夏智宏,主要从事卫星遥感灾害评估及地理信息系统应用与研究.Email:
电线积冰是影响电网正常运行的重要因素,研究电线积冰与微地形因子的关系对于电线积冰风险区划、电网建设可行性论证等具有重要指导意义。本文利用湖北省1:5万基础比例尺地形图数据和湖北省电网线路冰害故障调查统计数据,对电线积冰厚度与其对应的微地形因子进行相关性分析,识别对电线积冰有显著影响的微地形因子,分析电线积冰厚度与对其影响显著的微地形因子的定量关系,解析微地形因子对电线积冰敏感性等级。结果表明:地形起伏度、海拔高度、离水体远近程度、下垫面类型等是影响积冰厚度最显著的微地形因子;地形起伏度与积冰厚度呈乘幂函数关系,海拔高度与积冰厚度呈对数函数关系,离水体远近程度与积冰厚度呈分段函数关系,下垫面类型与积冰厚度无显式的函数关系,但积冰灾害发生点具有明显的随下垫面类型分布的特征;积冰厚度随地形起伏度、海拔高度的增加而增加,而其变化率和敏感性则逐渐减小;地形起伏度小于40 m时,其对积冰风险最敏感;海拔高度在25~100 m时,其对积冰风险最敏感;积冰厚度随离水体距离的增加呈先增后减的变化趋势,其变化率绝对值和敏感性也呈先增后减的变化趋势,当离开水体距离在2~2.7 km时,其对积冰风险最敏感;电线积冰灾害多发区域的下垫面主要为水体、林地,其次为农田和草地,水体对积冰风险的敏感性等级分别是林地、农田、草地的1.5、3.6和16.7倍。
Wire icing is an important influencing factor of power grid's safety. It is of important directive significance for the risk division of wire icing and the feasibility demonstration of power gird construction to study the correlativity between wire icing and microrelief elements. The paper uses 1:50000 large-scale topographic maps and investigation data of wire icing disasters to study the correlativity of different microrelief elements and icing thickness, distinguish the microrelief elements which influence icing thickness remarkably and analyze quantitative relations between icing thickness and microrelief elements. Thus we obtain the sensitivity levels of the microrelief elements to different icing thickness range. The results show that, among the microrelief elements, the topographic roughness, altitude, distance from water body and land use type are the most significant elements which influence the icing thickness; the relationship of topographic roughness and design icing thickness is a power function; the relationship of altitude and design icing thickness is a logarithm function; the relationship of distance from water body and design icing thickness is a piecewise function, and the function relation of land use type and design icing thickness is not obvious. However, icing disaster is of obvious distribution configuration with land use type. While topographic roughness and altitude increase, icing thickness increases, its change rate and sensitivity descend; when topographic roughness is less than 40 m, it is the most sensitive to icing risk; when altitude is between 25-100 m, it is the most sensitive to icing risk; while distance from water body increases, icing thickness decreases after increasing trend, its change rate and sensitivity also decrease after increasing trend; when the distance is between 2-2.7 km, it is the most sensitive to icing risk. It is found that wire icing disasters mainly occur in water body, woodland, cultivated field and meadow, the sensitivity level of water body to icing risk is 1.5 times of woodland, 3.6 times of cultivated field, 16.7 times of meadow respectively.
地形地貌与电线积冰的关系非常密切。一般而言,在高山的山顶和冬季迎风坡面地带是强冰冻区。在高原边缘气流抬升造成降水增强的地区积冰更严重。在背风及气流下沉区积冰减弱。小地形的作用则是在强冰区内的峡谷、风口、朝向河流、湖泊、水库等水体的坡地等区段造成重冰区[
以上研究成果主要是对微地形因子与电线积冰关系的定性研究, 缺乏对其相互关系的定量评价。本文利用湖北省1:5万基础比例尺地形图和电网线路冰害故障调查统计数据,判识对电线积冰厚度影响显著的微地形因子,分析研究微地形因子与电线积冰厚度的相关关系(如电线积冰厚度随海拔高度的变化),确定各微地形因子对电线积冰的敏感性等级,为湖北省电线积冰孕灾环境敏感性评估提供参考依据。
电线积冰调查资料来源于中南电力设计研究院,包括2008年湖北省冰害故障所在地域(市、县、乡),线路名称、维护单位、电压等级(kV)、故障发生时间、故障点杆塔号、杆塔型号、故障点位(经度、纬度、海拔高度)、积冰厚度、故障类型、设备损坏情况报告、受灾停电线路故障点的地形地貌条件(高山、丘陵、平原河道)和气象条件(风速、温度、湿度)等。
地形地貌资料来源于国家基础地理信息中心2005年发布的1:5万基础比例尺地形图,包括高程、河网、下垫面类型等数据(如
微地形资料信息
Microrelief data information
微地形类别 | 微地形资料意义与说明 | 详细程度 | 获取时间 |
高程栅格数据 | 反映地表海拔高度 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
河网矢量数据 | 用于提取河道、湖泊水库与电网最短距离 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
下垫面类型数据 | 湖北省TM30M土地利用/覆盖数据,用于分析下垫面类型与电线积冰的关系 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
坡度 | 某点所处TIN表面与水平面的夹角 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
坡向 | 某点所处三角形面的法线方向在平面上投影所指的方向 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
地表照明度 | 计算栅格单位照明值,表征地形立体形态 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
坡度变率 | 地面坡度在微分空间的变化率,表征地面高程相对于水平面的二阶倒数 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
坡向变率 | 反应地表局部微小范围内坡向的最大变化情况 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
地表粗糙度 | 特定区域内地球面积与其投影面积之比,反映地表形态的宏观指标 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
地表起伏度 | 特定区域内,最高海拔与最低海拔高度差,描述区域地形特征的宏观指标 | 湖北省1:5万 | 2005年 |
山脊线 |
山脊和山谷线构成地形起伏变化的骨架线,山脊表示分水性、山谷表示汇水性 | 湖北省1:5万 |
2005年 |
电线积冰厚度随输电线线路的不同高度、不同线径以及不同积冰密度等参数而不同。因此研究积冰厚度与微地形因子的相互关系须在同一积冰厚度计量标准下进行。本文根据《电力工程气象勘测技术规程》(DL/T 5158-2002) 对实测冰厚与标准冰厚进行了转换[
根据调查积冰直径计算标准冰厚:
然后,根据标准冰厚推算设计冰厚:
式中,
首先对输电线积冰调查资料进行空间信息化处理,导入空间数据库。根据积冰灾害调查资料的位置以及微地形因子数据,在识别与判断的基础上获取与积冰调查样本对应的有效微地形因子数据。接着,对调查积冰厚度进行标准化处理,获取标准冰厚数据,并推算特定的设计冰厚,使调查冰厚数据具有可比性。然后,应用逐步回归分析法,识别对电线积冰有显著影响相互独立的微地形因子。最后,分析研究积冰厚度与对其影响显著的微地形因子的定量关系,获取微地形因子对电线积冰敏感性等级(分析流程如
电线覆冰风险区划流程
Risk division process of wire icing
对设计冰厚与微地形因子进行相关性分析,并参考相关研究成果,识别对积冰灾害影响显著的微地形因子,对其与积冰风险的关系进行定量解析。
对设计冰厚与起伏度、海拔高度、下垫面影响指标、与最近水体距离、坡度、坡向、表面照明度、坡向变率、粗糙度等微地形因子进行逐步回归分析(样本数为29)。结果表明,对积冰厚度有显著影响且相互独立的微地形因子分别为起伏度、地表照明度、下垫面影响度、海拔高度、山脊点影响度、坡向变率,均通过了
逐步回归参数
Stepwise regression analysis
序号 | 入选变量 | 偏相关 |
回归模型 |
||
1 | 起伏度 | 0.3707 | 0.3707 | 15.90 | 0.0005 |
2 | 地表照明度 | 0.2144 | 0.5851 | 13.44 | 0.0011 |
3 | 下垫面指标 | 0.1377 | 0.7228 | 12.42 | 0.0017 |
4 | 海拔高度 | 0.0395 | 0.7623 | 3.98 | 0.0574 |
5 | 山脊点影响 | 0.0396 | 0.8019 | 4.60 | 0.0428 |
6 | 坡向变率 | 0.0227 | 0.8246 | 2.85 | 0.1056 |
选定了以上对设计冰厚影响显著且相互独立的微地形因子建立设计冰厚回归模型,并对实测设计冰厚值与模型预测值进行了分析检验。模型如下:
其中,
实测冰厚与预测设计冰厚拟合图
Fitting diagram of observed and predicted icing thickness
实测冰厚与预测冰厚对比图
Comparison diagram of observed and predicted icing thickness
选取与积冰风险关系密切的水体距离因子[
地形起伏度是指特定的区域内,最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。它是描述一个区域地形特征的宏观性指标。对设计冰厚与起伏度的相互关系研究结果表明,湖北省电线积冰厚度与起伏度呈乘幂函数关系(式4),相关性较显著,其相关系数平方
地形起伏度与积冰厚度关系图
Relationship of topographic roughness and wire icing thickness
地形起伏度对电线积冰敏感性等级表
Sensitivity levels of topographic roughness to wire icing
起伏度区间/m | 0~40 | 40~80 | 80~120 | 120~160 | >160 |
积冰厚度随起伏度变化率/mm·m-1 | 0.31 | 0.14 | 0.10 | 0.09 | 0.05 |
敏感性等级 | 1.0 | 0.45 | 0.32 | 0.29 | 0.16 |
考虑到直接利用下垫面类型数据来定量研究其对电线积冰灾害的影响比较困难,因此作者对下垫面类型数据进行了指标化处理,以便于研究。
本文根据积冰灾害调查资料的位置信息以及湖北省下垫面数据,获取各积冰灾害点的下垫面信息(如水体、林地、农田等),分别计算不同下垫面积冰灾害发生概率,初步以此作为湖北省下垫面类型对电线积冰风险的影响指标;同时,考虑到有限的样本可能导致仅根据概率来确定影响度指标的局限性(如未能反映水体对积冰风险的影响),需要对上述指标进行修正。参考王守礼等[
下垫面类型对电线积冰敏感性等级
Sensitivity levels of land use type to wire icing
下垫面 | 水体 | 林地 | 农田 | 草地 | 城乡工矿居民用地 | 未利用地 |
积冰灾害个例数 | 0 | 19 | 8 | 2 | 0 | 0 |
影响度指标 | 1.0 | 0.66 | 0.28 | 0.06 | 0 | 0 |
敏感性等级 | 1.0 | 0.66 | 0.28 | 0.06 | 0 | 0 |
将各下垫面对积冰风险的影响度进行归一化处理,得到下垫面类型对积冰风险的敏感性等级(如
对设计厚度与海拔高度相互关系的研究结果表明,湖北省电线积冰厚度与海拔高度呈对数变化关系(式5),其相关系数平方
海拔高度与积冰厚度关系图
Relationship of altitude and wire icing thickness
海拔高度对电线积冰敏感性等级
Sensitivity levels of altitude to wire icing
海拔区间/m | 0~25 | 25~100 | 100~200 | 200~400 | 400~600 | 600~800 | 800~1000 | >1000 |
积冰厚度随海拔 |
0.000 | 0.093 | 0.035 | 0.018 | 0.010 | 0.007 | 0.006 | 0.003 |
敏感性等级 | 0.00 | 1.00 | 0.38 | 0.19 | 0.11 | 0.08 | 0.06 | 0.03 |
利用地理信息系统提取距各积冰灾害调查点最近的水体,量算各灾害调查点与水体的“最短距离”,在不考虑水体面积大小区别的前提下,对设计冰厚与对应的“最短距离”的相互关系进行分析研究。结果表明,积冰厚度与水体关系比较复杂,并非简单的线性或非线性变化关系,而是呈分段函数变化关系(如式6),分段函数变化关系的“拐点”出现在2.7 km处。当“最短距离”小于或等于2.7 km时,积冰厚度与“最短距离”呈乘幂变化关系,随着“最短距离”的增加,积冰厚度逐渐增加;其变化率也呈幂函数变化关系(
水体远近与积冰厚度关系图
Relationship of distance from water body and wire icing thickness
根据不同“最短距离”区间的积冰厚度随“最短距离”变化率的绝对值,利用归一化方法给出了“最短距离”对电线积冰敏感性等级(如
水体远近对电线积冰敏感性等级
Sensitivity levels of distance from water body to wire icing
最短距离/km | 0~1 | 1~2 | 2~2.7 | 2.7~3 | 3~4 | 4~5 | 5~6 | >6 |
积冰厚度随“最短距离”
|
6.84 | 9.63 | 10.90 | 4.97 | 4.07 | 3.16 | 2.57 | 2.18 |
敏感性等级 | 0.62 | 0.88 | 1.00 | 0.45 | 0.37 | 0.29 | 0.24 | 0.2 |
(1) 逐步回归分析结果表明,地形起伏度、下垫面类型影响、坡度变率、海拔高度、山脊点的影响和地表照明度是影响电线积冰厚度最显著且相互独立的微地形因子,上述微地形因子与积冰厚度的线性逐步回归模型的模拟效率为0.82。
(2) 地形起伏度与积冰厚度均呈乘幂函数关系,其相关系数平方为0.85;随地形起伏度增加,积冰厚度逐渐增加;积冰厚度随地形起伏度的变化率呈幂函数关系,随地形起伏度增加,
其变化率逐渐减小;地形起伏度对对积冰风险的敏感性随起伏度的增加而逐渐变弱。
(3) 积冰厚度与海拔高度呈对数变化关系,其相关系数平方为0.56;随着海拔高度的增加,积冰厚度逐渐增加;积冰厚度随海拔高度的变化率呈幂函数关系,随海拔高度的增加,其变化率逐渐减小;海拔高度对积冰风险的敏感性随海拔增加而逐渐变弱。
(4) 下垫面类型与积冰厚度之间无确定的函数关系,但积冰灾害发生点具有明显的随下垫面类型分布的特征;水体、林地、农田、草地是对电线积冰影响较大的下垫面类型,其中水体对积冰风险的敏感性指标最大。
(5) 距离水体远近程度与积冰厚度之间的关系比较复杂,并非简单的线性或非线性变化关系,而是呈分段函数变化关系,分段函数变化关系的“拐点”出现在2.7 km处;与水体距离在2~2.7 km时,其对积冰风险的敏感性程度最高;当与水体距离小于2.7 km时,离水体愈近,其敏感性程度愈低;当与水体距离大于2.7 km时,离水体愈远,其敏感性程度愈低。
(6) 本文中为了简化水体与积冰厚度关系模型的研究,仅考虑了输电线路与水体距离远近的关系,而未考虑水体面积大小与积冰厚度的关系。因此作者考虑在后续的研究中,综合考虑水体远近、水体面积大小两个因子,进一步解析水体与电线积冰的关系。
(7) 考虑到积冰调查样本数量有限,所处时空背景不同,导致代表性不够强,可比性不确定,因此微地形因子对积冰厚度影响的关系模型有待修正,模型的模拟效率有待进一步检验。
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