数字孪生技术在变电站防汛风险评估中的应用

胡志锋，曹朋辉，张 波，陶 昆，霍 天，戴瑞成

(国网北京市电力公司检修分公司，北京 100073)

0 引言

随着城市地下空间的开发利用,防汛问题日益突出,开展防汛评估和风险管理尤为重要[1]。随着空间信息技术的成熟,采用仿真程序分析汛情影响的方式被广泛应用,例如王浩等综合运用遥感技术、地理信息系统技术,在Unity3D搭建三维场景模型,运用广度搜索算法模拟洪水运动过程[2]； 俞宏群等基于倾斜摄影和激光扫描的水电站,提供了一种防洪度汛信息监管方法[3]。

但当前的防汛风险分析尺度过大,分析结果对具体地点的防汛措施指导意义不足,且针对城市广泛存在的、承担民生重要供电任务的变电站,其防汛风险评估研究的盲区较大。因此,有必要选取某个特定地点,采用基于空间信息测绘的数字孪生技术,开展防汛风险评估,并给出关于防范措施的具体建议。

1 分析对象基本情况

选择的分析对象为北京某110 kV/10 kV两电压等级地区负荷变电站,占地面积1911 m2。地面一层设警卫生活用房、楼梯间、通风井和吊装口。地下有三层,设备安装于地下一层和地下二层,地下三层为电缆夹层。该变电站建设年代较早,站区附近后开发建设的商业楼宇和住宅小区地面高程较高,造成变电站地势相对低洼,遇强降雨天气则可能存在积水倒灌风险。

通过创新应用基于空间信息测绘的数字孪生技术,同时采用徕卡RTC360对该变电站地面及附近地形进行测绘,建立绝对坐标体系下的3D数字模型,并使用Cyclone3DR仿真软件开展防汛分析和相关计算。变电站地面3D点云模型示意如图1所示。

图1 变电站地面3D点云模型示意

2 防汛评估基本思路

通过静态高程分析和动态积水分析,并参考北京7·21、郑州7·20等历史降雨量数据,进行软件模拟,计算出变电站周边各处水深,进而评估防汛措施的有效性。

2.1 静态高程分析

在变电站3D模型中,测量地面一层所有门、窗、通风口下沿的绝对高程,并与站区附近地形最高处的高程进行比较,确定变电站地势相对低洼点。选取的测量点如图2所示。

图2 选取的测量点示意

经分析得出,警卫室西侧的门D1最低点高程为26.25 m,东南角楼梯出入口西侧门D2的最低点高程为26.27 m,警卫室北侧窗户W1的最低点高程为27.45 m,警卫室东侧窗户W2的最低点高程为27.83 m,东南角楼梯出口的南北两侧窗户W3的最低点高程为27.19 m,警卫室东侧通风口百叶窗V1的最低点高程为26.75 m,出风长廊北部东侧百叶窗V2的最低点高程为26.65 m,出风长廊南部西侧百叶窗V3的最低点高程为26.75 m,主变吊装口东西两侧百叶窗V4的最低点高程为26.79 m。

另外,考虑变电站周边商业街地面呈现西低东高的地势,最低点位于西南角,高程约26.4 m；最高点位于东北角,高程约26.75 m。

汇总上述数据,得到静态高程数据分析(与附近地面最低点相对高差),结果如表1所示。

表1 静态高程数据分析

综合以上数据,得出该变电站警V1、V2、V3、V4位置较低,与变电站附近地面最低点的高差不足0.5 m,存在积水倒灌风险。

2.2 动态积水分析

城市暴雨形成内涝是一个复杂的过程,精确的模拟计算非常困难。为了突出主要矛盾,保证分析结果的有效性,在动态积水分析时假定以下条件：降雨在汇水面积上均匀分布、降雨强度在计算时间段内均匀分布、不考虑洪水蒸发、变电站站区接收的雨水全部转化为径流。因变电站东侧某小区整体地势高出变电站约2 m,假定小区雨水形成的径流有1/4汇入变电站周围,其径流系数参照DB11/T 969—2016《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(以下简称《标准》),取典型值上限。

分析2021年郑州7·20特大暴雨中郑州气象站的小时降雨量,其短时强降雨特征最为明显(见图3)。20日16时至18时期间累计降雨量为310 mm,其中17时至18时一个小时内降雨量就高达201.9 mm。

图3 郑州7·20特大暴雨郑州气象站的小时降雨量

分析2012年北京7·21特大暴雨小时降雨量数据,也呈现出短时强降雨特征。门头沟气象站记录显示13时雨量达54.7 mm/h,随后减弱,3 h后强度又提升至51.2 mm/h,小时降雨量超过50 mm/h的时间累计为3 h。根据《标准》提供的北京朝阳地区50年、100年重现期暴雨雨量分配过程(见图4),可以看出该地区仍然具备短时集中强降雨特征,尤以17时至18时期间雨量大且集中。

图4 朝阳地区50年、100年重现期暴雨雨量分配

根据《标准》,北京朝阳地区的雨水管道1 h最大排水能力为54.3 mm/h。因此,短时强降雨形成的积水远超管网排水能力,当降雨强度减弱后,管网排水速度超过雨水汇集速度,积水深度将呈现下降趋势。

郑州7·20特大暴雨过程中,郑州气象站记录显示16时至18时期间小时降雨量显著超过管网排水能力,累计达310 mm,占整个过程降雨总量的50 %；北京7·21特大暴雨过程中,门头沟气象站13时、18时、19时降雨量超过管网排水能力,累计达150 mm,占整个过程降雨总量的33 %。

因降水集中,忽略管网排水因素,将这两场暴雨的3 h降雨量以及《标准》提供的北京朝阳地区50年、100重现期暴雨2 h集中降雨量数据,套用至该变电站进行积水深度计算,可以检验该变电站防汛设施应对极端短时强降雨的有效性。

运用等体积水库法,通过软件模拟计算,得出不同积水高程下,变电站周围的积水体积,再按汇水面积换算为降雨量,可得到仿真效果。

假设变电站站区面积为A1,变电站东侧小区面积为A2,小区雨水径流系数为β,变电站汇水体积为V,等效累积降雨量为p,按照公式p=V/A1+0.25βA2,代入以上数据,得出仿真计算结果,如图5所示。

图5 不同降雨量下变电站周围的积水高程对应关系

3 防汛风险分析

1) 按照北京地区50年一遇暴雨最大短时雨量校验(2 h累计降雨量136 mm),积水计算高程为26.85 m,该变电站V1、V2、V3、V4存在积水倒灌风险。

2) 按照北京7·21最大短时雨量校验(3 h累计降雨量150 mm),积水计算高程为26.89 m,该变电站V1、V2、V3、V4存在积水倒灌风险。

3) 按照北京地区100年一遇暴雨最大短时雨量校验(3 h累计降雨量185 mm),积水计算高程为26.98 m,该变电站V1、V2、V3、V4存在积水倒灌风险。

4) 按照郑州7·20最大短时降雨量校验(3 h累计降雨量310 mm),积水计算高程为27.33 m,该变电站D1、D2、W3、V1、V2、V3、V4存在积水倒灌风险。

4 结论

1) D1和D2目前安装的0.8 m高防洪挡板不能抵御郑州7·20级别暴雨,建议再增加1块高度为0.4 m的防洪挡板,将总高度增加至1.2 m,无降雨时可拆下加装挡板以便于人员进出。

2) V1、V2、V3、V4不能抵御50年一遇、100年一遇、北京7·21和郑州7·20级别暴雨。建议加装2块防洪挡板(每块高度为0.4 m）,则最高可抵御郑州7·20级别暴雨。无降雨时挡板可拆下以利于通风散热。

3) W3目前高度不能抵御郑州7·20级别暴雨,建议加装1块高度为0.4 m的防洪挡板。