冰區(qū)分布圖繪制方法研究
——以重慶市城口縣為例

鄭箐舟，吳 瑕，李家啟，陳施吉，符威平，林 斌

1.重慶市氣象服務(wù)中心，重慶 401147；2.包頭市氣象臺，內(nèi)蒙古包頭 014030；3.城口供電公司，重慶 405900

架空輸電線路能夠為偏遠地區(qū)提供電能，在各個國家與地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)改善方面發(fā)揮著重要作用。然而，由于電線常年暴露在自然環(huán)境中，所以會受到大風(fēng)、低溫、凍雨等天氣的影響。輸配電系統(tǒng)各部件結(jié)冰就是受到極端氣象要素影響而造成的主要電網(wǎng)損害之一，這不僅會損害電線及其附件的可靠性和使用壽命，還可能會造成大面積電網(wǎng)的斷股、斷線、線路舞動或變形等事故，從而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡[1]。

近年來，我國全面推進各級電網(wǎng)建設(shè)，確保輸電線網(wǎng)安全可靠。其中，電網(wǎng)冰區(qū)的劃分是提高電網(wǎng)安全性的關(guān)鍵之一。冰區(qū)等級劃分的合理性與電網(wǎng)能否抵御覆冰災(zāi)害息息相關(guān)?？茖W(xué)的覆冰區(qū)劃既能避免在極端天氣情況下發(fā)生斷線、倒塔等災(zāi)害事故，又能盡可能地避免電網(wǎng)工程建設(shè)投資的浪費。目前，我國出臺的國家標準《電網(wǎng)冰區(qū)分布圖繪制技術(shù)導(dǎo)則》中明確規(guī)定了冰區(qū)分級標準和繪制色標要求（表1）[2]。對電網(wǎng)覆冰進行合理、科學(xué)的劃分，不僅是提高輸電線路抗冰性的基礎(chǔ)，還可以在規(guī)劃既安全又經(jīng)濟的電網(wǎng)路線時提供一定的參考。

表1 冰區(qū)分級標準和冰區(qū)分布圖色標要求

目前，國內(nèi)外多個國家和地區(qū)均開展了冰區(qū)分布圖的繪制工作，常用的方法包括經(jīng)驗調(diào)查法、覆冰數(shù)據(jù)法、CRREL模型法、氣象參量回歸法，以及局地地形—氣象影響覆冰等級模型法等[3]。在這些方法中，局地地形—氣象影響覆冰等級模型法是一種基于局地氣象要素和地形因子的經(jīng)驗—統(tǒng)計關(guān)系模型，適用于覆冰數(shù)據(jù)較少的地區(qū)。

重慶是著名的“山城”，境內(nèi)坡地較多，地形高低懸殊，該地勢在渝東北一帶更為顯著。作為重慶東門的“門戶”，城口縣背靠大巴山，溝壑縱橫，是典型的高寒深山區(qū)，其高海拔地區(qū)冬季常年積雪覆冰（圖1）。同時，當?shù)爻Ｓ小暗勾汉碧鞖獬霈F(xiàn)，加重了氣候災(zāi)害對當?shù)仉娏ο到y(tǒng)的影響，這對電力部門和氣象部門都是一大挑戰(zhàn)，是全國電網(wǎng)覆冰災(zāi)害最為頻發(fā)的省市之一。

圖1 城口縣海拔以及部分易覆冰電網(wǎng)線路

近年來，城口縣內(nèi)發(fā)生了多起因覆冰過重而引發(fā)的電網(wǎng)安全事故，造成了一定的經(jīng)濟損失，同時對該地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和居民們的生活造成了一定影響。例如，2019年1月，位于海拔1 600 m處的225#塔因覆冰過重導(dǎo)致了輸電線路放電閃絡(luò)，引起線路故障跳閘，被迫停運（圖2）。然而，有關(guān)重慶覆冰的資料不多，針對冰區(qū)分級圖的區(qū)劃還鮮有研究，相關(guān)研究亟待開展。

圖2 2019年1月225#塔事故現(xiàn)場實拍圖

以重慶城口縣為例，基于研究區(qū)多年的歷史氣象數(shù)據(jù)，并結(jié)合當?shù)氐乩項l件，采用局地地形—氣象影響覆冰等級模型法，綜合考慮研究區(qū)微氣象、微地形對覆冰的影響，繪制冰區(qū)等級劃分圖，以期為當?shù)仉娋W(wǎng)抗冰設(shè)計提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源

1.1 資料收集

本項目使用的數(shù)據(jù)資料包括城口縣64個常規(guī)氣象站點和1個國家基本氣象站的實際觀測日數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)以及野外微氣象與微地形的調(diào)研結(jié)果。

氣象站觀測資料包括覆冰期（11月—翌年3月）的日平均氣溫、日最低氣溫、日相對濕度、風(fēng)向和日最大風(fēng)速，來自國家氣象信息中心，起始時間為2005年11月1日，終止時間為2020年12月31日。遙感資料包括30 m數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM），來自地理空間數(shù)據(jù)云。另外，項目組于2021年4月赴城口縣與當?shù)仉娋W(wǎng)負責(zé)人一同前往當?shù)仉娋W(wǎng)的覆冰高發(fā)區(qū)進行了實地調(diào)研交流，主要調(diào)研數(shù)據(jù)包括易覆冰電網(wǎng)線路經(jīng)緯度與走向、易覆冰地區(qū)的高程、微地形以及氣象觀測數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在實際氣象觀測工作中經(jīng)常會出現(xiàn)地面觀測數(shù)據(jù)缺測或者異常的現(xiàn)象，因此需要對長時間序列的氣象數(shù)據(jù)進行填補與插值處理，以保證數(shù)據(jù)的完整性。在整理好氣象資料的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計出各氣象站點多年均值，包括冬季平均氣溫、冬季平均最低氣溫、冬季平均最大風(fēng)速、冬季平均相對濕度、冬季主風(fēng)向。

此外，采用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件，將下載的30 m分辨率的海拔高程原始數(shù)據(jù)柵格化，再依據(jù)行政邊界對其進行拼接和裁剪，生成研究區(qū)域高程分布圖。

2 冰區(qū)分布圖繪制主要參考因素

電網(wǎng)線路覆冰是由多種因素引起的，考慮到城口縣的實際情況，本研究主要從氣象因素和環(huán)境因素2個方面入手，探究輸電線路覆冰影響規(guī)律。

2.1 氣象因素

覆冰形成過程與空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素有著直接的關(guān)系[4-5]。

空氣溫度低于0℃是形成覆冰必要的氣象條件之一。雨凇覆冰通常在-5℃~0℃之間形成，而霧凇覆冰形成時的空氣溫度必須低于-8℃，通常在-15℃~-10℃之間。另外，空氣相對濕度大于85%時，容易出現(xiàn)霜、濕雪等天氣現(xiàn)象，極大地增加了電網(wǎng)覆冰的可能性，這也是我國南方地區(qū)比北方地區(qū)電網(wǎng)表面易形成覆冰的原因之一。

在覆冰形成的過程中，風(fēng)速的大小和風(fēng)向起著至關(guān)重要的作用[6]。大量的過冷卻水滴通過風(fēng)的輸送黏附在電網(wǎng)線路上，加速了導(dǎo)線覆冰的速度。此外，當風(fēng)向與線路垂直或者與導(dǎo)線夾角大于45°時，加大了過冷卻水滴被導(dǎo)線捕獲的概率，會加重輸電線路的負擔(dān)。

2.2 地理環(huán)境因素

2.2.1 海拔通過對重慶城口縣實地覆冰的調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)覆冰厚度與電網(wǎng)線路所處海拔有明顯關(guān)系。同一地區(qū)在相同的地理環(huán)境下，海拔越高，電網(wǎng)表面就越容易覆冰，覆冰的重量也隨之增加。根據(jù)城口縣電網(wǎng)覆冰歷史資料，兩條主要電網(wǎng)線路——冉城線和白城線易覆冰路段所處的海拔均高于1 400 m。

2011年，蔣興良教授[7]的團隊提出了電網(wǎng)覆冰厚度與海拔高程呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系：

Z=AeB×h+Z0

式中：Z為覆冰厚度均值（mm）；B為增長因子，反映了覆冰厚度隨海拔變化的增長速度；A反映了不同覆冰情況、不同地區(qū)覆冰變化系數(shù)；h為海拔值（m）；Z0為覆冰厚度調(diào)整值。

蔣興良教授團隊分析了重慶地區(qū)輸電線路導(dǎo)線覆冰的海拔特性后，確定了在重慶地區(qū)該函數(shù)關(guān)系式中各個 參 數(shù) 為：A=21.2478，B=0.0006，Z0=-28.0348。

2.2.2 地形地貌微地形對局地氣候會產(chǎn)生較大的影響，這導(dǎo)致即使處于同一山體，覆冰厚度及其特性可能會截然不同[8]。對于以山地為主的城口縣，在制作覆冰分區(qū)圖的時候，就必須考慮到暴露的地方易積雪且風(fēng)速大，覆冰程度可能會比較嚴重，需要修正其覆冰等級。例如，高山的迎風(fēng)坡（山坡坡向與冬季主風(fēng)向夾角小于90°）就是有利于形成覆冰的地形條件之一。

3 冰區(qū)分布圖繪制關(guān)鍵技術(shù)

城口縣冰區(qū)分布圖繪制主要采用局地地形—氣象影響覆冰等級模型法（圖3）。由于地形因子對覆冰形成的作用大于氣象因子，因此，首先考慮地形因子對冰區(qū)分級的影響，再根據(jù)局地微氣象微地形要素修正覆冰等級[9]。

圖3 冰區(qū)分布圖繪制流程

3.1 氣象數(shù)據(jù)的插值處理

城口縣包含亢谷、廟壩、巴山、明通、東安等多個氣象站點，站點分布不均。利用泰森多邊形確定每個站點控制的面積較粗糙，無法準確反映研究區(qū)域內(nèi)氣溫、相對濕度、風(fēng)速等各個氣象要素的分布。

克里金(Kriging)插值利用地理學(xué)相近相似定理定量量化的表示形式，考慮了已知點與相鄰待插值點的空間關(guān)系，通過采樣點的數(shù)據(jù)推算待插值點的屬性值，進而形成整個區(qū)域的數(shù)據(jù)，這是對研究對象線性無偏的最優(yōu)估計[10]。因此，借助ArcGIS軟件使用克里金(Kriging)插值法對站點氣象數(shù)據(jù)進行空間插值，得到各個氣象要素的分布圖，并最終整理形成城口縣氣象要素格點數(shù)據(jù)集。

根據(jù)插值結(jié)果（圖4），城口縣冬季日均溫度相對起伏較大，平均溫度和最低溫度的空間分布大致相同。低值普遍出現(xiàn)在高程較高的東部地區(qū)。最大風(fēng)速高值區(qū)集中在城口縣兩端，全縣最大風(fēng)速均大于3 m/s，且最低氣溫均低于0℃，易形成覆冰。大部分地區(qū)相對濕度高于85%，其中高值區(qū)集中在中部，空氣中水汽含量達到覆冰條件，滿足電網(wǎng)覆冰氣象條件，覆冰概率較大。

圖4 城口縣影響覆冰的主要氣象要素的空間分布

3.2 特殊地形的提取

根據(jù)30 m的高程數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件直接提取坡度、坡向和高程信息，再與插值之后的冬季主風(fēng)向的夾角進行比較，夾角大于90°則判定為背風(fēng)坡，小于90°則判定為迎風(fēng)坡。山脊線和山谷線的提取是基于地形表面流水物理模擬分析的原理，其實質(zhì)也是對分水線與匯水線的識別?；贒EM數(shù)據(jù)，通過識別匯流累計量為0的柵格即可提取山脊線。山谷線的提取需要先反轉(zhuǎn)地形得到相反的水流方向，此時分水線變?yōu)榉炙€，再利用相同的方法即可得到山谷線。根據(jù)上述識別方法和提取流程，得到城口縣山脊線、山谷線、迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡（圖5）。

圖5 城口縣地形特征的提取

3.3 冰區(qū)圖的劃分與訂正

結(jié)合蔣興良教授團隊提出的電網(wǎng)覆冰厚度與海拔高程的擬合公式，得到一張初步的城口縣覆冰厚度分布圖。在此基礎(chǔ)上，對微地形、微氣象區(qū)域所在格點進行覆冰厚度的修正：（1）分析研究區(qū)覆冰期的最低溫度、相對濕度、最大風(fēng)速，根據(jù)覆冰形成時需滿足的溫度、濕度以及風(fēng)速的要求，將最低溫度高于0℃或相對濕度低于85%或最大風(fēng)速小于1 m/s的區(qū)域劃分為無覆冰區(qū)；（2）根據(jù)歷史覆冰和文獻資料，分析覆冰厚度與氣象要素，整理出相對濕度和風(fēng)速的閾值：當風(fēng)速在3~6 m/s內(nèi)，空氣相對濕度高于90%時，覆冰速度最快、覆冰概率增加[11]，應(yīng)在第一步的基礎(chǔ)上，提高滿足此類氣象要素條件的區(qū)域的冰區(qū)等級；（3）對微地形所在網(wǎng)格，即埡口處和迎風(fēng)坡區(qū)域，根據(jù)《電網(wǎng)冰區(qū)分布圖繪制技術(shù)導(dǎo)則》提出的修訂方案，增加此類特殊地形的覆冰等級。

3.4 繪制出圖

按照上述繪制流程，根據(jù)城口縣海拔，再結(jié)合該縣覆冰期溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象資料，依照《電網(wǎng)冰區(qū)分布圖繪制技術(shù)導(dǎo)則》對冰區(qū)色標的要求，即可得到城口縣冰區(qū)等級劃分圖（圖6）。根據(jù)實地調(diào)研結(jié)果，城口縣境內(nèi)每年冬季各山脈地區(qū)積雪，一般在海拔大于1 400 m的地區(qū)，且迎風(fēng)坡面的電網(wǎng)上存在覆冰現(xiàn)象。若當年氣象要素條件較為惡劣，還可能出現(xiàn)嚴重覆冰的情況。

圖6 城口縣冰區(qū)分布圖

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

采用局地地形—氣象影響覆冰模型法繪制冰區(qū)分布圖，該方法基于歷史氣象數(shù)據(jù)和地形條件，綜合考慮微氣象和微地形的影響，反映出輸電線路覆冰厚度隨高度、地理位置立體變化特征。使用該方法繪制的冰區(qū)分布圖疊加電網(wǎng)公司提供的實際易覆冰路段，以判定此繪制方法的合理性和科學(xué)性。從繪制結(jié)果來看，實際易覆冰線路段均分布中冰區(qū)甚至重冰區(qū)，設(shè)計覆冰厚度均在20 mm以上，部分易覆冰線路段設(shè)計覆冰厚度甚至達到50 mm以上，與實際情況基本相符，說明采用局地地形—氣象影響覆冰等級模型方法繪制該地區(qū)的冰區(qū)分布圖是較為合理的。

4.2 討論

（1）采用局地地形—氣象影響覆冰模型法繪制冰區(qū)等級圖，有效地解決了有較少覆冰記錄或者沒有覆冰記錄地區(qū)難以確定電網(wǎng)設(shè)計冰厚的問題，為確定重要輸電線路的走向、建設(shè)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

（2）在現(xiàn)有勘測的基礎(chǔ)上，結(jié)合繪制的冰區(qū)等級圖，辨識覆冰等級高的地方，應(yīng)該盡量避免在此類地方修建輸電線路。當無法避免時，因盡量避開易成冰地形區(qū)域，比如迎風(fēng)坡、冷空氣通道等，或者提高覆冰設(shè)計標準，強化電網(wǎng)抗冰保供電能力。