浙江沿海地区台风灾害风险区域划分研究

王振国，康丽莉，李 特，姜凯华，刘 超，侯 慧

（1. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2. 浙江省气象科学研究所，杭州 310008；3. 武汉理工大学 自动化学院，武汉 430070）

0 引言

台风作为一种小概率高风险事件，其强度大、路径预测难、影响范围广［1-2］，致灾程度仅次于暴雨洪涝灾害，每年都会给我国造成严重的经济损失及社会影响［3-4］。随着全球变暖，登陆我国的台风数量显著增多，台风灾害效应也明显增加［5］。世界上最大的台风发源地位于西北太平洋［6］，浙江省位于太平洋西海岸，东临东海，夏季近海温度在24～27 ℃，同时受到东西风带的影响，容易形成台风。因此，台风灾害是浙江省危害最大、损失最严重的气象灾害之一［7-8］。台风多次给浙江省输、变、配电系统造成了严重损失［9-10］，例如2006年台风“桑美”、2019年台风“利奇马”及2020年台风“黑格比”均造成电力系统严重受损，配电系统百万级用户停电［11-13］。台风灾害损失量与暴露在台风中承灾体的数量、价值等有关，也与承灾体脆弱性相关，尤其是高耸结构的输电铁塔是一种风敏感性结构，容易在台风等极端条件下发生倒塌性破坏及风偏等［14］。但台风路径及强度预报存在很大的不确定性，预报误差较大［15-16］，为减少台风灾害带来的损失，有必要进行台风灾害风险区域的划分研究。

目前，已有部分学者针对某些自然灾害进行了风险区域划分。文献［17］提出中国区域自然灾害综合风险评估方法，从加强自然灾害风险评估实践、着力降低区域敏感性、提升自然灾害风险防控能力、建设自然灾害风险监测预警系统等方面提高防灾减灾能力；文献［18］提出区域自然灾害综合风险评价方法；文献［19］基于统计学的方法对浙江省的台风灾害进行分析，但以上研究并未对研究区域的灾害风险等级进行可视化分析。为形象观测灾害风险区域，文献［20］提出一种基于ArcGIS的山洪灾害风险评价方法；文献［21］以葫芦岛市为研究对象，划分了强降雨洪涝灾害风险区域；文献［22］对浙江省台风灾害下的风险区域进行了划分，以上研究仅对自然灾害本身的危害进行分析，未将其与实际生产相结合。文献［23］以广东省为研究区域分析了台风灾害下的人口及经济风险区域划分，但未将台风灾害与电力系统的风险区域划分相结合，因此，对台风灾害下电力系统的风险区域划分迫在眉睫。

台风灾害风险区域划分对灾害预测、灾害防治以及灾后补偿具有重要的指导作用，是国家减灾、防灾和救灾政策制定与实施的科学依据，对区域可持续发展具有重要意义［24］。本文首先分析浙江沿海地区台风气象特征，包括登陆点分布、路径特征、时间特征、风速特征及降水特征等；在此基础上，分析台风对浙江省输、变、配电系统造成的损失，包括输电系统故障点分布、最大风速与故障数量关系分析、变电系统与台风登陆点距离关系分析，以及配电系统停电用户占比分布等；最后，进行浙江省台风灾害风险区域划分，特别是倒塔高风险区、风偏高风险区及地质灾害高风险区等与电力行业相关的风险区域划分，可为补充和完善相关规范提供理论依据，为各级电网应对台风灾害提供辅助决策支持。

1 浙江沿海地区台风气象特征

1.1 登陆点分布特征

建国以来，在浙江沿海登陆的台风共有47个，其中77%的台风直接登陆浙江沿海地区，其余是先在台湾岛登陆、而后再次登陆浙江沿海的台风。登陆强度为台风级（近中心最大平均风力12～13级）及以上级别的占60%左右，其中还有3个是超强台风（16级及以上），数量比广东（2个）和海南（2个）还要多，表明浙江是一个台风发生频次高、强度强的省份。图1为建国以来登陆浙江省的台风登陆点分布。

图1 建国以来浙江省的台风登陆点分布Fig.1 Distribution map of typhoon landings in Zhejiang province since the founding of PRC

由图1可知，浙江沿海各县（区），从北部的舟山普陀到南部的温州苍南均有台风登陆记录，但登陆的频次和强度是有差异的。图2 所示为各县（区）登陆台风频次统计结果。

图2 建国以来浙江省各县（区）台风登陆数量Fig.2 Number of typhoon landings in each county （district）in Zhejiang province since the founding of PRC

由图2 可知：温岭有9 次台风登陆，苍南有7次台风登陆，是浙江省台风登陆数量最多的县（区）；其次是象山有6次台风登陆，玉环、乐清和普陀各有5次台风登陆；其他县（区）在3次或3次以下。图3为各县（区）登陆台风级别及以上的频次统计结果。

图3 建国以来浙江省各县（区）台风级别及以上登陆数量Fig.3 Typhoon level and number of landings in each county（district） in Zhejiang province since the founding of PRC

由图3可知，苍南登陆的台风中有6个在台风级别及以上，象山登陆的有5 个台风级别及以上，温岭登陆的有4 个台风级别及以上。可见，苍南、象山及温岭不仅登陆台风数量多，强度也强，是沿海需要加强防范的重点区域。另外，除了登陆浙江省的台风对浙江省造成严重影响外，在闽北接近浙闽交界区域登陆的台风对浙江省的影响也非常严重，如“菲特”台风和“玛利亚”台风等。因此，温州苍南除了自身登陆台风较多外，还受浙闽交界登陆台风的影响，是浙江省受台风影响最为严重的区域。

1.2 路径特征

路径特征的分析有利于风险区域的划分，登陆浙江省的台风空间分布如图4所示。

图4 建国以来浙江省登陆台风移动路径Fig.4 Trajectory of typhoons in Zhejiang province since the founding of PRC

由图4可知，超强台风和强台风在生成后基本向西北方向移动，均直接从浙江沿海登陆，对浙江省造成的损失最为严重。超强台风及强台风的移动路径在温岭至乐清之间分布最密集，其次为苍南和象山南部。

1.3 时间特征

了解台风的时间特征对防灾减灾具有重要的指导作用，图5为建国以来登陆浙江省的台风时间和强度分布。

图5 建国以来登陆浙江省的台风时间与强度分布Fig.5 Time and intensity distribution of typhoons in Zhejiang province since the founding of PRC

由图5可知，登陆浙江的台风主要出现在每年的7—9月。其中，1949—2000年的52年中，登陆浙江省的台风有30 个，平均每年有0.58 个台风登陆；2001—2020 年的20 年中，登陆浙江省的台风有17 个，平均每年有0.85 个台风登陆。可见，2000 年后，登陆浙江省的台风频次明显增多。1949—2000 年的52 年中，登陆浙江省的强台风级别及以上的只有3个，而2001—2020年的20年中，登陆浙江省的强台风级别及以上的多达8 个。可见，2000年后登陆浙江省的台风强度也显著增强。2011—2020年有1个超强台风“利奇马”及2个强台风登陆浙江省，台风对浙江省的影响仍较为严重。

1.4 风速特征

基于近10 年台风期间浙江全省自动气象站风速观测资料，对台风期间的实测风速进行分析，图6为浙江省台风影响期间监测到的极大风速空间分布。

图6 台风影响期间监测到的极大风速的空间分布Fig.6 Spatial distribution of maximum wind speeds monitored during the typhoons

由图6 可知，浙江沿海岛屿及距离海岸线50 km以内的区域，极大风速超过27 m/s；距离海岸线20 km 以内的地区和沿海岛屿，极大风速超过40 m/s；极大风速超过27 m/s 的区域与强风致输电线路故障区域基本重合。

1.5 降水特征

台风不但带来大风，且常伴降水发生。台风经过之处暴雨狂泻，一次可达数百毫米，有时可达1 000 mm 以上，极易造成次生灾害［25］。据统计，2010 年以来，各自动气象站观测到的台风过程降水量最大值的空间分布如图7所示。

图7 2010年以来台风过程降水量最大值的空间分布Fig.7 Spatial distribution of maximum precipitation during typhoons since 2010

由图7可知，全省大部分区域的自动气象站都曾观测到超过200 mm的过程降水量，说明台风给浙江省带来的降水量十分充沛。全省台风过程降水量最多的区域，是从距离海岸线10 km 到深入内陆100 km 左右的范围内。这是由于台风携带的大量水汽，在登陆后遇到浙东沿海山脉阻挡后，在迎风坡形成的强降水。从图7中可以看出，很多自动气象站都观测到400 mm以上的降水量，甚至有些自动气象站观测到600 mm以上的降水量，个别自动气象站还观测到800 mm以上的降水量。在台风影响前后的短短几天内，如此多的降水常常造成严重的洪涝灾害，而且由于地处内陆，洪水消退较为缓慢，因此台风降水往往比台风强风造成的影响更为严重。

2 台风灾害对输、变、配电系统的影响

2.1 输电系统的风险分析

目前浙江地区输电线路以猫头型、“干”字型铁塔为主要塔型，塔头电气间隙紧凑，沿海登陆的台风以及强对流天气产生的强风作用于线路上，将使导线、引流线产生风偏摇摆，当摇摆幅度超过设计允许值时，导线会对塔材等部件风偏放电，导致输电线路跳闸，严重威胁到电力系统的安全运行；对于输电铁塔，当杆塔和两侧导线承受的垂直风荷载大于杆塔的设计荷载时会导致杆塔倾覆；当杆塔所承受的风荷载超过杆塔关键杆件的设计强度时，导致其无法正常服役。

国网台风监测预警中心持续开展了台风历史数据库建设工作，共涉及16 次台风过程。浙江省输电线路台风灾害故障点分布如图8所示。

图8 台风灾害下浙江省输电线路故障点分布Fig.8 Distribution of fault points of transmission lines in Zhejiang province under typhoon disaster

由图8可知，台风灾害下输电线路的故障点主要位于浙江省中南部沿海地带，台风期间跳闸线路故障原因主要有导线风偏、跳线风偏、异物外破、杆塔受损、地线掉线等，其中，杆塔受损和风偏闪络占比分别达到44.8%和41.3%。造成输电线路跳闸最多的3次台风分别为2006年台风“桑美”、2019年台风“利奇马”和2020 年台风“黑格比”。输电杆塔受损主要发生在台风“桑美”和“菲特”期间，近年来虽然登陆台风强度较大，但由于前期杆塔整改到位，输电线路杆塔受损已经较为罕见。

对台风登陆最大风速及故障的数量进行拟合，得到二者之间的关系如图9所示。可以看出，当台风登陆的最大风速超过30 m/s时，输电线路故障数量呈线性急剧增加，与最大风速呈正相关关系。

图9 台风登陆最大风速与故障数量间的关系Fig.9 The relationship between the maximum wind speed of typhoon and the number of faults

2.2 变电系统的风险分析

在2019 年第9 号台风“利奇马”及2020 年第4号台风“黑格比”期间，浙江省变电站设备受损较为严重，对故障变电站的位置进行可视化，如图10所示。

图10 台风“利奇马”与“黑格比”期间故障变电站Fig.10 Faulty substations during typhoon Lekima and Hagupit

由图10 可知，变电站台风灾害风险同样也集中在沿海区域，全站失电变电站距离海岸线不超过50 km，变电站台风灾害高发于台风登陆点附近的温岭、乐清、玉环等地。高达79.1%的变电站故障主要是由进线失电造成的，说明防范进线全停是防止变电站全站失电的重要技术措施。强风也会导致变电站内母线倒塌、避雷器倒塌、异物外破等，分析台风“利奇马”与“黑格比”期间故障变电站与台风登陆点距离可以发现，85%的故障变电站距离台风登陆点不超过50 km，并且绝大多数距离登陆点10～40 km。变电站台风故障主要受进线全停影响，与变电站自身的地理位置和抗台风能力关系相对较小。

2.3 配电系统的风险分析

配电系统由于设防水平低，在台风期间的故障原因较多，常见故障原因包括树竹倒伏引起的放电、老旧杆塔倒杆、导线断线等，为进一步分析配电系统的台风灾害，对台风“利奇马”与“黑格比”期间的配电系统停电用户占比分布进行可视化，如图11所示。

图11 台风“利奇马”与“黑格比”期间用户停电占比分布Fig.11 Distribution of power outage percentages during typhoon Lekima and Hagupit

由图11可知，2019年台风“利奇马”期间配电系统停电用户占比分布中，范围大体与台风登陆点相关，距离登陆点越近灾害越严重，并且台风登陆点北侧相对更严重。与输电系统不同的是，配电系统台风灾害可以出现在远离海岸线的内陆地区，这是由于配电系统受洪涝及地质灾害等台风次生灾害的影响比较大，其受灾并非纯粹由强风导致的。由2020 年台风“黑格比”期间全省配电系统停电户数较多的区域分布情况可知，台风登陆点附近的乐清与玉环两地的配电系统停电规模远超其他地区。与2019年台风“利奇马”相比，“黑格比”过境期间，尽管最大实测风速接近“利奇马”，但其对配电系统的影响相对集中，可能是“黑格比”台风体型远小于“利奇马”所致。

3 台风灾害风险区域

3.1 总体风险区域划分

图12 是根据建国以来台风活动历史记录和历史台风灾害故障数据所划定的浙江省台风灾害高风险区域和超高风险区域。

图12 浙江省台风风险区域划分Fig.12 Typhoon disaster risk zoning in Zhejiang province

由图12 可知，高风险区域主要根据历史台风灾害故障点位置进行划分，其纬度范围为北纬27.1°—29.6°，经度范围为东经119.9°—121.9°，行政区域跨越温州、台州及宁波三地，主要为沿海平原与丘陵地带。超高风险区域主要根据与海岸线距离及强台风登陆情况进行划分，其纬度范围为北纬27.1°—28.5°，经度范围为东经120.3°—121.9°，行政区域跨越温州、台州两地，主要为沿海小平原地带。

3.2 倒塔高风险区域

输电线路倒塔的主要原因是台风带来的持续性大风超过了杆塔设计风速值，因此倒塔高风险区域主要取决于持续性强风出现的位置。根据气象部门对历次台风期间的风速分布研究，台风带来的强风从海上吹向陆地时，距海岸线5～10 km是一个急速衰减区域，最大风速从41 m/s 衰减到30 m/s 左右，距海岸线10～20 km 继续衰减到27 m/s 以下，因此台风造成杆塔倒塔的强风主要出现在海岸线向内陆方向10 km 以内的区域。具体划分为以下两个区域：

1）倒塔超高风险线路：若线路位于邻近海岸线5 km 范围内，且杆塔位处于海拔较高的山顶、迎风坡等微地形区、沿海第一道山梁区域，该线路定义为重点设防线路，其倒塔风险较高。

2）倒塔高风险线路：线路位于距离海岸线5～10 km 范围内，且杆塔位处于海拔600 m 以上的山顶、迎风坡、垭口等特殊地形。

3.3 风偏高风险区域

以浙江省中尺度气象站观测的极大风速的极值分布为依据绘制台风风偏高风险区域，如图13所示。

图13 台风风偏高风险区域Fig.13 High-risk areas for wind deviation during typhoons

除持续性大风外，瞬时性大风也可能导致杆塔跳线发生风偏并导致跳闸，而由于台风的湍流较强，其瞬时性大风出现的范围比持续性大风更广，因此风偏高风险区域主要取决于台风过境期间瞬时大风出现区域。通过对浙江省极大风速的极值分析，超过27 m/s 的瞬时强风主要分布在距离海岸线50 km 以内的区域，与输电线路风偏故障高发区重合。

3.4 地质灾害高风险区域

山体滑坡等地质灾害会对输电线路的基础稳定性造成影响，严重的还会导致倒塔断线故障。台风诱发地质灾害主要表现为台风活动期间，由于伴随着狂风暴雨，山体地表径流与土壤渗水量同时增加，导致地下水位和土壤含水量增加，同时孔隙水压力增加，当孔隙水压力超过临界值时滑坡失稳。与持续性降雨诱发地质灾害的条件相比，台风诱发的地质灾害往往需要相对较小的前期有效雨量和较大的临界雨强。

在台风活动期间的强降雨作用下，山体地表径流与土壤渗水量同时增加，从而引发山体滑坡和泥石流。与一般降雨型滑坡相比，由于暴雨的强力冲刷，台风往往导致小型的浅层滑坡。研究表明，台风诱发地质灾害主要分布在临界雨强10～20 mm/h，累计雨量400～500 mm，根据这一阈值区间和浙江省台风期间降雨实测数据，绘制地质灾害高风险区域分布如图14所示。

图14 强降水诱发地质灾害高风险区域Fig.14 High-risk areas for geological disasters induced by precipitation

由图14 可见，地质灾害高风险区域与倒塔及风偏高风险区域有显著差异，强降雨诱发的地质灾害高风险区域主要分布在余姚、天台、临海、黄岩、永嘉、文成、泰顺等县区的内陆地带，这是由于台风带来的强降水往往由外围螺旋云系造成的，与台风中心并不完全重合。

4 结语

本文首先总结了自建国以来浙江沿海地区台风的登陆点分布、路径特征、时间特征、风速特征及降水特征。结合历年浙江省电力系统受台风灾害的影响，对浙江省输、变、配电系统等受灾情况进行分析，根据台风历史数据和历史台风灾害故障数据，将浙江省的风险区域划分为高风险区域和超高风险区域，并进一步划分了倒塔、风偏及地质灾害高风险区。

针对浙江省电力系统的防灾减灾提出以下建议：根据台风高风险区域对杆塔进行改造，可降低13 级台风情况下电网发生倒塔的概率；对于导线风偏问题，在运线路按照现行风区图进行导线风偏校核和改造，能有效降低导线风偏概率，对高风险区域新建线路可使用V 串绝缘子，彻底杜绝导线风偏问题；台风来临前，应加强高风险区域内输电线路和变电站周边异物的排查，减少台风过境期间由异物导致的输电线路和变电站故障；对于曾经发生过洪涝灾害的变电站，还应加强排水能力建设，防止因水淹导致的变电站全停。