湖北電網覆冰微地形辨識研究

黃俊杰，周學明，俞 斌，付劍津

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

近年來隨著全球氣候的演化，受厄爾尼諾、拉尼娜等現象影響，以覆冰為代表的各類極端惡劣天氣的發生范圍、頻率和強度都顯著增加［1-10］，給湖北電網安全運行帶來的風險也呈上升趨勢。

國家電網有限公司組織繪制的《電網冰區分布圖》，是電力設計、規劃、運維等部門科學分析輸電線路覆冰的空間分布特征，精準指導輸電線路防冰抗冰設計和加固改造的重要依據［11-15］。冰區分布圖在指導劃分架空輸電線路防雨雪冰凍災害重點區域，制訂差異化治理措施等方面發揮了重要作用。對于平原地區，由于地形變化小，大范圍內的溫度、風速等氣象要素受地形影響小，實際輸電線路覆冰情況與冰區分布圖的等值覆冰厚度符合度高。對于山地、丘陵地區，存在覆冰微地形區域，由于地形特點使某些氣象要素大幅增強，導致位于這些區域的輸電線路覆冰嚴重程度遠高于其它區域。而且微地形區域一般面積不大，為幾平方公里到十幾平方公里，在冰區分布圖上難以體現。因此，覆冰微地形區域辨識是開展防冰災工作的難點。

相關文獻介紹了覆冰微地形的特征規律和辨識方法，如海拔與輸電線路等值覆冰厚度的正相關性［16-17］，坡度［18］、風向［19-20］是辨識覆冰微地形的重要因素。陸佳政等人提出微地形覆冰嚴重程度從大到小排序為山脊（風口、埡口）、峽谷、迎風坡上部、迎風坡山腰、背風坡上部、迎風坡山腳［21］。吳建蓉等人提出覆冰微地形相關因子為坡度、高程、與水體距離、覆冰監測終端所在桿塔與前側桿塔高差、覆冰監測終端所在桿塔與后側桿塔高差、迎風坡、地表起伏度、地表粗糙度這8 個因子［22］。張露松等人采用大數據分析方法提出覆冰微地形相關因子為高程、坡度、迎風坡或背風坡、冬季主風向與線路走向夾角、線路走向高度差、與水體距離［23］。目前尚未有覆冰微地形界定的明確標準，不同地區的覆冰機理有所差異，因此覆冰微地形的辨識方法也不同。

本文以湖北地區為研究對象，針對冰區分布圖難以反映覆冰狀況的微地形區域，提出覆冰微地形辨識方法。首先明確山地劃分標準，然后綜合考慮坡向、山脊、臨近水體等地形指標，判斷覆冰微地形，并以湖北典型覆冰微地形區為例驗證。本方法對掌握湖北覆冰微地形分布規律，全面地考慮微地形對線路覆冰的影響，指導線路運維和在線監測設備布點均具有較大實際意義［24-29］。

1 覆冰微地形的定義

一般而言，湖北電網覆冰微地形是指在一個小范圍內，由于地形的不同，氣候具有明顯的立體氣候特征，導致覆冰特別嚴重。山脈的走向與坡向不同，覆冰都會有很大的差異，一般迎風坡及開闊地區覆冰重，背風坡及閉塞地區覆冰輕；山體部位不同，電線覆冰也會有明顯的差異，一般山頂、分水嶺、埡口等地覆冰重，山腳、山腰、山凹等地覆冰較輕；線路靠近江湖水體，水氣充足，覆冰較重，線路遠離水體，空氣干燥地區覆冰較輕。

分析研究表明，海拔每上升100 m，氣溫下降0.6 ℃～1.0 ℃，氣溫下降是冬季線路局部覆冰突然增大的主要原因之一［30］。山區坡地遇到冷空氣團時，分迎風坡和背風坡，地形對覆冰的影響如圖1 所示。冬季在迎風坡氣流受到地形影響而出現沿地形爬升運動，在起始階段，由于海拔較低，氣溫相對高，空氣處于未飽和狀態，難以凝結形成雨或雪，一般氣溫的垂直遞減率約為0.8 ℃～1.0 ℃/100 m；隨著氣流的沿坡爬升和氣溫的逐漸降低，空氣達到準飽和狀態，氣溫的垂直遞減率小于0.6 ℃/100 m，此時空氣團有利于水汽的凝結，輸電線路覆冰的概率增大；氣流再向上爬升，空氣處于飽和狀態甚至過飽和狀態，非常有利于輸電線路覆冰或覆冰增長。氣流越過山頂后，開始在背風坡下沉，由于迎風坡凝結降水使空氣中水汽減少，背風坡飽和區和準飽和區大幅上移，使得輸電線路背風坡覆冰情況遠沒有迎風坡嚴重。如果在氣流來向上有江河湖泊等水體，氣流中豐富的水汽將會使迎風坡覆冰情況更加嚴重。

圖1 地形對覆冰的影響Fig.1 Influence of topography on icing

《DL/T 741-2019 架空輸電線路運行規程》中對微地形區的定義是大地形區域中的一個局部狹小的范圍，微地形區按分類主要有埡口型、高山分水嶺型、水汽增大型、地形抬升型、峽谷風道型等。按上述分析，覆冰微地形主要分布在山地迎風坡和山脊，而靠近江湖水體，會加重線路覆冰。

2 山地的辨識

《地貌學辭典》對山地的定義是：山地為山集合體的統稱，是一種具有一定坡度、較大高差（相對高差大于200 m），又互相連綿，突出于平原或臺地之上的正地貌形態，常由山嶺和山谷組成。不同文獻對山地與非山地的區分方法差異較大，目前還沒有統一分類標準。

楊斌等提出的按絕對高程、相對高程、坡度、地面粗糙度4 類因子分類方法［31］，臨界值分別為500 m、100 m、25°和3.13，海拔1 000 m 以上區域直接劃為山地，低于1 000 m 的區域判斷標準為：①當絕對高程、相對高程均大于等于臨界值時，直接判定為山地；②當絕對高程、相對高程只有一個大于等于臨界值時，坡度、地面粗糙度應至少1 個大于等于臨界值；③當絕對高程、相對高程均小于臨界值時，坡度、地面粗糙度應均大于等于臨界值。按上述判據辨識湖北境內山地，存在大量符合判據①的區域，少量符合判據②的區域，沒有符合判據③的區域。

張偉等提出的山地界定標準為［32］：1）海拔大于2 500 m 區域；2）海拔500 m-2 500 m 之間，相對高程大于100 m 或坡度大于25°的區域；3）海拔低于500 m，相對高程大于50 m的區域。

在比較前述2類方法基礎上，針對湖北地形特征，經反復選擇相關氣象因子及閾值，確定用于湖北覆冰微地形辨識的山地界定標準為：1）海拔大于等于2 000 m區域；2）海拔小于2 000 m，相對高程大于等于200 m 且坡度大于等于4°的區域。其中相對高程取2 000 m 范圍內最大海拔差，湖北地區山地分布如圖2所示，圖中山地占比為51.91%，面積為9.65萬km2。本方法山地分類結果涵蓋了鄂西山區、北部大洪山和桐柏山、東部大別山、東南部幕阜山等區域，符合人們對山地的認知。與前述兩方法相比，采用相對高程和坡度大幅減少了數據處理難度。

圖2 湖北地區山地分布圖Fig.2 Mountain land distribution map of Hubei Province

3 覆冰微地形辨識

輸電線路覆冰增長理論模型見式（1）：

式（1）中，M為單位長度的冰重，α1為碰撞效率，α2為粘性率，α3為凍結率，ω為單位體積液態水含量，A為積冰體的橫截面面積，v為風向垂直于積冰物體的風速。

從宏觀氣象要素來分析，溫度、濕度和風速是影響覆冰的主要氣象因素，而水體、迎/背風坡、山脊等地形會影響上述氣象因素。

3.1 水體影響

在同一輪輸電線路覆冰時段內，普查典型水體周邊不同距離的覆冰厚度，發現并非水體越近覆冰越厚，通過水體蒸散量數值模擬計算，水體影響范圍約為5 km，空氣濕度增加最大值出現在2 km-2.5 km 的距離，如表1所示。

表1 水體附近空氣濕度相對比值Table 1 Relative ratio of air humidity near water body

因此，附近5 km范圍內存在水體作為覆冰微地形判據之一。湖北地區水系分布如圖3所示，可通過地理分析軟件確定某一格點5 km范圍內是否存在水體。

圖3 湖北地區水系分布圖Fig.3 Water system distribution map of Hubei Province

3.2 迎風坡影響

對于迎風坡或背風坡的提取主要計算坡向與冬季主導風向的夾角θ，當0°θ＜90°時表明處于迎風坡。

3.3 山脊影響

利用水文分析提取山脊線，山脊線相當于分水線，即水流的起源點，這些柵格的水流方向只存在流出方向而不存在流入方向，所以匯流累積量為零。通過對零值的提取就可以得到山脊線。

基于湖北數字高程數據，首先進行填洼，再采用水文分析求出流向流量，提取出匯流累積量為零的值與正地形求交，即得到山脊線，如圖4所示。

3.4 線路走向影響

風向與線路走向垂直時，冷空氣中大量的水汽能夠在線路上凝結形成覆冰；風向與線路走向平行時，線路覆冰情況會減弱很多。但是，實際中也存在一些平行走向線路覆冰相較于鄰近線路覆冰嚴重的情況，因此以冬季主導風向與線路走向夾角大于30°為覆冰微地形判據是非必須的，是輔助判據。

綜上分析，湖北地區輸電線路桿塔是否位于覆冰微地形的判斷標準是：

1）桿塔位于山地；

2）桿塔附近5 km范圍內存在水體；

3）桿塔位于迎風坡或山脊；

4）桿塔處線路走向與主導風向夾角大于30°（非必須，輔助判據）。

4 覆冰微地形辨識案例

某500 kV架空輸電線路位于山區，現分析該線路290 號-310 號段所經區域是否存在覆冰微地形，該段線路衛星影像圖如圖5所示，數字高程如圖6所示。該線路段的地形數據如表2 所示，其中受峽谷回流型地形影響，冬季主導風向為西風。

圖5 線路衛星影像圖Fig.5 Satellite image of transmission line

圖6 線路數字高程圖Fig.6 Digital elevation map of transmission line

按微地形判據分析，290 號-310 號段位于山地；海拔高度和坡度數據說明290號-299號和303號-310號分別為線路上坡、下坡段；坡向數據說明290號-299號段位于迎風坡，其中296 號-298 號與主導風向夾角小，且位于迎風坡上部；290號-299號全段周圍5 km范圍內均有水體；從線路走向來看，290號-310號段呈較明顯的西北-東南走向，與冬季主導風向大體呈45°夾角。因此，該線路296 號-302 號位于典型的覆冰微氣象區，其中296 號-298 號段覆冰嚴重。經與巡線人員交流和現場調查，反映迎風坡山腳下接近水體位置的桿塔覆冰不嚴重，接近頂部以及頂部桿塔覆冰明顯增加，最重的覆冰區段在296號-298號段。

5 結語

本文針對冰區分布圖難以反映覆冰狀況的微地形區域的問題，提出了覆冰微地形辨識方法。首先明確山地劃分標準，然后綜合考慮坡向、山脊、臨近水體、線路走向、覆冰主導風向等指標，給出了湖北地區覆冰微地形判斷標準，并以典型覆冰微地形區為例驗證。

準確判斷覆冰微地形是比較困難的，一方面判據之間相互影響，如局部的覆冰主導風向受地形影響等，另一方面難以提出量化指標，如相對高程、水體距離等的準確值。因此，本文方法辨識得到的覆冰微地形，還應具體點位具體分析，現場勘察后最終確定，下一步將在量化覆冰微地形判據指標上開展深入研究。