楊宗佶，丁朋朋,2，喬建平，鄧 創(chuàng)

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2. 中國科學院大學，北京 100049；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力應急中心，四川 成都 610015)

輸電線路地質(zhì)災害易損性評價
——以四川路茂線為例

楊宗佶1，丁朋朋1,2，喬建平1，鄧 創(chuàng)3

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2. 中國科學院大學，北京 100049；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力應急中心，四川 成都 610015)

根據(jù)輸電線路承災體的屬性特征、空間屬性和成災恢復力三個方面因素，選取了輸電線路鐵塔的塔型、耗鋼量、定位高等八個易損性評價指標體系，分別采用層次分析法(AHP)和貢獻權重法(CRW)，對路茂線輸電鐵塔的易損性進行了定量評價。運用GIS系統(tǒng)中的自然斷點法對輸電線路地質(zhì)災害的易損性結果進行分級和制圖。兩種方法的評價結果總體上保持一致，通過對比分析表明，垂直檔距、地形坡度和塔型等三個因素對鐵塔易損性的貢獻最大，鐵塔N12～N18、N29～N31、N33～N35之間的線路處于高易損性區(qū)，后期維護時有針對性地采取相應的地質(zhì)災害防護措施，防止線路遭受地質(zhì)災害的損害。

輸電線路；易損性；層次分析法；貢獻權重法；地質(zhì)災害

0 引言

地質(zhì)災害的易損性評價是風險評估的重要組成部分，自從20世紀80年代人們開始認識到易損性到現(xiàn)在，國內(nèi)外學者對于易損性的研究逐漸由定性[1]到定量[2]，雖然取得了許多成果，但是由于易損性涉及到自然科學、人文科學和社會科學的許多交叉學科領域，不同學科領域?qū)τ谝讚p性的認識各有見解，沒有形成統(tǒng)一的定義。自然科學家主要考慮災害對承災體造成的損失，認為易損性是承災體由于災害造成的損害和損失，并可以用0～1之間的數(shù)值表達[3]；人文和社會科學家主要考慮承災體應對和抵抗災害的能力，認為易損性是承災體應對和抵抗以及從災害的影響下恢復能力的差異[4]。

對于輸電線路易損性，前期研究主要側(cè)重于電力系統(tǒng)設備的易損性分析[5]或在災害作用下承災體某一方面的易損性評價[6]，都沒有綜合考慮承災體的屬性特征、空間位置和恢復能力指標體系來全面的評價易損性。

本文在易損性評價指標中考慮了輸電桿塔的空間屬性和成災恢復能力的指標因子，從輸電桿塔的屬性特征、空間屬性和成災恢復力三個方面建立了比較全面的輸電桿塔易損性評價方法體系，采用層次分析法和貢獻權重迭加法兩種方法構建易損性評價模型，以路茂線500 kV雙回輸電線路為例開展易損性評價分析。

1 易損性評價方法

1.1 評價模型

國內(nèi)外學者提出了多種地質(zhì)災害易損性評價模型，主要有：基于歷史記錄的評價模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型、核算承災體價值模型、物元綜合評價模型等[7]。現(xiàn)行的區(qū)域易損性評價模型主要有兩種，一種是轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值方法，該方法在泥石流易損性評價方面運用較為成熟[8]。另外一種方法是多因素綜合評判法，大部分的區(qū)域易損性評價均屬于此類方法，該方法是通過對指標的統(tǒng)計計算和權重計算進行迭加。由于輸電線路承災體的特殊性和研究的針對性比較明確，本文采用基于多因素綜合評判法來建立評價模型。

1.1.1層次分析法(AHP)

該方法采用的輸電線路地質(zhì)災害易損性評價模型[9]基本表達式為：

(1)

式中：Vi——第i單元的易損度；

ωjL1——第一層第j個次級目標權重；

ωjk——第j個次級目標第k個評價指標權重；

Cjk——第j個次級目標第k個評價指標標準化值；

mj——第j個次級目標評價指標數(shù)。

1.1.2貢獻權重法(CRW)

該方法采用的輸電線路地質(zhì)災害易損性評價模型[10]基本表達式為：

(2)

式中：Vi——第i單元的易損度；

ωi——第i個評價指標互權重；

Pi——第i個評價指標標準化值。

1.2 評價指標體系

本研究主要采用資料收集法來獲取承災體的資料。從輸電桿塔的屬性特征、空間屬性以及成災恢復力3個方面，選取了塔型、耗鋼量、定位高等8個評價指標，構建如圖1所示的指標體系。

圖1 輸電線路地質(zhì)災害易損性指標體系Fig.1 Transmission line index system of geological disaster vulnerability

塔型：輸電線路鐵塔一般可分為直線塔、跨越塔、耐張塔、轉(zhuǎn)角塔和終端塔。研究區(qū)輸電線路中共有14種塔型，其中SZB5101、SZB5102、SZB5103、SZVB5201、SZVB5202為直線塔；SZC5105A是跨越塔；SZJB5101是轉(zhuǎn)角塔；SJ4102T 、SJB5101、SJB5102、SJB5103、SJB5201、SJB5202是耐張轉(zhuǎn)角塔；SDJB5101是終端塔?？梢?4種塔型是由上述5種基本類型組合而成。因此只需對5種基本塔型進行比較分析。直線塔只有在安裝、事故斷線和大風工況下承受著不平衡較大張力，平時只承受導線、地線、覆冰、塔上操作人員和塔的自重等垂直載荷；跨越塔比一般直線塔要高得多，荷載情況與一般直線塔類似，只是荷載量大了；耐張塔的塔身坡度較大，整體高度較矮，節(jié)點螺栓用量較多，比直線塔重；轉(zhuǎn)角塔除具有與耐張塔相同的特點外，還比耐張塔多一個側(cè)向永久性張力；終端塔除了具有與轉(zhuǎn)角塔相同的特點和作用外，還多了一個順線路方向，向線路側(cè)的單向永久性張力。結合每種塔的特點以及冰區(qū)位置，將每種塔型對鐵塔易損性的貢獻用重要性系數(shù)來表征，分別賦值1～14，賦值越高說明鐵塔的易損性越高也就是說這種塔型對鐵塔易損性的貢獻越大。每種塔型的重要性賦值見表1。

表1 每種塔型的重要性賦值Table 1 The importance of each tower type

耗鋼量：鐵塔所用的耗鋼量不同，鐵塔的建設成本不同，對鐵塔易損性的貢獻不同。耗鋼量越多，鐵塔的成本越高，對鐵塔的易損性貢獻也就越大。

定位高：定位高不同，成本不同，鐵塔越高，其所用的材料越多，施工難度越大，對鐵塔的易損性的貢獻也就越高。

水平檔距：表示有多長導線的水平荷載作用在某桿塔上。水平檔距不同，鐵塔所承受的水平荷載不同，水平檔距越大，對鐵塔易損性的貢獻越大。

垂直檔距：表示有多長導線的垂直荷載作用在某桿塔上，并且導線傳遞給桿塔的垂直荷載與垂直檔距成正比。

海拔高度：表示地面某個地點高出海平面的垂直距離。海拔高度越高，鐵塔的施工難度也就越大，成本增加，而鐵塔的高度基本都不同，因此，不同海拔高度處鐵塔的易損性不同。同時，海拔高度也是地質(zhì)災害屬性的一種體現(xiàn)。

地形坡度：是坡面的垂直高度和水平距離的比值。坡度值越大，說明此處的地形越陡，施工的難度越大，成本相應的也就越大，并且在地質(zhì)災害作用時容易遭受破壞，對鐵塔易損性的貢獻也就越多。也反映了地質(zhì)災害的屬性特征。

道路狀況：用鐵塔到公路的距離來表征道路狀況，距離不同，鐵塔遭受破壞后恢復的成本和難度不同。每50 m為一級，分為6級，分別賦值為1～6(表2)，數(shù)值越大說明鐵塔的道路狀況越不好，成災恢復力弱，對鐵塔的易損性貢獻越大。

表2 道路分級表Table 2 Road scale table

1.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

在ArcGIS平臺下提取每個鐵塔位置處的坡度和距道路的距離。鐵塔高度、水平檔距、垂直檔距和海拔高度通過電力部門提供的資料整理獲得。在分別獲得各評價指標的數(shù)據(jù)后，在進行易損性評價之前，首先應對指標數(shù)據(jù)進行無量綱處理，目的是為了使數(shù)據(jù)具有可比性，本文采用min-max標準化處理方法。min-max 標準化法是對原始數(shù)據(jù)進行線性變換，其公式為：

式中：x＇——標準化后的值；

x——原數(shù)據(jù)；

xmin——原數(shù)據(jù)中的最小值；

xmax——原數(shù)據(jù)中的最大值。

2 算例

本研究選擇路茂線500 kV雙回輸電線路為例開展易損性評價分析，該輸電線路從茂縣500 kV變電站向南出線后，左轉(zhuǎn)平行已建茂譚500 kV線路走線，在水磨壩處跨過S302省道，經(jīng)馬良溝翻過土地嶺，在茅香坪附近連續(xù)跨越茂槽(原茂縣-東興)220 kV線路、S302省道及金槽(原金龍?zhí)?東興)220 kV線路。線路向北走線繞過茅香坪工業(yè)開發(fā)區(qū)，經(jīng)過中心村以北繼續(xù)向東方向走線，經(jīng)上關子、刀溪溝至郭家坪。線路于此右轉(zhuǎn)，向東至水窩老跨越擬建的槽木-茂縣Ⅱ雙回220 kV線路(原220 kV廟槽線改接進茂縣Ⅱ500 kV變)后連續(xù)跨過S302省道和土門河，進入茂縣Ⅱ500 kV變電站。本工程新建線路長度2×19.196 km，其中10 mm輕冰區(qū)線路長2×11.615 km，20 mm重冰區(qū)線路長2×7.581 km，曲折系數(shù)：1.17。線路全線位于阿壩州茂縣境內(nèi)。

通過ArcGIS平臺和電力部門提供的資料整理獲得各評價指標的數(shù)據(jù)見表3。

表3 輸電線路易損性評價指標數(shù)據(jù)一覽表Table 3 The list of transmission line vulnerability evaluation index data

2.1 指標權重的確定

本文分別用層次分析法和貢獻率法確定指標的權重，最終用這兩種方法對路茂線地質(zhì)災害易損性進行評價。

2.1.1層次分析法確定權重

層次分析法是根據(jù)評價指標的層次結構圖和專家經(jīng)驗，運用特定的數(shù)學方法求得評價指標的權重值[11-12]。

(1)構造判斷矩陣。利用1～9標度法(表4)，對同一層次的評價指標通過兩兩比較的方法確定判斷矩陣(表5)。

(2)求特征向量和特征根。求特征向量即求出同一層次中每個指標的權重，采用和積法求得指標權重值見表6。

表4 成對比較的定性定量對照表Table 4 The qualitative and quantitative table of paired comparison

表5 判斷矩陣Table 5 Judgment matrix

表6 輸電線路易損性最終評價指標權重一覽表Table 6 Evaluation index weight data of transmission line vulnerability

(3)一致性檢驗。當CR<0.10時，判斷矩陣有合格的一致性，否則就要對判斷矩陣進行調(diào)整(表7)。

λmax=8.012 2CI=0.001 74RI=1.41

CR=CI/RI=0.001 24<0.10 符合一致性檢驗

表7 平均隨機一致性指標RITable 7 The mean random consistency index RI

2.1.2貢獻率法確定權重

貢獻率法[13-14]求權重是將因子對評價結果的貢獻程度轉(zhuǎn)化為權重，是經(jīng)濟學中一種成熟的指標統(tǒng)計方法。

(1)數(shù)據(jù)標準化。為了使評價數(shù)據(jù)具有可比性，對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理。

(2)劃分等級。采用三級等分的方法將各評價指標劃分為高、中、低三個等級，并得出三級劃分區(qū)間。

(3)貢獻率均值化。對各個指標的貢獻率按照三級等分后求出指標的貢獻率均值。

(4)互權重分配?；嘀乇硎玖烁髦笜藢σ讚p度的貢獻關系，用貢獻關系來代表易損度各指標的權重。表8為易損度互權重分配表(表8)。

表8 互權重權值分配表Table 8 Each weight value

2.2 評價結果

2.2.1輸電鐵塔易損性評價結果

根據(jù)輸電線路易損性評價模型公式(1)、(2)和易損性評價指標的標準化結果及各評價指標的權重值(表6、表8)，用兩種方法分別計算得到研究區(qū)的地質(zhì)災害易損性評價結果(表9)。

表9 輸電鐵塔易損性評價結果Table 9 Assessment results of transmission tower vulnerability

2.2.2輸電線路易損性評價

根據(jù)鐵塔的易損性評價結果，將鐵塔水平檔距范圍內(nèi)線路的易損度用每個鐵塔的易損度來表征，得到如圖2～圖4所示的評價結果。采用自然斷點法對該結果進行5級劃分：低、較低、中、較高和高易損區(qū)。級別越高，說明線路的易損性越大，承災體本身結構越復雜，建設難度和造價以及暴露性越高，遭受損害的可能性或受損后恢復的難度越大。

圖2 線路易損性分布圖Fig.2 The line vulnerability distribution diagram

圖3 層次分析法易損性評價結果Fig.3 Vulnerability assessment results with AHP

圖4 貢獻率法易損性評價結果Fig.4 Vulnerability assessment results with CRW

由于AHP法是基于專家經(jīng)驗對指標重要性排序得到指標權重，而CRW法是根據(jù)指標數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得到指標權重，因此兩種方法得到的權重雖略有差異，但總體一致，說明結果更加客觀科學。AHP法得到的權重結果表明垂直檔距、耗鋼量和塔型因素對鐵塔易損性的貢獻較大，而CRW法則是垂直檔距、水平檔距和地形坡度對鐵塔易損性的貢獻較大；相對而言，CRW法得到的主導權重獨立性更強。由于兩種方法指標權重的差異導致易損性結果不同。但是結果都表明，鐵塔N12～N18、N29～N31、N33～N35之間的線路處于高易損性區(qū)，后期維護時應加強地質(zhì)災害的監(jiān)測和排查，有針對性地采取地質(zhì)災害防護措施，防止線路遭受地質(zhì)災害的損害；另有20%左右的線路處于低和較低易損區(qū)。

3 結論

從輸電線路桿塔的屬性特征、空間屬性和成災恢復力三個方面構建易損性評價的指標體系，通過AHP和CRW兩種方法建立定量模型，以路茂線500 kV雙回輸電線路為例進行了易損性評價，并得到以下結論：

(1)綜合考慮承災體屬性特征、空間屬性和成災恢復力的易損性評價指標體系能更全面地反映輸電線路承災體的易損性特征，采用該指標模型開展評價的結果與現(xiàn)場調(diào)查和電力部門定性認識一致，說明該指標體系具有可靠性和合理性；說明所采用評價方法和指標體系可以用于輸電線路的易損性評價。

(2)從基于定量統(tǒng)計的貢獻率法(CRW)與基于專家打分的層次分析法(AHP)兩種方法的分析結果看，兩種方法得到的指標權重比較一致，其中地形坡度、垂直檔距、鐵塔類型和耗鋼量所得到的權重更高，說明其對鐵塔易損性的影響更大，在擬新建鐵塔的選址和已建鐵塔的地質(zhì)災害風險規(guī)避和評估具有指導作用。

(3)易損性的評價結果可以為電網(wǎng)相關部門修改和實施該輸電線路方案時提供參考依據(jù)，降低發(fā)生損失的可能性。對于已建的輸電線路建議加強地質(zhì)環(huán)境和氣象監(jiān)測，有針對性地對造成威脅的鐵塔開展相應的防護措施，從而改善輸電線路的建設和運行安全。對于擬建的處于較高易損性以上的輸電線路，建議進行詳細的地質(zhì)災害調(diào)查，方案可行性高時，可以優(yōu)化相應的評價指標，來增加其抗損性，如通過工程措施降低鐵塔位置處的坡度，并修建相應的防御措施；方案可行性較低時，建議重新制定或選擇其它可行性方案。

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Vulnerabilityevaluationofgeologicalhazardsalongatransmissionline:acasestualyoftheLumaoline,SichuanProvince

YANG Zongji1, DING Pengpeng1,2, QIAO Jianping1, DENG Chuang3

(1.InstituteofMountainDisasterandEnvironment,ChineseAcademyofScience,MinistryofWaterConservancy,Chengdu,Sichuan610041,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.PowerEmergencyCenterofStateGridPowerCompanyofSichuanProvince,Chengdu,Sichuan610015,China)

Eight evaluation indexes as tower type, steel consumption, tower height, and so on are selected based on the attribute characteristic, spatial properties and resilience of transmission lines hazard bodies. Two evaluation methods of analytic hierarchy process and contribution weight approach are respectively applied to the quantification assessment of Lumao Line experimentally. Vulnerability grading and mapping are done in GIS system by natural breaks method. Evaluation results of two methods are mostly consistent. Through comparing and analysis, it is found that three evaluation indexes as vertical span, slope of terrain, tower type give the greatest contribution to the vulnerability of tower. It is showed that lines of high vulnerability are lines of N12～N18, N29～N31, N33～N35. To prevent damage of those transmission lines due to geological disasters, corresponding protection measures to geological hazards should be built.

transmission line; vulnerability; analytic hierarchy process; contribution weight approach; geological hazard

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.18

P642.2，TM712

A

1003-8035(2017)04-0113-06

2016-11-30;

2016-12-24

中科院STS項目(KFJ-EW-STS-094;KFJ-STS-ZDTP-015)；國家自然科學基金( 41471012)；青年百人團隊計劃項目(SDSQB-2016-01)；國家電網(wǎng)公司科技項目(521999150031)

楊宗佶(1981-)，男，四川成都人，副研究員，博士，碩導，主要從事降雨型滑坡的時空規(guī)律、危險性評價、風險分析及預警方法研究。E-mail: yzj@imde.ac.cn