湖北电网覆冰微地形辨识研究

黄俊杰，周学明，俞 斌，付剑津

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

近年来随着全球气候的演化，受厄尔尼诺、拉尼娜等现象影响，以覆冰为代表的各类极端恶劣天气的发生范围、频率和强度都显著增加［1-10］，给湖北电网安全运行带来的风险也呈上升趋势。

国家电网有限公司组织绘制的《电网冰区分布图》，是电力设计、规划、运维等部门科学分析输电线路覆冰的空间分布特征，精准指导输电线路防冰抗冰设计和加固改造的重要依据［11-15］。冰区分布图在指导划分架空输电线路防雨雪冰冻灾害重点区域，制订差异化治理措施等方面发挥了重要作用。对于平原地区，由于地形变化小，大范围内的温度、风速等气象要素受地形影响小，实际输电线路覆冰情况与冰区分布图的等值覆冰厚度符合度高。对于山地、丘陵地区，存在覆冰微地形区域，由于地形特点使某些气象要素大幅增强，导致位于这些区域的输电线路覆冰严重程度远高于其它区域。而且微地形区域一般面积不大，为几平方公里到十几平方公里，在冰区分布图上难以体现。因此，覆冰微地形区域辨识是开展防冰灾工作的难点。

相关文献介绍了覆冰微地形的特征规律和辨识方法，如海拔与输电线路等值覆冰厚度的正相关性［16-17］，坡度［18］、风向［19-20］是辨识覆冰微地形的重要因素。陆佳政等人提出微地形覆冰严重程度从大到小排序为山脊（风口、垭口）、峡谷、迎风坡上部、迎风坡山腰、背风坡上部、迎风坡山脚［21］。吴建蓉等人提出覆冰微地形相关因子为坡度、高程、与水体距离、覆冰监测终端所在杆塔与前侧杆塔高差、覆冰监测终端所在杆塔与后侧杆塔高差、迎风坡、地表起伏度、地表粗糙度这8 个因子［22］。张露松等人采用大数据分析方法提出覆冰微地形相关因子为高程、坡度、迎风坡或背风坡、冬季主风向与线路走向夹角、线路走向高度差、与水体距离［23］。目前尚未有覆冰微地形界定的明确标准，不同地区的覆冰机理有所差异，因此覆冰微地形的辨识方法也不同。

本文以湖北地区为研究对象，针对冰区分布图难以反映覆冰状况的微地形区域，提出覆冰微地形辨识方法。首先明确山地划分标准，然后综合考虑坡向、山脊、临近水体等地形指标，判断覆冰微地形，并以湖北典型覆冰微地形区为例验证。本方法对掌握湖北覆冰微地形分布规律，全面地考虑微地形对线路覆冰的影响，指导线路运维和在线监测设备布点均具有较大实际意义［24-29］。

1 覆冰微地形的定义

一般而言，湖北电网覆冰微地形是指在一个小范围内，由于地形的不同，气候具有明显的立体气候特征，导致覆冰特别严重。山脉的走向与坡向不同，覆冰都会有很大的差异，一般迎风坡及开阔地区覆冰重，背风坡及闭塞地区覆冰轻；山体部位不同，电线覆冰也会有明显的差异，一般山顶、分水岭、垭口等地覆冰重，山脚、山腰、山凹等地覆冰较轻；线路靠近江湖水体，水气充足，覆冰较重，线路远离水体，空气干燥地区覆冰较轻。

分析研究表明，海拔每上升100 m，气温下降0.6 ℃～1.0 ℃，气温下降是冬季线路局部覆冰突然增大的主要原因之一［30］。山区坡地遇到冷空气团时，分迎风坡和背风坡，地形对覆冰的影响如图1 所示。冬季在迎风坡气流受到地形影响而出现沿地形爬升运动，在起始阶段，由于海拔较低，气温相对高，空气处于未饱和状态，难以凝结形成雨或雪，一般气温的垂直递减率约为0.8 ℃～1.0 ℃/100 m；随着气流的沿坡爬升和气温的逐渐降低，空气达到准饱和状态，气温的垂直递减率小于0.6 ℃/100 m，此时空气团有利于水汽的凝结，输电线路覆冰的概率增大；气流再向上爬升，空气处于饱和状态甚至过饱和状态，非常有利于输电线路覆冰或覆冰增长。气流越过山顶后，开始在背风坡下沉，由于迎风坡凝结降水使空气中水汽减少，背风坡饱和区和准饱和区大幅上移，使得输电线路背风坡覆冰情况远没有迎风坡严重。如果在气流来向上有江河湖泊等水体，气流中丰富的水汽将会使迎风坡覆冰情况更加严重。

图1 地形对覆冰的影响Fig.1 Influence of topography on icing

《DL/T 741-2019 架空输电线路运行规程》中对微地形区的定义是大地形区域中的一个局部狭小的范围，微地形区按分类主要有垭口型、高山分水岭型、水汽增大型、地形抬升型、峡谷风道型等。按上述分析，覆冰微地形主要分布在山地迎风坡和山脊，而靠近江湖水体，会加重线路覆冰。

2 山地的辨识

《地貌学辞典》对山地的定义是：山地为山集合体的统称，是一种具有一定坡度、较大高差（相对高差大于200 m），又互相连绵，突出于平原或台地之上的正地貌形态，常由山岭和山谷组成。不同文献对山地与非山地的区分方法差异较大，目前还没有统一分类标准。

杨斌等提出的按绝对高程、相对高程、坡度、地面粗糙度4 类因子分类方法［31］，临界值分别为500 m、100 m、25°和3.13，海拔1 000 m 以上区域直接划为山地，低于1 000 m 的区域判断标准为：①当绝对高程、相对高程均大于等于临界值时，直接判定为山地；②当绝对高程、相对高程只有一个大于等于临界值时，坡度、地面粗糙度应至少1 个大于等于临界值；③当绝对高程、相对高程均小于临界值时，坡度、地面粗糙度应均大于等于临界值。按上述判据辨识湖北境内山地，存在大量符合判据①的区域，少量符合判据②的区域，没有符合判据③的区域。

张伟等提出的山地界定标准为［32］：1）海拔大于2 500 m 区域；2）海拔500 m-2 500 m 之间，相对高程大于100 m 或坡度大于25°的区域；3）海拔低于500 m，相对高程大于50 m的区域。

在比较前述2类方法基础上，针对湖北地形特征，经反复选择相关气象因子及阈值，确定用于湖北覆冰微地形辨识的山地界定标准为：1）海拔大于等于2 000 m区域；2）海拔小于2 000 m，相对高程大于等于200 m 且坡度大于等于4°的区域。其中相对高程取2 000 m 范围内最大海拔差，湖北地区山地分布如图2所示，图中山地占比为51.91%，面积为9.65万km2。本方法山地分类结果涵盖了鄂西山区、北部大洪山和桐柏山、东部大别山、东南部幕阜山等区域，符合人们对山地的认知。与前述两方法相比，采用相对高程和坡度大幅减少了数据处理难度。

图2 湖北地区山地分布图Fig.2 Mountain land distribution map of Hubei Province

3 覆冰微地形辨识

输电线路覆冰增长理论模型见式（1）：

式（1）中，M为单位长度的冰重，α1为碰撞效率，α2为粘性率，α3为冻结率，ω为单位体积液态水含量，A为积冰体的横截面面积，v为风向垂直于积冰物体的风速。

从宏观气象要素来分析，温度、湿度和风速是影响覆冰的主要气象因素，而水体、迎/背风坡、山脊等地形会影响上述气象因素。

3.1 水体影响

在同一轮输电线路覆冰时段内，普查典型水体周边不同距离的覆冰厚度，发现并非水体越近覆冰越厚，通过水体蒸散量数值模拟计算，水体影响范围约为5 km，空气湿度增加最大值出现在2 km-2.5 km 的距离，如表1所示。

表1 水体附近空气湿度相对比值Table 1 Relative ratio of air humidity near water body

因此，附近5 km范围内存在水体作为覆冰微地形判据之一。湖北地区水系分布如图3所示，可通过地理分析软件确定某一格点5 km范围内是否存在水体。

图3 湖北地区水系分布图Fig.3 Water system distribution map of Hubei Province

3.2 迎风坡影响

对于迎风坡或背风坡的提取主要计算坡向与冬季主导风向的夹角θ，当0°θ＜90°时表明处于迎风坡。

3.3 山脊影响

利用水文分析提取山脊线，山脊线相当于分水线，即水流的起源点，这些栅格的水流方向只存在流出方向而不存在流入方向，所以汇流累积量为零。通过对零值的提取就可以得到山脊线。

基于湖北数字高程数据，首先进行填洼，再采用水文分析求出流向流量，提取出汇流累积量为零的值与正地形求交，即得到山脊线，如图4所示。

3.4 线路走向影响

风向与线路走向垂直时，冷空气中大量的水汽能够在线路上凝结形成覆冰；风向与线路走向平行时，线路覆冰情况会减弱很多。但是，实际中也存在一些平行走向线路覆冰相较于邻近线路覆冰严重的情况，因此以冬季主导风向与线路走向夹角大于30°为覆冰微地形判据是非必须的，是辅助判据。

综上分析，湖北地区输电线路杆塔是否位于覆冰微地形的判断标准是：

1）杆塔位于山地；

2）杆塔附近5 km范围内存在水体；

3）杆塔位于迎风坡或山脊；

4）杆塔处线路走向与主导风向夹角大于30°（非必须，辅助判据）。

4 覆冰微地形辨识案例

某500 kV架空输电线路位于山区，现分析该线路290 号-310 号段所经区域是否存在覆冰微地形，该段线路卫星影像图如图5所示，数字高程如图6所示。该线路段的地形数据如表2 所示，其中受峡谷回流型地形影响，冬季主导风向为西风。

图5 线路卫星影像图Fig.5 Satellite image of transmission line

图6 线路数字高程图Fig.6 Digital elevation map of transmission line

按微地形判据分析，290 号-310 号段位于山地；海拔高度和坡度数据说明290号-299号和303号-310号分别为线路上坡、下坡段；坡向数据说明290号-299号段位于迎风坡，其中296 号-298 号与主导风向夹角小，且位于迎风坡上部；290号-299号全段周围5 km范围内均有水体；从线路走向来看，290号-310号段呈较明显的西北-东南走向，与冬季主导风向大体呈45°夹角。因此，该线路296 号-302 号位于典型的覆冰微气象区，其中296 号-298 号段覆冰严重。经与巡线人员交流和现场调查，反映迎风坡山脚下接近水体位置的杆塔覆冰不严重，接近顶部以及顶部杆塔覆冰明显增加，最重的覆冰区段在296号-298号段。

5 结语

本文针对冰区分布图难以反映覆冰状况的微地形区域的问题，提出了覆冰微地形辨识方法。首先明确山地划分标准，然后综合考虑坡向、山脊、临近水体、线路走向、覆冰主导风向等指标，给出了湖北地区覆冰微地形判断标准，并以典型覆冰微地形区为例验证。

准确判断覆冰微地形是比较困难的，一方面判据之间相互影响，如局部的覆冰主导风向受地形影响等，另一方面难以提出量化指标，如相对高程、水体距离等的准确值。因此，本文方法辨识得到的覆冰微地形，还应具体点位具体分析，现场勘察后最终确定，下一步将在量化覆冰微地形判据指标上开展深入研究。