李清華，孟 潔，李勁松，劉月麗 ，常 清，姜 敏，郭 棟

(1.山西省氣象服務(wù)中心，山西 太原 030002；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；3.山西省氣候中心，山西 太原 030006)

引 言

山西電網(wǎng)作為我國“西電東送”的北通道之一，在優(yōu)化配置全國電力能源進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，220 kV及以上輸電線路已超26 000 km。然而，山西省山地丘陵眾多(面積約占80.1%)，高壓輸電線路跨越山區(qū)時(shí)會(huì)受到氣候垂直分布條件的影響，運(yùn)行條件異常惡劣，山區(qū)電線覆冰一直是危害高壓輸電線路安全運(yùn)行的重要問題。山西省在2007、2012、2015、2017年和2019年底至2020年初都發(fā)生了大范圍線路覆冰導(dǎo)致的跳閘停運(yùn)事故，多次涉及超特高壓線路，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)損失巨大。電線覆冰區(qū)劃研究能夠有效指導(dǎo)架空輸電線路設(shè)計(jì)和運(yùn)維，提升抵御覆冰災(zāi)害能力，對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

電線覆冰過程是集氣象學(xué)、流體力學(xué)和熱力學(xué)等的綜合物理過程，通過研究電線積冰的物理機(jī)制可以獲取覆冰厚度與各類氣象要素之間的綜合定量關(guān)系[1]，而覆冰厚度推算是開展覆冰區(qū)劃的前提。為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多基于氣象要素的導(dǎo)線雨凇、霧凇覆冰計(jì)算模型[2-11]，這些模型可以預(yù)測和檢驗(yàn)一定氣象條件下產(chǎn)生的雨凇、霧凇覆冰重量[10]，并根據(jù)密度范圍計(jì)算導(dǎo)線覆冰厚度，但因其前提假設(shè)不同，積冰特征地域差異明顯[12-20]，不具普適性。統(tǒng)計(jì)模型因能夠充分挖掘歷史資料信息，且計(jì)算速度快、模型簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1,21-23]。2008年我國發(fā)生嚴(yán)重冰雪災(zāi)害事故后，多個(gè)省份開展了電線覆冰估算及區(qū)劃研究[14,18,24-28]，但使用的DEM數(shù)據(jù)較為粗糙，也未充分考慮海拔、起伏度、坡度和坡向等地形因子對(duì)冰厚的綜合影響。另外，在電網(wǎng)運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)，微地形區(qū)域的電線覆冰厚度顯著高于統(tǒng)計(jì)模型估算結(jié)果[29]，致使估算結(jié)果偏差較大，無法反映復(fù)雜地形下覆冰真實(shí)狀況。為此，本文利用山西省氣象站電線積冰和常規(guī)氣象要素觀測資料，結(jié)合高分辨率的DEM數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行過程中覆冰實(shí)際觀測資料，通過構(gòu)建不同氣候區(qū)電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚的氣象因子回歸模型，估算各測站不同重現(xiàn)期下電線覆冰的設(shè)計(jì)冰厚，繪制冰厚分布圖，并進(jìn)行地形訂正和電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正，進(jìn)而得到山西省電線覆冰冰厚空間分布及區(qū)劃，以期為山西省電網(wǎng)輸電線路規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)及覆冰預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資 料

所用資料包含：(1)山西省18個(gè)積冰觀測站建站(大多在1956年前后)至2019年當(dāng)年10月1日至次年4月30日電線積冰記錄(共3277個(gè))，以及積冰當(dāng)日、前一日、前二日氣象要素日值，包括平均氣溫Tave、最高氣溫Tmax、最低氣溫Tmin、平均相對(duì)濕度RH、降水量P、平均水汽壓E、日照時(shí)數(shù)SH、平均風(fēng)速Vave和最大風(fēng)速Vmax，用下標(biāo)1和2分別表示前一日和前二日對(duì)應(yīng)的要素；(2)雨凇、霧凇天氣當(dāng)日、前一日、前二日91個(gè)非觀冰氣象站上述氣象要素日值； (3)山西省DEM資料，空間分辨率為12.5 m×12.5 m；(4)山西電網(wǎng)2006—2020年20處15 mm以上電線易覆冰區(qū)域的經(jīng)緯度及覆冰經(jīng)驗(yàn)值和2014—2020年覆冰觀測記錄。山西省地形、氣象站點(diǎn)空間分布見圖1。文中涉及的山西省及其市級(jí)行政邊界均基于山西省自然資源廳官網(wǎng)下載的審圖號(hào)為晉S(2020)005號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

圖1 山西省地形(陰影，單位：m)及氣象站點(diǎn)分布和區(qū)域劃分

1.2 方 法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)冰厚

山西省積冰觀測站的積冰數(shù)據(jù)中，有長短徑觀測的積冰樣本2907個(gè)，而同時(shí)有積冰重量觀測的樣本僅782個(gè)，所以需利用覆冰長短徑計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)冰厚。其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：b0(mm)為標(biāo)準(zhǔn)冰厚；ρ(g·cm-3)為覆冰密度；a、c(mm)分別為覆冰長、短徑(含導(dǎo)線)；r(mm)為導(dǎo)線半徑；G(g)為冰重；L(m)為覆冰長度。

然而，不同種類的電線覆冰，其密度差異很大，需要對(duì)782個(gè)樣本按照覆冰種類分別計(jì)算并確定相應(yīng)的密度。經(jīng)計(jì)算，其值處于參考范圍[30](表1)內(nèi)。

表1 不同類型覆冰的密度計(jì)算值及參考范圍

1.2.2 設(shè)計(jì)冰厚

根據(jù)我國電網(wǎng)線路架設(shè)高度和標(biāo)準(zhǔn)電纜線徑要求，將計(jì)算的覆冰標(biāo)準(zhǔn)厚度進(jìn)行高度訂正和線徑訂正，統(tǒng)一訂正為離地10 m、直徑為26.8 mm導(dǎo)線的設(shè)計(jì)冰厚。設(shè)計(jì)冰厚的計(jì)算公式如下：

b=b0×kh×kφ

(3)

(4)

式中：b(mm)為設(shè)計(jì)冰厚；kh為高度訂正系數(shù)；kφ為線徑訂正系數(shù)；Z(m)為設(shè)計(jì)導(dǎo)線的懸掛高度；Z0(m)為實(shí)測或調(diào)查覆冰導(dǎo)線的懸掛高度；α為指數(shù)，與風(fēng)速、空氣含水量及捕獲系數(shù)有關(guān)，無實(shí)測資料時(shí)可取值0.22；φ(mm)為設(shè)計(jì)導(dǎo)線的直徑；φ0(mm)為實(shí)測或調(diào)查覆冰的導(dǎo)線直徑(2011年及以前氣象站觀測導(dǎo)線直徑為4 mm，之后改為26.8 mm)。經(jīng)計(jì)算，本文輸電線路高度訂正系數(shù)kh=(10/2)0.22=1.42。

將高度與線徑訂正后的冰厚數(shù)據(jù)，采用極值Ⅰ型概率分布模型，計(jì)算不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)冰厚[30]。計(jì)算公式如下：

(5)

2 電線覆冰厚度回歸模型

2.1 區(qū)域劃分

山西省南北跨度大，東有太行山，西有呂梁山，地勢東北高、西南低，不同區(qū)域氣候特征差別較大，需要分區(qū)構(gòu)建電線覆冰厚度估算模型?？紤]到山西省常用的氣候分區(qū)和積冰觀測站分布(圖1)，將全省劃分為高山區(qū)[五臺(tái)山觀冰站，該站1998年從海拔2895.8 m的五臺(tái)山中臺(tái)頂(113°32′E、39°02′N)遷至海拔2208.3 m的木魚山山頂(113°31′E、38°57′N)，海拔高度下降近700 m，水平距離實(shí)際南移20 km，故1998年前、后分別定義為五臺(tái)山前和五臺(tái)山后]、北部區(qū)(包括大同、朔州和忻州3市，大同、河曲、右玉、五寨、原平5個(gè)觀冰站)、中部區(qū)(包括太原、晉中、呂梁和陽泉4市，介休、離石、太原、陽泉、榆社、興縣6個(gè)觀冰站)和南部區(qū)(包括臨汾、長治、晉城和運(yùn)城4市，侯馬、臨汾、隰縣、陽城、運(yùn)城、長治6個(gè)觀冰站)4個(gè)區(qū)域。

2.2 積冰站設(shè)計(jì)冰厚回歸模型

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，山西省持續(xù)1～3 d的積冰過程占總樣本的97%，故選用積冰當(dāng)日、前一日和前二日的氣象要素做回歸分析。影響電線覆冰厚度的氣象因素主要有降水、氣溫、濕度和風(fēng)速等[19,31]，故選取Tave、Tmax、Tmin、RH、P、E、SH、Vave和Vmax9個(gè)氣象要素作為待選因子。由于高山區(qū)和北部區(qū)Vmax缺測較多，故上述地區(qū)回歸分析時(shí)未引入該因子。

采用多元逐步回歸分析方法，對(duì)山西省不同分區(qū)電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚和氣象要素進(jìn)行逐步回歸分析(表2)，回歸方程均通過α=0.05的顯著性F檢驗(yàn)，各區(qū)域最優(yōu)回歸方程如下：

五臺(tái)山前：

b=1.644-0.205SH1-0.431E+

0.047RH+0.155Tmax+0.046P2-

0.066SH+0.009RH1

(6)

五臺(tái)山后：

b=1.368-0.052SH1-0.061Vave+

0.06P1

(7)

北部區(qū)：

b=-2.618+0.193Tave-0.174Tmin+

0.035RH1

(8)

中部區(qū)：

b=0.575+1.514E1-0.08RH1-

0.302Tave1

(9)

南部區(qū)：

b=0.45+0.234Vave2+0.063Tave2

(10)

從表2看出，山西電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚整體與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、水汽壓等密切相關(guān)，高山區(qū)的設(shè)計(jì)冰厚還與降水量、日照時(shí)數(shù)相關(guān)，五臺(tái)山前站入選連續(xù)3 d的氣象要素，說明高山區(qū)較高海拔處積冰累積作用更明顯；與五臺(tái)山前站相比，五臺(tái)山后站因海拔高度降低顯著造成氣溫升高、相對(duì)濕度和降水量減小，引起設(shè)計(jì)冰厚明顯減小，影響覆冰的氣象要素明顯不同，入選要素的時(shí)效(當(dāng)日和前一日)與北、中部相同，而南部區(qū)的設(shè)計(jì)冰厚與前二日的氣象要素關(guān)系最為密切，其原因有待進(jìn)一步研究。另外，回歸模型的估算偏差五臺(tái)山前約2 mm，其余地區(qū)小于1.2 mm，表明低海拔區(qū)的估算效果優(yōu)于高海拔區(qū)，這與已有研究結(jié)論[22-23]一致。

表2 山西省各區(qū)域設(shè)計(jì)冰厚的回歸模型及誤差

2.3 非積冰站設(shè)計(jì)冰厚推算

(1)確定非積冰站的電線積冰日。電線積冰是雨凇、霧凇凝附在導(dǎo)線上或濕雪凍結(jié)在導(dǎo)線上的現(xiàn)象，雨凇和霧凇是電線積冰的前提條件。統(tǒng)計(jì)17個(gè)積冰站(五臺(tái)山站除外)發(fā)現(xiàn)，85.4%的電線積冰日的平均氣溫Tave≤-1 ℃、平均相對(duì)濕度RH≥70%、平均風(fēng)速Vave≤3 m·s-1。根據(jù)上述條件，篩選非積冰觀測站的霧凇和雨凇日期，并認(rèn)定為非積冰站的電線積冰日。

(2)將電線積冰日當(dāng)日和前一日、前二日的高影響氣象因子分別代入各區(qū)域回歸方程式(8)、(9)、(10)，計(jì)算不同區(qū)域非積冰站積冰日的設(shè)計(jì)冰厚擬合值。

根據(jù)以上步驟，計(jì)算得到山西省北部、中部和南部區(qū)非積冰站的設(shè)計(jì)冰厚，由于非積冰站無觀測值，故利用同區(qū)域內(nèi)積冰站的平均值進(jìn)行比較(表3)，發(fā)現(xiàn)各區(qū)域非積冰站設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算值與觀測值的相對(duì)偏差較小，均小于17%，構(gòu)建的設(shè)計(jì)冰厚分區(qū)模型可用于山西省電線覆冰厚度預(yù)報(bào)預(yù)測業(yè)務(wù)及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃中。

表3 山西各區(qū)域非積冰站設(shè)計(jì)冰厚計(jì)算值與積冰站平均實(shí)測值對(duì)比

3 不同重現(xiàn)期下電線覆冰厚度空間分布及區(qū)劃

對(duì)于積冰站，直接采用極值Ⅰ型概率分布模型計(jì)算不同重現(xiàn)期下電線覆冰的設(shè)計(jì)冰厚(表4)，其中興縣站(無積冰出現(xiàn))、離石站(積冰僅出現(xiàn)1次)無法計(jì)算；對(duì)于非積冰站，按照2.3節(jié)計(jì)算其設(shè)計(jì)冰厚，再用極值Ⅰ型概率分布模型確定不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚。

表4 山西省積冰站不同重現(xiàn)期下電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚

根據(jù)山西各氣象站不同重現(xiàn)期下電線覆冰的設(shè)計(jì)冰厚值，結(jié)合高分辨率的DEM數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行過程中覆冰實(shí)測資料，采用反距離權(quán)重法對(duì)設(shè)計(jì)冰厚進(jìn)行空間插值及地形訂正、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正，并參照國家電網(wǎng)冰區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[30](表5)，對(duì)山西省電線覆冰區(qū)進(jìn)行等級(jí)劃分。

表5 冰區(qū)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 基于氣象站數(shù)據(jù)的冰厚分布

圖2是基于氣象站數(shù)據(jù)計(jì)算插值得到的電線覆冰厚度空間分布?？梢钥闯?，各重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚大于5 mm的站點(diǎn)主要分布在山西北部五臺(tái)山、右玉、五寨及中部介休和榆社一帶，其中高山區(qū)五臺(tái)山附近各重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)冰厚均超過25 mm，為重冰區(qū)；隨著重現(xiàn)期的增大，冰區(qū)范圍、厚度增大。由于氣象站數(shù)量少、分布不均，受氣象站布設(shè)位置的局限[29]，該結(jié)果無法完整描述山西境內(nèi)電線積冰情況。

圖2 山西省30 a(a)、50 a(b)、100 a(c)重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚空間分布(單位：mm)

3.2 地形因子訂正

研究表明，地形通過影響氣象要素而間接對(duì)電線覆冰產(chǎn)生影響[32-33]。反映地形狀況的因子很多，如海拔高度、起伏度、坡向、坡度等，這些因子對(duì)電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚都可能產(chǎn)生一定影響。

統(tǒng)計(jì)山西省積冰站30 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚與地形因子的相關(guān)系數(shù)(表6)發(fā)現(xiàn)，除坡度變率外，其他地形因子與設(shè)計(jì)冰厚均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)自海拔高度、起伏度、坡度、坡向、粗糙度、坡向變率依次降低，且設(shè)計(jì)冰厚與海拔高度和起伏度的相關(guān)性通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明地形起伏大、海拔高的區(qū)域更容易形成覆冰，而局部坡度變率較大的地形對(duì)覆冰形成不利。

表6 山西省積冰站30 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚與地形因子的相關(guān)系數(shù)

海拔高度的變化會(huì)引起區(qū)域內(nèi)與覆冰相關(guān)的氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度等氣象要素發(fā)生顯著變化[33]，因此對(duì)積冰站設(shè)計(jì)冰厚與海拔高度進(jìn)行擬合。由于介休站設(shè)計(jì)冰厚值異常高于同緯度、同海拔高度相鄰站，五臺(tái)山遷站前后積冰情況變化較大，予以剔除，故利用其余15個(gè)積冰站資料進(jìn)行擬合。從圖3看出，各重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚與海拔高度之間呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)函數(shù)曲線對(duì)散點(diǎn)的擬合效果較好，決定系數(shù)R2約為0.7?？梢?，需要對(duì)山西電線覆冰的設(shè)計(jì)冰厚進(jìn)行海拔高度訂正。

圖3 山西省積冰站30 a(a)、50 a(b)和 100 a(c)重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚與海拔高度的擬合關(guān)系

圖4是經(jīng)海拔高度訂正后的30 a、50 a、100 a重現(xiàn)期下電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚空間分布，發(fā)現(xiàn)各重現(xiàn)期下山西呂梁山區(qū)、太行山區(qū)和太岳山區(qū)等高海拔地區(qū)的設(shè)計(jì)冰厚值明顯高于訂正前(圖2)，訂正后的結(jié)果能夠較好反映全省覆冰厚度隨海拔高度變化的特征。

圖4 山西省海拔高度訂正后的30 a(a)、50 a(b)、100 a(c)重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚空間分布(單位：mm)

經(jīng)對(duì)比，海拔高度訂正后的覆冰厚度與實(shí)測值仍有差距，這主要由其他地形因子影響所致。因此，選用與設(shè)計(jì)冰厚相關(guān)性較高的坡度、坡向和起伏度3個(gè)地形因子，構(gòu)建各重現(xiàn)期下地形參數(shù)的線性訂正模型，表達(dá)式如下：

(11)

式中：△b30、△b50、△b100(mm)分別為30 a、50 a、100 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚觀測值與經(jīng)海拔高度訂正后的覆冰厚度的差值；S(°)為坡度；A(°)為坡向；R(m)為起伏度。

圖5是山西省地形因子(海拔高度及坡度、坡向和起伏度)訂正后的不同重現(xiàn)期下電線覆冰厚度空間分布?？梢钥闯觯匦斡喺蟾髦噩F(xiàn)期(30 a、50 a、100 a)下冰厚擬合值與觀測值的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.89、0.89、0.88，冰區(qū)范圍和厚度明顯增大，冰厚擬合結(jié)果不僅能重現(xiàn)實(shí)況中的極值，其分布情況與山西境內(nèi)地形特點(diǎn)更為吻合。不同重現(xiàn)期下，全省沿黃河一帶和盆地區(qū)域?yàn)檩p冰區(qū)，盆地的覆冰最輕，且覆冰厚度隨緯度降低有所減輕；中、重冰區(qū)主要分布在恒山、五臺(tái)山、管涔山、呂梁山、太岳山、太行山等高海拔地區(qū)，且恒山、五臺(tái)山、呂梁山和太岳山海拔較高的重冰區(qū)隨重現(xiàn)期延長范圍明顯增大。

圖5 山西省地形因子訂正后的30 a(a)、50 a(b)、100 a(c)重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚空間分布(單位：mm)

將上述地形因子訂正后的設(shè)計(jì)冰厚與2006—2020年山西電網(wǎng)線路運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)的20處15 mm以上中、重冰區(qū)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)13處覆冰等級(jí)相符，其中忻州市與朔州市交界的盤道梁及其附近的南嶺、廟嶺梁，寧武與神池交界的摩天嶺區(qū)域，長治潞城縣北部與黎城縣西部區(qū)域，臨汾、翼城和沁水交界區(qū)域等為20 mm以上重冰區(qū)，表明經(jīng)地形因子訂正后的設(shè)計(jì)冰厚更為精確；4處偏低1級(jí)，3處偏低2級(jí)及以上(晉中市松塔鎮(zhèn)與沾尚鎮(zhèn)交界區(qū)域、陽泉與河北交界的太行山娘子關(guān)區(qū)域以及長治老頂山區(qū)域、潞城區(qū)域)。綜上可見，經(jīng)地形訂正后的山西省電線覆冰極值還有其局限性，尤其是覆冰較重的微地形區(qū)域，還需要進(jìn)行運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正，以便其更加準(zhǔn)確反映局部覆冰特征。

3.3 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正

與山西電網(wǎng)2011—2020年12處電線易覆冰區(qū)域比對(duì)，基于地形因子訂正后的冰厚明顯偏小(表7)，需根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)其修正。前文分析表明，地形起伏大的區(qū)域電線更易覆冰，上述12處易覆冰區(qū)域均處于較周邊地勢高的山區(qū)，故采用黃俊杰等[34]的訂正方法對(duì)局部微地形覆冰特征進(jìn)行修正。具體修正方法如下：(1)按照表5，將12處微地形(每處均由實(shí)際輸電線路逐基桿塔多點(diǎn)連線組成)各點(diǎn)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)冰厚值對(duì)應(yīng)劃分等級(jí)；(2)依據(jù)電網(wǎng)線路逐基桿塔坐標(biāo)信息，計(jì)算其5 km范圍的地形起伏度，并按照表8確定各點(diǎn)的修正范圍；(3)提取微地形各點(diǎn)地形訂正后的覆冰等級(jí)，與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的覆冰等級(jí)比對(duì)，按照一定規(guī)則[34]，分情況確定各點(diǎn)修正范圍的覆冰等級(jí)。規(guī)則如下：當(dāng)?shù)燃?jí)相差1或大于1且修正范圍為500 m時(shí)，則將修正范圍內(nèi)的覆冰等級(jí)相應(yīng)增加或減少1級(jí)；當(dāng)?shù)燃?jí)相差大于1且修正范圍大于500 m時(shí)，則將其周圍500 m范圍內(nèi)的覆冰等級(jí)相應(yīng)增加或減少2級(jí)，其余修正范圍內(nèi)的覆冰等級(jí)相應(yīng)增加或減少1級(jí)。

表7 2011—2020年山西電網(wǎng)電線易覆冰區(qū)域地形訂正后的設(shè)計(jì)冰厚及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)值

表8 地形起伏度及修正范圍

根據(jù)上述修正方法，得到山西省電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正后的30 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚空間分布(圖6)。相比圖5(a)，12處易覆冰區(qū)的冰厚明顯增大，編號(hào)3、4、6、9的區(qū)域調(diào)整為重冰區(qū)，其中編號(hào)3的重冰區(qū)范圍擴(kuò)大、等級(jí)增大，其余8處調(diào)整為中冰區(qū)。為了更清晰地對(duì)比運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正前后覆冰狀況，將編號(hào)3區(qū)進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)修正前此處以10～20 mm中冰區(qū)為主(實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了30 mm以上的重覆冰)，而修正后此處涉及的4條線路，其500 m范圍內(nèi)覆冰等級(jí)增加2級(jí)(包絡(luò)著線路的紫色區(qū)域)，501～1500 m范圍覆冰等級(jí)增加1級(jí)(粉色區(qū)域)，更能真實(shí)反映電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行覆冰狀況，其結(jié)果更具指導(dǎo)意義。

另外，山西電網(wǎng)2014—2020年107次線路實(shí)測覆冰厚度與圖6對(duì)應(yīng)位置覆冰等級(jí)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)一致率達(dá)87.6%?？梢姡跉庀筚Y料構(gòu)建的山西省電線覆冰厚度估算模型，經(jīng)地形訂正和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正后，其覆冰厚度分布結(jié)果對(duì)山西省電力部門具有實(shí)際參考價(jià)值。同理，可以修正得到50 a、100 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚空間分布(圖略)。

圖6 山西省運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正后的30 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚空間分布及典型區(qū)放大對(duì)比圖(單位：mm)(方框及其編號(hào)是電網(wǎng)監(jiān)測的易覆冰區(qū))

4 結(jié)論與討論

(1)山西省電線覆冰的設(shè)計(jì)冰厚整體與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、水汽壓等氣象要素密切相關(guān)，其中高山區(qū)的設(shè)計(jì)冰厚還與降水量、日照時(shí)數(shù)相關(guān)，且受連續(xù)3 d的氣象條件影響，而丘陵和平原區(qū)則與當(dāng)日和前一日或前二日的氣象條件關(guān)系密切。

(2)基于多元逐步回歸方法建立的山西省不同氣候區(qū)電線積冰設(shè)計(jì)冰厚估算模型，其估計(jì)偏差五臺(tái)山前約2 mm，其余地區(qū)小于1.2 mm，可用于山西電線覆冰厚度預(yù)報(bào)預(yù)測業(yè)務(wù)及其災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃中。

(3)山西省各重現(xiàn)期下電線覆冰的設(shè)計(jì)冰厚與海拔高度呈指數(shù)關(guān)系，實(shí)際冰厚與海拔高度訂正值之間的偏差還與坡度、坡向、起伏度等地形因子影響有關(guān)，故在海拔高度訂正模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立高影響地形參數(shù)訂正模型。經(jīng)地形因子訂正后的設(shè)計(jì)冰厚能夠更合理反映山西省各重現(xiàn)期下電線覆冰設(shè)計(jì)冰厚的空間分布。

(4)不同重現(xiàn)期下，山西省電線覆冰厚度隨緯度降低而減小，中、重冰區(qū)主要分布在恒山、五臺(tái)山、管涔山、呂梁山、太岳山和太行山等高海拔地區(qū)，且恒山、五臺(tái)山、呂梁山和太岳山的重冰區(qū)范圍和等級(jí)隨重現(xiàn)期的增大而增大，而沿黃河一帶和盆地為輕冰區(qū)，且盆地覆冰最輕。

(5)基于微地形的電網(wǎng)易冰區(qū)局部訂正方法和山西電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正的30 a重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)冰厚，能夠更加精確表達(dá)局部微地形區(qū)的電線覆冰情況，其結(jié)果對(duì)山西省電力部門具有實(shí)際參考價(jià)值。

山西省積冰觀測氣象站數(shù)量少且分布不均，氣象站觀冰架與電網(wǎng)實(shí)際輸電線路環(huán)境差異較大，加之各積冰站積冰資料長度不一，觀測數(shù)據(jù)的代表性有限，得到的結(jié)果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，電線覆冰形成的物理機(jī)制復(fù)雜、影響因素眾多，本文覆冰厚度的計(jì)算過程和冰厚氣象估算模型存在一定的局限性。另外，覆冰厚度區(qū)劃圖經(jīng)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正一定程度彌補(bǔ)了局部微地形區(qū)域覆冰觀測資料的不足，但仍需加強(qiáng)部門間數(shù)據(jù)共享，提高電力氣象服務(wù)針對(duì)性，保障電網(wǎng)安全運(yùn)營。