福建省沿海典型地形條件下臺風(fēng)大風(fēng)特性及對輸電線路的影響*

林 艷 吳 濱 曾穎婷 游 錚

(1.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350001；2.福建省氣候中心，福建 福州 350001)

架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，但因其自身的結(jié)構(gòu)和運行特點，容易受到氣象環(huán)境因素的影響而發(fā)生故障。根據(jù)電力搶修統(tǒng)計情況，臺風(fēng)對發(fā)電廠、輸變電設(shè)備及輸電線路均會造成損害，由于電網(wǎng)線路范圍廣、數(shù)量大及距離長的特點，電網(wǎng)線路遭受臺風(fēng)破壞情況最為嚴(yán)重。臺風(fēng)對電力設(shè)施造成的破壞主要包括輸電線路落地、倒塔、倒桿及桿塔傾斜、斷線、導(dǎo)線風(fēng)偏放電、橫擔(dān)斷裂、接地或相間短路等，造成破壞的主要原因是風(fēng)力強勁，架空線路抗風(fēng)設(shè)計等級較低，無法承受臺風(fēng)造成的風(fēng)力荷載[1-12]。如果能提高線路的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即可提高線路的防風(fēng)水平，但是隨著設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高，塔頭尺寸、桿塔及基礎(chǔ)等都要加強或加大，這勢必增加線路的本體投資，不滿足經(jīng)濟原則[13]，還需要與輸電線路抗風(fēng)能力的差異化措施相結(jié)合。

臺風(fēng)是福建省沿海的重大氣象災(zāi)害，臺風(fēng)大風(fēng)給輸電線路所帶來的危害極大。但目前有關(guān)福建省沿海典型地形條件下臺風(fēng)大風(fēng)特性及對輸電線路的影響研究還是空白。本文旨在為氣象部門對輸電線路的臺風(fēng)預(yù)報服務(wù)提供堅實的理論基礎(chǔ)，為輸電線路防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

收集整理2010—2019年登陸福建的臺風(fēng)過程，包括臺風(fēng)影響時段、路徑、強度、登陸時的強度等。根據(jù)福建沿海區(qū)域的地形特點，選取4個有代表性的地區(qū)，即寧德、福州、泉州、漳州地區(qū)為研究區(qū)域，以2010—2019年登陸上述4個地區(qū)且強度較強的臺風(fēng)過程為研究個例。氣象上定義極大風(fēng)速≥17.2m/s，即風(fēng)力達(dá)到8級以上，稱為大風(fēng)，因此選取臺風(fēng)過程中的極大風(fēng)速開展研究。根據(jù)《110～750 kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545—2010)的規(guī)定，選取海島和近海、平原、高海拔山地3種典型地形，并以平原地形下的極大風(fēng)速為參照，分析福建省沿海不同區(qū)域不同地形條件下臺風(fēng)大風(fēng)特性及對輸電線路的影響。

1.2 氣象站選取原則

①地形的代表性。由于研究的是地形對風(fēng)速的影響，因此在選取代表性氣象站時，充分考慮地形的代表性，即不同的地形條件下均有代表性氣象站。山地地形的氣象站高度均在100m以上。

②觀測環(huán)境良好。選取的區(qū)域自動氣象站下墊面為草地，周邊觀測環(huán)境良好，無遮擋。

③資料完整。選取的自動氣象站觀測資料完整性較好，在臺風(fēng)影響期間觀測數(shù)據(jù)完整。

2 福建省沿海不同地形的特征分析

福建省沿海地區(qū)地貌格局以多海灣、多半島的曲折海岸線為主體。根據(jù)福建沿海的地形特點以及輸電線路分布特點，選取寧德霞浦、福州福清平潭、泉州沿海、漳州東山4個地區(qū)為研究范圍。4個地區(qū)的地形特征概述如下：

寧德霞浦地區(qū)地形：山地直接入海，沿海幾乎沒有平原，地形分別為海島及近海、平原和高海拔山地。選取北礵、西洋等8個氣象站研究臺風(fēng)影響期間風(fēng)速變化特點(圖1)。

圖1 寧德地區(qū)地形圖及氣象站位置

福州福清平潭地區(qū)地形：閩江口附近由于山地逼近海岸，平原窄小；閩江口以南則有較大面積的沿海平原，例如福州平原、興化平原，地形分別為海島及近海、平原和高海拔山地。選取牛山島、蘇澳村等9個氣象研究臺風(fēng)影響期間風(fēng)速變化規(guī)律(圖2)。

圖2 福州地區(qū)地形圖及氣象站位置

泉州沿海地區(qū)地形：沿海分布著泉州平原，地形分別為近海、平原和高海拔山地。選取山霞、斗尾等13個氣象站研究臺風(fēng)影響期間風(fēng)速變化規(guī)律(圖3)。

圖3 泉州地區(qū)地形圖及氣象站位置

漳州東山地區(qū)地形：分布著漳州平原，地形分別為近海、平原和高海拔山地。選取冬古、西港鹽場等11個氣象站研究臺風(fēng)影響期間風(fēng)速變化規(guī)律(圖4)。

圖4 漳州地區(qū)地形圖及氣象站位置

3 登陸福建的臺風(fēng)概況

臺風(fēng)是福建省沿海的主要氣象災(zāi)害，2010—2019年登陸寧德、福州、泉州、漳州4個地區(qū)且影響較大的臺風(fēng)過程一共有16個(見表1)。其中201323“菲特”和201808“瑪利亞”的強度最強，登陸時強度均為強臺風(fēng)級，201010“莫蘭蒂”、201011“凡亞比”、201013“鲇魚”、201307“蘇力”、201312“潭美”、201617“鯰魚”、201709“納沙”這7個臺風(fēng)登陸時強度為臺風(fēng)級。其余臺風(fēng)中有4個登陸時強度為強熱帶風(fēng)暴，3個登陸時強度為熱帶風(fēng)暴。

表1 登陸福建的臺風(fēng)概況

4 不同地形條件下臺風(fēng)大風(fēng)的特征分析

有研究發(fā)現(xiàn)，隨著臺風(fēng)中心位置的移動，最大風(fēng)速逐漸減小，臺風(fēng)風(fēng)場強度減弱，使得線路故障率逐漸減小；但由于臺風(fēng)風(fēng)場的對稱性以及線路與風(fēng)速夾角的改變，使得部分線路故障率并不呈現(xiàn)單調(diào)減小。黃勇等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在珠三角地區(qū)，輸電線路損毀風(fēng)險程度與臺風(fēng)風(fēng)速及臺風(fēng)中心的位置有著密切聯(lián)系，風(fēng)速越大、臺風(fēng)中心越接近的線路，受損風(fēng)險程度越高。距臺風(fēng)中心的距離越遠(yuǎn)，風(fēng)速降低，其線路受損風(fēng)險值越低，但該結(jié)論沒有考慮地形影響。本研究發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)影響福建沿海期間，風(fēng)速從海島和近海-平原-高海拔山地不是簡單的線性遞減。為了方便統(tǒng)計，同種地形下使用氣象站極大風(fēng)速的最大值來計算風(fēng)速的增幅或降幅。

4.1 風(fēng)速從平原到海島的變化規(guī)律

由表2～表5可知，臺風(fēng)影響期間，福建省沿海4個地區(qū)風(fēng)速從海島和近海向平原的變化規(guī)律均為：極大風(fēng)速從海島和近海-平原地形衰減顯著。但四個地區(qū)極大風(fēng)速的降幅各不相同，降幅分別為19%、69%、47%、48%，福州地區(qū)風(fēng)速衰減最為明顯(圖5)。

由表2～表5還可以發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)影響期間，海島和近海地形下的極大風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過《110～ 750 kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545—2010)提出的設(shè)計風(fēng)速，特別是寧德和福州地區(qū)，在“瑪利亞”臺風(fēng)和“納沙”臺風(fēng)影響期間，海島和近海地形下的極大風(fēng)速超過設(shè)計風(fēng)速近一倍。

4.2 風(fēng)速從平原到高海拔山地的變化規(guī)律

由表2～表5可知，臺風(fēng)影響期間，寧德、泉州、漳州地區(qū)風(fēng)速從平原到高海拔山地的變化規(guī)律均為：極大風(fēng)速從平原-高海拔山地又有所增大。但三個地區(qū)極大風(fēng)速的增幅各不相同，增幅分別為11%、17%、31%，漳州地區(qū)風(fēng)速增大最為明顯。這與高雁等[15-16]的研究結(jié)果一致。而福州地區(qū)風(fēng)速從平原-高海拔山地是減小的，降幅為8%。

表2 臺風(fēng)影響期間寧德地區(qū)極大風(fēng)速

表3 臺風(fēng)影響期間福州地區(qū)極大風(fēng)速

表4 臺風(fēng)影響期間泉州地區(qū)極大風(fēng)速

表5 臺風(fēng)影響期間漳州地區(qū)極大風(fēng)速

統(tǒng)計16個臺風(fēng)樣本，風(fēng)速隨地形高程的增加而加大的符合率為80%，這與陳啟新[17]的研究結(jié)果大致相當(dāng)。

5 輸電線路抗臺風(fēng)差異化措施建議

由上述分析可知，寧德和福州地區(qū)海島和近海地形條件下遭遇超出輸電線路的風(fēng)荷標(biāo)準(zhǔn)的大風(fēng)概率最大，因此福建沿海可以按照表6劃分為3 個危險等級，并針對不同危險等級的地形，采取輸電線路抗臺風(fēng)差異化的措施。由于臺風(fēng)正面登陸是小概率、高風(fēng)險事件，因此在輸電線路的路徑選擇時，要盡量避開影響線路安全運行的“高危險”地形條件，以便發(fā)生事故時可以控制事故范圍，減小搶修作業(yè)范圍。對于中危險地形條件，可適當(dāng)提高線路設(shè)計風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)，提高線路的可靠性。對“低危險”地形采取基本的防御措施和手段。

表6 福建省沿海地區(qū)地形危險等級劃分

6 結(jié)論

本文研究了風(fēng)速從海島和近海-平原-高海拔山地的變化規(guī)律以及對輸電線路的影響，得出以下結(jié)論。

①風(fēng)速從海島和近海-平原-高海拔山地非線性遞減，極大風(fēng)速從海島和近海-平原衰減顯著。寧德、福州、泉州、漳州四個地區(qū)降幅分別為19%、69%、47%、48%，福州地區(qū)風(fēng)速衰減最為明顯。

②寧德、泉州、漳州三個地區(qū)極大風(fēng)速從平原-高海拔山地又有所增大，增幅分別為11%、17%、31%，只有福州地區(qū)風(fēng)速繼續(xù)衰減，降幅為8%。風(fēng)速隨地形高程的增加而加大的符合率為80%。

③據(jù)此，可將福建沿海劃分為3 個危險等級，并針對不同危險等級的地形，采取輸電線路抗臺風(fēng)差異化措施。盡量避開影響線路安全運行的“高危險”地形條件，對于中危險地形條件可適當(dāng)提高線路設(shè)計風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)，對“低危險”地形采取基本的防御措施和手段。