基于ArcGIS 的電網山洪溝流域分布圖繪制及應用

趙建利，李 忠，谷新波

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)氣象服務中心，呼和浩特 010051）

0 引言

隨著電網不斷發(fā)展，輸電走廊覆蓋區(qū)域越來越廣。輸電線路普遍分布于野外，氣象環(huán)境多變，部分區(qū)域自然環(huán)境惡劣，雷暴、覆冰、山洪、大風等災害時有發(fā)生。而山洪作為一種自然災害，點多面廣、發(fā)生頻繁，對電力設施尤其是山區(qū)電力設施損害極大。當山洪災害發(fā)生時，常導致大量電力設備損壞，從而引起群發(fā)故障造成電網大面積停電[1]。相關研究數(shù)據(jù)表明，山洪災害帶來的損失與危害非常嚴重，已經成為防洪減災中的重點問題[2]。

因此，全面了解山洪流域、山洪溝主溝分布，研究山洪預警，對電網工程設計、建設及運維工作具有重要的意義[3-5]。為此，諸多學者開展了相關研究工作。其中，文獻[2]對山洪災害防治進行了研究；文獻[6]對輸電線路防洪預警進行了研究；文獻[7]對輸電線路故障率評估方法進行了研究。雖然上述學者在山洪預警和災害防治方面取得了一定的研究成果，但是對于不同區(qū)域內山洪流域、山洪溝主溝分布圖繪制等方面缺乏相關研究工作。根據(jù)內蒙古氣象局氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，2018 年7—9 月內蒙古巴盟地區(qū)普降暴雨，發(fā)生洪澇災害，給線路正常巡視和搶修工作帶來了極大的困難。因此，急需一張電網山洪溝流域分布圖，以指導生產實際。

基于上述問題和生產實際需要，本文通過對山洪災害基礎信息、地理資料、山洪災害導致的電網故障情況以及山洪溝流域面積和影響范圍等進行綜合統(tǒng)計分析[8-9]，在確定山洪溝流域分級原則、各山洪溝主溝位置及隱患點的基礎上，利用ArcGIS for Desktop 軟件繪制了電網區(qū)域山洪溝流域分布圖，用于指導線路桿塔設計、改造工作以及日常巡檢。

1 山洪溝流域分級標準

1.1 基本概念

（1）山洪，歷時很短而洪峰流量較大的山區(qū)驟發(fā)性洪水[10]。

（2）山洪溝，容易發(fā)生山洪的山丘區(qū)小流域。綜合考慮對電網的影響以及地區(qū)地形地貌，內蒙古電網山洪溝流域面積一般小于等于200 km2，針對山洪頻發(fā)地區(qū)，流域面積可適當增大。

（3）隱患點，易受山洪影響并可能造成較大傷害和損失的地點。

（4）山洪溝流域分級，依據(jù)山洪溝流域面積及影響范圍大小確定的山洪溝流域類別。

（5）山洪溝流域分布圖，根據(jù)分級標準，基于電子地圖對易受山洪影響并可能造成較大傷害和損失的地區(qū)用不同色標表示。

1.2 山洪溝流域分級標準

山洪溝流域分級是根據(jù)電網所在地區(qū)山洪危險性特征，參考區(qū)域承災能力及基礎設施分布狀況，將電網山洪溝流域劃分為不同風險等級。本文參照國土資源及氣象部門對山洪溝流域的定義[11-12]，借助1∶25 萬水系數(shù)據(jù)以及山洪災害隱患點數(shù)據(jù)，依托ArcGIS 平臺，對地區(qū)電網山洪溝流域邊界進行提取（詳見3.3.1），共提取山洪溝流域600 余條。

對于山洪洪峰流量而言，其主要影響因素為降水因素、流域因素和下墊面因素[13]。降水因素包括降水量、降水強度、降水時空分布等；流域因素包括流域面積、流域形狀（溝道長度、流域寬度）、主溝道比降等；下墊面因素主要為土壤和植被因素。電網山洪災害主要以溪河洪水為主，山洪溝主要特點是河流流域面積小，河道的調蓄能力弱，坡降較陡，洪水持續(xù)時間短，但漲幅大、洪峰高、陡漲陡落[14]。本文基于前人研究基礎[14-15]，結合內蒙古電網生產實際，通過分析內蒙古電網所在地區(qū)山洪頻率、山洪流域分布、桿塔位置、電網基礎設施等致災因子和孕災環(huán)境，最終根據(jù)山洪災害風險普查信息中流域面積、主溝長度、平均河床比降等流域屬性特征，對內蒙古電網山洪溝流域等級進行分類，共分為4 個等級，分別為：Ⅰ級，無明顯河道型，存在一定的比降，多為季節(jié)性山洪溝，未發(fā)生山洪時多呈干溝狀態(tài)，具有流量小，歷時短，年際洪水量相對不穩(wěn)定等特點；Ⅱ級，流域面積較小，河溝長度短，河溝平均比降大，溝陡流急；Ⅲ級，流域面積較大，河溝長度長，河道下游比降小，上游河槽窄，水流急；Ⅳ級，流域面積大，河溝長度長，比降小，集水面積大，影響范圍大。同時，利用歷史山洪及電網故障信息，確定山洪流域閾值區(qū)間，內蒙古電網各等級山洪溝流域對應的閾值區(qū)間及相關參數(shù)詳見表1。

表1 內蒙古電網山洪溝流域閾值區(qū)間及參數(shù)

2 分布圖繪制

2.1 基礎資料

分布圖繪制所需基礎資料包括電網山洪災害數(shù)據(jù)、山洪災害普查信息和地理資料。

電網山洪災害數(shù)據(jù)是指近5 年輸變電設備因山洪災害導致的電網故障情況，包括故障發(fā)生的時間和地點（經緯度），受影響桿塔坐標。從氣象局收集的山洪災害普查信息包含山洪溝流域基本情況、流域內基礎設施情況、流域內隱患點調查情況、流域內水庫基本情況等；地理資料包括數(shù)字高程模型和圖層文件，DEM（數(shù)字高程模型）是從測繪部門收集的，最小格點精度達到0.09 km×0.09 km，數(shù)據(jù)格式符合GB/T 17798 要求。圖層文件是從測繪部門收集省邊界、水系圖層文件，需與DEM 投影坐標相同，數(shù)據(jù)格式符合GB/T 17798要求。

2.2 軟件工具

山洪溝流域分布圖繪制工作基于ArcGIS for Desktop 軟件完成。ArcGIS 是一款對地理信息進行編輯、創(chuàng)建以及分析的GIS 軟件，提供了一系列的工具用于數(shù)據(jù)采集與管理、可視化、空間建模與分析以及高級制圖等，不僅支持單用戶和多用戶的編輯，還可以進行復雜的自動化工作流程。

ArcGIS 軟件的空間分析功能可以將數(shù)據(jù)轉換為信息，進行計算密度和距離、疊加和鄰域分析、表面分析以及高級統(tǒng)計分析；高級編輯功能，提供了一系列的工具用于幾何數(shù)據(jù)、屬性表、元數(shù)據(jù)管理、創(chuàng)建以及組織；制圖和可視化功能中包含了大量的符號庫、簡單向導和預定義的地圖模板、成套的大量地圖元素和圖形、高級的繪圖工具、圖形、報表和動畫要素等一套綜合的專業(yè)制圖工具。

本文利用ArcGIS 的空間分析技術進行流域信息分析，結合坡度、地形起伏度等地形特征，進行了電網區(qū)域山洪溝流域邊界的提取與電網山洪溝流域分布圖的繪制。

3 電網山洪溝流域分布圖繪制

3.1 一般規(guī)定

（1）電網山洪溝流域分布圖以電網覆蓋區(qū)域為基本繪制單位。

（2）電子地圖采用國家2000 坐標系，最小比例尺應不低于1∶1 800 000。

3.2 繪制步驟

（1）山洪溝流域邊界提取。以河網信息、DEM為底圖，定義山洪隱患點、山洪災害導致的故障點為山洪溝流域出水口，進行山洪溝流域邊界提取[16]。

（2）山洪溝流域分布圖初稿確定。根據(jù)山洪溝流域閾值區(qū)間，確定山洪溝流域等級，得到山洪溝流域分布圖初稿。

（3）修訂。在山洪溝流域分布圖初稿上，根據(jù)運行經驗，疊加山洪災害導致的電網故障情況進行修訂和等級調整。

（4）等級跳變調整。若在山洪溝流域分布圖中，出現(xiàn)相鄰地區(qū)等級跳變現(xiàn)象，應按“就高不就低”原則。

3.3 山洪溝流域分布圖繪制

3.3.1 流域邊界提取

山洪溝流域分布圖繪制的首要任務為山洪流域邊界提取。而流域邊界的提取精確依賴于DEM的精度。DEM 精度越高，越能真實反映地形特征，其包含的數(shù)據(jù)量也會成倍的增加，影響提取速度。較低精度的DEM 會因描述地形參數(shù)的信息量不足導致某些地形特征值提取失真。因此，選取適當精度的DEM 對流域邊界的提取至關重要[17]。本文采用分辨率為0.09 km×0.09 km 的DEM數(shù)據(jù)，在ARCGIS 環(huán)境下，進行山洪溝邊界提取。提取的步驟如下：

（1）DEM 數(shù)據(jù)轉換

加載地區(qū)DEM 數(shù)據(jù)，將其轉換為所需的地圖投影和坐標系統(tǒng)，本文所采用的地圖投影為高斯-克呂格投影，坐標系統(tǒng)采用GCS_Beijing_1954。

（2）DEM 預處理

參照DEM 的柵格分辨率，將矢量格式的電網山洪溝流域線狀水系轉化成柵格文件，并將其柵格屬性賦為低于水系兩岸高程值的固定屬性值。利用ArcGIS 柵格計算器，將DEM 文件與地區(qū)電網山洪溝線狀水系柵格文件相減，從而確保電網山洪溝線狀水系低于水系兩岸高程值，由此生成嵌入電網山洪溝線狀水系的DEM 文件。

（3）流域邊界生成及等級確定

利用ArcGIS 的水文分析模塊，對步驟（2）生成的嵌入電網山洪溝線狀水系的DEM 文件進行填洼、匯流等分析，定義電網山洪溝出水口位置，利用流域生成功能，生成電網山洪溝流域邊界[18-19]。根據(jù)山洪溝流域閾值區(qū)間，確定山洪溝流域等級。

（4）矢量數(shù)據(jù)提取

將電網山洪溝流域邊界作為掩膜圖層，利用ArcGIS 數(shù)據(jù)裁剪功能，裁剪出流域內的輸電線路、桿塔等矢量數(shù)據(jù)。

3.3.2 分布圖繪制

將山洪溝流域分布圖與電網系統(tǒng)圖進行矢量疊加，生成電網山洪溝流域分布圖初稿。根據(jù)運行經驗，疊加山洪災害導致的電網故障情況進行修訂和等級調整。

3.3.3 繪制效果

基于上述繪制原則，內蒙古電網山洪溝流域分布圖的局部山洪溝流域分布情況，如圖1 所示。

圖1 內蒙古電網局部山洪溝流域分布

3.3.4 工程應用

依據(jù)電網山洪溝流域分布圖繪制原則，編制了電網山洪溝流域分布圖實施細則，并將其應用于電網工程實際。實施細則如下：

（1）線路設計時，應避讓可能引起桿塔傾斜和沉降的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷、地裂縫等不良地質災害區(qū)。

（2）對于易發(fā)生水土流失、山洪沖刷等地段的桿塔，應采取加固基礎、修筑擋土墻（樁）、截（排）水溝、改造上下邊坡等措施，必要時改遷路徑。

（3）分洪區(qū)等受洪水沖刷影響的基礎，應考慮洪水沖刷作用及漂浮物的撞擊影響，并采取相應防護措施。

（4）跨越山洪溝主溝的在運、新建線路，在主溝左右500 m 范圍內（地勢平坦且易受山洪沖刷），線路桿塔基礎應采用灌注樁。

（5）各供電單位應依據(jù)電網山洪溝流域分布圖，開展輸變電設備監(jiān)督檢查和隱患排查，收集整理跨越山洪溝主溝的在運線路。對主溝左右500 m 范圍內（地勢平坦且易受山洪沖刷）線路桿塔基礎未采用灌注樁的，應結合歷年輸電線路遭受山洪災害情況，分階段、分步驟進行改造。

（6）新建站址應避開山洪溝主泄洪通道。處于山洪溝流域范圍內的新建站址，在設計階段應依據(jù)電網山洪溝流域分布圖，結合歷年洪澇災害情況，做好防洪設計，防洪措施實施應與基建工程同步。

（7）處于山洪溝流域范圍內的在運變電站，依據(jù)電網山洪溝流域分布圖，結合歷年洪澇災害情況，做好防洪工作。

依據(jù)內蒙古電網山洪溝流域分布圖及其實施細則，對跨越山洪溝主溝某500 kV 線路桿塔基礎，采用灌注樁進行了技術改造；對處于分洪區(qū)且易受洪水沖刷影響的某220 kV 線路桿塔基礎，采取防護措施，避免洪水沖刷和漂浮物的撞擊。上述兩項技術改造，均在2020 年夏季防洪中起到了很好的效果。500 kV 線路桿塔走向如圖2 所示，220 kV 線路桿塔基礎防洪改造效果如圖3 所示。

圖2 500 kV 線路桿塔走向及山洪溝分布

圖3 220 kV 線路桿塔基礎防洪改造效果

4 結語

本文統(tǒng)計分析了山洪災害基礎信息、地理資料、山洪災害導致的電網故障情況以及山洪溝流域面積和影響范圍，給出了山洪溝流域分級原則。根據(jù)提取流域的大小，將流域邊界嵌入河網的DEM，通過選定流域的出水口，利用ArcGIS for Desktop 軟件，提取了電網覆蓋區(qū)域內山洪流域分布邊界并繪制了電網山洪溝流域分布圖。

電網山洪溝流域分布圖適用于電網規(guī)劃、設計以及日常運維工作，可為電網輸電線路路徑選擇、山洪溝流域范圍內桿塔型式及結構設計、跨越山洪溝主溝桿塔基礎選擇、山洪災害預防以及輸電線路日常巡視和隱患點區(qū)域雨季重點防護等提供依據(jù)，為增強電網抵御自然災害能力提供了技術條件，具有顯著的經濟效益和社會效益。