歷史最大標準冰厚與海拔之間的關(guān)系圖，見圖3。

圖3 江西省氣象站海拔與覆冰厚度關(guān)系

由分析可知，江西省境內(nèi)覆冰厚度與海拔之間的相關(guān)關(guān)系并不顯著。這主要是由于覆冰除了受海拔影響以外，還受其它氣象因素影響。對比頓巴斯地區(qū)的覆冰與海拔的關(guān)系可知，其覆冰規(guī)律與頓巴斯地區(qū)存在顯著差異。但如果分別選取景德鎮(zhèn)站、尋烏站、修水站、玉山站、井岡山站以及廬山站的數(shù)據(jù)進行分析，繪制曲線見圖4，對其進行非線性回歸分析，得出這6座氣象站的覆冰厚度規(guī)律與布琴斯基提出的經(jīng)驗關(guān)系相似。

圖4 特定區(qū)域氣象站海拔與其覆冰厚度關(guān)系

由上述曲線擬合得出這些區(qū)域內(nèi)覆冰厚度與海拔之間的關(guān)系式如下：

通過對這6座站的地理位置分析發(fā)現(xiàn)，除了2座高海拔氣象站(井岡山、廬山)以外，其它4座氣象站的海拔均在400 m以下，由地形分析可知，這些氣象站均處于較為封閉的區(qū)域，四面環(huán)山，氣象站受外界因素(西北冷空氣南下、大氣環(huán)流等)的影響相對較小，而與本地區(qū)的環(huán)境溫度、風速、降水等氣象因素關(guān)系相對顯著。對于其它不封閉的地區(qū)，覆冰厚度不隨海拔的增加而增加，見圖5。

圖5 低海拔非封閉地區(qū)海拔高度與覆冰厚度關(guān)系

從圖5可知，覆冰厚度隨海拔的增加還有減小的趨勢。對比各氣象站所處的地理位置可知，這些低海拔地區(qū)的氣象站觀測場均建在城市之中或者附近，城市化改變了原有的覆冰規(guī)律。江西省水系發(fā)達，根據(jù)氣象站分布圖可知，除兩個高山氣象站以外，其它氣象站附近均有河流，海拔越低，水汽越充足，從而導致覆冰厚度反而比較高海拔地區(qū)的覆冰厚度要大。因此低海拔地區(qū)，海拔高度以外的其它因素對覆冰影響更加顯著。

3 緯度對覆冰的影響

根據(jù)對覆冰的影響因素的研究可知，除受海拔高度的影響，覆冰還與光照、環(huán)境溫度、濕度等有關(guān)。這三個量均為實時變化的量，無法將其與覆冰厚度進行一一對應，但緯度在一定程度上能反映該地區(qū)光照、環(huán)境溫度和濕度，通常情況下，緯度越高氣溫越低，光照越弱，濕度越小。因此可以通過分析緯度與覆冰之間的關(guān)系來反映這三種影響因素對覆冰的影響。

一些專家學者已經(jīng)證實緯度對氣溫以及日照具有一定的影響，其中王愛珍等研究了湖南省冬季氣溫年代際變化與城市熱島效應和緯度的關(guān)系。郭世昌等通過已經(jīng)建立起來的昆明地區(qū)紫外輻射傳輸方案，探究了不同地理緯度和海拔高度對紫外線強度的影響。其次還有一些專家學者研究了緯度與植物生長以及土壤溫度的關(guān)系。這些研究均表明，緯度對于氣溫、光照等氣象因素具有顯著的影響。因此本文選取緯度作為影響因素，探究江西地區(qū)覆冰厚度與緯度之間的關(guān)系。

江西省位于北回歸線以北，北緯25°到北緯30°之間，跨越5個緯度，南北氣溫以及日照之間存在一定的差異。本文利用江西省境內(nèi)各氣象站的最大覆冰觀測結(jié)果，建立氣象站覆冰歷史最大標準覆冰厚度與各氣象站緯度之間的關(guān)系圖，見圖6。

圖6 江西省氣象站緯度與其覆冰厚度關(guān)系

由圖6可知，緯度與覆冰厚度的相關(guān)性不強，其中廬山站的覆冰厚度較其它氣象站的覆冰厚度大得多，而它與九江站緯度差異并不大，最大的差異在于海拔，因此，海拔是影響廬山站覆冰的主要因素，同理可知井岡山站覆冰的主要影響因素也是海拔。通過上節(jié)的分析可知，低海拔地區(qū)(低于400 m)也有氣象站符合覆冰厚度與海拔的遞增指數(shù)型曲線規(guī)律，其中包括景德鎮(zhèn)站、尋烏站、修水站、玉山站，因此在分析緯度與覆冰厚度關(guān)系時應剔除上節(jié)覆冰厚度與海拔符合遞增型指數(shù)關(guān)系的點，通過剩下氣象站(海拔均在400 m以下)的數(shù)據(jù)分析冰厚與緯度之間的關(guān)系，得到二者之間的關(guān)系，見圖7。

圖7 剔除海拔影響站后覆冰厚度與緯度的關(guān)系

由圖7可知，在低緯度的情況下(25°～27°)，緯度越高，覆冰厚度越大，但當緯度繼續(xù)增大后，覆冰厚度則出現(xiàn)無序變化。結(jié)合江西省的地形分析可知，低緯度的情況下，即江西省南部，地形以山地為主，而氣象站均位于較為低處的城市之中，氣象環(huán)境相對獨立，此時緯度對覆冰厚度的影響程度較之其它因素相對較大。而隨著緯度的升高，到達江西的北部，平原、丘陵以及山地均存在，這增加了其它影響因素的權(quán)重，從而導致緯度對覆冰的影響并不是那么顯著。但將高緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)進行聚類分析可知，貴溪、鄱陽和九江均位于江西的東北部，南昌、宜春、樟樹則位于江西的西北部，南城則位于江西的東部，規(guī)律相同的氣象站地理位置相近，氣象條件也相類似。因此可以認為這三個區(qū)域?qū)儆诓煌愋偷臍庀髤^(qū)域，從而導致不同區(qū)域內(nèi)覆冰厚度與緯度之間的關(guān)系存在差異。我們將不同區(qū)域內(nèi)的屬于與較低緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)分別進行非線性回歸分析，見圖8。

圖8 覆冰厚度與緯度關(guān)系擬合曲線圖

通過對數(shù)據(jù)進行擬合可知，在受海拔影響較小的情況下，緯度與覆冰厚度之間呈指數(shù)型關(guān)系。但同時也受到地理位置的影響，局部區(qū)域不同導致擬合公式的系數(shù)發(fā)生改變，但不影響擬合曲線的型式。綜上所述，隨著緯度的增加，覆冰厚度呈指數(shù)型遞增趨勢。

緯度影響型覆冰厚度與緯度之間的關(guān)系式可概括如下：

式中：D為最大覆冰厚度(mm)；ξ為緯度(°)；a、b為系數(shù)。而a、b的取值與區(qū)域有關(guān)。根據(jù)上述回歸分析結(jié)果，給出不同區(qū)域內(nèi)a、b的取值見表1。

表1 緯度影響型參數(shù)取值分區(qū)

4 覆冰影響類型區(qū)劃及其估算公式

為進一步證實海拔、緯度與覆冰厚度之間的關(guān)系，本文選取贛江干流上的氣象站數(shù)據(jù)作為研究對象，首先因為贛江作為江西省境內(nèi)的第一大江，縱貫江西省，基本能覆蓋江西省境內(nèi)所有的可能低海拔高度(400 m以下)和緯度，其次氣象站均處于贛江干流附近，水汽充足，因此可忽略環(huán)境濕度差異對覆冰的影響。本文選取了南昌、樟樹、吉安、遂川以及贛州站的數(shù)據(jù)進行分析，得到歷史最大標準冰厚與緯度及海拔的關(guān)系，見圖9。

圖9 贛江區(qū)域覆冰厚度與海拔以及緯度關(guān)系對比

經(jīng)回歸分析可知，通過指數(shù)型函數(shù)可以較好的擬合覆冰厚度與緯度以及海拔之間的關(guān)系。同時也證明了前文提出的覆冰厚度隨緯度的升高而增加以及低海拔非封閉地區(qū)隨著海拔高度增加，覆冰厚度隨之減小的推論。

綜上所述，可以將江西省境內(nèi)的覆冰類型按照其主要影響因素進行劃分。具體劃分為海拔影響型和緯度影響型。

(1)海拔影響型

海拔影響型除了高海拔地區(qū)(海拔高于400 m)，還包括四面環(huán)山，受外界氣象條件影響較小的低海拔區(qū)域。在江西省境內(nèi)主要為景德鎮(zhèn)、修水、玉山、井岡山以及廬山這些區(qū)域。江西省海拔影響型覆冰厚度與海拔之間的關(guān)系見公式(3)。

(2)緯度影響型

海拔影響型之外的其它區(qū)域均為緯度影響型(一些特殊的微氣象區(qū)除外)，其主要分布在低海拔非封閉地區(qū)(海拔在400 m以下)，這些區(qū)域除了收到緯度影響之外還與地理位置有較大的關(guān)系，特別是在江西省境內(nèi)緯度較高的區(qū)域。緯度影響型覆冰厚度與緯度之間的關(guān)系見公式(4)，參數(shù)取值可參考見表1。

5 結(jié)語

本文對江西省境內(nèi)所有具有覆冰觀測資料的氣象站最大覆冰厚度與海拔以及緯度之間的關(guān)系進行了分析研究。主要結(jié)論及展望如下：

(1)江西省境內(nèi)具有覆冰觀測資料的氣象站觀測資料基本能代表江西省境內(nèi)各地區(qū)的氣象條件。但對于400～700 m范圍內(nèi)的山地，沒有覆冰觀測站布設，其中主要為撫州吉安以及贛州三市行政區(qū)域交界的山區(qū)以及宜春與九江交界的山區(qū)。為準確對區(qū)域內(nèi)的覆冰進行預測，應在上述地區(qū)增加覆冰觀測站點。

(2)區(qū)域內(nèi)覆冰類型可以按照影響因素分為海拔影響型和緯度影響型，并建立了兩種類型下覆冰厚度的估算公式。

(3)區(qū)域內(nèi)海拔影響型中，覆冰厚度隨著海拔高度的增加呈指數(shù)型增加，但是在低海拔非封閉地區(qū)(海拔高度在400 m以下)，覆冰厚度隨海拔的增加反而有減小的趨勢，經(jīng)分析可知主要是受周圍江河的水汽影響。

(4)區(qū)域內(nèi)緯度影響型中，覆冰厚度隨緯度的增加呈指數(shù)型增加，但是在較高緯度地區(qū)(27°以上)，這種趨勢會隨著地理位置的不同而不同，但均能按照指數(shù)型公式對其進行擬合，且擬合效果較好。針對緯度影響型的公式，由于系數(shù)a的獲取較困難，在現(xiàn)階段將采用公式(4)結(jié)合表1，分區(qū)域?qū)ζ涓脖穸冗M行估算，在后續(xù)的研究中，可利用大比例地形圖并結(jié)合實際線路的覆冰觀測資料，對區(qū)域進行準確的劃分，提高該類型覆冰區(qū)域的預測精度。

(5)在進行線路設計覆冰計算時，需考慮標準覆冰厚度的重現(xiàn)期，但本文只針對歷史最大覆冰厚度進行了分析，所以在后續(xù)的研究中，可引入重現(xiàn)期的設計冰厚資料，對江西全境的各重現(xiàn)期設計覆冰厚度取值及設計覆冰區(qū)劃分進行分析研究。