數(shù)據(jù)分析技術(shù)在特高壓直流工程施工中地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的應(yīng)用研究

丁永福，張金德，劉皓，王新元，何宣虎，王普寨

（1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京 100053；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司建設(shè)分公司，湖南長沙 410007）

0 引言

我國地理環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害分布廣，并且發(fā)生頻繁，是世界上地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家之一。特高壓輸電線路在施工過程中，時間緊、任務(wù)重、施工條件差。由于電網(wǎng)輸電線路長、跨越區(qū)域大，多位于地勢險峻的偏遠(yuǎn)山區(qū)，極易受到地質(zhì)災(zāi)害的影響，導(dǎo)致輸電線路桿塔傾斜、倒塌、滑移等事故時有發(fā)生，帶來巨大的經(jīng)濟損失（張孜豪等，2019）。影響地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)展的因素有很多，其中可大致分為地質(zhì)環(huán)境因素和人為因素兩大類。基本環(huán)境因素包括地形地貌條件、巖土體性質(zhì)、構(gòu)造因素、河流地質(zhì)作用等，影響因素則包括人類工程活動、降雨因素以及地震因素等。在所有影響因子當(dāng)中，地質(zhì)災(zāi)害與降雨因素之間有著十分密切的關(guān)系（陳偉和許強，2011）。特別是近年來，受極端氣候的影響，重要輸電通道沿線地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)高發(fā)頻發(fā)態(tài)勢，防治形勢嚴(yán)峻，為保障極端環(huán)境下的大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，急需開展重要輸電通道的地質(zhì)災(zāi)害危險性評價（趙斌濱等，2019）。在地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價方面，陳情來運用兩級模糊綜合評判法對研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)進行定量評價（陳情來，2000）；彭伶等通過遙感數(shù)據(jù)對區(qū)域滑坡災(zāi)害進行風(fēng)險評價（彭令等，2016）。通過地質(zhì)災(zāi)害危險性評價后還需要將評價結(jié)果結(jié)合一定的方式進行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，以便于及時的做出反應(yīng)。目前，不少學(xué)者也做了相應(yīng)的研究，吳益平等通過有效降雨強度進行滑坡災(zāi)害危險性預(yù)警（吳益平等，2014）；張友誼等研究滑坡與降雨的關(guān)系（張友誼等，2007）；鐘萌乾對滑坡與降水的關(guān)系及其預(yù)報進行研究（鐘蔭乾，1998）等等。因此，為了盡可能地避免、減少地質(zhì)災(zāi)害對輸電線路在施工過程中的威脅，采取有效的方法與手段對輸電線路沿線存在或潛在的地質(zhì)災(zāi)害進行識別和預(yù)警必不可少。

本文以昌吉—古泉±1100kV 特高壓直流輸電線路工程的18、19 標(biāo)段為研究區(qū)，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)，進行綜合分析。建立地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型，分析氣象數(shù)據(jù)與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系，開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警方法研究。

1 研究區(qū)概況

圖1 昌吉-古泉18、19 標(biāo)段高分遙感影像和滑坡隱患點識別

昌吉—古泉±1100kV 特高壓直流輸電線路工程起于新疆昌吉回族自治州的五彩灣換流站，終點為安徽宣城市的古泉換流站，線路全長約3319.2 km，海拔10～2300 m，線路曲折系數(shù)1.11。線路途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽6 省區(qū)。

昌吉—古泉±1100kV 特高壓直流輸電線路工程18 標(biāo)段、19 標(biāo)段高差變化大、地形復(fù)雜、地質(zhì)條件惡劣（圖1）。起于渭南市富平縣，止于商洛市商南縣，線路大體為西北至東南走向，途經(jīng)渭南市富平縣、臨渭區(qū)、經(jīng)開區(qū)、華縣、西安市藍(lán)田縣、商洛市商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣，全長約268.5 km，包含桿塔約500基。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

在我國加強地質(zhì)災(zāi)害防控意識的背景下，遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣泛，對具體的災(zāi)害情況進行掌握，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對災(zāi)害情況的有效防控（周大泉，2018）。本文中使用的高分遙感影像來源于國產(chǎn)高分二號衛(wèi)星，獲取了特高壓工程沿線的高分遙感影像，并經(jīng)過處理，使影像色彩、清晰度得以增強。對沿線的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險點進行判別、標(biāo)識，從而初步了解現(xiàn)場地質(zhì)災(zāi)害的基本信息，將遙感影像數(shù)據(jù)作為各種隱患點解譯、識別的基礎(chǔ)性資料。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)

收集昌吉—古泉區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，對已有地質(zhì)災(zāi)害點進行統(tǒng)計分析，篩選出對特高壓線路施工設(shè)施造成威脅的地質(zhì)災(zāi)害點作為參考，將此數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料（表1）。

表1 遙感影像識別地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)（樣例）

（1） 渭南市地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)

全市共有地質(zhì)災(zāi)害隱患點554 處，其中滑坡90處、崩塌249 處、泥石流55 處、地面塌陷141 處、地裂縫19 處。按危險性分類：高危險167 處，中危險258 處，低危險94 處。全市地質(zhì)災(zāi)害隱患點主要為滑坡、崩塌和地面塌陷，從規(guī)模與險情等級均以小型為主，穩(wěn)定性以較差—差居多。

（2） 商洛市地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)

根據(jù)商洛境內(nèi)地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點分布密度，隱患點的穩(wěn)定性，人類工程活動強度及歷年降雨量等影響因素，結(jié)合縣（區(qū)）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)劃資料和近年來地質(zhì)災(zāi)害隱患排查資料，綜合進行定性評價，轄區(qū)共劃分地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)9 個，中易發(fā)區(qū)10 個，低易發(fā)區(qū)10 個，地質(zhì)災(zāi)害隱患點531 處（表2）。

表2 篩選地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)（樣例）

2.3 現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)

結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，對線路走廊沿線的地質(zhì)災(zāi)害點進行現(xiàn)場勘查?？辈檫^程中考慮的具體因素為各災(zāi)害點的位置、地層巖性、坡高、坡度、坡形、坡體形態(tài)、植被覆蓋情況、距離河道距離等（表3，圖2）。

對于第一類拒動概率和第一類誤動概率指標(biāo)是根據(jù)統(tǒng)計的故障次數(shù)計算的的全概率，其中第一類拒動屬于隱性故障。代表著某一相對獨立的繼電保護系統(tǒng)的硬件在以后一段時間t 內(nèi)發(fā)生1 次故障的可能性，也是硬件的可靠水平指標(biāo)。減小這兩個風(fēng)險指標(biāo)，可以有效的降低系統(tǒng)的誤操作，從而提高系統(tǒng)的可靠性，通常的措施就是：

2.4 國家氣象數(shù)據(jù)

氣象變化是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素，氣象數(shù)據(jù)主要包括整個線路走廊的實測降水和預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)。本文中的氣象數(shù)據(jù)作為后期地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（1） 實測降水?dāng)?shù)據(jù)

從國家氣象中心獲取工程全線，兩側(cè)各15 km寬范圍內(nèi)雨量站的位置信息。建立雨量站數(shù)據(jù)庫，將氣象中心推送來的雨量站降水量數(shù)據(jù)入庫。降水量數(shù)據(jù)主要包括雨量站名稱、降水量（mm）、時間、影響桿塔號等（圖3）。

（2） 預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)

從衛(wèi)星氣象中心接入每天推送的未來24 h 工程施工范圍內(nèi)的預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)，建立預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)庫，按照每天早晨8 時和12 時兩次自動推送。接收數(shù)據(jù)后，通過空間數(shù)據(jù)綜合分析方法計算統(tǒng)計施工區(qū)域范圍內(nèi)的24 h 預(yù)報降水?dāng)?shù)據(jù)（mm），進行降水預(yù)報、災(zāi)害計算及預(yù)警應(yīng)用。

表3 現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)（樣例）

圖2 昌吉—古泉18、19 標(biāo)段索道和塔基施工區(qū)域有滑坡風(fēng)險

2.5 數(shù)據(jù)綜合分析

結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)對線路走廊沿線的地質(zhì)災(zāi)害進行綜合分析。具體包括災(zāi)害本身的易發(fā)性、特高壓施工現(xiàn)場的防護措施、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后對特高壓現(xiàn)場的影響以及災(zāi)害點與特高壓施工設(shè)施的距離等因素。對施工設(shè)施造成威脅的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險點進行綜合評價，并進行風(fēng)險等級劃分，分為低、中、高3 個等級（表4）。

表4 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險綜合評價表（樣例）

3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警

3.1 預(yù)警模型的建立

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是一個由多種自然因素包括人為因素共同作用下的復(fù)雜的從緩變到突變的過程，但在一定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及環(huán)境條件下，過程降水是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的最主要誘發(fā)因素（陳百煉，2002）。在降雨強度不大但連續(xù)降雨過程中，地質(zhì)災(zāi)害具有一定的滯后效應(yīng)；在地質(zhì)災(zāi)害大規(guī)模發(fā)生后，誘發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害雨量閾值提高（劉艷輝等，2009）。根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)險源數(shù)據(jù)，充分利用氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合特高壓施工布置，研究現(xiàn)場的地理條件、地質(zhì)條件、降水分布，分析滑坡、泥石流災(zāi)害與降水的關(guān)系，預(yù)報降水與滑坡、泥石流災(zāi)害預(yù)警的關(guān)系，建立起滑坡、泥石流災(zāi)害風(fēng)險模型。通過風(fēng)險模型計算分析工程施工區(qū)滑坡、泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率、規(guī)模、強度等。

其中PSA為有效雨量，Pi為計算前第i天的降水，a為有效雨量系數(shù)。在這里從公式中可以看出離發(fā)生災(zāi)害的時間越長，其所降雨量所起的作用就越少。那么，第i天的前期有效雨量PA為

記第i天的雨量為PC（mm），既滑坡、泥石流災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天的降水量，那么誘發(fā)災(zāi)害的累積降雨P(guān)sum可表示為

圖4 為某一區(qū)域滑坡、泥石流災(zāi)害發(fā)生的當(dāng)日雨量與前期有效雨量的分布情況，可以看出滑坡、泥石流災(zāi)害與當(dāng)日雨量和前期雨量直接相關(guān)，當(dāng)二者處于某一閾值曲線上方時滑坡、泥石流災(zāi)害容易發(fā)生，實際發(fā)生的大部分災(zāi)情也分布在這一曲線之上，否則地質(zhì)災(zāi)害不容易發(fā)生。

通過圖4，可以利用冪指數(shù)關(guān)系式對閾值曲線進行估計，具體的估算結(jié)果為：

我們通過以上公式可以看出，如果我們將截止目前為止的降雨量作為前期每天的降雨量，我們就可以計算出前期有效降雨P(guān)A，也可以計算出相應(yīng)的PC，此時如果預(yù)報的未來24 h 降雨量大于通過上述公式計算所得的PC，我們就可以認(rèn)為該地區(qū)存在發(fā)生滑坡泥石流的風(fēng)險。上述公式中的，305.7 與-0.947 是與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件有關(guān)。我們將上述公式表述為：

圖4 某區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害與降水的關(guān)系

這樣我們對不同地區(qū)的滑坡泥石流預(yù)警，就轉(zhuǎn)變?yōu)榍笕∩鲜街械膋，r值。這些可以通過對該地區(qū)已發(fā)生滑坡泥石流的數(shù)據(jù)分析得到。

3.2 雨量計算

（1） 有效雨量

已降雨量的獲得是通過實測雨量站實際測量得到，但實測雨量站的分布并沒有一定的規(guī)律。而且往往與關(guān)注點在地理位置上并不重合，我們要獲取關(guān)注點已降雨量時，需要通過臨近的雨量站的實測雨量換算得到，在實際計算中，采用如下方式。

1）選第一個雨量站D1。取離關(guān)注點最近的一個雨量站作為第一個雨量站，設(shè)距離為L1。如果L1小于1.5 km，則直接將第二、第三個雨量站置空。

2）如果L1 大于等于1.5 km，選取第二、第三個雨量站。計算其他雨量站與關(guān)注點的距離，計算其他雨量站和關(guān)注點連線與雨量站D1 和關(guān)注點連線的夾角。根據(jù)角度分3 組（0～60，300～360），（60～180），（180～300），對于第一組不用處理，第二組，第三組分別選取距離關(guān)注點最近的點為第二個雨量站和第三個雨量站。如果第二組，或第三組為空，則第二個雨量站或第三個雨量站為空。設(shè)第二個雨量站為D2，距離L2，第三個雨量站為D3，距離為L3。

3）計算關(guān)注點雨量：假設(shè)第一、第二、第三個雨量站雨量分別為P1，P2，P3，距離關(guān)注點距離分別為L1，L2，L3。設(shè)計算的關(guān)注點雨量為P。

如果只存在第一個雨量站，則P=P1。

如果只存在兩個雨量站，不妨設(shè)存在第二個雨量站（第一個雨量站肯定存在），則P=（L1×P2+L2×P1）/（L1+L2）。

如果3 個雨量站都存在，則P=（（L2+L3）×P1+（L1+L3）×P2+（L1+L2）×P3）/（2×（L1+L2+L3））。

（2） 預(yù)報雨量的計算

預(yù)報雨量是5 km×5 km 的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，考慮網(wǎng)格間距比較小，選用最近距離法，計算關(guān)注點的預(yù)報雨量，即選用與關(guān)注點最近的網(wǎng)格點的預(yù)報雨量作為該關(guān)注點的預(yù)報雨量。

3.3 預(yù)警閾值

目前國家級地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警分級為藍(lán)、黃、橙、紅4 個等級，在實際預(yù)警中，對公眾發(fā)布未來24 h 的地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警。因此，結(jié)合前期有效雨量和最新的24 h 降水預(yù)報得出總降雨量，就可以通過總降雨量判定地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級。本文結(jié)合了陜南地區(qū)滑坡災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警及其防范對策探析中的降雨量臨界值作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警臨界值參考（王雁林，2005），得出了研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警閾值，具體見表5。

表5 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警閾值

4 結(jié)論

（1） 通過遙感數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)，對線路走廊進行綜合分析，確定了對特高壓施工造成威脅的地質(zhì)災(zāi)害點，并將這些地質(zhì)災(zāi)害點劃分為低、中、高3 個等級。

（2） 通過對地質(zhì)災(zāi)害點附近多個雨量站的加權(quán)平均計算以及獲取精準(zhǔn)的預(yù)報降雨數(shù)據(jù)，建立了結(jié)合有效降雨量和預(yù)報降雨量的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型。

（3） 根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生對應(yīng)的降水值作為地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險預(yù)警的臨界雨量閾值。確定了昌吉—古泉±1100kV 特高壓直流輸電線路工程18 標(biāo)段、19標(biāo)段各種地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級的藍(lán)、黃、橙、紅預(yù)警閾值。