數(shù)字孿生技術(shù)在變電站防汛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

胡志鋒，曹朋輝，張 波，陶 昆，霍 天，戴瑞成

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司，北京 100073)

0 引言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用,防汛問(wèn)題日益突出,開(kāi)展防汛評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理尤為重要[1]。隨著空間信息技術(shù)的成熟,采用仿真程序分析汛情影響的方式被廣泛應(yīng)用,例如王浩等綜合運(yùn)用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù),在Unity3D搭建三維場(chǎng)景模型,運(yùn)用廣度搜索算法模擬洪水運(yùn)動(dòng)過(guò)程[2]； 俞宏群等基于傾斜攝影和激光掃描的水電站,提供了一種防洪度汛信息監(jiān)管方法[3]。

但當(dāng)前的防汛風(fēng)險(xiǎn)分析尺度過(guò)大,分析結(jié)果對(duì)具體地點(diǎn)的防汛措施指導(dǎo)意義不足,且針對(duì)城市廣泛存在的、承擔(dān)民生重要供電任務(wù)的變電站,其防汛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的盲區(qū)較大。因此,有必要選取某個(gè)特定地點(diǎn),采用基于空間信息測(cè)繪的數(shù)字孿生技術(shù),開(kāi)展防汛風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并給出關(guān)于防范措施的具體建議。

1 分析對(duì)象基本情況

選擇的分析對(duì)象為北京某110 kV/10 kV兩電壓等級(jí)地區(qū)負(fù)荷變電站,占地面積1911 m2。地面一層設(shè)警衛(wèi)生活用房、樓梯間、通風(fēng)井和吊裝口。地下有三層,設(shè)備安裝于地下一層和地下二層,地下三層為電纜夾層。該變電站建設(shè)年代較早,站區(qū)附近后開(kāi)發(fā)建設(shè)的商業(yè)樓宇和住宅小區(qū)地面高程較高,造成變電站地勢(shì)相對(duì)低洼,遇強(qiáng)降雨天氣則可能存在積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)創(chuàng)新應(yīng)用基于空間信息測(cè)繪的數(shù)字孿生技術(shù),同時(shí)采用徠卡RTC360對(duì)該變電站地面及附近地形進(jìn)行測(cè)繪,建立絕對(duì)坐標(biāo)體系下的3D數(shù)字模型,并使用Cyclone3DR仿真軟件開(kāi)展防汛分析和相關(guān)計(jì)算。變電站地面3D點(diǎn)云模型示意如圖1所示。

圖1 變電站地面3D點(diǎn)云模型示意

2 防汛評(píng)估基本思路

通過(guò)靜態(tài)高程分析和動(dòng)態(tài)積水分析,并參考北京7·21、鄭州7·20等歷史降雨量數(shù)據(jù),進(jìn)行軟件模擬,計(jì)算出變電站周邊各處水深,進(jìn)而評(píng)估防汛措施的有效性。

2.1 靜態(tài)高程分析

在變電站3D模型中,測(cè)量地面一層所有門(mén)、窗、通風(fēng)口下沿的絕對(duì)高程,并與站區(qū)附近地形最高處的高程進(jìn)行比較,確定變電站地勢(shì)相對(duì)低洼點(diǎn)。選取的測(cè)量點(diǎn)如圖2所示。

圖2 選取的測(cè)量點(diǎn)示意

經(jīng)分析得出,警衛(wèi)室西側(cè)的門(mén)D1最低點(diǎn)高程為26.25 m,東南角樓梯出入口西側(cè)門(mén)D2的最低點(diǎn)高程為26.27 m,警衛(wèi)室北側(cè)窗戶W1的最低點(diǎn)高程為27.45 m,警衛(wèi)室東側(cè)窗戶W2的最低點(diǎn)高程為27.83 m,東南角樓梯出口的南北兩側(cè)窗戶W3的最低點(diǎn)高程為27.19 m,警衛(wèi)室東側(cè)通風(fēng)口百葉窗V1的最低點(diǎn)高程為26.75 m,出風(fēng)長(zhǎng)廊北部東側(cè)百葉窗V2的最低點(diǎn)高程為26.65 m,出風(fēng)長(zhǎng)廊南部西側(cè)百葉窗V3的最低點(diǎn)高程為26.75 m,主變吊裝口東西兩側(cè)百葉窗V4的最低點(diǎn)高程為26.79 m。

另外,考慮變電站周邊商業(yè)街地面呈現(xiàn)西低東高的地勢(shì),最低點(diǎn)位于西南角,高程約26.4 m；最高點(diǎn)位于東北角,高程約26.75 m。

匯總上述數(shù)據(jù),得到靜態(tài)高程數(shù)據(jù)分析(與附近地面最低點(diǎn)相對(duì)高差),結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)高程數(shù)據(jù)分析

綜合以上數(shù)據(jù),得出該變電站警V1、V2、V3、V4位置較低,與變電站附近地面最低點(diǎn)的高差不足0.5 m,存在積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 動(dòng)態(tài)積水分析

城市暴雨形成內(nèi)澇是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,精確的模擬計(jì)算非常困難。為了突出主要矛盾,保證分析結(jié)果的有效性,在動(dòng)態(tài)積水分析時(shí)假定以下條件：降雨在匯水面積上均勻分布、降雨強(qiáng)度在計(jì)算時(shí)間段內(nèi)均勻分布、不考慮洪水蒸發(fā)、變電站站區(qū)接收的雨水全部轉(zhuǎn)化為徑流。因變電站東側(cè)某小區(qū)整體地勢(shì)高出變電站約2 m,假定小區(qū)雨水形成的徑流有1/4匯入變電站周?chē)?其徑流系數(shù)參照DB11/T 969—2016《城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)暴雨徑流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》),取典型值上限。

分析2021年鄭州7·20特大暴雨中鄭州氣象站的小時(shí)降雨量,其短時(shí)強(qiáng)降雨特征最為明顯(見(jiàn)圖3)。20日16時(shí)至18時(shí)期間累計(jì)降雨量為310 mm,其中17時(shí)至18時(shí)一個(gè)小時(shí)內(nèi)降雨量就高達(dá)201.9 mm。

圖3 鄭州7·20特大暴雨鄭州氣象站的小時(shí)降雨量

分析2012年北京7·21特大暴雨小時(shí)降雨量數(shù)據(jù),也呈現(xiàn)出短時(shí)強(qiáng)降雨特征。門(mén)頭溝氣象站記錄顯示13時(shí)雨量達(dá)54.7 mm/h,隨后減弱,3 h后強(qiáng)度又提升至51.2 mm/h,小時(shí)降雨量超過(guò)50 mm/h的時(shí)間累計(jì)為3 h。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》提供的北京朝陽(yáng)地區(qū)50年、100年重現(xiàn)期暴雨雨量分配過(guò)程(見(jiàn)圖4),可以看出該地區(qū)仍然具備短時(shí)集中強(qiáng)降雨特征,尤以17時(shí)至18時(shí)期間雨量大且集中。

圖4 朝陽(yáng)地區(qū)50年、100年重現(xiàn)期暴雨雨量分配

根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》,北京朝陽(yáng)地區(qū)的雨水管道1 h最大排水能力為54.3 mm/h。因此,短時(shí)強(qiáng)降雨形成的積水遠(yuǎn)超管網(wǎng)排水能力,當(dāng)降雨強(qiáng)度減弱后,管網(wǎng)排水速度超過(guò)雨水匯集速度,積水深度將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

鄭州7·20特大暴雨過(guò)程中,鄭州氣象站記錄顯示16時(shí)至18時(shí)期間小時(shí)降雨量顯著超過(guò)管網(wǎng)排水能力,累計(jì)達(dá)310 mm,占整個(gè)過(guò)程降雨總量的50 %；北京7·21特大暴雨過(guò)程中,門(mén)頭溝氣象站13時(shí)、18時(shí)、19時(shí)降雨量超過(guò)管網(wǎng)排水能力,累計(jì)達(dá)150 mm,占整個(gè)過(guò)程降雨總量的33 %。

因降水集中,忽略管網(wǎng)排水因素,將這兩場(chǎng)暴雨的3 h降雨量以及《標(biāo)準(zhǔn)》提供的北京朝陽(yáng)地區(qū)50年、100重現(xiàn)期暴雨2 h集中降雨量數(shù)據(jù),套用至該變電站進(jìn)行積水深度計(jì)算,可以檢驗(yàn)該變電站防汛設(shè)施應(yīng)對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降雨的有效性。

運(yùn)用等體積水庫(kù)法,通過(guò)軟件模擬計(jì)算,得出不同積水高程下,變電站周?chē)姆e水體積,再按匯水面積換算為降雨量,可得到仿真效果。

假設(shè)變電站站區(qū)面積為A1,變電站東側(cè)小區(qū)面積為A2,小區(qū)雨水徑流系數(shù)為β,變電站匯水體積為V,等效累積降雨量為p,按照公式p=V/A1+0.25βA2,代入以上數(shù)據(jù),得出仿真計(jì)算結(jié)果,如圖5所示。

圖5 不同降雨量下變電站周?chē)姆e水高程對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 防汛風(fēng)險(xiǎn)分析

1) 按照北京地區(qū)50年一遇暴雨最大短時(shí)雨量校驗(yàn)(2 h累計(jì)降雨量136 mm),積水計(jì)算高程為26.85 m,該變電站V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。

2) 按照北京7·21最大短時(shí)雨量校驗(yàn)(3 h累計(jì)降雨量150 mm),積水計(jì)算高程為26.89 m,該變電站V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。

3) 按照北京地區(qū)100年一遇暴雨最大短時(shí)雨量校驗(yàn)(3 h累計(jì)降雨量185 mm),積水計(jì)算高程為26.98 m,該變電站V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。

4) 按照鄭州7·20最大短時(shí)降雨量校驗(yàn)(3 h累計(jì)降雨量310 mm),積水計(jì)算高程為27.33 m,該變電站D1、D2、W3、V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1) D1和D2目前安裝的0.8 m高防洪擋板不能抵御鄭州7·20級(jí)別暴雨,建議再增加1塊高度為0.4 m的防洪擋板,將總高度增加至1.2 m,無(wú)降雨時(shí)可拆下加裝擋板以便于人員進(jìn)出。

2) V1、V2、V3、V4不能抵御50年一遇、100年一遇、北京7·21和鄭州7·20級(jí)別暴雨。建議加裝2塊防洪擋板(每塊高度為0.4 m）,則最高可抵御鄭州7·20級(jí)別暴雨。無(wú)降雨時(shí)擋板可拆下以利于通風(fēng)散熱。

3) W3目前高度不能抵御鄭州7·20級(jí)別暴雨,建議加裝1塊高度為0.4 m的防洪擋板。