城市形態視角下的電力廊道布局規劃方法研究*
——以矢量柵格模型為技術平臺

楊俊宴 史北祥 楊衛紅

0 引 言

隨著城市化進程的不斷深化以及信息化、智慧化的普及發展，城市用電水平也在不斷提升，電力廊道的布局及優化也逐漸成為城市的核心議題之一。同時，由于人們對城市整體空間形態、景觀及健康環保意識的不斷增強，城市電力廊道的布局也時常成為引發社會矛盾與沖突的熱點“鄰避設施”問題[1]，甚至影響城市相應的土地及房產價值?？陀^上形成了一種“城市建成區域廊道難進入，廊道通過區域周邊難建設”的矛盾。

電力廊道的布局實際存在兩條路徑，一種是電力領域內自身的規劃，考慮更多的是電力網絡的經濟性與可靠性，更強調電網的接線方式，如完全放射狀連接、手拉手狀連接、樹枝狀連接等[2]或是雙T、雙輻射、三T等模式[3]。一些新技術的應用，如Guo B等利用點云數據對電力線接線進行優化[4]也僅局限于電力網絡本身，而這種方式只是對電力廊道如何連接的一種拓撲關系的規劃，而不涉及對電力廊道實際布局的控制。另一種是城市規劃領域內通過市政基礎設施規劃對廊道布局提出的指導性規劃，包括從便于使用及安全等角度考慮，提出廊道宜布置于綠化與建筑之間、并沿河與主干路預留廊道等[5]；原則上沿城市道路、河流、對外交通防護綠地平行布置，不得斜穿、橫穿地塊，并考慮景觀、視線通廊等需求[6]；而為了有效降低管網密度，陳如波等提出依據用地功能、路網結構、市政管網、地下空間規劃等各方面因素，構建主干、次干和輔助三級市政管線通道體系[7]。此外，還有從景觀及生態角度對電力廊道的優化布局研究[8]，從避免極端天氣影響方面優化電力廊道布局[9]。這些原則及方法，考慮了城市的各類需求，但也常局限于市政規劃本身，而未從城市的整體形態與景觀層面考慮廊道的布局問題，同時，也缺乏對電力系統的有效約束，使得實際的電力廊道布局與規劃存在較大差異。

一方面電力系統缺乏對電力廊道的控制，另一方面城市規劃領域對電力廊道也多為原則性指導。因此，在實際中的電力廊道布局隨意性較大，多會出現電力廊道破壞城市景觀形象（廊道布局隨意）、影響道路通行（電力塔桿侵占路面）和影響用地開發（電力廊道斜穿地塊）等現象。因此，亟需一種有效的結合電力系統需求及城市形態特征的方式，對電力廊道的布局進行評價及優化，以使電力廊道的布局更符合城市自身的形態特征及建設需求，而更符合城市形態特征的廊道布局方式，也可以相應地提升電力廊道的布局效率，節約建設成本。

表1 道路系統對電力廊道的影響評價Tab.1 Impact assessment of road systems on electricity corridors

1 城市形態對電力廊道布局的影響要素及機制

城市輸電廊道也是城市系統的重要組成部分，其布局形態也應符合城市基本的結構形態，才能實現更大的線網效率并相應地降低成本。而就城市形態特征而言，對于電力廊道布局的影響體現在廊道與功能片區兩個方面。

1.1 城市廊道的影響

由于電力廊道的特殊性，特別是對凈空和防護距離等的安全要求，以及自身對景觀的影響，使得電力廊道的布局具有較強的獨立性與排他性，但如果將其單獨布置，又會在其較大的安全空間的需求下，造成城市土地資源的浪費。因此，最有效的方式是將電力廊道與城市既有廊道相結合進行布置，增加共享廊道的寬度并相應地減少安全防護距離對周邊土地開發的影響。

所謂城市廊道，是指在城市空間范圍內存在的，由一種特定“關聯關系線”為主導的帶狀空間[10]，本文將其概括為三個主要的類別，分別為交通廊道（道路、鐵路等形成的廊道）、景觀廊道（景觀、視線等廊道）和生態廊道（濱水、通風等廊道）。這些線型的廊道要素也基本構成了支撐城市形態的骨架體系，也可以認為是城市空間聯系及功能組織最有效的框架體系。以城市形態的視角來看，電力廊道的布局只有與城市骨架性廊道相結合才能發揮最大的網絡連接效率。而在實際規劃與實施中，也多是將電力廊道與城市既有廊道相結合布置，利用既有廊道的寬度作為電力廊道的安全防護空間。在此基礎上，城市電力廊道布局中出現的問題，集中體現在電力廊道空間的選擇上，即如何確定一條道路所形成的廊道可以與電力廊道共享，而電力廊道的通過是否會對城市形態、景觀及建設等造成破壞。

而在城市內部，由于廊道條件及性質的差異，并不是每條廊道都可以與電力廊道共享，且有些重要的功能性廊道也不適宜布置架空型電力廊道，如迎賓大道、景觀軸線、視線通廊等。從廊道性質及特征方面來看，不同功能及等級的廊道有著不同的形態特征及景觀要求，對電力廊道建設的適宜性也各不相同（表1）。

作為一個對景觀及生態（電磁輻射）等有較大影響的要素，電力廊道采用架空方式布置于景觀廊道內對景觀效果破壞較大，而布置于生態廊道內，其本身的輻射作用會對當地生態環境產生影響。因此，城市廊道對電力廊道布局的影響，主要體現在交通廊道層面，特別是高等級交通性道路形成的交通廊道，是電力廊道可以結合布置的最優選擇。

1.2 城市功能片區的影響

城市土地屬性的認知是城市空間形態變化特性和規律把握的基礎[11]。因此，基于土地屬性的功能片區也是城市形態特征的一個重要方面。從城市功能片區的方面來看，也存在同樣的問題，即根據功能片區本身功能條件的不同，對電力廊道的通過也有不同的態度。有些功能片區對與電力廊道的架設具有明顯的排斥性，如行政文化區、城市中心區等，宜采用地下方式鋪設；有些功能片區則可以允許廊道有條件地通過，如居住區、教育科研區等；而有些功能片區則較為適宜布置架空廊道，如工業區、倉儲區等。具體功能片區對電力廊道的影響如表2所示。

表2 功能片區對電力廊道的影響評價Tab.2 impact assessment of functional area on electricity corridors

1.3 影響要素綜合評價

城市中，廊道與功能片區均不是孤立的存在，而是相輔相成的關系，即一條廊道有可能會通過多個功能片區，而一個功能片區內則可能有多條廊道穿過?；诖?，城市形態對于對電力廊道布局的影響應該整合兩方面要素進行綜合考量。為了便于進一步的分析與研究，將城市形態要素按照其對電力廊道布局的影響程度進行重新歸納梳理，可以分為以下五個程度：適宜布置、可以布置、地下可布置、不宜布置和禁止布置等，具體如表3所示。

2 基于柵格模型的技術方法與路線

2.1 不同工作方式的瓶頸

城市規劃的相關因子是基于城市規劃視角的思考，而這些因子也是通過城市規劃的技術平臺發生作用，即空間數據的矢量技術平臺。所謂的矢量技術平臺，即以實際的空間數據為支撐構建的技術平臺，包括了城市空間內的各種空間數據，最基本的如建筑的體量、道路的路幅及走向、地形（山水等位置、高程）、地塊邊界等，且在技術平臺內顯示的空間數值與實際情況完全一致。這就使得城市規劃領域內的布局、廊道、規模等概念具有了明確的空間范圍和空間載體，是實際的空間形象與狀態。與城市規劃的矢量技術平臺相對，電力網絡規劃則是一種數理邏輯的技術平臺，即通過數學模型的分析確定變電站之間的連接關系，并最終形成城市電力網絡的概念性規劃布局。

以輸電廊道為例，在數理模型中確定的輸電廊道只表示兩個變電站之間需要輸電廊道的聯系，可以說是一種邏輯的聯系。而在城市規劃的矢量技術平臺中，廊道一定是有空間載體的，廊道通過什么道路或什么水體，在哪里轉彎，從哪里進入等，都是需要明確體現在技術平臺中的（圖1）。這樣做的原因是因為在真實的城市空間中，兩個變電站直接相連的線路會存在較大的不確定性，有可能廊道通過的地區有許多高層建筑，或有一些保護單位，或有地形條件的限制等，使得廊道無法通過。這些問題都需要在電力廊道具體施工中，由施工方現場踏勘后，根據實際情況進行布線，就會造成廊道布局的隨意性以及與城市系統的矛盾。

兩種不同的技術平臺之間存在著運算方法及思考邏輯的不同，難以將城市形態要素因子的影響直接放入電力廊道布局的模型之中。而電力廊道布局規劃與實際脫節的主要原因也是集中在缺少對城市形態特征的考慮方面，因此在電力廊道布局中需要解決的關鍵問題為：在保證電力廊道與變電站科學合理連接關系的基礎上，使得電力廊道的布局更切合城市的形態特征，應在電力廊道數理計算的基礎上，通過城市形態因子的控制，對電力廊道布局進行優化。

2.2 基于矢量柵格模型的技術路線

針對尺度巨大、形態復雜的城市空間，諸多要素的影響與控制難以通過人工分辨與計算，因此需要建立一個同時適用于電力領域和城市規劃領域的技術平臺，使得電力廊道的優化更為便捷與可行（圖2）。基于此，本文提出以柵格的方式，將城市整體劃分為均質的網格，并將形態因子的影響賦值到不同的網格上，進而以廊道通過的網格分值最高為標準，對廊道的布局和走線進行更為合理的規劃。同時，應考慮廊道的轉彎與長度因素，在保證通過柵格分值盡量高的基礎上，保證轉彎最少與長度最短。在計算完成后，以真實城市空間為依據，對柵格化的線路進行修正，即：與廊道的實際空間形態相匹配，形成最終的電力廊道優化布局方案，進而可以直接用來指導廊道的實施，從而省去了實地勘測再選擇線路走向的繁瑣事宜與廊道布局的隨機性。

之所以采用柵格模型，是基于以下幾個方面的考慮：第一，形態的影響要素過于整體，難以對電力廊道的走向及變化做出精準反應。以道路為例，對于道路的賦值會形成一條較長的等值帶，而電力廊道則極有可能僅需要通過部分路段，矢量模型無法像柵格模型一樣做出相對精細的變化；第二，城市形態較為復雜，多會形成多要素疊加的情況，矢量模型的直接疊加，會形成諸多邊界交疊的凌亂區域，在電力廊道布局中較難理清；第三，柵格模型可以建立一個統一標準的網格體系，反映出多個要素的影響，并最終以每一個柵格為基本單位進行表現。

表3 形態特征影響要素評價Tab.3 impact assessment of morphological feature elements

圖1 電力領域與城市規劃領域不同的廊道規劃方式Fig.1 difference between corridors planning in the field of electricity and urban planning

在柵格模型的具體應用中，首先需要確定的是柵格的尺度。為了避免電力廊道斜穿地塊等影響土地使用的情況發生，合理的柵格尺度應與城市基本的街區尺度相契合，而街區尺度可以借助GIS工具直接計算出來。接著就是對影響要素的評價，并將其賦值到柵格上，這一過程也是借助GIS來完成的。對于這一步來說，其關鍵問題就是要素的賦值。賦值時，可采用“適宜布置”要素10分，“可以布置”要素6分，“地下可布置”要素4分，“不宜布置”要素1分，“禁止布置”要素0分的方式為兩個要素賦值，重點是突出優勢要素，限制劣勢要素。在單一要素方面采用的是“覆蓋法”，如果一個柵格同時包含有“適宜布置”要素和“可以布置”要素，則給柵格賦值時不是將兩者相加，而是直接按照“適宜布置”要素進行賦值，以避免多個低級要素分值相加超過高級別要素的情況出現。而在兩個要素綜合時則采用“相乘法”，即將廊道與功能片區兩個因子的值相乘，以放大優勢區域與一般區域的差別，同時一旦有“禁止布置”要素出現，則可以直接歸為0分。在此基礎上，可對確定的連接關系進行計算，選擇兩個變電站通過柵格分值最高的線路作為電力廊道。柵格化是為了便于將電力廊道的概念關系與城市的形態特征相契合，在形成柵格化的線路后，還需要通過與實際空間形態的對應，將柵格化的廊道進行修正，使其真正與城市空間形態格局相一致。在此基礎上，電力廊道的布局規劃可以與線路具體的實施直接對接，改變現有的廊道規劃與實施脫節的問題。

3 電力廊道優化布局實證——以蕪湖110KV電力廊道為例

蕪湖市城市形態特征明顯，城市尺度適中，城市電網結構相對完善，具有一定的代表性，是較為理想的研究電力廊道布局優化的案例城市。

3.1 蕪湖市形態特征解析

蕪湖地處長三角西南部，南倚皖南山系，北望江淮平原，是華東重要的工業基地、科教基地和全國綜合交通樞紐。蕪湖地勢南高北低，地形呈不規則長條狀；地貌類型多樣，平原丘陵皆備，河湖水網密布。蕪湖也是較為典型的濱水城市，城市建設主要集中在長江東側地區，整體上呈現出濱江帶型展開以及扇形放射的結構特征（圖3）。

在此基礎上，根據城市的形態特征對城市的廊道及功能片區進行梳理（圖4），并以此作為形態特征要素柵格化處理的基礎。對于蕪湖市來說，其可利用的廊道主要為道路廊道，城市山水資源豐富，需要保持良好的山水廊道不被破壞，且在城市中心位置有一定需要避讓的歷史風貌區。而為了更為便捷與準確地進行電力網絡規劃，并使其與城市形態特征更加匹配，并避免出現廊道斜穿用地、阻礙交通、影響景觀等問題。柵格模型的基本單元尺度應與功能片區規模、街區形態尺度相匹配以及電力廊道規劃的相關規定進行協調。根據國家《城市電力規劃規范（GB/T 50293-2014）》中對于電力線路電壓及規劃走廊寬度的規定[12]，并綜合考慮蕪湖城市實際規模和道路、建筑、街區尺度以及網格密度和計算量級等問題的基礎上，將網格大小設置為500 m×500 m。由此，通過對道路及功能的綜合評價，形成城市電力廊道的適宜性柵格模型（圖5）。

圖2 基于城市形態特征的電力廊道優化布局技術路線Fig.2 technical roadmap of layout of the electric corridors based on the morphological feature of the city

圖3 蕪湖市城市形態分析Fig.3 urban form analysis of Wuhu City

圖4 蕪湖市城市廊道及功能片區分析Fig.4 the urban corridor and function district of Wuhu City

圖5 蕪湖市電力廊道適宜性柵格評價Fig.5 suitability grid evaluation of electric corridors of Wuhu City

3.2 蕪湖電力廊道現狀評價及優化

圖6 蕪湖市110 KV變電站及線路布局圖Fig.6 110 KV substation and line layout of Wuhu City

蕪湖電網地處安徽省電網的東南部，一直是安徽省沿江區域的負荷中心。在城市既有的電力廊道中，220 KV的變電站基本均位于城市邊緣，通常不直接進入城市內部，或較少進入城市內部；110 KV是城市主要的輸電廊道，必須進入城市內部，并在城市內部建有一定數量的變電站；35 KV的變電站及輸電廊道主要位于城郊和鄉村地區，城市內部基本沒有。因此，本文重點研究110 KV電力廊道的布局問題。蕪湖市現狀110 KV電力廊道及設施布局如圖6所示。110 KV變電站主要分布于老城邊緣地區，并通過電力廊道與外圍220 KV變電站相連。電力廊道全部以地上方式架設，雖然電力廊道基本均結合了道路的廊道布置，但通過柵格模型的評價（圖7）可以看出，現狀的電力廊道與城市形態的整體匹配程度不高，走向顯得較為凌亂，沒有突出城市的形態特征，并存在斜穿農田等現象。這也造成了城市廊道空間的浪費、景觀的破壞以及農田使用的不便。由此，以柵格模型為基礎，保持現狀變電站所及其之間連接關系不變的前提下，對電力廊道進行優化調整（圖8，表4）。

調整的內容主要是電力廊道的空間布局，優化調整后的電力廊道布局能夠更加充分地體現出城市濱江帶型展開+扇形放射發展的形態特征，總長度減少了約100 km；同時，各個變電站之間的連接更為高效，減少了一些不必要的繞行，使得線路連接更為順暢與直接，廊道的轉彎直接減少了約2/3；也規避了斜穿街區、農田與跨越道路的問題；此外，調整后的電力廊道布局也有效地規避了對水體與山體的干擾，保障了蕪湖水網密布、丘陵點綴的地形及景觀特色；而對于中心區及歷史風貌，則采用地下方式鋪設，廊道也從垂直于風貌區的方向以最短路徑連接?？傮w來看，優化調整后的電力廊道布局，結構更為清晰，連接效率更高，對城市景觀、生態及建設等方面的影響較小，且也能從一定程度上體現出城市自身的形態特征。更為關鍵的是，這一做法是打破城市規劃與電力規劃之間的壁壘，構建起兩者共同協作，指導并控制電力廊道規劃及實施的有效方式。

根據優化規劃及城市規劃相關原則和要求，在優化實施過程中應遵循以下原則：廊道共享：借助既有廊道空間，最大程度共享并疊加防護距離，以節約土地資源；就高避低：廊道的選擇應該優先選擇高等級交通性廊道，以減少對景觀和生活的影響；同路共邊：沿同一道路布置的電力廊道不應布置在道路兩側，而應結合布置于道路一側，以減少對景觀和生態的影響；同廊共桿：為了保障供電安全電力廊道常會出現同一廊道多條線路通過的現象，對于這一現象應采用共桿架設的方式布置，避免多條線路的交叉產生的凌亂。

圖7 基于柵格模型的電力廊道現狀布局評價Fig.7 evaluation of the current corridors layout based on the grid model

圖8 蕪湖市110 KV電力廊道優化Fig.8 110 KV electricity corridors optimization of Wuhu City

表4 電力廊道優化前后指標比較Tab.4 comparison of indexes before and after optimization of power corridor

4 結 語

電力廊道的規劃與實施存在著明顯的脫節現象，電力規劃與城市規劃脫節，廊道規劃與城市整體形態脫節，規劃與施工脫節，廊道系統的不完善使其對城市的整體性作用較弱[13]，造成電力廊道與城市建設發展的矛盾日益突出。這些問題的根結在于缺少一種科學合理的方式將電力系統的訴求與城市規劃的原則和要求有效結合.同時，又要以城市整體的視角對電力廊道系統的布局進行審視。其難點在于兩個學科之間處理空間問題方式的不同以及系統規劃與城市整體形態特征的銜接問題：電力系統以數理模型處理空間拓撲關系，而城市規劃則以空間模型處理三維形態關系；電力廊道本身更看重其內部的連接關系，而城市層面則更在乎其布局與城市其余系統的銜接關系。

基于此，本文借助柵格模型既有空間數據又可以進行梳理計算的特征，整合電力系統與城市形態要素，并從城市整體的廊道與功能片區兩個層面入手，提出對電力廊道布局的影響機制，進而借助構建的柵格模型對電力廊道的布局進行評價與優化。以此方式優化后的電力廊道具有更高的網絡連接效率，更為清晰的布局結構，實施也更有保障，且更符合城市自身的形態特征；而相應地，城市的景觀生態條件、土地開發建設也可以得到有效的保障。

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圖表來源：

表1-4：作者繪制

圖1-8：作者繪制