數字孿生技術在變電站防汛風險評估中的應用

胡志鋒，曹朋輝，張 波，陶 昆，霍 天，戴瑞成

(國網北京市電力公司檢修分公司，北京 100073)

0 引言

隨著城市地下空間的開發利用,防汛問題日益突出,開展防汛評估和風險管理尤為重要[1]。隨著空間信息技術的成熟,采用仿真程序分析汛情影響的方式被廣泛應用,例如王浩等綜合運用遙感技術、地理信息系統技術,在Unity3D搭建三維場景模型,運用廣度搜索算法模擬洪水運動過程[2]； 俞宏群等基于傾斜攝影和激光掃描的水電站,提供了一種防洪度汛信息監管方法[3]。

但當前的防汛風險分析尺度過大,分析結果對具體地點的防汛措施指導意義不足,且針對城市廣泛存在的、承擔民生重要供電任務的變電站,其防汛風險評估研究的盲區較大。因此,有必要選取某個特定地點,采用基于空間信息測繪的數字孿生技術,開展防汛風險評估,并給出關于防范措施的具體建議。

1 分析對象基本情況

選擇的分析對象為北京某110 kV/10 kV兩電壓等級地區負荷變電站,占地面積1911 m2。地面一層設警衛生活用房、樓梯間、通風井和吊裝口。地下有三層,設備安裝于地下一層和地下二層,地下三層為電纜夾層。該變電站建設年代較早,站區附近后開發建設的商業樓宇和住宅小區地面高程較高,造成變電站地勢相對低洼,遇強降雨天氣則可能存在積水倒灌風險。

通過創新應用基于空間信息測繪的數字孿生技術,同時采用徠卡RTC360對該變電站地面及附近地形進行測繪,建立絕對坐標體系下的3D數字模型,并使用Cyclone3DR仿真軟件開展防汛分析和相關計算。變電站地面3D點云模型示意如圖1所示。

圖1 變電站地面3D點云模型示意

2 防汛評估基本思路

通過靜態高程分析和動態積水分析,并參考北京7·21、鄭州7·20等歷史降雨量數據,進行軟件模擬,計算出變電站周邊各處水深,進而評估防汛措施的有效性。

2.1 靜態高程分析

在變電站3D模型中,測量地面一層所有門、窗、通風口下沿的絕對高程,并與站區附近地形最高處的高程進行比較,確定變電站地勢相對低洼點。選取的測量點如圖2所示。

圖2 選取的測量點示意

經分析得出,警衛室西側的門D1最低點高程為26.25 m,東南角樓梯出入口西側門D2的最低點高程為26.27 m,警衛室北側窗戶W1的最低點高程為27.45 m,警衛室東側窗戶W2的最低點高程為27.83 m,東南角樓梯出口的南北兩側窗戶W3的最低點高程為27.19 m,警衛室東側通風口百葉窗V1的最低點高程為26.75 m,出風長廊北部東側百葉窗V2的最低點高程為26.65 m,出風長廊南部西側百葉窗V3的最低點高程為26.75 m,主變吊裝口東西兩側百葉窗V4的最低點高程為26.79 m。

另外,考慮變電站周邊商業街地面呈現西低東高的地勢,最低點位于西南角,高程約26.4 m；最高點位于東北角,高程約26.75 m。

匯總上述數據,得到靜態高程數據分析(與附近地面最低點相對高差),結果如表1所示。

表1 靜態高程數據分析

綜合以上數據,得出該變電站警V1、V2、V3、V4位置較低,與變電站附近地面最低點的高差不足0.5 m,存在積水倒灌風險。

2.2 動態積水分析

城市暴雨形成內澇是一個復雜的過程,精確的模擬計算非常困難。為了突出主要矛盾,保證分析結果的有效性,在動態積水分析時假定以下條件：降雨在匯水面積上均勻分布、降雨強度在計算時間段內均勻分布、不考慮洪水蒸發、變電站站區接收的雨水全部轉化為徑流。因變電站東側某小區整體地勢高出變電站約2 m,假定小區雨水形成的徑流有1/4匯入變電站周圍,其徑流系數參照DB11/T 969—2016《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》(以下簡稱《標準》),取典型值上限。

分析2021年鄭州7·20特大暴雨中鄭州氣象站的小時降雨量,其短時強降雨特征最為明顯(見圖3)。20日16時至18時期間累計降雨量為310 mm,其中17時至18時一個小時內降雨量就高達201.9 mm。

圖3 鄭州7·20特大暴雨鄭州氣象站的小時降雨量

分析2012年北京7·21特大暴雨小時降雨量數據,也呈現出短時強降雨特征。門頭溝氣象站記錄顯示13時雨量達54.7 mm/h,隨后減弱,3 h后強度又提升至51.2 mm/h,小時降雨量超過50 mm/h的時間累計為3 h。根據《標準》提供的北京朝陽地區50年、100年重現期暴雨雨量分配過程(見圖4),可以看出該地區仍然具備短時集中強降雨特征,尤以17時至18時期間雨量大且集中。

圖4 朝陽地區50年、100年重現期暴雨雨量分配

根據《標準》,北京朝陽地區的雨水管道1 h最大排水能力為54.3 mm/h。因此,短時強降雨形成的積水遠超管網排水能力,當降雨強度減弱后,管網排水速度超過雨水匯集速度,積水深度將呈現下降趨勢。

鄭州7·20特大暴雨過程中,鄭州氣象站記錄顯示16時至18時期間小時降雨量顯著超過管網排水能力,累計達310 mm,占整個過程降雨總量的50 %；北京7·21特大暴雨過程中,門頭溝氣象站13時、18時、19時降雨量超過管網排水能力,累計達150 mm,占整個過程降雨總量的33 %。

因降水集中,忽略管網排水因素,將這兩場暴雨的3 h降雨量以及《標準》提供的北京朝陽地區50年、100重現期暴雨2 h集中降雨量數據,套用至該變電站進行積水深度計算,可以檢驗該變電站防汛設施應對極端短時強降雨的有效性。

運用等體積水庫法,通過軟件模擬計算,得出不同積水高程下,變電站周圍的積水體積,再按匯水面積換算為降雨量,可得到仿真效果。

假設變電站站區面積為A1,變電站東側小區面積為A2,小區雨水徑流系數為β,變電站匯水體積為V,等效累積降雨量為p,按照公式p=V/A1+0.25βA2,代入以上數據,得出仿真計算結果,如圖5所示。

圖5 不同降雨量下變電站周圍的積水高程對應關系

3 防汛風險分析

1) 按照北京地區50年一遇暴雨最大短時雨量校驗(2 h累計降雨量136 mm),積水計算高程為26.85 m,該變電站V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風險。

2) 按照北京7·21最大短時雨量校驗(3 h累計降雨量150 mm),積水計算高程為26.89 m,該變電站V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風險。

3) 按照北京地區100年一遇暴雨最大短時雨量校驗(3 h累計降雨量185 mm),積水計算高程為26.98 m,該變電站V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風險。

4) 按照鄭州7·20最大短時降雨量校驗(3 h累計降雨量310 mm),積水計算高程為27.33 m,該變電站D1、D2、W3、V1、V2、V3、V4存在積水倒灌風險。

4 結論

1) D1和D2目前安裝的0.8 m高防洪擋板不能抵御鄭州7·20級別暴雨,建議再增加1塊高度為0.4 m的防洪擋板,將總高度增加至1.2 m,無降雨時可拆下加裝擋板以便于人員進出。

2) V1、V2、V3、V4不能抵御50年一遇、100年一遇、北京7·21和鄭州7·20級別暴雨。建議加裝2塊防洪擋板(每塊高度為0.4 m）,則最高可抵御鄭州7·20級別暴雨。無降雨時擋板可拆下以利于通風散熱。

3) W3目前高度不能抵御鄭州7·20級別暴雨,建議加裝1塊高度為0.4 m的防洪擋板。