浙江沿海地區臺風災害風險區域劃分研究

王振國，康麗莉，李 特，姜凱華，劉 超，侯 慧

（1. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2. 浙江省氣象科學研究所，杭州 310008；3. 武漢理工大學 自動化學院，武漢 430070）

0 引言

臺風作為一種小概率高風險事件，其強度大、路徑預測難、影響范圍廣［1-2］，致災程度僅次于暴雨洪澇災害，每年都會給我國造成嚴重的經濟損失及社會影響［3-4］。隨著全球變暖，登陸我國的臺風數量顯著增多，臺風災害效應也明顯增加［5］。世界上最大的臺風發源地位于西北太平洋［6］，浙江省位于太平洋西海岸，東臨東海，夏季近海溫度在24～27 ℃，同時受到東西風帶的影響，容易形成臺風。因此，臺風災害是浙江省危害最大、損失最嚴重的氣象災害之一［7-8］。臺風多次給浙江省輸、變、配電系統造成了嚴重損失［9-10］，例如2006年臺風“桑美”、2019年臺風“利奇馬”及2020年臺風“黑格比”均造成電力系統嚴重受損，配電系統百萬級用戶停電［11-13］。臺風災害損失量與暴露在臺風中承災體的數量、價值等有關，也與承災體脆弱性相關，尤其是高聳結構的輸電鐵塔是一種風敏感性結構，容易在臺風等極端條件下發生倒塌性破壞及風偏等［14］。但臺風路徑及強度預報存在很大的不確定性，預報誤差較大［15-16］，為減少臺風災害帶來的損失，有必要進行臺風災害風險區域的劃分研究。

目前，已有部分學者針對某些自然災害進行了風險區域劃分。文獻［17］提出中國區域自然災害綜合風險評估方法，從加強自然災害風險評估實踐、著力降低區域敏感性、提升自然災害風險防控能力、建設自然災害風險監測預警系統等方面提高防災減災能力；文獻［18］提出區域自然災害綜合風險評價方法；文獻［19］基于統計學的方法對浙江省的臺風災害進行分析，但以上研究并未對研究區域的災害風險等級進行可視化分析。為形象觀測災害風險區域，文獻［20］提出一種基于ArcGIS的山洪災害風險評價方法；文獻［21］以葫蘆島市為研究對象，劃分了強降雨洪澇災害風險區域；文獻［22］對浙江省臺風災害下的風險區域進行了劃分，以上研究僅對自然災害本身的危害進行分析，未將其與實際生產相結合。文獻［23］以廣東省為研究區域分析了臺風災害下的人口及經濟風險區域劃分，但未將臺風災害與電力系統的風險區域劃分相結合，因此，對臺風災害下電力系統的風險區域劃分迫在眉睫。

臺風災害風險區域劃分對災害預測、災害防治以及災后補償具有重要的指導作用，是國家減災、防災和救災政策制定與實施的科學依據，對區域可持續發展具有重要意義［24］。本文首先分析浙江沿海地區臺風氣象特征，包括登陸點分布、路徑特征、時間特征、風速特征及降水特征等；在此基礎上，分析臺風對浙江省輸、變、配電系統造成的損失，包括輸電系統故障點分布、最大風速與故障數量關系分析、變電系統與臺風登陸點距離關系分析，以及配電系統停電用戶占比分布等；最后，進行浙江省臺風災害風險區域劃分，特別是倒塔高風險區、風偏高風險區及地質災害高風險區等與電力行業相關的風險區域劃分，可為補充和完善相關規范提供理論依據，為各級電網應對臺風災害提供輔助決策支持。

1 浙江沿海地區臺風氣象特征

1.1 登陸點分布特征

建國以來，在浙江沿海登陸的臺風共有47個，其中77%的臺風直接登陸浙江沿海地區，其余是先在臺灣島登陸、而后再次登陸浙江沿海的臺風。登陸強度為臺風級（近中心最大平均風力12～13級）及以上級別的占60%左右，其中還有3個是超強臺風（16級及以上），數量比廣東（2個）和海南（2個）還要多，表明浙江是一個臺風發生頻次高、強度強的省份。圖1為建國以來登陸浙江省的臺風登陸點分布。

圖1 建國以來浙江省的臺風登陸點分布Fig.1 Distribution map of typhoon landings in Zhejiang province since the founding of PRC

由圖1可知，浙江沿海各縣（區），從北部的舟山普陀到南部的溫州蒼南均有臺風登陸記錄，但登陸的頻次和強度是有差異的。圖2 所示為各縣（區）登陸臺風頻次統計結果。

圖2 建國以來浙江省各縣（區）臺風登陸數量Fig.2 Number of typhoon landings in each county （district）in Zhejiang province since the founding of PRC

由圖2 可知：溫嶺有9 次臺風登陸，蒼南有7次臺風登陸，是浙江省臺風登陸數量最多的縣（區）；其次是象山有6次臺風登陸，玉環、樂清和普陀各有5次臺風登陸；其他縣（區）在3次或3次以下。圖3為各縣（區）登陸臺風級別及以上的頻次統計結果。

圖3 建國以來浙江省各縣（區）臺風級別及以上登陸數量Fig.3 Typhoon level and number of landings in each county（district） in Zhejiang province since the founding of PRC

由圖3可知，蒼南登陸的臺風中有6個在臺風級別及以上，象山登陸的有5 個臺風級別及以上，溫嶺登陸的有4 個臺風級別及以上。可見，蒼南、象山及溫嶺不僅登陸臺風數量多，強度也強，是沿海需要加強防范的重點區域。另外，除了登陸浙江省的臺風對浙江省造成嚴重影響外，在閩北接近浙閩交界區域登陸的臺風對浙江省的影響也非常嚴重，如“菲特”臺風和“瑪利亞”臺風等。因此，溫州蒼南除了自身登陸臺風較多外，還受浙閩交界登陸臺風的影響，是浙江省受臺風影響最為嚴重的區域。

1.2 路徑特征

路徑特征的分析有利于風險區域的劃分，登陸浙江省的臺風空間分布如圖4所示。

圖4 建國以來浙江省登陸臺風移動路徑Fig.4 Trajectory of typhoons in Zhejiang province since the founding of PRC

由圖4可知，超強臺風和強臺風在生成后基本向西北方向移動，均直接從浙江沿海登陸，對浙江省造成的損失最為嚴重。超強臺風及強臺風的移動路徑在溫嶺至樂清之間分布最密集，其次為蒼南和象山南部。

1.3 時間特征

了解臺風的時間特征對防災減災具有重要的指導作用，圖5為建國以來登陸浙江省的臺風時間和強度分布。

圖5 建國以來登陸浙江省的臺風時間與強度分布Fig.5 Time and intensity distribution of typhoons in Zhejiang province since the founding of PRC

由圖5可知，登陸浙江的臺風主要出現在每年的7—9月。其中，1949—2000年的52年中，登陸浙江省的臺風有30 個，平均每年有0.58 個臺風登陸；2001—2020 年的20 年中，登陸浙江省的臺風有17 個，平均每年有0.85 個臺風登陸。可見，2000 年后，登陸浙江省的臺風頻次明顯增多。1949—2000 年的52 年中，登陸浙江省的強臺風級別及以上的只有3個，而2001—2020年的20年中，登陸浙江省的強臺風級別及以上的多達8 個。可見，2000年后登陸浙江省的臺風強度也顯著增強。2011—2020年有1個超強臺風“利奇馬”及2個強臺風登陸浙江省，臺風對浙江省的影響仍較為嚴重。

1.4 風速特征

基于近10 年臺風期間浙江全省自動氣象站風速觀測資料，對臺風期間的實測風速進行分析，圖6為浙江省臺風影響期間監測到的極大風速空間分布。

圖6 臺風影響期間監測到的極大風速的空間分布Fig.6 Spatial distribution of maximum wind speeds monitored during the typhoons

由圖6 可知，浙江沿海島嶼及距離海岸線50 km以內的區域，極大風速超過27 m/s；距離海岸線20 km 以內的地區和沿海島嶼，極大風速超過40 m/s；極大風速超過27 m/s 的區域與強風致輸電線路故障區域基本重合。

1.5 降水特征

臺風不但帶來大風，且常伴降水發生。臺風經過之處暴雨狂瀉，一次可達數百毫米，有時可達1 000 mm 以上，極易造成次生災害［25］。據統計，2010 年以來，各自動氣象站觀測到的臺風過程降水量最大值的空間分布如圖7所示。

圖7 2010年以來臺風過程降水量最大值的空間分布Fig.7 Spatial distribution of maximum precipitation during typhoons since 2010

由圖7可知，全省大部分區域的自動氣象站都曾觀測到超過200 mm的過程降水量，說明臺風給浙江省帶來的降水量十分充沛。全省臺風過程降水量最多的區域，是從距離海岸線10 km 到深入內陸100 km 左右的范圍內。這是由于臺風攜帶的大量水汽，在登陸后遇到浙東沿海山脈阻擋后，在迎風坡形成的強降水。從圖7中可以看出，很多自動氣象站都觀測到400 mm以上的降水量，甚至有些自動氣象站觀測到600 mm以上的降水量，個別自動氣象站還觀測到800 mm以上的降水量。在臺風影響前后的短短幾天內，如此多的降水常常造成嚴重的洪澇災害，而且由于地處內陸，洪水消退較為緩慢，因此臺風降水往往比臺風強風造成的影響更為嚴重。

2 臺風災害對輸、變、配電系統的影響

2.1 輸電系統的風險分析

目前浙江地區輸電線路以貓頭型、“干”字型鐵塔為主要塔型，塔頭電氣間隙緊湊，沿海登陸的臺風以及強對流天氣產生的強風作用于線路上，將使導線、引流線產生風偏搖擺，當搖擺幅度超過設計允許值時，導線會對塔材等部件風偏放電，導致輸電線路跳閘，嚴重威脅到電力系統的安全運行；對于輸電鐵塔，當桿塔和兩側導線承受的垂直風荷載大于桿塔的設計荷載時會導致桿塔傾覆；當桿塔所承受的風荷載超過桿塔關鍵桿件的設計強度時，導致其無法正常服役。

國網臺風監測預警中心持續開展了臺風歷史數據庫建設工作，共涉及16 次臺風過程。浙江省輸電線路臺風災害故障點分布如圖8所示。

圖8 臺風災害下浙江省輸電線路故障點分布Fig.8 Distribution of fault points of transmission lines in Zhejiang province under typhoon disaster

由圖8可知，臺風災害下輸電線路的故障點主要位于浙江省中南部沿海地帶，臺風期間跳閘線路故障原因主要有導線風偏、跳線風偏、異物外破、桿塔受損、地線掉線等，其中，桿塔受損和風偏閃絡占比分別達到44.8%和41.3%。造成輸電線路跳閘最多的3次臺風分別為2006年臺風“桑美”、2019年臺風“利奇馬”和2020 年臺風“黑格比”。輸電桿塔受損主要發生在臺風“桑美”和“菲特”期間，近年來雖然登陸臺風強度較大，但由于前期桿塔整改到位，輸電線路桿塔受損已經較為罕見。

對臺風登陸最大風速及故障的數量進行擬合，得到二者之間的關系如圖9所示。可以看出，當臺風登陸的最大風速超過30 m/s時，輸電線路故障數量呈線性急劇增加，與最大風速呈正相關關系。

圖9 臺風登陸最大風速與故障數量間的關系Fig.9 The relationship between the maximum wind speed of typhoon and the number of faults

2.2 變電系統的風險分析

在2019 年第9 號臺風“利奇馬”及2020 年第4號臺風“黑格比”期間，浙江省變電站設備受損較為嚴重，對故障變電站的位置進行可視化，如圖10所示。

圖10 臺風“利奇馬”與“黑格比”期間故障變電站Fig.10 Faulty substations during typhoon Lekima and Hagupit

由圖10 可知，變電站臺風災害風險同樣也集中在沿海區域，全站失電變電站距離海岸線不超過50 km，變電站臺風災害高發于臺風登陸點附近的溫嶺、樂清、玉環等地。高達79.1%的變電站故障主要是由進線失電造成的，說明防范進線全停是防止變電站全站失電的重要技術措施。強風也會導致變電站內母線倒塌、避雷器倒塌、異物外破等，分析臺風“利奇馬”與“黑格比”期間故障變電站與臺風登陸點距離可以發現，85%的故障變電站距離臺風登陸點不超過50 km，并且絕大多數距離登陸點10～40 km。變電站臺風故障主要受進線全停影響，與變電站自身的地理位置和抗臺風能力關系相對較小。

2.3 配電系統的風險分析

配電系統由于設防水平低，在臺風期間的故障原因較多，常見故障原因包括樹竹倒伏引起的放電、老舊桿塔倒桿、導線斷線等，為進一步分析配電系統的臺風災害，對臺風“利奇馬”與“黑格比”期間的配電系統停電用戶占比分布進行可視化，如圖11所示。

圖11 臺風“利奇馬”與“黑格比”期間用戶停電占比分布Fig.11 Distribution of power outage percentages during typhoon Lekima and Hagupit

由圖11可知，2019年臺風“利奇馬”期間配電系統停電用戶占比分布中，范圍大體與臺風登陸點相關，距離登陸點越近災害越嚴重，并且臺風登陸點北側相對更嚴重。與輸電系統不同的是，配電系統臺風災害可以出現在遠離海岸線的內陸地區，這是由于配電系統受洪澇及地質災害等臺風次生災害的影響比較大，其受災并非純粹由強風導致的。由2020 年臺風“黑格比”期間全省配電系統停電戶數較多的區域分布情況可知，臺風登陸點附近的樂清與玉環兩地的配電系統停電規模遠超其他地區。與2019年臺風“利奇馬”相比，“黑格比”過境期間，盡管最大實測風速接近“利奇馬”，但其對配電系統的影響相對集中，可能是“黑格比”臺風體型遠小于“利奇馬”所致。

3 臺風災害風險區域

3.1 總體風險區域劃分

圖12 是根據建國以來臺風活動歷史記錄和歷史臺風災害故障數據所劃定的浙江省臺風災害高風險區域和超高風險區域。

圖12 浙江省臺風風險區域劃分Fig.12 Typhoon disaster risk zoning in Zhejiang province

由圖12 可知，高風險區域主要根據歷史臺風災害故障點位置進行劃分，其緯度范圍為北緯27.1°—29.6°，經度范圍為東經119.9°—121.9°，行政區域跨越溫州、臺州及寧波三地，主要為沿海平原與丘陵地帶。超高風險區域主要根據與海岸線距離及強臺風登陸情況進行劃分，其緯度范圍為北緯27.1°—28.5°，經度范圍為東經120.3°—121.9°，行政區域跨越溫州、臺州兩地，主要為沿海小平原地帶。

3.2 倒塔高風險區域

輸電線路倒塔的主要原因是臺風帶來的持續性大風超過了桿塔設計風速值，因此倒塔高風險區域主要取決于持續性強風出現的位置。根據氣象部門對歷次臺風期間的風速分布研究，臺風帶來的強風從海上吹向陸地時，距海岸線5～10 km是一個急速衰減區域，最大風速從41 m/s 衰減到30 m/s 左右，距海岸線10～20 km 繼續衰減到27 m/s 以下，因此臺風造成桿塔倒塔的強風主要出現在海岸線向內陸方向10 km 以內的區域。具體劃分為以下兩個區域：

1）倒塔超高風險線路：若線路位于鄰近海岸線5 km 范圍內，且桿塔位處于海拔較高的山頂、迎風坡等微地形區、沿海第一道山梁區域，該線路定義為重點設防線路，其倒塔風險較高。

2）倒塔高風險線路：線路位于距離海岸線5～10 km 范圍內，且桿塔位處于海拔600 m 以上的山頂、迎風坡、埡口等特殊地形。

3.3 風偏高風險區域

以浙江省中尺度氣象站觀測的極大風速的極值分布為依據繪制臺風風偏高風險區域，如圖13所示。

圖13 臺風風偏高風險區域Fig.13 High-risk areas for wind deviation during typhoons

除持續性大風外，瞬時性大風也可能導致桿塔跳線發生風偏并導致跳閘，而由于臺風的湍流較強，其瞬時性大風出現的范圍比持續性大風更廣，因此風偏高風險區域主要取決于臺風過境期間瞬時大風出現區域。通過對浙江省極大風速的極值分析，超過27 m/s 的瞬時強風主要分布在距離海岸線50 km 以內的區域，與輸電線路風偏故障高發區重合。

3.4 地質災害高風險區域

山體滑坡等地質災害會對輸電線路的基礎穩定性造成影響，嚴重的還會導致倒塔斷線故障。臺風誘發地質災害主要表現為臺風活動期間，由于伴隨著狂風暴雨，山體地表徑流與土壤滲水量同時增加，導致地下水位和土壤含水量增加，同時孔隙水壓力增加，當孔隙水壓力超過臨界值時滑坡失穩。與持續性降雨誘發地質災害的條件相比，臺風誘發的地質災害往往需要相對較小的前期有效雨量和較大的臨界雨強。

在臺風活動期間的強降雨作用下，山體地表徑流與土壤滲水量同時增加，從而引發山體滑坡和泥石流。與一般降雨型滑坡相比，由于暴雨的強力沖刷，臺風往往導致小型的淺層滑坡。研究表明，臺風誘發地質災害主要分布在臨界雨強10～20 mm/h，累計雨量400～500 mm，根據這一閾值區間和浙江省臺風期間降雨實測數據，繪制地質災害高風險區域分布如圖14所示。

圖14 強降水誘發地質災害高風險區域Fig.14 High-risk areas for geological disasters induced by precipitation

由圖14 可見，地質災害高風險區域與倒塔及風偏高風險區域有顯著差異，強降雨誘發的地質災害高風險區域主要分布在余姚、天臺、臨海、黃巖、永嘉、文成、泰順等縣區的內陸地帶，這是由于臺風帶來的強降水往往由外圍螺旋云系造成的，與臺風中心并不完全重合。

4 結語

本文首先總結了自建國以來浙江沿海地區臺風的登陸點分布、路徑特征、時間特征、風速特征及降水特征。結合歷年浙江省電力系統受臺風災害的影響，對浙江省輸、變、配電系統等受災情況進行分析，根據臺風歷史數據和歷史臺風災害故障數據，將浙江省的風險區域劃分為高風險區域和超高風險區域，并進一步劃分了倒塔、風偏及地質災害高風險區。

針對浙江省電力系統的防災減災提出以下建議：根據臺風高風險區域對桿塔進行改造，可降低13 級臺風情況下電網發生倒塔的概率；對于導線風偏問題，在運線路按照現行風區圖進行導線風偏校核和改造，能有效降低導線風偏概率，對高風險區域新建線路可使用V 串絕緣子，徹底杜絕導線風偏問題；臺風來臨前，應加強高風險區域內輸電線路和變電站周邊異物的排查，減少臺風過境期間由異物導致的輸電線路和變電站故障；對于曾經發生過洪澇災害的變電站，還應加強排水能力建設，防止因水淹導致的變電站全停。