湖北電網(wǎng)覆冰微地形辨識(shí)研究

黃俊杰，周學(xué)明，俞 斌，付劍津

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

近年來(lái)隨著全球氣候的演化，受厄爾尼諾、拉尼娜等現(xiàn)象影響，以覆冰為代表的各類極端惡劣天氣的發(fā)生范圍、頻率和強(qiáng)度都顯著增加［1-10］，給湖北電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也呈上升趨勢(shì)。

國(guó)家電網(wǎng)有限公司組織繪制的《電網(wǎng)冰區(qū)分布圖》，是電力設(shè)計(jì)、規(guī)劃、運(yùn)維等部門科學(xué)分析輸電線路覆冰的空間分布特征，精準(zhǔn)指導(dǎo)輸電線路防冰抗冰設(shè)計(jì)和加固改造的重要依據(jù)［11-15］。冰區(qū)分布圖在指導(dǎo)劃分架空輸電線路防雨雪冰凍災(zāi)害重點(diǎn)區(qū)域，制訂差異化治理措施等方面發(fā)揮了重要作用。對(duì)于平原地區(qū)，由于地形變化小，大范圍內(nèi)的溫度、風(fēng)速等氣象要素受地形影響小，實(shí)際輸電線路覆冰情況與冰區(qū)分布圖的等值覆冰厚度符合度高。對(duì)于山地、丘陵地區(qū)，存在覆冰微地形區(qū)域，由于地形特點(diǎn)使某些氣象要素大幅增強(qiáng)，導(dǎo)致位于這些區(qū)域的輸電線路覆冰嚴(yán)重程度遠(yuǎn)高于其它區(qū)域。而且微地形區(qū)域一般面積不大，為幾平方公里到十幾平方公里，在冰區(qū)分布圖上難以體現(xiàn)。因此，覆冰微地形區(qū)域辨識(shí)是開展防冰災(zāi)工作的難點(diǎn)。

相關(guān)文獻(xiàn)介紹了覆冰微地形的特征規(guī)律和辨識(shí)方法，如海拔與輸電線路等值覆冰厚度的正相關(guān)性［16-17］，坡度［18］、風(fēng)向［19-20］是辨識(shí)覆冰微地形的重要因素。陸佳政等人提出微地形覆冰嚴(yán)重程度從大到小排序?yàn)樯郊梗L(fēng)口、埡口）、峽谷、迎風(fēng)坡上部、迎風(fēng)坡山腰、背風(fēng)坡上部、迎風(fēng)坡山腳［21］。吳建蓉等人提出覆冰微地形相關(guān)因子為坡度、高程、與水體距離、覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前側(cè)桿塔高差、覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與后側(cè)桿塔高差、迎風(fēng)坡、地表起伏度、地表粗糙度這8 個(gè)因子［22］。張露松等人采用大數(shù)據(jù)分析方法提出覆冰微地形相關(guān)因子為高程、坡度、迎風(fēng)坡或背風(fēng)坡、冬季主風(fēng)向與線路走向夾角、線路走向高度差、與水體距離［23］。目前尚未有覆冰微地形界定的明確標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)的覆冰機(jī)理有所差異，因此覆冰微地形的辨識(shí)方法也不同。

本文以湖北地區(qū)為研究對(duì)象，針對(duì)冰區(qū)分布圖難以反映覆冰狀況的微地形區(qū)域，提出覆冰微地形辨識(shí)方法。首先明確山地劃分標(biāo)準(zhǔn)，然后綜合考慮坡向、山脊、臨近水體等地形指標(biāo)，判斷覆冰微地形，并以湖北典型覆冰微地形區(qū)為例驗(yàn)證。本方法對(duì)掌握湖北覆冰微地形分布規(guī)律，全面地考慮微地形對(duì)線路覆冰的影響，指導(dǎo)線路運(yùn)維和在線監(jiān)測(cè)設(shè)備布點(diǎn)均具有較大實(shí)際意義［24-29］。

1 覆冰微地形的定義

一般而言，湖北電網(wǎng)覆冰微地形是指在一個(gè)小范圍內(nèi)，由于地形的不同，氣候具有明顯的立體氣候特征，導(dǎo)致覆冰特別嚴(yán)重。山脈的走向與坡向不同，覆冰都會(huì)有很大的差異，一般迎風(fēng)坡及開闊地區(qū)覆冰重，背風(fēng)坡及閉塞地區(qū)覆冰輕；山體部位不同，電線覆冰也會(huì)有明顯的差異，一般山頂、分水嶺、埡口等地覆冰重，山腳、山腰、山凹等地覆冰較輕；線路靠近江湖水體，水氣充足，覆冰較重，線路遠(yuǎn)離水體，空氣干燥地區(qū)覆冰較輕。

分析研究表明，海拔每上升100 m，氣溫下降0.6 ℃～1.0 ℃，氣溫下降是冬季線路局部覆冰突然增大的主要原因之一［30］。山區(qū)坡地遇到冷空氣團(tuán)時(shí)，分迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡，地形對(duì)覆冰的影響如圖1 所示。冬季在迎風(fēng)坡氣流受到地形影響而出現(xiàn)沿地形爬升運(yùn)動(dòng)，在起始階段，由于海拔較低，氣溫相對(duì)高，空氣處于未飽和狀態(tài)，難以凝結(jié)形成雨或雪，一般氣溫的垂直遞減率約為0.8 ℃～1.0 ℃/100 m；隨著氣流的沿坡爬升和氣溫的逐漸降低，空氣達(dá)到準(zhǔn)飽和狀態(tài)，氣溫的垂直遞減率小于0.6 ℃/100 m，此時(shí)空氣團(tuán)有利于水汽的凝結(jié)，輸電線路覆冰的概率增大；氣流再向上爬升，空氣處于飽和狀態(tài)甚至過(guò)飽和狀態(tài)，非常有利于輸電線路覆冰或覆冰增長(zhǎng)。氣流越過(guò)山頂后，開始在背風(fēng)坡下沉，由于迎風(fēng)坡凝結(jié)降水使空氣中水汽減少，背風(fēng)坡飽和區(qū)和準(zhǔn)飽和區(qū)大幅上移，使得輸電線路背風(fēng)坡覆冰情況遠(yuǎn)沒(méi)有迎風(fēng)坡嚴(yán)重。如果在氣流來(lái)向上有江河湖泊等水體，氣流中豐富的水汽將會(huì)使迎風(fēng)坡覆冰情況更加嚴(yán)重。

圖1 地形對(duì)覆冰的影響Fig.1 Influence of topography on icing

《DL/T 741-2019 架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》中對(duì)微地形區(qū)的定義是大地形區(qū)域中的一個(gè)局部狹小的范圍，微地形區(qū)按分類主要有埡口型、高山分水嶺型、水汽增大型、地形抬升型、峽谷風(fēng)道型等。按上述分析，覆冰微地形主要分布在山地迎風(fēng)坡和山脊，而靠近江湖水體，會(huì)加重線路覆冰。

2 山地的辨識(shí)

《地貌學(xué)辭典》對(duì)山地的定義是：山地為山集合體的統(tǒng)稱，是一種具有一定坡度、較大高差（相對(duì)高差大于200 m），又互相連綿，突出于平原或臺(tái)地之上的正地貌形態(tài)，常由山嶺和山谷組成。不同文獻(xiàn)對(duì)山地與非山地的區(qū)分方法差異較大，目前還沒(méi)有統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn)。

楊斌等提出的按絕對(duì)高程、相對(duì)高程、坡度、地面粗糙度4 類因子分類方法［31］，臨界值分別為500 m、100 m、25°和3.13，海拔1 000 m 以上區(qū)域直接劃為山地，低于1 000 m 的區(qū)域判斷標(biāo)準(zhǔn)為：①當(dāng)絕對(duì)高程、相對(duì)高程均大于等于臨界值時(shí)，直接判定為山地；②當(dāng)絕對(duì)高程、相對(duì)高程只有一個(gè)大于等于臨界值時(shí)，坡度、地面粗糙度應(yīng)至少1 個(gè)大于等于臨界值；③當(dāng)絕對(duì)高程、相對(duì)高程均小于臨界值時(shí)，坡度、地面粗糙度應(yīng)均大于等于臨界值。按上述判據(jù)辨識(shí)湖北境內(nèi)山地，存在大量符合判據(jù)①的區(qū)域，少量符合判據(jù)②的區(qū)域，沒(méi)有符合判據(jù)③的區(qū)域。

張偉等提出的山地界定標(biāo)準(zhǔn)為［32］：1）海拔大于2 500 m 區(qū)域；2）海拔500 m-2 500 m 之間，相對(duì)高程大于100 m 或坡度大于25°的區(qū)域；3）海拔低于500 m，相對(duì)高程大于50 m的區(qū)域。

在比較前述2類方法基礎(chǔ)上，針對(duì)湖北地形特征，經(jīng)反復(fù)選擇相關(guān)氣象因子及閾值，確定用于湖北覆冰微地形辨識(shí)的山地界定標(biāo)準(zhǔn)為：1）海拔大于等于2 000 m區(qū)域；2）海拔小于2 000 m，相對(duì)高程大于等于200 m 且坡度大于等于4°的區(qū)域。其中相對(duì)高程取2 000 m 范圍內(nèi)最大海拔差，湖北地區(qū)山地分布如圖2所示，圖中山地占比為51.91%，面積為9.65萬(wàn)km2。本方法山地分類結(jié)果涵蓋了鄂西山區(qū)、北部大洪山和桐柏山、東部大別山、東南部幕阜山等區(qū)域，符合人們對(duì)山地的認(rèn)知。與前述兩方法相比，采用相對(duì)高程和坡度大幅減少了數(shù)據(jù)處理難度。

圖2 湖北地區(qū)山地分布圖Fig.2 Mountain land distribution map of Hubei Province

3 覆冰微地形辨識(shí)

輸電線路覆冰增長(zhǎng)理論模型見(jiàn)式（1）：

式（1）中，M為單位長(zhǎng)度的冰重，α1為碰撞效率，α2為粘性率，α3為凍結(jié)率，ω為單位體積液態(tài)水含量，A為積冰體的橫截面面積，v為風(fēng)向垂直于積冰物體的風(fēng)速。

從宏觀氣象要素來(lái)分析，溫度、濕度和風(fēng)速是影響覆冰的主要?dú)庀笠蛩?，而水體、迎/背風(fēng)坡、山脊等地形會(huì)影響上述氣象因素。

3.1 水體影響

在同一輪輸電線路覆冰時(shí)段內(nèi)，普查典型水體周邊不同距離的覆冰厚度，發(fā)現(xiàn)并非水體越近覆冰越厚，通過(guò)水體蒸散量數(shù)值模擬計(jì)算，水體影響范圍約為5 km，空氣濕度增加最大值出現(xiàn)在2 km-2.5 km 的距離，如表1所示。

表1 水體附近空氣濕度相對(duì)比值Table 1 Relative ratio of air humidity near water body

因此，附近5 km范圍內(nèi)存在水體作為覆冰微地形判據(jù)之一。湖北地區(qū)水系分布如圖3所示，可通過(guò)地理分析軟件確定某一格點(diǎn)5 km范圍內(nèi)是否存在水體。

圖3 湖北地區(qū)水系分布圖Fig.3 Water system distribution map of Hubei Province

3.2 迎風(fēng)坡影響

對(duì)于迎風(fēng)坡或背風(fēng)坡的提取主要計(jì)算坡向與冬季主導(dǎo)風(fēng)向的夾角θ，當(dāng)0°θ＜90°時(shí)表明處于迎風(fēng)坡。

3.3 山脊影響

利用水文分析提取山脊線，山脊線相當(dāng)于分水線，即水流的起源點(diǎn)，這些柵格的水流方向只存在流出方向而不存在流入方向，所以匯流累積量為零。通過(guò)對(duì)零值的提取就可以得到山脊線。

基于湖北數(shù)字高程數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行填洼，再采用水文分析求出流向流量，提取出匯流累積量為零的值與正地形求交，即得到山脊線，如圖4所示。

3.4 線路走向影響

風(fēng)向與線路走向垂直時(shí)，冷空氣中大量的水汽能夠在線路上凝結(jié)形成覆冰；風(fēng)向與線路走向平行時(shí)，線路覆冰情況會(huì)減弱很多。但是，實(shí)際中也存在一些平行走向線路覆冰相較于鄰近線路覆冰嚴(yán)重的情況，因此以冬季主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向夾角大于30°為覆冰微地形判據(jù)是非必須的，是輔助判據(jù)。

綜上分析，湖北地區(qū)輸電線路桿塔是否位于覆冰微地形的判斷標(biāo)準(zhǔn)是：

1）桿塔位于山地；

2）桿塔附近5 km范圍內(nèi)存在水體；

3）桿塔位于迎風(fēng)坡或山脊；

4）桿塔處線路走向與主導(dǎo)風(fēng)向夾角大于30°（非必須，輔助判據(jù)）。

4 覆冰微地形辨識(shí)案例

某500 kV架空輸電線路位于山區(qū)，現(xiàn)分析該線路290 號(hào)-310 號(hào)段所經(jīng)區(qū)域是否存在覆冰微地形，該段線路衛(wèi)星影像圖如圖5所示，數(shù)字高程如圖6所示。該線路段的地形數(shù)據(jù)如表2 所示，其中受峽谷回流型地形影響，冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)。

圖5 線路衛(wèi)星影像圖Fig.5 Satellite image of transmission line

圖6 線路數(shù)字高程圖Fig.6 Digital elevation map of transmission line

按微地形判據(jù)分析，290 號(hào)-310 號(hào)段位于山地；海拔高度和坡度數(shù)據(jù)說(shuō)明290號(hào)-299號(hào)和303號(hào)-310號(hào)分別為線路上坡、下坡段；坡向數(shù)據(jù)說(shuō)明290號(hào)-299號(hào)段位于迎風(fēng)坡，其中296 號(hào)-298 號(hào)與主導(dǎo)風(fēng)向夾角小，且位于迎風(fēng)坡上部；290號(hào)-299號(hào)全段周圍5 km范圍內(nèi)均有水體；從線路走向來(lái)看，290號(hào)-310號(hào)段呈較明顯的西北-東南走向，與冬季主導(dǎo)風(fēng)向大體呈45°夾角。因此，該線路296 號(hào)-302 號(hào)位于典型的覆冰微氣象區(qū)，其中296 號(hào)-298 號(hào)段覆冰嚴(yán)重。經(jīng)與巡線人員交流和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，反映迎風(fēng)坡山腳下接近水體位置的桿塔覆冰不嚴(yán)重，接近頂部以及頂部桿塔覆冰明顯增加，最重的覆冰區(qū)段在296號(hào)-298號(hào)段。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)冰區(qū)分布圖難以反映覆冰狀況的微地形區(qū)域的問(wèn)題，提出了覆冰微地形辨識(shí)方法。首先明確山地劃分標(biāo)準(zhǔn)，然后綜合考慮坡向、山脊、臨近水體、線路走向、覆冰主導(dǎo)風(fēng)向等指標(biāo)，給出了湖北地區(qū)覆冰微地形判斷標(biāo)準(zhǔn)，并以典型覆冰微地形區(qū)為例驗(yàn)證。

準(zhǔn)確判斷覆冰微地形是比較困難的，一方面判據(jù)之間相互影響，如局部的覆冰主導(dǎo)風(fēng)向受地形影響等，另一方面難以提出量化指標(biāo)，如相對(duì)高程、水體距離等的準(zhǔn)確值。因此，本文方法辨識(shí)得到的覆冰微地形，還應(yīng)具體點(diǎn)位具體分析，現(xiàn)場(chǎng)勘察后最終確定，下一步將在量化覆冰微地形判據(jù)指標(biāo)上開展深入研究。