浙江電網臺風風災的孕災環境因子敏感性分析*

趙 偉,周 娟，陳科技，姜瑜君

(1.浙江省氣象科學研究所, 浙江 杭州 310008; 2.杭州市氣象局, 浙江 杭州 310051;3.國網浙江省經濟技術研究院, 浙江 杭州 310016)

浙江省是受臺風影響最大的地區之一。臺風引發的大風是電網設施損壞的最重要致災因子之一[1]。2013年的菲特臺風給浙江電網造成了巨大的損失，造成輸電線路風偏26次、跳閘18次、倒塔17次。2020年的黑格比臺風，被列為2020年全國十大自然災害之一。受其影響，浙江全省567條輸電線路停運，19 247個臺區、188.3萬戶用戶用電受影響。沿海地區的線路跳閘數據表明，臺風災害引發的線路故障已經占到跳閘總數30%以上[2]。加強電網臺風風災的研究對于防災減災有著現實意義。當前的研究主要集中于電網臺風風災風險預警及評估研究[3-8]，但針對電網風災的孕災環境因子系統性研究還比較少。 電網臺風風災孕災環境因子敏感性研究是災害風險研究的基礎，是提高電網臺風風災風險預警精度的先決條件。

本文利用 ArcGIS 軟件對高精度 DEM 數據、 土地利用類型數據進行提取和處理，獲得浙江電網桿塔和電網臺風風災點的地形地貌因子(海拔高度、土地利用類型、坡度、坡向、地形起伏度和離岸距離)，利用數理統計的方法，定量化分析各孕災環境因子對電網臺風風災的影響程度。在此基礎上，利用SPAW軟件進行因子分析，確定各個孕災環境因子的權重系數，構建電網臺風風災孕災環境敏感性評估模型，繪制浙江電網臺風風災孕災環境敏感度分布圖，為電力部門線路設計和風險評估提供參考。

1 數據與方法

1.1 數據

依據氣象部門的統計標準[9]，結合浙江電網每個臺風引發風災頻數，篩選出2006—2020年9個高影響浙江的臺風個例(桑美2006，海葵2012，菲特2013，蘇迪羅2015，燦鴻2015，瑪莉亞2018，利奇馬2019，米娜2019和黑格比2020)。9個高影響浙江臺風影響期間共有252個浙江電網110 kV及以上桿塔的風災事故，來自國網浙江省電力公司電力科學研究院。數據包括事故桿塔的經緯度、風災事故等類型。

電網桿塔數據(經緯度)：為 2013 年采集記錄，來自國網浙江省電力公司電力科學研究院。1∶50 000的DEM 數據。根據文獻研究[10]，基于 DEM 提取的桿塔海拔高度精度可用于孕災環境因子的研究。國際地圈生物圈計劃(IGBP) 1 km 分辨率的中分辨率成像光譜儀(MODIS)土地利用數據。

利用ArcGIS將浙江省按照0.01°×0.01°網格劃分為99 499個單元。

1.2 方法

1.2.1 風災樣本的選取

電網風災主要分為風偏跳閘、絕緣子和金具損壞、導地線斷股和斷線及桿塔損壞四種類型[11]。風偏跳閘是由于導線在風的作用下發生偏擺后由于電氣間距離不足導致放電跳閘。其中絕緣子和金具損壞、導地線斷股和斷線及桿塔損壞均發生在桿塔，風災發生范圍為桿塔。風偏跳閘是在桿塔之間的導線發生一定的位移和偏轉，因此僅僅考慮風偏跳閘桿塔為事故點不夠科學，有必要將風偏跳閘桿塔事故點范圍適當擴大。其次， 僅僅使用252個風災樣本，得出的結論缺少統計意義。基于以上原因，結合浙江電網平均檔距一般都小于1 km和網格精度約為1 km×1 km，將風災樣本選擇以桿塔為中心的周邊1 km范圍。綜上所述，風災樣本分為兩類：一類是發生過風災的桿塔數252個，一類為中心位于風災桿塔周邊1 km的網格數403個(圖1)。

圖1 浙江電網臺風風災樣本點分布圖(注：該圖基于國家測繪地理信息局標準地圖網站下載的審圖號GS(2020)4630號的標準地圖制作，地圖無修改，下同)

1.2.2 孕災環境因子的選擇

電網臺風風災的發生受內外動力作用的綜合影響。深入分析研究浙江電網臺風風災發生的特點和分布規律，并結合浙江省的地形地貌等資料，選取海拔、土地利用類型、坡度、坡向、地形起伏度和離岸距離6個因素作為孕災環境因子。

1.2.3 綜合孕災環境敏感性評估方法

利用SPAW軟件的因子分析功能，計算各個影響因子的權重系數，以此作為各個孕災環境因子對電網臺風風災影響程度的判別依據。依據權重系數，構建孕災環境敏感度評估模型，并繪制敏感度分布圖。

2 結果分析

2.1 海拔對電網臺風風災的影響

依據桿塔數據和風災樣本數據，將海拔高度以100 m 分段，計算各高度段發生過風災的樣本數占所在高度桿塔數的百分比，以其作為海拔對電網臺風風災影響程度的判別依據(表1)。

表1 不同高度風災樣本數占所在高度桿塔數的百分比

從總體趨勢分析，海拔越高，對電網臺風風災形成的促進作用越強烈。相比海拔400 m以下地區，海拔400 m以上地區發生電網臺風風災的概率增加一倍多，以后電網防范臺風風災需要重點關注此區域。

2.2 土地利用類型對電網臺風風災的影響

將浙江省的土地利用類型分為 8 大類：森林/林地、灌叢、 草地、濕地、城市和建成區、耕地、農田/植被、水體，分別計算出各土地利用類型風災樣本數占所在土地利用類型桿塔數的百分比(表2)。從表2可知，永久濕地最容易形成電網臺風風災，其次是農田/植被和森林。耕地最不容易發生電網臺風風災。

表2 不同土地利用類型風災樣本數占所在土地利用類型桿塔數的百分比

2.3 坡度對電網臺風風災的影響

依據桿塔和風災樣本數據，將坡度以10°分段，計算出不同坡度的風災樣本數占所在坡度桿塔數的百分比(表3)。從總體趨勢分析，坡度對電網臺風風災的形成有正向促進作用。隨著坡度的增大對電網臺風風災的促進作用越來越強烈。

表3 不同坡度風災樣本數占所在坡度桿塔數的百分比

2.4 坡向對電網臺風風災的影響

將坡向分成以下 9 種：無坡向(-1)、北坡 (0°～22.5°或 337.5°～360°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°) 、西南坡 (202.5°～247.5°) 、西坡 (247.5°～292.5°)和西北坡(292.5°～337.5°)。按照不同的坡向分類，分別計算出各坡向風災樣本數占所在坡向桿塔數的百分比(表4)。從表4可知，山體坡向為東坡的地區最易發生電網臺風風災，其次是南坡和東北坡，平地(無坡向)最不容易發生電網臺風風災。高影響臺風引發大風的風向主要由臺風的位置決定。結合文獻研究[12]，高影響浙江的臺風期間，樣本點的主導風多為東風、東南風或者東北風。高影響浙江臺風多從浙東沿海(如溫州、臺州和寧波等地)登陸，因此山體的東坡和東北坡多為迎風坡，容易產生極端大風。而背風坡因為有山體阻擋，所以不易產生極端大風。

表4 不同坡向風災樣本數占所在坡向桿塔數的百分比

2.5 地形起伏度對電網臺風風災的影響

依據桿塔數據和風災樣本數據，將地形起伏度按照20 m分段，分別計算各地形起伏度的風災樣本數占所在地形起伏度桿塔數的百分比(表5)。張馨璟等[13]按照地形起伏度將浙江省劃分5類，其中地形起伏度0～30 m之間，認為是平坦區，30～70 m之間的是微起伏區，70～200 m為小起伏區。浙江電網的所有桿塔基本都位于地形起伏度在200 m以內的區域。

表5 不同地形起伏度風災樣本數占所在地形起伏度桿塔數的百分比

由于地形起伏度在140 m以上的樣本個例太少，所以未統計地形起伏度在140 m以上的樣本。從結果分析，地形起伏度越大的地區(如山區或丘陵地區)，對電網臺風風災形成有明顯的促進作用；地形起伏度小的地區(如平原)，對電網臺風風災形成的作用最不強烈。這與坡度對電網臺風風災形成的影響結果基本一致。

2.6 風災點離海岸距離對電網臺風風災的影響

依據桿塔數據和風災樣本數據，將離岸距離按照5 km分段，分別計算各離岸距離的風災樣本數占所在離岸距離桿塔數的百分比(表6)。從表6分析，離岸距離在5～10 km之間的所占比例最大，其次是離岸距離在10～15 km之間。總體上，離岸距離小于15 km，較容易發生電網臺風風災；離岸距離大于15 km，較不容易發生電網臺風風災。

表6 不同離岸距離風災樣本數占所在離岸距離桿塔數的百分比

2.7 綜合孕災環境敏感性評估及區劃

利用PASW軟件對風災樣本的影響因子作因子分析[14-16]，使用KMO和Bartlett的球形度檢驗，得出6個影響因子旋轉后的方差解釋率和旋轉后累積方差解釋率。依據方差解釋率和旋轉后累積方差解釋率，計算出各個影響因子的權重系數(表7)。6個影響因子中，坡度和地形起伏度對浙江電網臺風風災形成影響最嚴重，其次是離岸距離、海拔和坡向，土地利用類型對其影響最小。

表7 各孕災環境因子的權重系數

依據各個孕災環境因子的權重系數，得出電網臺風風災孕災環境敏感度評估模型為：

I=0.26×Is+0.13×Ia+0.25×Ir+0.03×Ii+0.16×Ie+0.17×I0。

(1)

式中：I為孕災環境敏感度；Is為歸一化后坡度；Ia為歸一化后坡向；Ii為歸一化后土地利用類型；Ir為歸一化后地形起伏度；Ie為歸一化后海拔高度，Io為歸一化后離岸距離。以此模型，計算浙江省電網臺風風災孕災環境敏感度分布圖(圖2)。從圖2分析，杭嘉湖平原、沿海平地和金衢盆地等地是電網臺風風災孕災環境敏感度較低的區域，山區多為敏感度較高地區。

圖2 浙江電網臺風風災孕災環境敏感度分布圖

3 總結與討論

(1)從總體趨勢分析，海拔、坡度和地形起伏度對電網臺風風災形成是正向促進作用。永久濕地最容易形成電網臺風風災，其次是農田/植被和森林。耕地最不容易發生電網臺風風災。山體坡向為東坡的地區最易發生電網臺風風災，其次是南坡和東北坡，平地(無坡向)最不容易發生電網臺風風災。離岸距離在15 km以內，較容易發生電網臺風風災。

(2)對浙江電網臺風風災形成影響最大的孕災環境因子是坡度和地形起伏度，其次是離岸距離、海拔和坡向，影響最小的孕災環境因子是土地利用類型。

(3)從孕災環境敏感度分布圖中可以分析，杭嘉湖平原、沿海平地和金衢盆地等地是電網臺風風災孕災環境敏感度較低的區域，山區多為敏感度較高地區。

(4)本研究的樣本數僅有655個，根據模型擴展至近1萬個網格，但未做模型的適用性研究。在將來的工作中，將針對模型的適用性研究；另外，本研究中選取的9個臺風強度不同，下一步將研究不同等級臺風下的電網臺風風災的特征。