浙江电网台风风灾的孕灾环境因子敏感性分析*

赵 伟,周 娟，陈科技，姜瑜君

(1.浙江省气象科学研究所, 浙江 杭州 310008; 2.杭州市气象局, 浙江 杭州 310051;3.国网浙江省经济技术研究院, 浙江 杭州 310016)

浙江省是受台风影响最大的地区之一。台风引发的大风是电网设施损坏的最重要致灾因子之一[1]。2013年的菲特台风给浙江电网造成了巨大的损失，造成输电线路风偏26次、跳闸18次、倒塔17次。2020年的黑格比台风，被列为2020年全国十大自然灾害之一。受其影响，浙江全省567条输电线路停运，19 247个台区、188.3万户用户用电受影响。沿海地区的线路跳闸数据表明，台风灾害引发的线路故障已经占到跳闸总数30%以上[2]。加强电网台风风灾的研究对于防灾减灾有着现实意义。当前的研究主要集中于电网台风风灾风险预警及评估研究[3-8]，但针对电网风灾的孕灾环境因子系统性研究还比较少。 电网台风风灾孕灾环境因子敏感性研究是灾害风险研究的基础，是提高电网台风风灾风险预警精度的先决条件。

本文利用 ArcGIS 软件对高精度 DEM 数据、 土地利用类型数据进行提取和处理，获得浙江电网杆塔和电网台风风灾点的地形地貌因子(海拔高度、土地利用类型、坡度、坡向、地形起伏度和离岸距离)，利用数理统计的方法，定量化分析各孕灾环境因子对电网台风风灾的影响程度。在此基础上，利用SPAW软件进行因子分析，确定各个孕灾环境因子的权重系数，构建电网台风风灾孕灾环境敏感性评估模型，绘制浙江电网台风风灾孕灾环境敏感度分布图，为电力部门线路设计和风险评估提供参考。

1 数据与方法

1.1 数据

依据气象部门的统计标准[9]，结合浙江电网每个台风引发风灾频数，筛选出2006—2020年9个高影响浙江的台风个例(桑美2006，海葵2012，菲特2013，苏迪罗2015，灿鸿2015，玛莉亚2018，利奇马2019，米娜2019和黑格比2020)。9个高影响浙江台风影响期间共有252个浙江电网110 kV及以上杆塔的风灾事故，来自国网浙江省电力公司电力科学研究院。数据包括事故杆塔的经纬度、风灾事故等类型。

电网杆塔数据(经纬度)：为 2013 年采集记录，来自国网浙江省电力公司电力科学研究院。1∶50 000的DEM 数据。根据文献研究[10]，基于 DEM 提取的杆塔海拔高度精度可用于孕灾环境因子的研究。国际地圈生物圈计划(IGBP) 1 km 分辨率的中分辨率成像光谱仪(MODIS)土地利用数据。

利用ArcGIS将浙江省按照0.01°×0.01°网格划分为99 499个单元。

1.2 方法

1.2.1 风灾样本的选取

电网风灾主要分为风偏跳闸、绝缘子和金具损坏、导地线断股和断线及杆塔损坏四种类型[11]。风偏跳闸是由于导线在风的作用下发生偏摆后由于电气间距离不足导致放电跳闸。其中绝缘子和金具损坏、导地线断股和断线及杆塔损坏均发生在杆塔，风灾发生范围为杆塔。风偏跳闸是在杆塔之间的导线发生一定的位移和偏转，因此仅仅考虑风偏跳闸杆塔为事故点不够科学，有必要将风偏跳闸杆塔事故点范围适当扩大。其次， 仅仅使用252个风灾样本，得出的结论缺少统计意义。基于以上原因，结合浙江电网平均档距一般都小于1 km和网格精度约为1 km×1 km，将风灾样本选择以杆塔为中心的周边1 km范围。综上所述，风灾样本分为两类：一类是发生过风灾的杆塔数252个，一类为中心位于风灾杆塔周边1 km的网格数403个(图1)。

图1 浙江电网台风风灾样本点分布图(注：该图基于国家测绘地理信息局标准地图网站下载的审图号GS(2020)4630号的标准地图制作，地图无修改，下同)

1.2.2 孕灾环境因子的选择

电网台风风灾的发生受内外动力作用的综合影响。深入分析研究浙江电网台风风灾发生的特点和分布规律，并结合浙江省的地形地貌等资料，选取海拔、土地利用类型、坡度、坡向、地形起伏度和离岸距离6个因素作为孕灾环境因子。

1.2.3 综合孕灾环境敏感性评估方法

利用SPAW软件的因子分析功能，计算各个影响因子的权重系数，以此作为各个孕灾环境因子对电网台风风灾影响程度的判别依据。依据权重系数，构建孕灾环境敏感度评估模型，并绘制敏感度分布图。

2 结果分析

2.1 海拔对电网台风风灾的影响

依据杆塔数据和风灾样本数据，将海拔高度以100 m 分段，计算各高度段发生过风灾的样本数占所在高度杆塔数的百分比，以其作为海拔对电网台风风灾影响程度的判别依据(表1)。

表1 不同高度风灾样本数占所在高度杆塔数的百分比

从总体趋势分析，海拔越高，对电网台风风灾形成的促进作用越强烈。相比海拔400 m以下地区，海拔400 m以上地区发生电网台风风灾的概率增加一倍多，以后电网防范台风风灾需要重点关注此区域。

2.2 土地利用类型对电网台风风灾的影响

将浙江省的土地利用类型分为 8 大类：森林/林地、灌丛、 草地、湿地、城市和建成区、耕地、农田/植被、水体，分别计算出各土地利用类型风灾样本数占所在土地利用类型杆塔数的百分比(表2)。从表2可知，永久湿地最容易形成电网台风风灾，其次是农田/植被和森林。耕地最不容易发生电网台风风灾。

表2 不同土地利用类型风灾样本数占所在土地利用类型杆塔数的百分比

2.3 坡度对电网台风风灾的影响

依据杆塔和风灾样本数据，将坡度以10°分段，计算出不同坡度的风灾样本数占所在坡度杆塔数的百分比(表3)。从总体趋势分析，坡度对电网台风风灾的形成有正向促进作用。随着坡度的增大对电网台风风灾的促进作用越来越强烈。

表3 不同坡度风灾样本数占所在坡度杆塔数的百分比

2.4 坡向对电网台风风灾的影响

将坡向分成以下 9 种：无坡向(-1)、北坡 (0°～22.5°或 337.5°～360°)、东北坡(22.5°～67.5°)、东坡(67.5°～112.5°)、东南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°) 、西南坡 (202.5°～247.5°) 、西坡 (247.5°～292.5°)和西北坡(292.5°～337.5°)。按照不同的坡向分类，分别计算出各坡向风灾样本数占所在坡向杆塔数的百分比(表4)。从表4可知，山体坡向为东坡的地区最易发生电网台风风灾，其次是南坡和东北坡，平地(无坡向)最不容易发生电网台风风灾。高影响台风引发大风的风向主要由台风的位置决定。结合文献研究[12]，高影响浙江的台风期间，样本点的主导风多为东风、东南风或者东北风。高影响浙江台风多从浙东沿海(如温州、台州和宁波等地)登陆，因此山体的东坡和东北坡多为迎风坡，容易产生极端大风。而背风坡因为有山体阻挡，所以不易产生极端大风。

表4 不同坡向风灾样本数占所在坡向杆塔数的百分比

2.5 地形起伏度对电网台风风灾的影响

依据杆塔数据和风灾样本数据，将地形起伏度按照20 m分段，分别计算各地形起伏度的风灾样本数占所在地形起伏度杆塔数的百分比(表5)。张馨璟等[13]按照地形起伏度将浙江省划分5类，其中地形起伏度0～30 m之间，认为是平坦区，30～70 m之间的是微起伏区，70～200 m为小起伏区。浙江电网的所有杆塔基本都位于地形起伏度在200 m以内的区域。

表5 不同地形起伏度风灾样本数占所在地形起伏度杆塔数的百分比

由于地形起伏度在140 m以上的样本个例太少，所以未统计地形起伏度在140 m以上的样本。从结果分析，地形起伏度越大的地区(如山区或丘陵地区)，对电网台风风灾形成有明显的促进作用；地形起伏度小的地区(如平原)，对电网台风风灾形成的作用最不强烈。这与坡度对电网台风风灾形成的影响结果基本一致。

2.6 风灾点离海岸距离对电网台风风灾的影响

依据杆塔数据和风灾样本数据，将离岸距离按照5 km分段，分别计算各离岸距离的风灾样本数占所在离岸距离杆塔数的百分比(表6)。从表6分析，离岸距离在5～10 km之间的所占比例最大，其次是离岸距离在10～15 km之间。总体上，离岸距离小于15 km，较容易发生电网台风风灾；离岸距离大于15 km，较不容易发生电网台风风灾。

表6 不同离岸距离风灾样本数占所在离岸距离杆塔数的百分比

2.7 综合孕灾环境敏感性评估及区划

利用PASW软件对风灾样本的影响因子作因子分析[14-16]，使用KMO和Bartlett的球形度检验，得出6个影响因子旋转后的方差解释率和旋转后累积方差解释率。依据方差解释率和旋转后累积方差解释率，计算出各个影响因子的权重系数(表7)。6个影响因子中，坡度和地形起伏度对浙江电网台风风灾形成影响最严重，其次是离岸距离、海拔和坡向，土地利用类型对其影响最小。

表7 各孕灾环境因子的权重系数

依据各个孕灾环境因子的权重系数，得出电网台风风灾孕灾环境敏感度评估模型为：

I=0.26×Is+0.13×Ia+0.25×Ir+0.03×Ii+0.16×Ie+0.17×I0。

(1)

式中：I为孕灾环境敏感度；Is为归一化后坡度；Ia为归一化后坡向；Ii为归一化后土地利用类型；Ir为归一化后地形起伏度；Ie为归一化后海拔高度，Io为归一化后离岸距离。以此模型，计算浙江省电网台风风灾孕灾环境敏感度分布图(图2)。从图2分析，杭嘉湖平原、沿海平地和金衢盆地等地是电网台风风灾孕灾环境敏感度较低的区域，山区多为敏感度较高地区。

图2 浙江电网台风风灾孕灾环境敏感度分布图

3 总结与讨论

(1)从总体趋势分析，海拔、坡度和地形起伏度对电网台风风灾形成是正向促进作用。永久湿地最容易形成电网台风风灾，其次是农田/植被和森林。耕地最不容易发生电网台风风灾。山体坡向为东坡的地区最易发生电网台风风灾，其次是南坡和东北坡，平地(无坡向)最不容易发生电网台风风灾。离岸距离在15 km以内，较容易发生电网台风风灾。

(2)对浙江电网台风风灾形成影响最大的孕灾环境因子是坡度和地形起伏度，其次是离岸距离、海拔和坡向，影响最小的孕灾环境因子是土地利用类型。

(3)从孕灾环境敏感度分布图中可以分析，杭嘉湖平原、沿海平地和金衢盆地等地是电网台风风灾孕灾环境敏感度较低的区域，山区多为敏感度较高地区。

(4)本研究的样本数仅有655个，根据模型扩展至近1万个网格，但未做模型的适用性研究。在将来的工作中，将针对模型的适用性研究；另外，本研究中选取的9个台风强度不同，下一步将研究不同等级台风下的电网台风风灾的特征。