省域電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖繪制研究

謝 輝，范明豪，季 坤，方登洲，張佳慶

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司運(yùn)維檢修部，安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來，國(guó)家施行“退耕還林”以及“封山育林”等政策，提高了森林覆蓋率。在全球極端氣候條件下，森林高火險(xiǎn)天氣持續(xù)出現(xiàn)；同時(shí)，季節(jié)或節(jié)日(春節(jié)、清明等)大量焚燒秸稈、燃放煙花爆竹或焚燒紙錢，造成山火次數(shù)明顯增加。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在復(fù)雜地形條件下的電網(wǎng)建設(shè)和設(shè)備維護(hù)工作也相應(yīng)越來越多。大量輸電線路穿越植被茂密的林區(qū)與山區(qū)，山火嚴(yán)重威脅輸這些線路的運(yùn)行可靠性。近年來發(fā)生了多起山火造成的線路跳閘案例，如2016-02-07，因山火造成±500 kV葛南線安徽電網(wǎng)境內(nèi)跳閘；2014年春季，受山火影響，國(guó)家電網(wǎng)公司220 kV以上線路有47條次緊急停運(yùn)、17條次降壓運(yùn)行、213條次退出重合閘。2010年第1季度，山火引發(fā)南方電網(wǎng)公司220 kV及以上電壓等級(jí)線路發(fā)生128次故障跳閘；2001—2008年，南方電網(wǎng)公司所轄線路因山火引發(fā)37次事故。如何有效防范山火，是當(dāng)前甚至今后較長(zhǎng)一段時(shí)間輸電線路運(yùn)維工作面臨的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1 山火發(fā)生的影響因素

山火具有明顯的季節(jié)、時(shí)段特點(diǎn)，與天氣狀況、地理環(huán)境、植被和人員活動(dòng)規(guī)律等有密切關(guān)系。省域電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖繪制過程中，需考慮地形、氣候、植被等分布的影響因素。現(xiàn)以安徽省為例進(jìn)行說明。

1.1 地形分布

地形分布是決定輸電線路山火發(fā)生頻次的先決條件之一。丘陵地區(qū)因?yàn)闃淠尽⑸蛛s布，輸電線路架設(shè)、人員活動(dòng)均較多，是輸電線路線下山火高發(fā)區(qū)域；平原地區(qū)，可能因農(nóng)作物收獲時(shí)焚燒秸稈而導(dǎo)致線下山火；高山地區(qū)(比如海拔超過1 000 m)相對(duì)來說人員活動(dòng)、輸電線路架設(shè)均較少，山火風(fēng)險(xiǎn)較小。

1.2 氣候分布

1．2．1 溫度分布

溫度是植被發(fā)生火災(zāi)的直接誘因之一。植被密集地區(qū)，冬末春初草木干燥，如溫度持續(xù)較高，則容易引發(fā)山火；在夏季及秋季，因植被處于生長(zhǎng)季含水量較高，高溫引發(fā)火災(zāi)的可能性不大。農(nóng)作物收割在夏、秋季節(jié)性的秸稈焚燒也可能會(huì)引發(fā)山火，且溫度越高則風(fēng)險(xiǎn)越大。

1．2．2 降水及濕度分布

水是天然的滅火劑，某一區(qū)域降水量大，其山火風(fēng)險(xiǎn)必然相對(duì)較低；同一區(qū)域某些時(shí)段如降水量較同年其他時(shí)段或往年同一時(shí)段都高，則其山火風(fēng)險(xiǎn)也自然相應(yīng)降低。濕度表示空氣中的含水量，濕度越高則燃燒越困難。降水少和濕度較低的區(qū)域更容易引發(fā)山火。

1．2．3 風(fēng)速風(fēng)向

風(fēng)速?zèng)Q定山火發(fā)生后的傳播速度，風(fēng)向決定山火發(fā)生后的傳播方向，季風(fēng)決定各地域的主要風(fēng)速、風(fēng)向。各地域每天的風(fēng)向變化有個(gè)大致規(guī)律：平原地區(qū)不明顯；山區(qū)白天風(fēng)從谷地吹向山坡(谷風(fēng))，晚上風(fēng)從山坡吹向谷地(山風(fēng))；湖泊白天風(fēng)由湖面吹向陸地(湖風(fēng))，夜里風(fēng)由陸地吹向湖面(陸風(fēng))。安徽屬季風(fēng)氣候區(qū)，冬季盛行偏北風(fēng)，夏季以偏南風(fēng)為主，春秋季是風(fēng)向轉(zhuǎn)換季節(jié)。

1．2．4 日照時(shí)數(shù)分布

區(qū)域內(nèi)的日照時(shí)數(shù)大，會(huì)間接造成溫度升高、氣候干燥，在山區(qū)容易導(dǎo)致火災(zāi)，也會(huì)使平原、丘陵地帶的植被及農(nóng)作物因光照而增大火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是春冬季。

1．2．5 水系分布

湖泊、河流、池塘等是天然的防火隔離帶。山火發(fā)展到水系時(shí)，可認(rèn)為其自然熄滅。

1.3 植被分布

燃燒3要素：可燃物、氧化劑和點(diǎn)火能。植被作為可燃物，是山火燃燒的基本要素，它決定山火的強(qiáng)弱與影響范圍。植被包括針葉林、針闊混交林、山地丘陵地灌木、闊葉林、平原地灌木草叢、秸稈類農(nóng)作物、草甸等。除以上植被，還存在果園、茶園等栽培植物以及水域、城區(qū)、無植被地段。其中風(fēng)險(xiǎn)最大的為針葉林，因?yàn)槠淙紵龝r(shí)火勢(shì)大、火焰高，極易使導(dǎo)線對(duì)地距離大幅減小而導(dǎo)致放電，引發(fā)跳閘。

1.4 輸電線路山火隱患

1．4．1 山火隱患風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

為準(zhǔn)確掌握所轄輸電線路通道山火隱患信息，應(yīng)根據(jù)山火隱患特點(diǎn)進(jìn)行全面排查。重點(diǎn)排查通道300—500 m范圍內(nèi)集中墳場(chǎng)、零星墳?zāi)辜漓搿⑥r(nóng)耕燒荒以及茅草等山火隱患，包括：

(1) 線路通道內(nèi)有林區(qū)或樹木茂盛、灌木茂盛或蒿草高大茂密且導(dǎo)線對(duì)地距離小，同時(shí)周圍有農(nóng)田、菜地、墳地或鄰近居民區(qū)等地段，人為火源多且可燃物豐富，易因人為因素而使小火引燃林木，山火隱患極大。

(2) 雖導(dǎo)線對(duì)地距離大，但線路通道內(nèi)存在大量高大喬木和雜木、灌木，且附近存在大量可能的人為火源，山火隱患也很大。

(3) 線路檔距跨越處在邊坡、山脊時(shí)，因?qū)Φ亍⑦吰戮嚯x小，且空氣流通大或處在風(fēng)口，附近又有火源，容易導(dǎo)致迅速、大面積過火的山火發(fā)生，山火隱患很大。

(4) 鄰近城郊結(jié)合部或農(nóng)村零散戶的山地、林地發(fā)生山火的幾率高。因?yàn)樵搮^(qū)域流動(dòng)人員復(fù)雜，用火隨意性大，防范意識(shí)差；而農(nóng)村零散戶用火、燒荒疏于看管，山火隱患很大。

綜合考慮人為火源、植被類型(易燃性)、距離線路遠(yuǎn)近3方面因素，確定輸電線路山火隱患風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表1所示。

表1 輸電線路山火隱患風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

1．4．2 重點(diǎn)防控時(shí)段

歸類山火高發(fā)的季節(jié)、時(shí)段、天氣狀況，可總結(jié)如下重點(diǎn)防控時(shí)段：

(1) 冬末春初植被干枯，天氣轉(zhuǎn)晴、氣溫上升，且少雨干燥期間；

(2) 冬至、小年、春節(jié)、清明前后，集中祭祖掃墓期間；

(3) 夏秋季連續(xù)高溫，天氣晴朗干旱時(shí)段(該時(shí)段因植被生長(zhǎng)旺盛，往往容易被忽視，但山火隱患仍然存在，必須警惕)；

(4) 秋末冬初，天氣干燥多風(fēng)期間，同時(shí)農(nóng)民燒荒，也是山火高發(fā)期；

(5) 中秋節(jié)期間因盛行施放孔明燈，也應(yīng)高度關(guān)注期間的山火防范。

2 山火分布圖繪制

省域山火分布圖繪制過程中，需先繪制3張基本圖層(架空輸電線路GIS圖、火點(diǎn)密度分布圖、植被類型分布圖)及3張過程圖層(植被燃燒危害等級(jí)分布圖、電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖及電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖(修正))，最終形成省域電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖。

其繪制步驟為：將省域火點(diǎn)密度分布圖代入省域架空輸電線路GIS圖后作為原始底圖，疊加省域植被燃燒危害等級(jí)分布圖、省域電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖(修正)，得到省域電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖。其中，省域植被燃燒危害等級(jí)分布圖根據(jù)省域植被類型圖修訂得到；省域電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖由省域火點(diǎn)密度分布圖、省域植被燃燒危害等級(jí)分布圖按一定規(guī)則合并生成；省域電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖結(jié)合植被類型、隱患點(diǎn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，得到省域電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖(修正)。架空輸電線路山火分布圖繪制程序框圖如圖1所示。

2.1 火點(diǎn)密度分布圖

2．1．1 歷年歷史熱點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

火點(diǎn)密度分布圖層數(shù)據(jù)來源為中國(guó)FY-3系列衛(wèi)星攜帶的中分辨率成像光譜儀(MERSI)、可見光紅外掃描輻射計(jì)(VIRR)、美國(guó)EOSAqua和Terra衛(wèi)星攜帶的中分辨率成像光譜儀(MODIS)、美國(guó)NOAA-16/18/19衛(wèi)星攜帶的高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)、歐洲NPP衛(wèi)星攜帶的可見光紅外成像輻射儀(VIIRS)等星載探測(cè)儀。數(shù)據(jù)包括地區(qū)、熱點(diǎn)經(jīng)緯度、監(jiān)測(cè)時(shí)間等內(nèi)容，安徽省2011—2015年部分區(qū)域熱點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 安徽省2011—2015年熱點(diǎn)數(shù)據(jù)(部分區(qū)域)

2．1．2 數(shù)據(jù)篩選與分類

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)只能對(duì)高于地面溫度的位置進(jìn)行定位，但不能識(shí)別該熱點(diǎn)是否為火源，不能反映實(shí)際山火數(shù)據(jù)，因此需要剔除大量非火點(diǎn)，如一些常規(guī)熱源(磚廠、工業(yè)煙囪等)、非火源引起的異常高溫點(diǎn)(建筑物反射、太陽耀斑等)、不會(huì)引起山火的火源等。

圖1 架空輸電線路山火分布圖繪制程序框

2．1．3 火點(diǎn)密度計(jì)算

將省域劃分為0．25°×0．25°經(jīng)緯度的基準(zhǔn)網(wǎng)格。網(wǎng)格面積計(jì)算方法：地球平均半徑R0=6 371 km，忽略地面起伏的影響，沿地球表面任一經(jīng)度跨越1°，緯度經(jīng)過的距離為d1：

北半球沿地球表面任一緯度線跨越1°，經(jīng)度經(jīng)過的距離d2與緯度α有關(guān)：

安徽省緯度范圍是29°41′—34°38′，取平均值31°15′計(jì)算單位緯度線邊長(zhǎng)：

則單個(gè)網(wǎng)格面積為：

再根據(jù)歷年歷史火點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)年均火點(diǎn)密度(單位為：個(gè)/百km2·年)。表3為安徽省2011—2015年部分區(qū)域火點(diǎn)密度。

表3 安徽省2011—2015年火點(diǎn)密度(部分區(qū)域)

2．1．4 插值計(jì)算

利用表網(wǎng)格坐標(biāo)和火點(diǎn)密度，在地理信息軟件ARCGIS10．0中進(jìn)行克里金插值計(jì)算，得到指定像元大小精度的柵格圖層。2．1．5 火點(diǎn)密度分級(jí)

按照表4的分級(jí)原則，將插值后的柵格圖層中的火點(diǎn)密度從低到高分為1—4級(jí)。近5年平均日山火發(fā)生次數(shù)≥2次/萬km2，取日均火點(diǎn)密度2(個(gè)/萬km2)以上為4級(jí)火點(diǎn)密度級(jí)別，再以等差方式設(shè)置1，1．5，2(個(gè)/萬km2)3個(gè)數(shù)據(jù)截?cái)帱c(diǎn)，折合成個(gè) / 百 km2·年，即 3．65，5．48，7．30。表4為火點(diǎn)密度等級(jí)分級(jí)。

分別以藍(lán)、黃、橙、紅表示1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)火點(diǎn)密度等級(jí)，疊加到省域行政地圖，即得到省域火點(diǎn)密度分布圖層。

圖2為安徽電網(wǎng)火點(diǎn)密度分布。

表4 火點(diǎn)密度等級(jí)分級(jí)

圖2 安徽電網(wǎng)火點(diǎn)密度分布

由圖2可知，安徽火點(diǎn)密度級(jí)別由北向南遞減。分析其原因：皖北地區(qū)火點(diǎn)密度較高，是因6—8月份未能禁止不合理的焚燒秸稈；皖南地區(qū)多山，山火隱患點(diǎn)較多且曾引起過跳閘，但因關(guān)注度較高，山火發(fā)生時(shí)處理得當(dāng)，在衛(wèi)星監(jiān)測(cè)時(shí)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)反而較少，在山火密度圖中顯示為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低。

2.2 植被燃燒等級(jí)危害圖

2．2．1 植被類型分布圖

利用資源衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，得到省域植被類型分布圖。圖3為安徽電網(wǎng)植被類型分布。

圖3 安徽電網(wǎng)植被類型分布

2．2．2 植被燃燒危害等級(jí)分布圖

按植被類型確定植被燃燒危害等級(jí)，表5為植被分級(jí)原則。

由圖3、表5可知，高燃燒危害等級(jí)的植被主要分布在皖南山區(qū)、滁州中部地區(qū)，其植被多以針葉林、闊葉林、針闊混交林為主，危害等級(jí)相對(duì)較高；一旦發(fā)生火災(zāi)，對(duì)輸電線路影響較大。

2.3 電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖

2．3．1 電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

山火風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)按照植被“燃燒危害等級(jí)與火點(diǎn)密度等級(jí)求平均后向上取整”的原則獲得。但考慮到人為用火習(xí)俗因素對(duì)架空輸電線路影響更顯著，當(dāng)某區(qū)域火點(diǎn)密度等級(jí)超過植被燃燒危害等級(jí)達(dá)3級(jí)時(shí)，可酌情在該區(qū)域增加1級(jí)。

結(jié)合火點(diǎn)密度等級(jí)與植被等級(jí)，按表6所述分級(jí)原則，確定具體區(qū)域的山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表6 山火風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)原則

2．3．2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)修正

在電網(wǎng)山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)基礎(chǔ)上，再進(jìn)行修正。

(1) 按植被類型修正。對(duì)穿過較多輸電線路、歷史上山火發(fā)生較為頻繁且出現(xiàn)過因山火跳閘的區(qū)域，除水系外風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提高1級(jí)；以針葉闊葉林為主的區(qū)域，植被燃燒等級(jí)危害較高，易直接引發(fā)山火，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提高1級(jí)。

表5 植被分級(jí)原則

(2) 按隱患點(diǎn)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)修正。對(duì)輸電線路周邊4級(jí)山火隱患點(diǎn)的區(qū)域，除水系外，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提高1級(jí)；實(shí)際發(fā)生山火和線路故障較多的區(qū)域，除水系外，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提高1級(jí)。

2.4 架空輸電線路山火分布圖

在山火風(fēng)險(xiǎn)分布圖層修訂的基礎(chǔ)上，疊加歷年歷史山火發(fā)生數(shù)據(jù)、歷史山火跳閘數(shù)據(jù)出具專題圖，得到省域電網(wǎng)年份時(shí)段的架空輸電線路山火分布圖。

分別用藍(lán)、黃、橙、紅表示Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)線路山火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，色塊說明置圖左下角；用黑色“▲”圖標(biāo)表示發(fā)生過山火，用黑色“”圖標(biāo)表示發(fā)生過故障，圖標(biāo)說明置于圖左下角；按繪圖慣例，指北針置于圖右上角；比例尺以50 km作為最小單位，置于圖右下角。

圖4為安徽電網(wǎng)2011—2015年架空輸電線路山火分布。

3 結(jié)論

(1) 省域電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖的繪制，是通過多重圖層的疊加與修正完成的，涉及線路歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)部分更是重要的修正依據(jù)。

(2) 隨著國(guó)家禁止秸稈焚燒政策的推行，歷史火點(diǎn)數(shù)據(jù)中此類數(shù)據(jù)會(huì)逐漸減少。同時(shí)，農(nóng)作物的耕種有固定的區(qū)域，修訂周期推薦為5年。修訂時(shí)，因秸稈焚燒產(chǎn)生的火點(diǎn)會(huì)越來越少，其影響也相應(yīng)逐漸降低。

(3) 國(guó)家施行“退耕還林”以及“封山育林”等政策，提高了森林植被密度和覆蓋率。但植被的形成與改變需要一個(gè)時(shí)間段，植被類型分布圖、植被燃燒危害等級(jí)分布圖的修訂周期也推薦為5年。

(4) 繪制省域電網(wǎng)架空輸電線路山火分布圖，可為投運(yùn)輸電線路/通道做好山火防范及應(yīng)對(duì)措施提供支撐，也為擬建線路/通道的選址提供技術(shù)支持和咨詢。

1 陸佳政，戴慶華．輸電線路山火分布規(guī)律[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2016．

2 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 5907．1—2014消防詞匯 第1部分：通用術(shù)語[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014．

3 中華人民共和國(guó)林業(yè)部．LY/T 1439—1999森林資源代碼樹種[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999．

4 國(guó)家電網(wǎng)公司．Q/GDW 11314—2014架空輸電線路山火風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)技術(shù)導(dǎo)則[S]．北京：中國(guó)電力出版社，2014．

5 中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 30115—2013衛(wèi)星遙感影像植被指數(shù)產(chǎn)品規(guī)范[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013．