基于湖北输电线路灾情的山火分布特征分析

叶丽梅 ，黄俊杰 ，高正旭 ，万君 ，张丽文

（1.武汉区域气候中心,湖北 武汉 430000；2.三峡国家气候观象台,湖北 宜昌 443000；3.中国气象局流域强降水重点开放实验室,湖北 武汉 430000；4.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院,湖北 武汉 430000）

0 引言

近年来，湖北电网输电线路多次发生因山火导致的线路停运、降压运行、跳闸，山火已成为威胁架空输电线路安全运行的重要因素，是电网的主要灾害之一[1]。山火是一种发生原因复杂的灾害，涉及火险天气、可燃物、火源等多个方面，在山火高发期，电网运维单位需投入大量的人力、物力开展线路巡视、重点区段蹲守和山火现场监控等工作[2]。因此，有必要开展针对输电线路的山火灾害特征及预警评估相关研究。

近年来，国内外学者在森林火险气象条件[3-4]、线路山火跳闸机理[5-7]、线路山火监测[8-10]和山火预警区划[11-13]取得了不少成果[14]。郭海峰等[3]利用变异系数法对降雨量、风速、气温、相对最小湿度分段并加权打分，建立了森林火险天气指数模型。黎鹏等[5]通过模拟实验使用均匀升压法和升压、耐受结合法2 种方式，发现击穿电压随时间呈U 形曲线分布。梁允等[7]利用极轨卫星监测的山火信息与电网地理信息相结合，建立输电线路防山火监测系统。国外广泛运用的火险气象预报模型包括加拿大森林火险指数系统[15]（FWI）、国家火险等级系统（NFDRS）[16]、澳大利亚火险等级系统（GFDM）[17]。

湖北的输电线路在山火预警系统[1]、输电线路跳闸机理[7]、山火特点等方面取得一些研究成果[18-20]。阮羚等[18]给出山火引起输电线路跳闸机理，及输电线路防山火的预防措施；王胜等[1]提出山火风险等级的改进LEC 法，采用综合气象干旱指数修正山火风险值，实现了动态山火风险分布图的绘制。罗洋[6]基于湖北地区山火跳闸案例的具体特点，对山火引起线路跳闸的机理及原因进行分析，设计了一套山火预警系统。

综上所述，现有研究虽然在湖北输电线路山火的监测、跳闸机理等方面有一些成果，但输电线路的山火风险预报预警研究仍处于起步阶段，构建风险预警模型的影响要素特征研究仍存在不足。因此，本文基于湖北输电线路历史山火灾情资料，利用数理统计、气候统计和ArcGIS 空间分析等方法，通过对山火时空分布及山火与气象、下垫面、社会人文等影响因子关系进行特征分析，以便揭示该地区输电线路山火发生规律，为研究湖北输电线路山火风险区划及预警提供基础支撑。

1 资料来源、处理与研究方法

1.1 资料来源与处理

本文使用的资料包括：（1）2016 年8 月1 日至2021 年1 月12 日湖北省输电线路319 个实际发生的山火点经纬度、发生时间、发生地点等信息，资料来源于国网湖北省电力科学研究院；（2）76 个国家气象站建站至2021 年气温、降水、风速、相对湿度的历史日资料，资料来源于湖北省气象局；（3）湖北省2017 年30 m 土地覆盖分类，资料来源于清华大学（https://data-starcloud.pcl.ac.cn/zh）；（4）湖北省90 m数字高程模型（DEM），资料来源于美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）高程数据（https://www.gscloud.cn/#page2）。此外，基于DEM数据，利用ArcGIS 软件三维空间分析功能提取了湖北省坡度和坡向数据；（5）湖北省1∶100 万道路数据，资料从全国地理信息资源目录服务系统下载获取（https://www.gscloud.cn/）；（6）湖北省2015 年1 km人口密度数据，数据从资源环境科学与数据中心下载获取（https://www.resdc.cn/）。

本着尽可能保留更多能用于山火各类特征的样本数原则，整理筛查历史山火灾情资料，整理结果如表1 所示。从表中知，剔除2016 年、2021 年及年份不明确的11 个山火点，使用2017～2020 年294 个山火点进行年际变化特征分析；剔除2016 年、2021 年、年份及月份不明确的33 个火点，采用272个山火点进行月、季分布特征分析；剔除经纬度信息有误的3 个火点，采用其余的316 个火点进行地域分布、下垫面、社会人文等特征分析。

表1 湖北输电线路山火灾情数据说明Tab.1 Description of mountain fire disaster data on Hubei transmission lines

1.2 研究方法

本文以湖北省输电线路通道实际发生的历史山火灾情为研究对象，运用数理统计、气候统计和ArcGIS 空间分析法，按时间、地域、下垫面、气象、社会人文等特征因子分组统计山火点数量，绘制各类特征分布图。气象因子特征分析中降水、气温、风速、相对湿度等要素的距平值采用1981～2010 年作为基准期。

1）降水距平百分率

某时段降水量距平百分率（Pa）按式（1）和式（2）计算：

式中：

P ——某时段降水量（mm）；

n ——30 a；

i ——1，2，···，n，表示时间尺度，如天、月等。

2）相对湿度距平

某时段相对湿度距平（Ra）按式（3）和式（4）计算：

式中：

R ——某时段相对湿度（%）；

3）风速距平

某时段风速距平（Fa）按式（5）和式（6）计算：

式中：

F ——某时段平均风速（m/s）；

F ——计算时段同期气候平均风速（m/s）。

4）气温距平

某时段气温距平（Ta）按式（7）和（8）计算：

式中：

T ——某时段平均温度（℃）；

2 结果与分析

2.1 时空分布特征

2.1.1 年际变化特征

图1 给出了2017～2020 年湖北输电线路山火年际变化分布，由图可见，近几年湖北平均每年监测到73.5 个火点，其中2019 年的火点最多，达152 个，占总数的51.70%，明显高于其他年份，次多年份出现在2017 年，监测到63 个火点，最少年份发生于2020年，为36 个火点。

图1 2017～2020 年湖北输电线路山火年际变化分布Fig.1 Inter-annual variation distribution of mountain fires related to transmission lines in Hubei from 2017 to 2020

2.1.2 季分布特征

表2 给出了2017～2020 年4 个季节湖北输电线路山火的发生次数，从表可知，火点主要发生在秋、冬季，分别为106 个、107 个山火，分别占总数的38.97%、39.34%，其次是春季，监测到55 个山火，占20.22%，夏季是山火的低发期，仅发生4 个山火。秋冬季是山火的多发季节，主要是因为湖北秋冬季气候干燥、空气湿度低，堆积的干草和枯枝较多，再加上春节、清明祭祖焚烧香纸，燃放烟花鞭炮等人类活动频繁，极易引起野外火灾。湖北夏季雨水量大、雨日数多，植被含水量高，地表相对湿润，不易发生山火。

表2 2017～2020 年湖北输电线路山火季节统计Tab.2 Statistics of mountain fires related to transmission lines in Hubei by season from 2017 to 2020

2.1.3 月分布特征

图2 给出了2017～2020 年湖北输电线路山火月变化分布，从图可知，湖北山火数量随月份的变化趋势总体呈倒抛物线型分布。山火的发生呈现季节性规律，1～4 月、9～10 月、12 月是山火点高发月份，其中2 月和9 月最多，均发生66 个，其次是10 月，共发生39 个，6～8 月、11 月是山火发生最少的月份。

图2 2017～2020 年湖北输电线路山火月变化分布Fig.2 Monthly variation distribution of mountain fires related to transmission lines in Hubei from 2017 to 2020

2.1.4 地域分布特征

图3 给出了湖北输电线路历史山火的地域分布，从图可知，火点主要分布于鄂东地区，其次是宜昌以及荆门地区。表3 给出了湖北输电线路历史山火在各县市的发生数量，由表可知，阳新县、江夏区是湖北发生山火数最多的县，共出现过93 个，合计占总数的29.43%，其次是大冶市、咸安区、通山县，分别有38、29、24 个火点。

图3 湖北输电线路历史山火地域分布Fig.3 Regional distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines

表3 湖北输电线路历史山火在各县市的统计值（火点数≥5）Tab.3 Statistical value of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in counties and cities(number of fires ≥ 5)

2.2 山火与气象的关系特征

由于发生时间和区域较分散的山火点在气象条件上较离散，这部分火点受人为因素较大，为了寻找山火与气象因子的关系，挑选发生时间具有连续性，且期间发生山火数量多的一段时期的山火群作为研究对象。在此，统计湖北输电线路2017～2021 年各月发生的山火数量，选取发生日期具有连续性的月山火个数最多的前5 个月作为分析对象，即确定了2017 年2 月（19 个）、2017 年3 月（17 个）、2019 年9 月（66个）、2019年10月（35个）和2020年2月（32个）5 个山火群来分析山火与气象的关系特征。

表4 给出了2017～2020 年5 个山火群的前1 个月的月降水距平百分率、月平均气温距平、月平均相对湿度距平及月平均风速距平，从表中可见，仅2020 年2月山火期的前1个月的月降水距平偏多50%～70%，有4 个山火集中爆发前1 个月的月降水距平偏少、气温偏高、相对湿度偏小、风速偏大。2019 年9 月中下旬发生山火数量最大，并且持续到10 月上旬，其发生时段前1 个月的降水距平偏少80%～100%，气温偏高1.5～3 ℃，相对湿度偏小10%～23%，风速偏大0.1～0.9 m/s。2020 年2 月火点主要分布于鄂东南，前期降水虽然偏多，但由于村民烧荒人类活动也会导致山火多发。整体来看，山火的集中爆发与前期气候背景密切相关，即前期降水偏少、气温偏高、湿度偏干、风速偏大，有利于山火多发，表明前期气候异常值对山火预警模型指标选取具有一定的指示意义。

表4 2017～2020 年湖北输电线路山火群前1 个月的气候异常值Tab.4 Abnormal climatic value in the month before the occurrence of mountain fires related to Hubei transmission lines from 2017 to 2020

2.3 山火与下垫面关系特征

2.3.1 土地利用类型

利用ArcGIS 工具，将湖北输电线路316 个历史山火的地理信息与土地利用类型数据进行空间叠加分析，统计各类型的火点数。图4 给出了湖北输电线路历史山火在各土地利用类型的数量分布，由图可知，发生在耕地区域的山火数最多，达159 个，约占总数的50.32%；其次是林地，发生山火108 个，约占34.18%；草地发生21 个，约占6.65%；城乡、工矿、居民用地区域发生火点的次数为28，约占8.86%。

图4 湖北输电线路历史火点在各土地利用类型的数量分布Fig.4 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different types of land

2.3.2 地形

1）海拔高度

将湖北输电线路历史山火地理信息与DEM 数据进行空间叠加，提取山火的海拔高度值。图5 给出了湖北输电线路历史山火在不同海拔段的数量值，由图可知，50 m 以下的低海拔是山火的易发区域，发生山火133 个，占总数的42.09%。其次海拔高度50～100 m 的区域，发生的山火117 个，占37.03%。海拔高度150～500 m 的山火数有59 个，500～900 m仅发生7 个山火，900 m 以上未发生山火。整体来看，湖北低海拔地形是山火的高发区域，山火数随着海拔的增加而减少。

图5 湖北输电线路历史火点在不同海拔高度段的数量分布Fig.5 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines at different altitudes

2）坡向

将湖北输电线路历史山火地理信息坡向数据进行空间叠加，提取山火的坡向值，按照坡向分类标准[19]，对山火点坡向值进行统计分析。表5 给出了湖北输电线路历史山火在各类坡向的数量分布和占比，从表可知，东南坡、南坡和西南坡的山火数量最多，均有50 多个，其中东南坡火点最多，占了总数的18.04%，其次是南坡，占总数的17.09%，西南坡占16.14%，这是因为东南坡、西南坡和南坡接受的辐射多，空气湿度低，所以可燃物含水量低，更容易发生火灾；北坡、东北坡、西北坡的山火数量均少于30 个，占比均小于10%，这是因为北坡受太阳辐射少，空气湿度和森林可燃物含水量高，较其它坡向不易发生火灾。另外，对阳坡和阴坡2 大类进行了统计，得到山火在阳坡、阴坡的山火数分别为243 个、71 个，占比分别为76.90%、22.47%。

表5 湖北输电线路历史山火点在各类坡向的数量分布和占比Tab.5 Quantity distribution and proportion of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different slope directions

3）坡度

将湖北输电线路历史山火地理信息与坡度数据进行空间叠加，统计历史山火的坡度值。图6 给出了湖北输电线路历史山火在不同坡度段的数量值，从图中可见，山火数量总体呈现随坡度升高而减少的趋势，1°～2°区间的坡度是山火点的易发区域，共发生88 个，坡度小于0.5°和大于42°区域为低发区域。坡度小于0.5°的区域主要位于湖北的江汉平原，该区域以大面积的农田为主，地势平坦，发生山火的可能性较小。大于42°区域，坡度较陡，人类活动少，火灾风险小。整体来看，山火主要分布在坡度6°以下区域，共发生山火236 个，占总数的74.68%，在坡度大于6°区域火点分布较零散，共发生80 个。

图6 湖北输电线路历史山火点在不同坡度段的数量分布Fig.6 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different slope sections

2.4 山火与社会人文关系特征

2.4.1 山火与道路缓冲区

将湖北省输电线路历史山火点与道路数据进行叠加，利用ArcGIS 近邻分析工具计算火点到道路的最近距离，统计不同道路缓冲区内火点的个数。图7给出了湖北输电线路历史山火点在不同道路缓冲区的数量分布，从图中可知，山火点主要分布在距离道路1.6 km 以内的范围，在距离道路超过1.6 km 的山火数量急剧减少，其中在距离道路800 m 以内范围的山火点共165 个，占总数的52.22%。0.4 km 以内的山火数不及0.4～0.8 km 的火点数，这与电力输电线路与道路的规范距离要求有关（GB 50 545－2010）。总体来说距离道路越近，发生山火的风险越高。

图7 湖北输电线路历史山火点在不同道路缓冲区的数量分布Fig.7 Quantity distribution of historical mountain fires related to Hubei transmission lines in different road buffer zones

2.4.2 山火与人口密度

将湖北输电线路历史山火地理信息与人口密度数据进行空间叠加，统计历史山火的人口密度值。图8 给出了湖北输电线路历史山火点在不同人口密度区间的山火点数量分布，可看到山火点主要位于城市圈的周边地区、人口密度在100～600 人/km2的区域，其中200～500 人/km2人口密度区间的山火点数最多，600 人/km2以上的山火点数呈急剧下降趋势。人口密度最大的区域的山火数量反而较少，主要是因为这些区域是城市中心地区，可燃物数量比较少。

3 结论

本文基于湖北输电线路历史山火灾情，对山火时空分布及山火与气象、下垫面、人文社会等要素关系特征进行分析，主要结论如下：

1）通过山火的时空特征分析，表明2019 年是近几年山火多发年份，秋冬季，尤其2 月和9 月是山火多发期；火点主要分布于鄂东地区，其次是宜昌以及荆门地区。

2）通过山火与气象关系特征分析，表明山火集中多发期的前1 个月表现为降水偏少、气温偏高、湿度偏小，风速偏大等特点。

3）通过山火与下垫面关系特征分析，表明50%的山火发生在耕地，34.18% 发生在林地；山火主要分布于向阳坡、低海拔、低坡度区域特征明显。

4）通过山火与人文社会关系特征分析，表明山火主要分布于城市圈周边的乡镇地区，尤其在1.6 km道路缓冲区是多发地段。

本文综合分析了山火与气象、下垫面、社会人文等关系特征，可为湖北输电线路山火风险区划及预警模型指标阈值选取提供支撑。由于灾情资料收集具有困难性和不完备性，燃物含水率、节假日活动等因子需进一步探讨，在后续的研究中将继续收集更多的山火灾情及利用历史遥感卫星监测火点对特征值进行完善及综合预警模型构建。

项目简介：随着全球气候变暖，极端天气气候事件增多，我国森林火灾发生频次和造成的损失都呈上升趋势。针对林火驱动因子复杂多样性，为了更能客观评估、提高预报模型精度，选取了除气象因子外，还考虑了地形、可燃物、社会人文活动等因子作为模型驱动因子，构建湖北森林火险综合预报模型。

项目名称近20 a 湖北省林火的多特征提取及预估模型研究

承担单位武汉区域气候中心

项目概述项目主要开展近20 a 湖北省林火的多特征提取及湖北省林火风险预估模型研究，在分析林火时空分布特征、林火与气象、植被、地形、人类活动等多因子的关系特征基础上，选取最优火险影响因子指标，构建适合湖北省不同区域的林火风险预估模型。

主要创新点实现林火的多维度、多因子提取，多特征描述。鉴于可燃物含水率、人为火源直接影响林火发生的难易程度，在植被类型的信息提取基础上，增加植被覆盖度、植被含水率的特征提取。