城市形态视角下的电力廊道布局规划方法研究*——以矢量栅格模型为技术平台

杨俊宴 史北祥 杨卫红

0 引 言

随着城市化进程的不断深化以及信息化、智慧化的普及发展，城市用电水平也在不断提升，电力廊道的布局及优化也逐渐成为城市的核心议题之一。同时，由于人们对城市整体空间形态、景观及健康环保意识的不断增强，城市电力廊道的布局也时常成为引发社会矛盾与冲突的热点“邻避设施”问题[1]，甚至影响城市相应的土地及房产价值。客观上形成了一种“城市建成区域廊道难进入，廊道通过区域周边难建设”的矛盾。

电力廊道的布局实际存在两条路径，一种是电力领域内自身的规划，考虑更多的是电力网络的经济性与可靠性，更强调电网的接线方式，如完全放射状连接、手拉手状连接、树枝状连接等[2]或是双T、双辐射、三T等模式[3]。一些新技术的应用，如Guo B等利用点云数据对电力线接线进行优化[4]也仅局限于电力网络本身，而这种方式只是对电力廊道如何连接的一种拓扑关系的规划，而不涉及对电力廊道实际布局的控制。另一种是城市规划领域内通过市政基础设施规划对廊道布局提出的指导性规划，包括从便于使用及安全等角度考虑，提出廊道宜布置于绿化与建筑之间、并沿河与主干路预留廊道等[5]；原则上沿城市道路、河流、对外交通防护绿地平行布置，不得斜穿、横穿地块，并考虑景观、视线通廊等需求[6]；而为了有效降低管网密度，陈如波等提出依据用地功能、路网结构、市政管网、地下空间规划等各方面因素，构建主干、次干和辅助三级市政管线通道体系[7]。此外，还有从景观及生态角度对电力廊道的优化布局研究[8]，从避免极端天气影响方面优化电力廊道布局[9]。这些原则及方法，考虑了城市的各类需求，但也常局限于市政规划本身，而未从城市的整体形态与景观层面考虑廊道的布局问题，同时，也缺乏对电力系统的有效约束，使得实际的电力廊道布局与规划存在较大差异。

一方面电力系统缺乏对电力廊道的控制，另一方面城市规划领域对电力廊道也多为原则性指导。因此，在实际中的电力廊道布局随意性较大，多会出现电力廊道破坏城市景观形象（廊道布局随意）、影响道路通行（电力塔杆侵占路面）和影响用地开发（电力廊道斜穿地块）等现象。因此，亟需一种有效的结合电力系统需求及城市形态特征的方式，对电力廊道的布局进行评价及优化，以使电力廊道的布局更符合城市自身的形态特征及建设需求，而更符合城市形态特征的廊道布局方式，也可以相应地提升电力廊道的布局效率，节约建设成本。

表1 道路系统对电力廊道的影响评价Tab.1 Impact assessment of road systems on electricity corridors

1 城市形态对电力廊道布局的影响要素及机制

城市输电廊道也是城市系统的重要组成部分，其布局形态也应符合城市基本的结构形态，才能实现更大的线网效率并相应地降低成本。而就城市形态特征而言，对于电力廊道布局的影响体现在廊道与功能片区两个方面。

1.1 城市廊道的影响

由于电力廊道的特殊性，特别是对净空和防护距离等的安全要求，以及自身对景观的影响，使得电力廊道的布局具有较强的独立性与排他性，但如果将其单独布置，又会在其较大的安全空间的需求下，造成城市土地资源的浪费。因此，最有效的方式是将电力廊道与城市既有廊道相结合进行布置，增加共享廊道的宽度并相应地减少安全防护距离对周边土地开发的影响。

所谓城市廊道，是指在城市空间范围内存在的，由一种特定“关联关系线”为主导的带状空间[10]，本文将其概括为三个主要的类别，分别为交通廊道（道路、铁路等形成的廊道）、景观廊道（景观、视线等廊道）和生态廊道（滨水、通风等廊道）。这些线型的廊道要素也基本构成了支撑城市形态的骨架体系，也可以认为是城市空间联系及功能组织最有效的框架体系。以城市形态的视角来看，电力廊道的布局只有与城市骨架性廊道相结合才能发挥最大的网络连接效率。而在实际规划与实施中，也多是将电力廊道与城市既有廊道相结合布置，利用既有廊道的宽度作为电力廊道的安全防护空间。在此基础上，城市电力廊道布局中出现的问题，集中体现在电力廊道空间的选择上，即如何确定一条道路所形成的廊道可以与电力廊道共享，而电力廊道的通过是否会对城市形态、景观及建设等造成破坏。

而在城市内部，由于廊道条件及性质的差异，并不是每条廊道都可以与电力廊道共享，且有些重要的功能性廊道也不适宜布置架空型电力廊道，如迎宾大道、景观轴线、视线通廊等。从廊道性质及特征方面来看，不同功能及等级的廊道有着不同的形态特征及景观要求，对电力廊道建设的适宜性也各不相同（表1）。

作为一个对景观及生态（电磁辐射）等有较大影响的要素，电力廊道采用架空方式布置于景观廊道内对景观效果破坏较大，而布置于生态廊道内，其本身的辐射作用会对当地生态环境产生影响。因此，城市廊道对电力廊道布局的影响，主要体现在交通廊道层面，特别是高等级交通性道路形成的交通廊道，是电力廊道可以结合布置的最优选择。

1.2 城市功能片区的影响

城市土地属性的认知是城市空间形态变化特性和规律把握的基础[11]。因此，基于土地属性的功能片区也是城市形态特征的一个重要方面。从城市功能片区的方面来看，也存在同样的问题，即根据功能片区本身功能条件的不同，对电力廊道的通过也有不同的态度。有些功能片区对与电力廊道的架设具有明显的排斥性，如行政文化区、城市中心区等，宜采用地下方式铺设；有些功能片区则可以允许廊道有条件地通过，如居住区、教育科研区等；而有些功能片区则较为适宜布置架空廊道，如工业区、仓储区等。具体功能片区对电力廊道的影响如表2所示。

表2 功能片区对电力廊道的影响评价Tab.2 impact assessment of functional area on electricity corridors

1.3 影响要素综合评价

城市中，廊道与功能片区均不是孤立的存在，而是相辅相成的关系，即一条廊道有可能会通过多个功能片区，而一个功能片区内则可能有多条廊道穿过。基于此，城市形态对于对电力廊道布局的影响应该整合两方面要素进行综合考量。为了便于进一步的分析与研究，将城市形态要素按照其对电力廊道布局的影响程度进行重新归纳梳理，可以分为以下五个程度：适宜布置、可以布置、地下可布置、不宜布置和禁止布置等，具体如表3所示。

2 基于栅格模型的技术方法与路线

2.1 不同工作方式的瓶颈

城市规划的相关因子是基于城市规划视角的思考，而这些因子也是通过城市规划的技术平台发生作用，即空间数据的矢量技术平台。所谓的矢量技术平台，即以实际的空间数据为支撑构建的技术平台，包括了城市空间内的各种空间数据，最基本的如建筑的体量、道路的路幅及走向、地形（山水等位置、高程）、地块边界等，且在技术平台内显示的空间数值与实际情况完全一致。这就使得城市规划领域内的布局、廊道、规模等概念具有了明确的空间范围和空间载体，是实际的空间形象与状态。与城市规划的矢量技术平台相对，电力网络规划则是一种数理逻辑的技术平台，即通过数学模型的分析确定变电站之间的连接关系，并最终形成城市电力网络的概念性规划布局。

以输电廊道为例，在数理模型中确定的输电廊道只表示两个变电站之间需要输电廊道的联系，可以说是一种逻辑的联系。而在城市规划的矢量技术平台中，廊道一定是有空间载体的，廊道通过什么道路或什么水体，在哪里转弯，从哪里进入等，都是需要明确体现在技术平台中的（图1）。这样做的原因是因为在真实的城市空间中，两个变电站直接相连的线路会存在较大的不确定性，有可能廊道通过的地区有许多高层建筑，或有一些保护单位，或有地形条件的限制等，使得廊道无法通过。这些问题都需要在电力廊道具体施工中，由施工方现场踏勘后，根据实际情况进行布线，就会造成廊道布局的随意性以及与城市系统的矛盾。

两种不同的技术平台之间存在着运算方法及思考逻辑的不同，难以将城市形态要素因子的影响直接放入电力廊道布局的模型之中。而电力廊道布局规划与实际脱节的主要原因也是集中在缺少对城市形态特征的考虑方面，因此在电力廊道布局中需要解决的关键问题为：在保证电力廊道与变电站科学合理连接关系的基础上，使得电力廊道的布局更切合城市的形态特征，应在电力廊道数理计算的基础上，通过城市形态因子的控制，对电力廊道布局进行优化。

2.2 基于矢量栅格模型的技术路线

针对尺度巨大、形态复杂的城市空间，诸多要素的影响与控制难以通过人工分辨与计算，因此需要建立一个同时适用于电力领域和城市规划领域的技术平台，使得电力廊道的优化更为便捷与可行（图2）。基于此，本文提出以栅格的方式，将城市整体划分为均质的网格，并将形态因子的影响赋值到不同的网格上，进而以廊道通过的网格分值最高为标准，对廊道的布局和走线进行更为合理的规划。同时，应考虑廊道的转弯与长度因素，在保证通过栅格分值尽量高的基础上，保证转弯最少与长度最短。在计算完成后，以真实城市空间为依据，对栅格化的线路进行修正，即：与廊道的实际空间形态相匹配，形成最终的电力廊道优化布局方案，进而可以直接用来指导廊道的实施，从而省去了实地勘测再选择线路走向的繁琐事宜与廊道布局的随机性。

之所以采用栅格模型，是基于以下几个方面的考虑：第一，形态的影响要素过于整体，难以对电力廊道的走向及变化做出精准反应。以道路为例，对于道路的赋值会形成一条较长的等值带，而电力廊道则极有可能仅需要通过部分路段，矢量模型无法像栅格模型一样做出相对精细的变化；第二，城市形态较为复杂，多会形成多要素叠加的情况，矢量模型的直接叠加，会形成诸多边界交叠的凌乱区域，在电力廊道布局中较难理清；第三，栅格模型可以建立一个统一标准的网格体系，反映出多个要素的影响，并最终以每一个栅格为基本单位进行表现。

表3 形态特征影响要素评价Tab.3 impact assessment of morphological feature elements

图1 电力领域与城市规划领域不同的廊道规划方式Fig.1 difference between corridors planning in the field of electricity and urban planning

在栅格模型的具体应用中，首先需要确定的是栅格的尺度。为了避免电力廊道斜穿地块等影响土地使用的情况发生，合理的栅格尺度应与城市基本的街区尺度相契合，而街区尺度可以借助GIS工具直接计算出来。接着就是对影响要素的评价，并将其赋值到栅格上，这一过程也是借助GIS来完成的。对于这一步来说，其关键问题就是要素的赋值。赋值时，可采用“适宜布置”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分的方式为两个要素赋值，重点是突出优势要素，限制劣势要素。在单一要素方面采用的是“覆盖法”，如果一个栅格同时包含有“适宜布置”要素和“可以布置”要素，则给栅格赋值时不是将两者相加，而是直接按照“适宜布置”要素进行赋值，以避免多个低级要素分值相加超过高级别要素的情况出现。而在两个要素综合时则采用“相乘法”，即将廊道与功能片区两个因子的值相乘，以放大优势区域与一般区域的差别，同时一旦有“禁止布置”要素出现，则可以直接归为0分。在此基础上，可对确定的连接关系进行计算，选择两个变电站通过栅格分值最高的线路作为电力廊道。栅格化是为了便于将电力廊道的概念关系与城市的形态特征相契合，在形成栅格化的线路后，还需要通过与实际空间形态的对应，将栅格化的廊道进行修正，使其真正与城市空间形态格局相一致。在此基础上，电力廊道的布局规划可以与线路具体的实施直接对接，改变现有的廊道规划与实施脱节的问题。

3 电力廊道优化布局实证——以芜湖110KV电力廊道为例

芜湖市城市形态特征明显，城市尺度适中，城市电网结构相对完善，具有一定的代表性，是较为理想的研究电力廊道布局优化的案例城市。

3.1 芜湖市形态特征解析

芜湖地处长三角西南部，南倚皖南山系，北望江淮平原，是华东重要的工业基地、科教基地和全国综合交通枢纽。芜湖地势南高北低，地形呈不规则长条状；地貌类型多样，平原丘陵皆备，河湖水网密布。芜湖也是较为典型的滨水城市，城市建设主要集中在长江东侧地区，整体上呈现出滨江带型展开以及扇形放射的结构特征（图3）。

在此基础上，根据城市的形态特征对城市的廊道及功能片区进行梳理（图4），并以此作为形态特征要素栅格化处理的基础。对于芜湖市来说，其可利用的廊道主要为道路廊道，城市山水资源丰富，需要保持良好的山水廊道不被破坏，且在城市中心位置有一定需要避让的历史风貌区。而为了更为便捷与准确地进行电力网络规划，并使其与城市形态特征更加匹配，并避免出现廊道斜穿用地、阻碍交通、影响景观等问题。栅格模型的基本单元尺度应与功能片区规模、街区形态尺度相匹配以及电力廊道规划的相关规定进行协调。根据国家《城市电力规划规范（GB/T 50293-2014）》中对于电力线路电压及规划走廊宽度的规定[12]，并综合考虑芜湖城市实际规模和道路、建筑、街区尺度以及网格密度和计算量级等问题的基础上，将网格大小设置为500 m×500 m。由此，通过对道路及功能的综合评价，形成城市电力廊道的适宜性栅格模型（图5）。

图2 基于城市形态特征的电力廊道优化布局技术路线Fig.2 technical roadmap of layout of the electric corridors based on the morphological feature of the city

图3 芜湖市城市形态分析Fig.3 urban form analysis of Wuhu City

图4 芜湖市城市廊道及功能片区分析Fig.4 the urban corridor and function district of Wuhu City

图5 芜湖市电力廊道适宜性栅格评价Fig.5 suitability grid evaluation of electric corridors of Wuhu City

3.2 芜湖电力廊道现状评价及优化

图6 芜湖市110 KV变电站及线路布局图Fig.6 110 KV substation and line layout of Wuhu City

芜湖电网地处安徽省电网的东南部，一直是安徽省沿江区域的负荷中心。在城市既有的电力廊道中，220 KV的变电站基本均位于城市边缘，通常不直接进入城市内部，或较少进入城市内部；110 KV是城市主要的输电廊道，必须进入城市内部，并在城市内部建有一定数量的变电站；35 KV的变电站及输电廊道主要位于城郊和乡村地区，城市内部基本没有。因此，本文重点研究110 KV电力廊道的布局问题。芜湖市现状110 KV电力廊道及设施布局如图6所示。110 KV变电站主要分布于老城边缘地区，并通过电力廊道与外围220 KV变电站相连。电力廊道全部以地上方式架设，虽然电力廊道基本均结合了道路的廊道布置，但通过栅格模型的评价（图7）可以看出，现状的电力廊道与城市形态的整体匹配程度不高，走向显得较为凌乱，没有突出城市的形态特征，并存在斜穿农田等现象。这也造成了城市廊道空间的浪费、景观的破坏以及农田使用的不便。由此，以栅格模型为基础，保持现状变电站所及其之间连接关系不变的前提下，对电力廊道进行优化调整（图8，表4）。

调整的内容主要是电力廊道的空间布局，优化调整后的电力廊道布局能够更加充分地体现出城市滨江带型展开+扇形放射发展的形态特征，总长度减少了约100 km；同时，各个变电站之间的连接更为高效，减少了一些不必要的绕行，使得线路连接更为顺畅与直接，廊道的转弯直接减少了约2/3；也规避了斜穿街区、农田与跨越道路的问题；此外，调整后的电力廊道布局也有效地规避了对水体与山体的干扰，保障了芜湖水网密布、丘陵点缀的地形及景观特色；而对于中心区及历史风貌，则采用地下方式铺设，廊道也从垂直于风貌区的方向以最短路径连接。总体来看，优化调整后的电力廊道布局，结构更为清晰，连接效率更高，对城市景观、生态及建设等方面的影响较小，且也能从一定程度上体现出城市自身的形态特征。更为关键的是，这一做法是打破城市规划与电力规划之间的壁垒，构建起两者共同协作，指导并控制电力廊道规划及实施的有效方式。

根据优化规划及城市规划相关原则和要求，在优化实施过程中应遵循以下原则：廊道共享：借助既有廊道空间，最大程度共享并叠加防护距离，以节约土地资源；就高避低：廊道的选择应该优先选择高等级交通性廊道，以减少对景观和生活的影响；同路共边：沿同一道路布置的电力廊道不应布置在道路两侧，而应结合布置于道路一侧，以减少对景观和生态的影响；同廊共杆：为了保障供电安全电力廊道常会出现同一廊道多条线路通过的现象，对于这一现象应采用共杆架设的方式布置，避免多条线路的交叉产生的凌乱。

图7 基于栅格模型的电力廊道现状布局评价Fig.7 evaluation of the current corridors layout based on the grid model

图8 芜湖市110 KV电力廊道优化Fig.8 110 KV electricity corridors optimization of Wuhu City

表4 电力廊道优化前后指标比较Tab.4 comparison of indexes before and after optimization of power corridor

4 结 语

电力廊道的规划与实施存在着明显的脱节现象，电力规划与城市规划脱节，廊道规划与城市整体形态脱节，规划与施工脱节，廊道系统的不完善使其对城市的整体性作用较弱[13]，造成电力廊道与城市建设发展的矛盾日益突出。这些问题的根结在于缺少一种科学合理的方式将电力系统的诉求与城市规划的原则和要求有效结合.同时，又要以城市整体的视角对电力廊道系统的布局进行审视。其难点在于两个学科之间处理空间问题方式的不同以及系统规划与城市整体形态特征的衔接问题：电力系统以数理模型处理空间拓扑关系，而城市规划则以空间模型处理三维形态关系；电力廊道本身更看重其内部的连接关系，而城市层面则更在乎其布局与城市其余系统的衔接关系。

基于此，本文借助栅格模型既有空间数据又可以进行梳理计算的特征，整合电力系统与城市形态要素，并从城市整体的廊道与功能片区两个层面入手，提出对电力廊道布局的影响机制，进而借助构建的栅格模型对电力廊道的布局进行评价与优化。以此方式优化后的电力廊道具有更高的网络连接效率，更为清晰的布局结构，实施也更有保障，且更符合城市自身的形态特征；而相应地，城市的景观生态条件、土地开发建设也可以得到有效的保障。

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图表来源：

表1-4：作者绘制

图1-8：作者绘制