基于ArcGIS 的电网山洪沟流域分布图绘制及应用

赵建利，李 忠，谷新波

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区气象服务中心，呼和浩特 010051）

0 引言

随着电网不断发展，输电走廊覆盖区域越来越广。输电线路普遍分布于野外，气象环境多变，部分区域自然环境恶劣，雷暴、覆冰、山洪、大风等灾害时有发生。而山洪作为一种自然灾害，点多面广、发生频繁，对电力设施尤其是山区电力设施损害极大。当山洪灾害发生时，常导致大量电力设备损坏，从而引起群发故障造成电网大面积停电[1]。相关研究数据表明，山洪灾害带来的损失与危害非常严重，已经成为防洪减灾中的重点问题[2]。

因此，全面了解山洪流域、山洪沟主沟分布，研究山洪预警，对电网工程设计、建设及运维工作具有重要的意义[3-5]。为此，诸多学者开展了相关研究工作。其中，文献[2]对山洪灾害防治进行了研究；文献[6]对输电线路防洪预警进行了研究；文献[7]对输电线路故障率评估方法进行了研究。虽然上述学者在山洪预警和灾害防治方面取得了一定的研究成果，但是对于不同区域内山洪流域、山洪沟主沟分布图绘制等方面缺乏相关研究工作。根据内蒙古气象局气象监测数据，2018 年7—9 月内蒙古巴盟地区普降暴雨，发生洪涝灾害，给线路正常巡视和抢修工作带来了极大的困难。因此，急需一张电网山洪沟流域分布图，以指导生产实际。

基于上述问题和生产实际需要，本文通过对山洪灾害基础信息、地理资料、山洪灾害导致的电网故障情况以及山洪沟流域面积和影响范围等进行综合统计分析[8-9]，在确定山洪沟流域分级原则、各山洪沟主沟位置及隐患点的基础上，利用ArcGIS for Desktop 软件绘制了电网区域山洪沟流域分布图，用于指导线路杆塔设计、改造工作以及日常巡检。

1 山洪沟流域分级标准

1.1 基本概念

（1）山洪，历时很短而洪峰流量较大的山区骤发性洪水[10]。

（2）山洪沟，容易发生山洪的山丘区小流域。综合考虑对电网的影响以及地区地形地貌，内蒙古电网山洪沟流域面积一般小于等于200 km2，针对山洪频发地区，流域面积可适当增大。

（3）隐患点，易受山洪影响并可能造成较大伤害和损失的地点。

（4）山洪沟流域分级，依据山洪沟流域面积及影响范围大小确定的山洪沟流域类别。

（5）山洪沟流域分布图，根据分级标准，基于电子地图对易受山洪影响并可能造成较大伤害和损失的地区用不同色标表示。

1.2 山洪沟流域分级标准

山洪沟流域分级是根据电网所在地区山洪危险性特征，参考区域承灾能力及基础设施分布状况，将电网山洪沟流域划分为不同风险等级。本文参照国土资源及气象部门对山洪沟流域的定义[11-12]，借助1∶25 万水系数据以及山洪灾害隐患点数据，依托ArcGIS 平台，对地区电网山洪沟流域边界进行提取（详见3.3.1），共提取山洪沟流域600 余条。

对于山洪洪峰流量而言，其主要影响因素为降水因素、流域因素和下垫面因素[13]。降水因素包括降水量、降水强度、降水时空分布等；流域因素包括流域面积、流域形状（沟道长度、流域宽度）、主沟道比降等；下垫面因素主要为土壤和植被因素。电网山洪灾害主要以溪河洪水为主，山洪沟主要特点是河流流域面积小，河道的调蓄能力弱，坡降较陡，洪水持续时间短，但涨幅大、洪峰高、陡涨陡落[14]。本文基于前人研究基础[14-15]，结合内蒙古电网生产实际，通过分析内蒙古电网所在地区山洪频率、山洪流域分布、杆塔位置、电网基础设施等致灾因子和孕灾环境，最终根据山洪灾害风险普查信息中流域面积、主沟长度、平均河床比降等流域属性特征，对内蒙古电网山洪沟流域等级进行分类，共分为4 个等级，分别为：Ⅰ级，无明显河道型，存在一定的比降，多为季节性山洪沟，未发生山洪时多呈干沟状态，具有流量小，历时短，年际洪水量相对不稳定等特点；Ⅱ级，流域面积较小，河沟长度短，河沟平均比降大，沟陡流急；Ⅲ级，流域面积较大，河沟长度长，河道下游比降小，上游河槽窄，水流急；Ⅳ级，流域面积大，河沟长度长，比降小，集水面积大，影响范围大。同时，利用历史山洪及电网故障信息，确定山洪流域阈值区间，内蒙古电网各等级山洪沟流域对应的阈值区间及相关参数详见表1。

表1 内蒙古电网山洪沟流域阈值区间及参数

2 分布图绘制

2.1 基础资料

分布图绘制所需基础资料包括电网山洪灾害数据、山洪灾害普查信息和地理资料。

电网山洪灾害数据是指近5 年输变电设备因山洪灾害导致的电网故障情况，包括故障发生的时间和地点（经纬度），受影响杆塔坐标。从气象局收集的山洪灾害普查信息包含山洪沟流域基本情况、流域内基础设施情况、流域内隐患点调查情况、流域内水库基本情况等；地理资料包括数字高程模型和图层文件，DEM（数字高程模型）是从测绘部门收集的，最小格点精度达到0.09 km×0.09 km，数据格式符合GB/T 17798 要求。图层文件是从测绘部门收集省边界、水系图层文件，需与DEM 投影坐标相同，数据格式符合GB/T 17798要求。

2.2 软件工具

山洪沟流域分布图绘制工作基于ArcGIS for Desktop 软件完成。ArcGIS 是一款对地理信息进行编辑、创建以及分析的GIS 软件，提供了一系列的工具用于数据采集与管理、可视化、空间建模与分析以及高级制图等，不仅支持单用户和多用户的编辑，还可以进行复杂的自动化工作流程。

ArcGIS 软件的空间分析功能可以将数据转换为信息，进行计算密度和距离、叠加和邻域分析、表面分析以及高级统计分析；高级编辑功能，提供了一系列的工具用于几何数据、属性表、元数据管理、创建以及组织；制图和可视化功能中包含了大量的符号库、简单向导和预定义的地图模板、成套的大量地图元素和图形、高级的绘图工具、图形、报表和动画要素等一套综合的专业制图工具。

本文利用ArcGIS 的空间分析技术进行流域信息分析，结合坡度、地形起伏度等地形特征，进行了电网区域山洪沟流域边界的提取与电网山洪沟流域分布图的绘制。

3 电网山洪沟流域分布图绘制

3.1 一般规定

（1）电网山洪沟流域分布图以电网覆盖区域为基本绘制单位。

（2）电子地图采用国家2000 坐标系，最小比例尺应不低于1∶1 800 000。

3.2 绘制步骤

（1）山洪沟流域边界提取。以河网信息、DEM为底图，定义山洪隐患点、山洪灾害导致的故障点为山洪沟流域出水口，进行山洪沟流域边界提取[16]。

（2）山洪沟流域分布图初稿确定。根据山洪沟流域阈值区间，确定山洪沟流域等级，得到山洪沟流域分布图初稿。

（3）修订。在山洪沟流域分布图初稿上，根据运行经验，叠加山洪灾害导致的电网故障情况进行修订和等级调整。

（4）等级跳变调整。若在山洪沟流域分布图中，出现相邻地区等级跳变现象，应按“就高不就低”原则。

3.3 山洪沟流域分布图绘制

3.3.1 流域边界提取

山洪沟流域分布图绘制的首要任务为山洪流域边界提取。而流域边界的提取精确依赖于DEM的精度。DEM 精度越高，越能真实反映地形特征，其包含的数据量也会成倍的增加，影响提取速度。较低精度的DEM 会因描述地形参数的信息量不足导致某些地形特征值提取失真。因此，选取适当精度的DEM 对流域边界的提取至关重要[17]。本文采用分辨率为0.09 km×0.09 km 的DEM数据，在ARCGIS 环境下，进行山洪沟边界提取。提取的步骤如下：

（1）DEM 数据转换

加载地区DEM 数据，将其转换为所需的地图投影和坐标系统，本文所采用的地图投影为高斯-克吕格投影，坐标系统采用GCS_Beijing_1954。

（2）DEM 预处理

参照DEM 的栅格分辨率，将矢量格式的电网山洪沟流域线状水系转化成栅格文件，并将其栅格属性赋为低于水系两岸高程值的固定属性值。利用ArcGIS 栅格计算器，将DEM 文件与地区电网山洪沟线状水系栅格文件相减，从而确保电网山洪沟线状水系低于水系两岸高程值，由此生成嵌入电网山洪沟线状水系的DEM 文件。

（3）流域边界生成及等级确定

利用ArcGIS 的水文分析模块，对步骤（2）生成的嵌入电网山洪沟线状水系的DEM 文件进行填洼、汇流等分析，定义电网山洪沟出水口位置，利用流域生成功能，生成电网山洪沟流域边界[18-19]。根据山洪沟流域阈值区间，确定山洪沟流域等级。

（4）矢量数据提取

将电网山洪沟流域边界作为掩膜图层，利用ArcGIS 数据裁剪功能，裁剪出流域内的输电线路、杆塔等矢量数据。

3.3.2 分布图绘制

将山洪沟流域分布图与电网系统图进行矢量叠加，生成电网山洪沟流域分布图初稿。根据运行经验，叠加山洪灾害导致的电网故障情况进行修订和等级调整。

3.3.3 绘制效果

基于上述绘制原则，内蒙古电网山洪沟流域分布图的局部山洪沟流域分布情况，如图1 所示。

图1 内蒙古电网局部山洪沟流域分布

3.3.4 工程应用

依据电网山洪沟流域分布图绘制原则，编制了电网山洪沟流域分布图实施细则，并将其应用于电网工程实际。实施细则如下：

（1）线路设计时，应避让可能引起杆塔倾斜和沉降的崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷、地裂缝等不良地质灾害区。

（2）对于易发生水土流失、山洪冲刷等地段的杆塔，应采取加固基础、修筑挡土墙（桩）、截（排）水沟、改造上下边坡等措施，必要时改迁路径。

（3）分洪区等受洪水冲刷影响的基础，应考虑洪水冲刷作用及漂浮物的撞击影响，并采取相应防护措施。

（4）跨越山洪沟主沟的在运、新建线路，在主沟左右500 m 范围内（地势平坦且易受山洪冲刷），线路杆塔基础应采用灌注桩。

（5）各供电单位应依据电网山洪沟流域分布图，开展输变电设备监督检查和隐患排查，收集整理跨越山洪沟主沟的在运线路。对主沟左右500 m 范围内（地势平坦且易受山洪冲刷）线路杆塔基础未采用灌注桩的，应结合历年输电线路遭受山洪灾害情况，分阶段、分步骤进行改造。

（6）新建站址应避开山洪沟主泄洪通道。处于山洪沟流域范围内的新建站址，在设计阶段应依据电网山洪沟流域分布图，结合历年洪涝灾害情况，做好防洪设计，防洪措施实施应与基建工程同步。

（7）处于山洪沟流域范围内的在运变电站，依据电网山洪沟流域分布图，结合历年洪涝灾害情况，做好防洪工作。

依据内蒙古电网山洪沟流域分布图及其实施细则，对跨越山洪沟主沟某500 kV 线路杆塔基础，采用灌注桩进行了技术改造；对处于分洪区且易受洪水冲刷影响的某220 kV 线路杆塔基础，采取防护措施，避免洪水冲刷和漂浮物的撞击。上述两项技术改造，均在2020 年夏季防洪中起到了很好的效果。500 kV 线路杆塔走向如图2 所示，220 kV 线路杆塔基础防洪改造效果如图3 所示。

图2 500 kV 线路杆塔走向及山洪沟分布

图3 220 kV 线路杆塔基础防洪改造效果

4 结语

本文统计分析了山洪灾害基础信息、地理资料、山洪灾害导致的电网故障情况以及山洪沟流域面积和影响范围，给出了山洪沟流域分级原则。根据提取流域的大小，将流域边界嵌入河网的DEM，通过选定流域的出水口，利用ArcGIS for Desktop 软件，提取了电网覆盖区域内山洪流域分布边界并绘制了电网山洪沟流域分布图。

电网山洪沟流域分布图适用于电网规划、设计以及日常运维工作，可为电网输电线路路径选择、山洪沟流域范围内杆塔型式及结构设计、跨越山洪沟主沟杆塔基础选择、山洪灾害预防以及输电线路日常巡视和隐患点区域雨季重点防护等提供依据，为增强电网抵御自然灾害能力提供了技术条件，具有显著的经济效益和社会效益。