冰区分布图绘制方法研究——以重庆市城口县为例

郑箐舟，吴 瑕，李家启，陈施吉，符威平，林 斌

1.重庆市气象服务中心，重庆 401147；2.包头市气象台，内蒙古包头 014030；3.城口供电公司，重庆 405900

架空输电线路能够为偏远地区提供电能，在各个国家与地区的经济发展和人民生活水平的持续改善方面发挥着重要作用。然而，由于电线常年暴露在自然环境中，所以会受到大风、低温、冻雨等天气的影响。输配电系统各部件结冰就是受到极端气象要素影响而造成的主要电网损害之一，这不仅会损害电线及其附件的可靠性和使用寿命，还可能会造成大面积电网的断股、断线、线路舞动或变形等事故，从而导致巨大的经济损失，甚至出现人员伤亡[1]。

近年来，我国全面推进各级电网建设，确保输电线网安全可靠。其中，电网冰区的划分是提高电网安全性的关键之一。冰区等级划分的合理性与电网能否抵御覆冰灾害息息相关。科学的覆冰区划既能避免在极端天气情况下发生断线、倒塔等灾害事故，又能尽可能地避免电网工程建设投资的浪费。目前，我国出台的国家标准《电网冰区分布图绘制技术导则》中明确规定了冰区分级标准和绘制色标要求（表1）[2]。对电网覆冰进行合理、科学的划分，不仅是提高输电线路抗冰性的基础，还可以在规划既安全又经济的电网路线时提供一定的参考。

表1 冰区分级标准和冰区分布图色标要求

目前，国内外多个国家和地区均开展了冰区分布图的绘制工作，常用的方法包括经验调查法、覆冰数据法、CRREL模型法、气象参量回归法，以及局地地形—气象影响覆冰等级模型法等[3]。在这些方法中，局地地形—气象影响覆冰等级模型法是一种基于局地气象要素和地形因子的经验—统计关系模型，适用于覆冰数据较少的地区。

重庆是著名的“山城”，境内坡地较多，地形高低悬殊，该地势在渝东北一带更为显著。作为重庆东门的“门户”，城口县背靠大巴山，沟壑纵横，是典型的高寒深山区，其高海拔地区冬季常年积雪覆冰（图1）。同时，当地常有“倒春寒”天气出现，加重了气候灾害对当地电力系统的影响，这对电力部门和气象部门都是一大挑战，是全国电网覆冰灾害最为频发的省市之一。

图1 城口县海拔以及部分易覆冰电网线路

近年来，城口县内发生了多起因覆冰过重而引发的电网安全事故，造成了一定的经济损失，同时对该地区工业生产和居民们的生活造成了一定影响。例如，2019年1月，位于海拔1 600 m处的225#塔因覆冰过重导致了输电线路放电闪络，引起线路故障跳闸，被迫停运（图2）。然而，有关重庆覆冰的资料不多，针对冰区分级图的区划还鲜有研究，相关研究亟待开展。

图2 2019年1月225#塔事故现场实拍图

以重庆城口县为例，基于研究区多年的历史气象数据，并结合当地地理条件，采用局地地形—气象影响覆冰等级模型法，综合考虑研究区微气象、微地形对覆冰的影响，绘制冰区等级划分图，以期为当地电网抗冰设计提供参考。

1 数据来源

1.1 资料收集

本项目使用的数据资料包括城口县64个常规气象站点和1个国家基本气象站的实际观测日数据、遥感数据以及野外微气象与微地形的调研结果。

气象站观测资料包括覆冰期（11月—翌年3月）的日平均气温、日最低气温、日相对湿度、风向和日最大风速，来自国家气象信息中心，起始时间为2005年11月1日，终止时间为2020年12月31日。遥感资料包括30 m数字高程模型数据（DEM），来自地理空间数据云。另外，项目组于2021年4月赴城口县与当地电网负责人一同前往当地电网的覆冰高发区进行了实地调研交流，主要调研数据包括易覆冰电网线路经纬度与走向、易覆冰地区的高程、微地形以及气象观测数据。

1.2 数据处理

在实际气象观测工作中经常会出现地面观测数据缺测或者异常的现象，因此需要对长时间序列的气象数据进行填补与插值处理，以保证数据的完整性。在整理好气象资料的基础上，统计出各气象站点多年均值，包括冬季平均气温、冬季平均最低气温、冬季平均最大风速、冬季平均相对湿度、冬季主风向。

此外，采用ArcGIS地理信息系统软件，将下载的30 m分辨率的海拔高程原始数据栅格化，再依据行政边界对其进行拼接和裁剪，生成研究区域高程分布图。

2 冰区分布图绘制主要参考因素

电网线路覆冰是由多种因素引起的，考虑到城口县的实际情况，本研究主要从气象因素和环境因素2个方面入手，探究输电线路覆冰影响规律。

2.1 气象因素

覆冰形成过程与空气温度、相对湿度、风向、风速等气象要素有着直接的关系[4-5]。

空气温度低于0℃是形成覆冰必要的气象条件之一。雨凇覆冰通常在-5℃~0℃之间形成，而雾凇覆冰形成时的空气温度必须低于-8℃，通常在-15℃~-10℃之间。另外，空气相对湿度大于85%时，容易出现霜、湿雪等天气现象，极大地增加了电网覆冰的可能性，这也是我国南方地区比北方地区电网表面易形成覆冰的原因之一。

在覆冰形成的过程中，风速的大小和风向起着至关重要的作用[6]。大量的过冷却水滴通过风的输送黏附在电网线路上，加速了导线覆冰的速度。此外，当风向与线路垂直或者与导线夹角大于45°时，加大了过冷却水滴被导线捕获的概率，会加重输电线路的负担。

2.2 地理环境因素

2.2.1 海拔通过对重庆城口县实地覆冰的调查和研究发现，电网覆冰厚度与电网线路所处海拔有明显关系。同一地区在相同的地理环境下，海拔越高，电网表面就越容易覆冰，覆冰的重量也随之增加。根据城口县电网覆冰历史资料，两条主要电网线路——冉城线和白城线易覆冰路段所处的海拔均高于1 400 m。

2011年，蒋兴良教授[7]的团队提出了电网覆冰厚度与海拔高程呈指数函数关系：

Z=AeB×h+Z0

式中：Z为覆冰厚度均值（mm）；B为增长因子，反映了覆冰厚度随海拔变化的增长速度；A反映了不同覆冰情况、不同地区覆冰变化系数；h为海拔值（m）；Z0为覆冰厚度调整值。

蒋兴良教授团队分析了重庆地区输电线路导线覆冰的海拔特性后，确定了在重庆地区该函数关系式中各个 参 数 为：A=21.2478，B=0.0006，Z0=-28.0348。

2.2.2 地形地貌微地形对局地气候会产生较大的影响，这导致即使处于同一山体，覆冰厚度及其特性可能会截然不同[8]。对于以山地为主的城口县，在制作覆冰分区图的时候，就必须考虑到暴露的地方易积雪且风速大，覆冰程度可能会比较严重，需要修正其覆冰等级。例如，高山的迎风坡（山坡坡向与冬季主风向夹角小于90°）就是有利于形成覆冰的地形条件之一。

3 冰区分布图绘制关键技术

城口县冰区分布图绘制主要采用局地地形—气象影响覆冰等级模型法（图3）。由于地形因子对覆冰形成的作用大于气象因子，因此，首先考虑地形因子对冰区分级的影响，再根据局地微气象微地形要素修正覆冰等级[9]。

图3 冰区分布图绘制流程

3.1 气象数据的插值处理

城口县包含亢谷、庙坝、巴山、明通、东安等多个气象站点，站点分布不均。利用泰森多边形确定每个站点控制的面积较粗糙，无法准确反映研究区域内气温、相对湿度、风速等各个气象要素的分布。

克里金(Kriging)插值利用地理学相近相似定理定量量化的表示形式，考虑了已知点与相邻待插值点的空间关系，通过采样点的数据推算待插值点的属性值，进而形成整个区域的数据，这是对研究对象线性无偏的最优估计[10]。因此，借助ArcGIS软件使用克里金(Kriging)插值法对站点气象数据进行空间插值，得到各个气象要素的分布图，并最终整理形成城口县气象要素格点数据集。

根据插值结果（图4），城口县冬季日均温度相对起伏较大，平均温度和最低温度的空间分布大致相同。低值普遍出现在高程较高的东部地区。最大风速高值区集中在城口县两端，全县最大风速均大于3 m/s，且最低气温均低于0℃，易形成覆冰。大部分地区相对湿度高于85%，其中高值区集中在中部，空气中水汽含量达到覆冰条件，满足电网覆冰气象条件，覆冰概率较大。

图4 城口县影响覆冰的主要气象要素的空间分布

3.2 特殊地形的提取

根据30 m的高程数据，利用ArcGIS软件直接提取坡度、坡向和高程信息，再与插值之后的冬季主风向的夹角进行比较，夹角大于90°则判定为背风坡，小于90°则判定为迎风坡。山脊线和山谷线的提取是基于地形表面流水物理模拟分析的原理，其实质也是对分水线与汇水线的识别。基于DEM数据，通过识别汇流累计量为0的栅格即可提取山脊线。山谷线的提取需要先反转地形得到相反的水流方向，此时分水线变为分水线，再利用相同的方法即可得到山谷线。根据上述识别方法和提取流程，得到城口县山脊线、山谷线、迎风坡和背风坡（图5）。

图5 城口县地形特征的提取

3.3 冰区图的划分与订正

结合蒋兴良教授团队提出的电网覆冰厚度与海拔高程的拟合公式，得到一张初步的城口县覆冰厚度分布图。在此基础上，对微地形、微气象区域所在格点进行覆冰厚度的修正：（1）分析研究区覆冰期的最低温度、相对湿度、最大风速，根据覆冰形成时需满足的温度、湿度以及风速的要求，将最低温度高于0℃或相对湿度低于85%或最大风速小于1 m/s的区域划分为无覆冰区；（2）根据历史覆冰和文献资料，分析覆冰厚度与气象要素，整理出相对湿度和风速的阈值：当风速在3~6 m/s内，空气相对湿度高于90%时，覆冰速度最快、覆冰概率增加[11]，应在第一步的基础上，提高满足此类气象要素条件的区域的冰区等级；（3）对微地形所在网格，即垭口处和迎风坡区域，根据《电网冰区分布图绘制技术导则》提出的修订方案，增加此类特殊地形的覆冰等级。

3.4 绘制出图

按照上述绘制流程，根据城口县海拔，再结合该县覆冰期温度、相对湿度、风向、风速等气象资料，依照《电网冰区分布图绘制技术导则》对冰区色标的要求，即可得到城口县冰区等级划分图（图6）。根据实地调研结果，城口县境内每年冬季各山脉地区积雪，一般在海拔大于1 400 m的地区，且迎风坡面的电网上存在覆冰现象。若当年气象要素条件较为恶劣，还可能出现严重覆冰的情况。

图6 城口县冰区分布图

4 结论与讨论

4.1 结论

采用局地地形—气象影响覆冰模型法绘制冰区分布图，该方法基于历史气象数据和地形条件，综合考虑微气象和微地形的影响，反映出输电线路覆冰厚度随高度、地理位置立体变化特征。使用该方法绘制的冰区分布图叠加电网公司提供的实际易覆冰路段，以判定此绘制方法的合理性和科学性。从绘制结果来看，实际易覆冰线路段均分布中冰区甚至重冰区，设计覆冰厚度均在20 mm以上，部分易覆冰线路段设计覆冰厚度甚至达到50 mm以上，与实际情况基本相符，说明采用局地地形—气象影响覆冰等级模型方法绘制该地区的冰区分布图是较为合理的。

4.2 讨论

（1）采用局地地形—气象影响覆冰模型法绘制冰区等级图，有效地解决了有较少覆冰记录或者没有覆冰记录地区难以确定电网设计冰厚的问题，为确定重要输电线路的走向、建设提供了一定的科学依据。

（2）在现有勘测的基础上，结合绘制的冰区等级图，辨识覆冰等级高的地方，应该尽量避免在此类地方修建输电线路。当无法避免时，因尽量避开易成冰地形区域，比如迎风坡、冷空气通道等，或者提高覆冰设计标准，强化电网抗冰保供电能力。