冰區分布圖繪制方法研究
——以重慶市城口縣為例

鄭箐舟，吳 瑕，李家啟，陳施吉，符威平，林 斌

1.重慶市氣象服務中心，重慶 401147；2.包頭市氣象臺，內蒙古包頭 014030；3.城口供電公司，重慶 405900

架空輸電線路能夠為偏遠地區提供電能，在各個國家與地區的經濟發展和人民生活水平的持續改善方面發揮著重要作用。然而，由于電線常年暴露在自然環境中，所以會受到大風、低溫、凍雨等天氣的影響。輸配電系統各部件結冰就是受到極端氣象要素影響而造成的主要電網損害之一，這不僅會損害電線及其附件的可靠性和使用壽命，還可能會造成大面積電網的斷股、斷線、線路舞動或變形等事故，從而導致巨大的經濟損失，甚至出現人員傷亡[1]。

近年來，我國全面推進各級電網建設，確保輸電線網安全可靠。其中，電網冰區的劃分是提高電網安全性的關鍵之一。冰區等級劃分的合理性與電網能否抵御覆冰災害息息相關?？茖W的覆冰區劃既能避免在極端天氣情況下發生斷線、倒塔等災害事故，又能盡可能地避免電網工程建設投資的浪費。目前，我國出臺的國家標準《電網冰區分布圖繪制技術導則》中明確規定了冰區分級標準和繪制色標要求（表1）[2]。對電網覆冰進行合理、科學的劃分，不僅是提高輸電線路抗冰性的基礎，還可以在規劃既安全又經濟的電網路線時提供一定的參考。

表1 冰區分級標準和冰區分布圖色標要求

目前，國內外多個國家和地區均開展了冰區分布圖的繪制工作，常用的方法包括經驗調查法、覆冰數據法、CRREL模型法、氣象參量回歸法，以及局地地形—氣象影響覆冰等級模型法等[3]。在這些方法中，局地地形—氣象影響覆冰等級模型法是一種基于局地氣象要素和地形因子的經驗—統計關系模型，適用于覆冰數據較少的地區。

重慶是著名的“山城”，境內坡地較多，地形高低懸殊，該地勢在渝東北一帶更為顯著。作為重慶東門的“門戶”，城口縣背靠大巴山，溝壑縱橫，是典型的高寒深山區，其高海拔地區冬季常年積雪覆冰（圖1）。同時，當地常有“倒春寒”天氣出現，加重了氣候災害對當地電力系統的影響，這對電力部門和氣象部門都是一大挑戰，是全國電網覆冰災害最為頻發的省市之一。

圖1 城口縣海拔以及部分易覆冰電網線路

近年來，城口縣內發生了多起因覆冰過重而引發的電網安全事故，造成了一定的經濟損失，同時對該地區工業生產和居民們的生活造成了一定影響。例如，2019年1月，位于海拔1 600 m處的225#塔因覆冰過重導致了輸電線路放電閃絡，引起線路故障跳閘，被迫停運（圖2）。然而，有關重慶覆冰的資料不多，針對冰區分級圖的區劃還鮮有研究，相關研究亟待開展。

圖2 2019年1月225#塔事故現場實拍圖

以重慶城口縣為例，基于研究區多年的歷史氣象數據，并結合當地地理條件，采用局地地形—氣象影響覆冰等級模型法，綜合考慮研究區微氣象、微地形對覆冰的影響，繪制冰區等級劃分圖，以期為當地電網抗冰設計提供參考。

1 數據來源

1.1 資料收集

本項目使用的數據資料包括城口縣64個常規氣象站點和1個國家基本氣象站的實際觀測日數據、遙感數據以及野外微氣象與微地形的調研結果。

氣象站觀測資料包括覆冰期（11月—翌年3月）的日平均氣溫、日最低氣溫、日相對濕度、風向和日最大風速，來自國家氣象信息中心，起始時間為2005年11月1日，終止時間為2020年12月31日。遙感資料包括30 m數字高程模型數據（DEM），來自地理空間數據云。另外，項目組于2021年4月赴城口縣與當地電網負責人一同前往當地電網的覆冰高發區進行了實地調研交流，主要調研數據包括易覆冰電網線路經緯度與走向、易覆冰地區的高程、微地形以及氣象觀測數據。

1.2 數據處理

在實際氣象觀測工作中經常會出現地面觀測數據缺測或者異常的現象，因此需要對長時間序列的氣象數據進行填補與插值處理，以保證數據的完整性。在整理好氣象資料的基礎上，統計出各氣象站點多年均值，包括冬季平均氣溫、冬季平均最低氣溫、冬季平均最大風速、冬季平均相對濕度、冬季主風向。

此外，采用ArcGIS地理信息系統軟件，將下載的30 m分辨率的海拔高程原始數據柵格化，再依據行政邊界對其進行拼接和裁剪，生成研究區域高程分布圖。

2 冰區分布圖繪制主要參考因素

電網線路覆冰是由多種因素引起的，考慮到城口縣的實際情況，本研究主要從氣象因素和環境因素2個方面入手，探究輸電線路覆冰影響規律。

2.1 氣象因素

覆冰形成過程與空氣溫度、相對濕度、風向、風速等氣象要素有著直接的關系[4-5]。

空氣溫度低于0℃是形成覆冰必要的氣象條件之一。雨凇覆冰通常在-5℃~0℃之間形成，而霧凇覆冰形成時的空氣溫度必須低于-8℃，通常在-15℃~-10℃之間。另外，空氣相對濕度大于85%時，容易出現霜、濕雪等天氣現象，極大地增加了電網覆冰的可能性，這也是我國南方地區比北方地區電網表面易形成覆冰的原因之一。

在覆冰形成的過程中，風速的大小和風向起著至關重要的作用[6]。大量的過冷卻水滴通過風的輸送黏附在電網線路上，加速了導線覆冰的速度。此外，當風向與線路垂直或者與導線夾角大于45°時，加大了過冷卻水滴被導線捕獲的概率，會加重輸電線路的負擔。

2.2 地理環境因素

2.2.1 海拔通過對重慶城口縣實地覆冰的調查和研究發現，電網覆冰厚度與電網線路所處海拔有明顯關系。同一地區在相同的地理環境下，海拔越高，電網表面就越容易覆冰，覆冰的重量也隨之增加。根據城口縣電網覆冰歷史資料，兩條主要電網線路——冉城線和白城線易覆冰路段所處的海拔均高于1 400 m。

2011年，蔣興良教授[7]的團隊提出了電網覆冰厚度與海拔高程呈指數函數關系：

Z=AeB×h+Z0

式中：Z為覆冰厚度均值（mm）；B為增長因子，反映了覆冰厚度隨海拔變化的增長速度；A反映了不同覆冰情況、不同地區覆冰變化系數；h為海拔值（m）；Z0為覆冰厚度調整值。

蔣興良教授團隊分析了重慶地區輸電線路導線覆冰的海拔特性后，確定了在重慶地區該函數關系式中各個 參 數 為：A=21.2478，B=0.0006，Z0=-28.0348。

2.2.2 地形地貌微地形對局地氣候會產生較大的影響，這導致即使處于同一山體，覆冰厚度及其特性可能會截然不同[8]。對于以山地為主的城口縣，在制作覆冰分區圖的時候，就必須考慮到暴露的地方易積雪且風速大，覆冰程度可能會比較嚴重，需要修正其覆冰等級。例如，高山的迎風坡（山坡坡向與冬季主風向夾角小于90°）就是有利于形成覆冰的地形條件之一。

3 冰區分布圖繪制關鍵技術

城口縣冰區分布圖繪制主要采用局地地形—氣象影響覆冰等級模型法（圖3）。由于地形因子對覆冰形成的作用大于氣象因子，因此，首先考慮地形因子對冰區分級的影響，再根據局地微氣象微地形要素修正覆冰等級[9]。

圖3 冰區分布圖繪制流程

3.1 氣象數據的插值處理

城口縣包含亢谷、廟壩、巴山、明通、東安等多個氣象站點，站點分布不均。利用泰森多邊形確定每個站點控制的面積較粗糙，無法準確反映研究區域內氣溫、相對濕度、風速等各個氣象要素的分布。

克里金(Kriging)插值利用地理學相近相似定理定量量化的表示形式，考慮了已知點與相鄰待插值點的空間關系，通過采樣點的數據推算待插值點的屬性值，進而形成整個區域的數據，這是對研究對象線性無偏的最優估計[10]。因此，借助ArcGIS軟件使用克里金(Kriging)插值法對站點氣象數據進行空間插值，得到各個氣象要素的分布圖，并最終整理形成城口縣氣象要素格點數據集。

根據插值結果（圖4），城口縣冬季日均溫度相對起伏較大，平均溫度和最低溫度的空間分布大致相同。低值普遍出現在高程較高的東部地區。最大風速高值區集中在城口縣兩端，全縣最大風速均大于3 m/s，且最低氣溫均低于0℃，易形成覆冰。大部分地區相對濕度高于85%，其中高值區集中在中部，空氣中水汽含量達到覆冰條件，滿足電網覆冰氣象條件，覆冰概率較大。

圖4 城口縣影響覆冰的主要氣象要素的空間分布

3.2 特殊地形的提取

根據30 m的高程數據，利用ArcGIS軟件直接提取坡度、坡向和高程信息，再與插值之后的冬季主風向的夾角進行比較，夾角大于90°則判定為背風坡，小于90°則判定為迎風坡。山脊線和山谷線的提取是基于地形表面流水物理模擬分析的原理，其實質也是對分水線與匯水線的識別?；贒EM數據，通過識別匯流累計量為0的柵格即可提取山脊線。山谷線的提取需要先反轉地形得到相反的水流方向，此時分水線變為分水線，再利用相同的方法即可得到山谷線。根據上述識別方法和提取流程，得到城口縣山脊線、山谷線、迎風坡和背風坡（圖5）。

圖5 城口縣地形特征的提取

3.3 冰區圖的劃分與訂正

結合蔣興良教授團隊提出的電網覆冰厚度與海拔高程的擬合公式，得到一張初步的城口縣覆冰厚度分布圖。在此基礎上，對微地形、微氣象區域所在格點進行覆冰厚度的修正：（1）分析研究區覆冰期的最低溫度、相對濕度、最大風速，根據覆冰形成時需滿足的溫度、濕度以及風速的要求，將最低溫度高于0℃或相對濕度低于85%或最大風速小于1 m/s的區域劃分為無覆冰區；（2）根據歷史覆冰和文獻資料，分析覆冰厚度與氣象要素，整理出相對濕度和風速的閾值：當風速在3~6 m/s內，空氣相對濕度高于90%時，覆冰速度最快、覆冰概率增加[11]，應在第一步的基礎上，提高滿足此類氣象要素條件的區域的冰區等級；（3）對微地形所在網格，即埡口處和迎風坡區域，根據《電網冰區分布圖繪制技術導則》提出的修訂方案，增加此類特殊地形的覆冰等級。

3.4 繪制出圖

按照上述繪制流程，根據城口縣海拔，再結合該縣覆冰期溫度、相對濕度、風向、風速等氣象資料，依照《電網冰區分布圖繪制技術導則》對冰區色標的要求，即可得到城口縣冰區等級劃分圖（圖6）。根據實地調研結果，城口縣境內每年冬季各山脈地區積雪，一般在海拔大于1 400 m的地區，且迎風坡面的電網上存在覆冰現象。若當年氣象要素條件較為惡劣，還可能出現嚴重覆冰的情況。

圖6 城口縣冰區分布圖

4 結論與討論

4.1 結論

采用局地地形—氣象影響覆冰模型法繪制冰區分布圖，該方法基于歷史氣象數據和地形條件，綜合考慮微氣象和微地形的影響，反映出輸電線路覆冰厚度隨高度、地理位置立體變化特征。使用該方法繪制的冰區分布圖疊加電網公司提供的實際易覆冰路段，以判定此繪制方法的合理性和科學性。從繪制結果來看，實際易覆冰線路段均分布中冰區甚至重冰區，設計覆冰厚度均在20 mm以上，部分易覆冰線路段設計覆冰厚度甚至達到50 mm以上，與實際情況基本相符，說明采用局地地形—氣象影響覆冰等級模型方法繪制該地區的冰區分布圖是較為合理的。

4.2 討論

（1）采用局地地形—氣象影響覆冰模型法繪制冰區等級圖，有效地解決了有較少覆冰記錄或者沒有覆冰記錄地區難以確定電網設計冰厚的問題，為確定重要輸電線路的走向、建設提供了一定的科學依據。

（2）在現有勘測的基礎上，結合繪制的冰區等級圖，辨識覆冰等級高的地方，應該盡量避免在此類地方修建輸電線路。當無法避免時，因盡量避開易成冰地形區域，比如迎風坡、冷空氣通道等，或者提高覆冰設計標準，強化電網抗冰保供電能力。