基于湖北輸電線路災情的山火分布特征分析

葉麗梅 ，黃俊杰 ，高正旭 ，萬君 ，張麗文

（1.武漢區(qū)域氣候中心,湖北 武漢 430000；2.三峽國家氣候觀象臺,湖北 宜昌 443000；3.中國氣象局流域強降水重點開放實驗室,湖北 武漢 430000；4.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院,湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，湖北電網(wǎng)輸電線路多次發(fā)生因山火導致的線路停運、降壓運行、跳閘，山火已成為威脅架空輸電線路安全運行的重要因素，是電網(wǎng)的主要災害之一[1]。山火是一種發(fā)生原因復雜的災害，涉及火險天氣、可燃物、火源等多個方面，在山火高發(fā)期，電網(wǎng)運維單位需投入大量的人力、物力開展線路巡視、重點區(qū)段蹲守和山火現(xiàn)場監(jiān)控等工作[2]。因此，有必要開展針對輸電線路的山火災害特征及預警評估相關研究。

近年來，國內(nèi)外學者在森林火險氣象條件[3-4]、線路山火跳閘機理[5-7]、線路山火監(jiān)測[8-10]和山火預警區(qū)劃[11-13]取得了不少成果[14]。郭海峰等[3]利用變異系數(shù)法對降雨量、風速、氣溫、相對最小濕度分段并加權(quán)打分，建立了森林火險天氣指數(shù)模型。黎鵬等[5]通過模擬實驗使用均勻升壓法和升壓、耐受結(jié)合法2 種方式，發(fā)現(xiàn)擊穿電壓隨時間呈U 形曲線分布。梁允等[7]利用極軌衛(wèi)星監(jiān)測的山火信息與電網(wǎng)地理信息相結(jié)合，建立輸電線路防山火監(jiān)測系統(tǒng)。國外廣泛運用的火險氣象預報模型包括加拿大森林火險指數(shù)系統(tǒng)[15]（FWI）、國家火險等級系統(tǒng)（NFDRS）[16]、澳大利亞火險等級系統(tǒng)（GFDM）[17]。

湖北的輸電線路在山火預警系統(tǒng)[1]、輸電線路跳閘機理[7]、山火特點等方面取得一些研究成果[18-20]。阮羚等[18]給出山火引起輸電線路跳閘機理，及輸電線路防山火的預防措施；王勝等[1]提出山火風險等級的改進LEC 法，采用綜合氣象干旱指數(shù)修正山火風險值，實現(xiàn)了動態(tài)山火風險分布圖的繪制。羅洋[6]基于湖北地區(qū)山火跳閘案例的具體特點，對山火引起線路跳閘的機理及原因進行分析，設計了一套山火預警系統(tǒng)。

綜上所述，現(xiàn)有研究雖然在湖北輸電線路山火的監(jiān)測、跳閘機理等方面有一些成果，但輸電線路的山火風險預報預警研究仍處于起步階段，構(gòu)建風險預警模型的影響要素特征研究仍存在不足。因此，本文基于湖北輸電線路歷史山火災情資料，利用數(shù)理統(tǒng)計、氣候統(tǒng)計和ArcGIS 空間分析等方法，通過對山火時空分布及山火與氣象、下墊面、社會人文等影響因子關系進行特征分析，以便揭示該地區(qū)輸電線路山火發(fā)生規(guī)律，為研究湖北輸電線路山火風險區(qū)劃及預警提供基礎支撐。

1 資料來源、處理與研究方法

1.1 資料來源與處理

本文使用的資料包括：（1）2016 年8 月1 日至2021 年1 月12 日湖北省輸電線路319 個實際發(fā)生的山火點經(jīng)緯度、發(fā)生時間、發(fā)生地點等信息，資料來源于國網(wǎng)湖北省電力科學研究院；（2）76 個國家氣象站建站至2021 年氣溫、降水、風速、相對濕度的歷史日資料，資料來源于湖北省氣象局；（3）湖北省2017 年30 m 土地覆蓋分類，資料來源于清華大學（https://data-starcloud.pcl.ac.cn/zh）；（4）湖北省90 m數(shù)字高程模型（DEM），資料來源于美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）高程數(shù)據(jù)（https://www.gscloud.cn/#page2）。此外，基于DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件三維空間分析功能提取了湖北省坡度和坡向數(shù)據(jù)；（5）湖北省1∶100 萬道路數(shù)據(jù)，資料從全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)下載獲?。╤ttps://www.gscloud.cn/）；（6）湖北省2015 年1 km人口密度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心下載獲?。╤ttps://www.resdc.cn/）。

本著盡可能保留更多能用于山火各類特征的樣本數(shù)原則，整理篩查歷史山火災情資料，整理結(jié)果如表1 所示。從表中知，剔除2016 年、2021 年及年份不明確的11 個山火點，使用2017～2020 年294 個山火點進行年際變化特征分析；剔除2016 年、2021 年、年份及月份不明確的33 個火點，采用272個山火點進行月、季分布特征分析；剔除經(jīng)緯度信息有誤的3 個火點，采用其余的316 個火點進行地域分布、下墊面、社會人文等特征分析。

表1 湖北輸電線路山火災情數(shù)據(jù)說明Tab.1 Description of mountain fire disaster data on Hubei transmission lines

1.2 研究方法

本文以湖北省輸電線路通道實際發(fā)生的歷史山火災情為研究對象，運用數(shù)理統(tǒng)計、氣候統(tǒng)計和ArcGIS 空間分析法，按時間、地域、下墊面、氣象、社會人文等特征因子分組統(tǒng)計山火點數(shù)量，繪制各類特征分布圖。氣象因子特征分析中降水、氣溫、風速、相對濕度等要素的距平值采用1981～2010 年作為基準期。

1）降水距平百分率

某時段降水量距平百分率（Pa）按式（1）和式（2）計算：

式中：

P ——某時段降水量（mm）；

n ——30 a；

i ——1，2，···，n，表示時間尺度，如天、月等。

2）相對濕度距平

某時段相對濕度距平（Ra）按式（3）和式（4）計算：

式中：

R ——某時段相對濕度（%）；

3）風速距平

某時段風速距平（Fa）按式（5）和式（6）計算：

式中：

F ——某時段平均風速（m/s）；

F ——計算時段同期氣候平均風速（m/s）。

4）氣溫距平

某時段氣溫距平（Ta）按式（7）和（8）計算：

式中：

T ——某時段平均溫度（℃）；

2 結(jié)果與分析

2.1 時空分布特征

2.1.1 年際變化特征

圖1 給出了2017～2020 年湖北輸電線路山火年際變化分布，由圖可見，近幾年湖北平均每年監(jiān)測到73.5 個火點，其中2019 年的火點最多，達152 個，占總數(shù)的51.70%，明顯高于其他年份，次多年份出現(xiàn)在2017 年，監(jiān)測到63 個火點，最少年份發(fā)生于2020年，為36 個火點。

圖1 2017～2020 年湖北輸電線路山火年際變化分布Fig.1 Inter-annual variation distribution of mountain fires related to transmission lines in Hubei from 2017 to 2020

2.1.2 季分布特征

表2 給出了2017～2020 年4 個季節(jié)湖北輸電線路山火的發(fā)生次數(shù)，從表可知，火點主要發(fā)生在秋、冬季，分別為106 個、107 個山火，分別占總數(shù)的38.97%、39.34%，其次是春季，監(jiān)測到55 個山火，占20.22%，夏季是山火的低發(fā)期，僅發(fā)生4 個山火。秋冬季是山火的多發(fā)季節(jié)，主要是因為湖北秋冬季氣候干燥、空氣濕度低，堆積的干草和枯枝較多，再加上春節(jié)、清明祭祖焚燒香紙，燃放煙花鞭炮等人類活動頻繁，極易引起野外火災。湖北夏季雨水量大、雨日數(shù)多，植被含水量高，地表相對濕潤，不易發(fā)生山火。

表2 2017～2020 年湖北輸電線路山火季節(jié)統(tǒng)計Tab.2 Statistics of mountain fires related to transmission lines in Hubei by season from 2017 to 2020

2.1.3 月分布特征

圖2 給出了2017～2020 年湖北輸電線路山火月變化分布，從圖可知，湖北山火數(shù)量隨月份的變化趨勢總體呈倒拋物線型分布。山火的發(fā)生呈現(xiàn)季節(jié)性規(guī)律，1～4 月、9～10 月、12 月是山火點高發(fā)月份，其中2 月和9 月最多，均發(fā)生66 個，其次是10 月，共發(fā)生39 個，6～8 月、11 月是山火發(fā)生最少的月份。

圖2 2017～2020 年湖北輸電線路山火月變化分布Fig.2 Monthly variation distribution of mountain fires related to transmission lines in Hubei from 2017 to 2020

2.1.4 地域分布特征

圖3 給出了湖北輸電線路歷史山火的地域分布，從圖可知，火點主要分布于鄂東地區(qū)，其次是宜昌以及荊門地區(qū)。表3 給出了湖北輸電線路歷史山火在各縣市的發(fā)生數(shù)量，由表可知，陽新縣、江夏區(qū)是湖北發(fā)生山火數(shù)最多的縣，共出現(xiàn)過93 個，合計占總數(shù)的29.43%，其次是大冶市、咸安區(qū)、通山縣，分別有38、29、24 個火點。

圖3 湖北輸電線路歷史山火地域分布Fig.3 Regional distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines

表3 湖北輸電線路歷史山火在各縣市的統(tǒng)計值（火點數(shù)≥5）Tab.3 Statistical value of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in counties and cities(number of fires ≥ 5)

2.2 山火與氣象的關系特征

由于發(fā)生時間和區(qū)域較分散的山火點在氣象條件上較離散，這部分火點受人為因素較大，為了尋找山火與氣象因子的關系，挑選發(fā)生時間具有連續(xù)性，且期間發(fā)生山火數(shù)量多的一段時期的山火群作為研究對象。在此，統(tǒng)計湖北輸電線路2017～2021 年各月發(fā)生的山火數(shù)量，選取發(fā)生日期具有連續(xù)性的月山火個數(shù)最多的前5 個月作為分析對象，即確定了2017 年2 月（19 個）、2017 年3 月（17 個）、2019 年9 月（66個）、2019年10月（35個）和2020年2月（32個）5 個山火群來分析山火與氣象的關系特征。

表4 給出了2017～2020 年5 個山火群的前1 個月的月降水距平百分率、月平均氣溫距平、月平均相對濕度距平及月平均風速距平，從表中可見，僅2020 年2月山火期的前1個月的月降水距平偏多50%～70%，有4 個山火集中爆發(fā)前1 個月的月降水距平偏少、氣溫偏高、相對濕度偏小、風速偏大。2019 年9 月中下旬發(fā)生山火數(shù)量最大，并且持續(xù)到10 月上旬，其發(fā)生時段前1 個月的降水距平偏少80%～100%，氣溫偏高1.5～3 ℃，相對濕度偏小10%～23%，風速偏大0.1～0.9 m/s。2020 年2 月火點主要分布于鄂東南，前期降水雖然偏多，但由于村民燒荒人類活動也會導致山火多發(fā)。整體來看，山火的集中爆發(fā)與前期氣候背景密切相關，即前期降水偏少、氣溫偏高、濕度偏干、風速偏大，有利于山火多發(fā)，表明前期氣候異常值對山火預警模型指標選取具有一定的指示意義。

表4 2017～2020 年湖北輸電線路山火群前1 個月的氣候異常值Tab.4 Abnormal climatic value in the month before the occurrence of mountain fires related to Hubei transmission lines from 2017 to 2020

2.3 山火與下墊面關系特征

2.3.1 土地利用類型

利用ArcGIS 工具，將湖北輸電線路316 個歷史山火的地理信息與土地利用類型數(shù)據(jù)進行空間疊加分析，統(tǒng)計各類型的火點數(shù)。圖4 給出了湖北輸電線路歷史山火在各土地利用類型的數(shù)量分布，由圖可知，發(fā)生在耕地區(qū)域的山火數(shù)最多，達159 個，約占總數(shù)的50.32%；其次是林地，發(fā)生山火108 個，約占34.18%；草地發(fā)生21 個，約占6.65%；城鄉(xiāng)、工礦、居民用地區(qū)域發(fā)生火點的次數(shù)為28，約占8.86%。

圖4 湖北輸電線路歷史火點在各土地利用類型的數(shù)量分布Fig.4 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different types of land

2.3.2 地形

1）海拔高度

將湖北輸電線路歷史山火地理信息與DEM 數(shù)據(jù)進行空間疊加，提取山火的海拔高度值。圖5 給出了湖北輸電線路歷史山火在不同海拔段的數(shù)量值，由圖可知，50 m 以下的低海拔是山火的易發(fā)區(qū)域，發(fā)生山火133 個，占總數(shù)的42.09%。其次海拔高度50～100 m 的區(qū)域，發(fā)生的山火117 個，占37.03%。海拔高度150～500 m 的山火數(shù)有59 個，500～900 m僅發(fā)生7 個山火，900 m 以上未發(fā)生山火。整體來看，湖北低海拔地形是山火的高發(fā)區(qū)域，山火數(shù)隨著海拔的增加而減少。

圖5 湖北輸電線路歷史火點在不同海拔高度段的數(shù)量分布Fig.5 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines at different altitudes

2）坡向

將湖北輸電線路歷史山火地理信息坡向數(shù)據(jù)進行空間疊加，提取山火的坡向值，按照坡向分類標準[19]，對山火點坡向值進行統(tǒng)計分析。表5 給出了湖北輸電線路歷史山火在各類坡向的數(shù)量分布和占比，從表可知，東南坡、南坡和西南坡的山火數(shù)量最多，均有50 多個，其中東南坡火點最多，占了總數(shù)的18.04%，其次是南坡，占總數(shù)的17.09%，西南坡占16.14%，這是因為東南坡、西南坡和南坡接受的輻射多，空氣濕度低，所以可燃物含水量低，更容易發(fā)生火災；北坡、東北坡、西北坡的山火數(shù)量均少于30 個，占比均小于10%，這是因為北坡受太陽輻射少，空氣濕度和森林可燃物含水量高，較其它坡向不易發(fā)生火災。另外，對陽坡和陰坡2 大類進行了統(tǒng)計，得到山火在陽坡、陰坡的山火數(shù)分別為243 個、71 個，占比分別為76.90%、22.47%。

表5 湖北輸電線路歷史山火點在各類坡向的數(shù)量分布和占比Tab.5 Quantity distribution and proportion of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different slope directions

3）坡度

將湖北輸電線路歷史山火地理信息與坡度數(shù)據(jù)進行空間疊加，統(tǒng)計歷史山火的坡度值。圖6 給出了湖北輸電線路歷史山火在不同坡度段的數(shù)量值，從圖中可見，山火數(shù)量總體呈現(xiàn)隨坡度升高而減少的趨勢，1°～2°區(qū)間的坡度是山火點的易發(fā)區(qū)域，共發(fā)生88 個，坡度小于0.5°和大于42°區(qū)域為低發(fā)區(qū)域。坡度小于0.5°的區(qū)域主要位于湖北的江漢平原，該區(qū)域以大面積的農(nóng)田為主，地勢平坦，發(fā)生山火的可能性較小。大于42°區(qū)域，坡度較陡，人類活動少，火災風險小。整體來看，山火主要分布在坡度6°以下區(qū)域，共發(fā)生山火236 個，占總數(shù)的74.68%，在坡度大于6°區(qū)域火點分布較零散，共發(fā)生80 個。

圖6 湖北輸電線路歷史山火點在不同坡度段的數(shù)量分布Fig.6 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different slope sections

2.4 山火與社會人文關系特征

2.4.1 山火與道路緩沖區(qū)

將湖北省輸電線路歷史山火點與道路數(shù)據(jù)進行疊加，利用ArcGIS 近鄰分析工具計算火點到道路的最近距離，統(tǒng)計不同道路緩沖區(qū)內(nèi)火點的個數(shù)。圖7給出了湖北輸電線路歷史山火點在不同道路緩沖區(qū)的數(shù)量分布，從圖中可知，山火點主要分布在距離道路1.6 km 以內(nèi)的范圍，在距離道路超過1.6 km 的山火數(shù)量急劇減少，其中在距離道路800 m 以內(nèi)范圍的山火點共165 個，占總數(shù)的52.22%。0.4 km 以內(nèi)的山火數(shù)不及0.4～0.8 km 的火點數(shù)，這與電力輸電線路與道路的規(guī)范距離要求有關（GB 50 545－2010）?？傮w來說距離道路越近，發(fā)生山火的風險越高。

圖7 湖北輸電線路歷史山火點在不同道路緩沖區(qū)的數(shù)量分布Fig.7 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different road buffer zones

2.4.2 山火與人口密度

將湖北輸電線路歷史山火地理信息與人口密度數(shù)據(jù)進行空間疊加，統(tǒng)計歷史山火的人口密度值。圖8 給出了湖北輸電線路歷史山火點在不同人口密度區(qū)間的山火點數(shù)量分布，可看到山火點主要位于城市圈的周邊地區(qū)、人口密度在100～600 人/km2的區(qū)域，其中200～500 人/km2人口密度區(qū)間的山火點數(shù)最多，600 人/km2以上的山火點數(shù)呈急劇下降趨勢。人口密度最大的區(qū)域的山火數(shù)量反而較少，主要是因為這些區(qū)域是城市中心地區(qū)，可燃物數(shù)量比較少。

3 結(jié)論

本文基于湖北輸電線路歷史山火災情，對山火時空分布及山火與氣象、下墊面、人文社會等要素關系特征進行分析，主要結(jié)論如下：

1）通過山火的時空特征分析，表明2019 年是近幾年山火多發(fā)年份，秋冬季，尤其2 月和9 月是山火多發(fā)期；火點主要分布于鄂東地區(qū)，其次是宜昌以及荊門地區(qū)。

2）通過山火與氣象關系特征分析，表明山火集中多發(fā)期的前1 個月表現(xiàn)為降水偏少、氣溫偏高、濕度偏小，風速偏大等特點。

3）通過山火與下墊面關系特征分析，表明50%的山火發(fā)生在耕地，34.18% 發(fā)生在林地；山火主要分布于向陽坡、低海拔、低坡度區(qū)域特征明顯。

4）通過山火與人文社會關系特征分析，表明山火主要分布于城市圈周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)，尤其在1.6 km道路緩沖區(qū)是多發(fā)地段。

本文綜合分析了山火與氣象、下墊面、社會人文等關系特征，可為湖北輸電線路山火風險區(qū)劃及預警模型指標閾值選取提供支撐。由于災情資料收集具有困難性和不完備性，燃物含水率、節(jié)假日活動等因子需進一步探討，在后續(xù)的研究中將繼續(xù)收集更多的山火災情及利用歷史遙感衛(wèi)星監(jiān)測火點對特征值進行完善及綜合預警模型構(gòu)建。

項目簡介：隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件增多，我國森林火災發(fā)生頻次和造成的損失都呈上升趨勢。針對林火驅(qū)動因子復雜多樣性，為了更能客觀評估、提高預報模型精度，選取了除氣象因子外，還考慮了地形、可燃物、社會人文活動等因子作為模型驅(qū)動因子，構(gòu)建湖北森林火險綜合預報模型。

項目名稱近20 a 湖北省林火的多特征提取及預估模型研究

承擔單位武漢區(qū)域氣候中心

項目概述項目主要開展近20 a 湖北省林火的多特征提取及湖北省林火風險預估模型研究，在分析林火時空分布特征、林火與氣象、植被、地形、人類活動等多因子的關系特征基礎上，選取最優(yōu)火險影響因子指標，構(gòu)建適合湖北省不同區(qū)域的林火風險預估模型。

主要創(chuàng)新點實現(xiàn)林火的多維度、多因子提取，多特征描述。鑒于可燃物含水率、人為火源直接影響林火發(fā)生的難易程度，在植被類型的信息提取基礎上，增加植被覆蓋度、植被含水率的特征提取。