引言

中国是世界上暴雨天气出现频次、影响程度、影响范围均很大的国家之一；中国局地强降水尤其是短时间内产生的强降水造成的灾害也非常严重^[1]。河南省地跨海河、黄河、长江、淮河四大流域，既有太行山脉、伏牛山脉、桐柏山-大别山脉，又有南阳盆地和黄淮海平原，天气影响系统复杂，降水时空分布不均匀^{[2, 3]}。著名的“75.8”暴雨过程中，河南省南阳、许昌、驻马店等地发生连续的特大暴雨，导致板桥水库等多座水库跨坝，人员和经济损失巨大^[4]。许昌地区暴雨过程雨量和小时雨量均破历史记录，其中尚店单日降水量达到520 mm，导致电线杆倒伏800余根，受灾线路150 km，损坏变压器189台，全县停电17 d^[5]。随着经济的发展，河南省长距离输电线路日益增多，供电量和用电量不断增大，复杂的气象环境对输电安全的影响日益显著。

史培军^[6-8]较早开展了自然灾害风险评估研究，指出灾害风险评估是对致灾因子的风险性、孕灾环境的稳定性和承灾体的易损性进行评价和分析。在此基础上，诸多学者运用气象、水文、地理、灾情等多种资料，得到了河南省、湖北省、江西省、洞庭湖地区和中小河流域等地暴雨洪涝灾害的风险评估结果^[9-14]。王秀荣等^[15]将各类环境脆弱性影响要素与暴雨致灾因子要素相结合，建立了全国区域的暴雨灾害综合风险评估模型。

陈丽娟等^[16]通过对2011年全国输变电设施可靠性指标分析发现，气象因素导致220 kV及以上电压等级输电线路非计划停运114次，占总非计划停运次数的32%。甘璐等^[17]研究了北京市电网灾害的时空分布特征，指出雷暴、风害和覆冰是电网灾害的三大成因。付桂琴等^[18]基于灾情实况分析了大风灾害对河北电网的损坏特征。中国现行的输电线路设计规范国家标准涉及的气象要素主要有大气温度、风速、覆冰和雷电，并没有考虑降水。强降水也可能导致严重的电网灾害，主要有三种类型，第一种是雨闪事故，陈杰华等^[19]在500 kV主变压器高压套管防雨闪伞裙试验中指出，雨水影响输变电设备外绝缘的放电特性，变电设备雨闪事故是电力系统外绝缘问题的主要因素。第二种是设备受淹，2005年福州发生了百年一遇的特大暴雨，暴雨引发的局部内涝对配电网造成严重损害，导致233个配电站被淹，大量高低压开关、变压器损坏^[20]。第三种是机械故障，暴雨引发的洪水及泥石流、山体滑坡等地质灾害可能直接冲倒线路杆塔，或引起杆塔基础受损而造成杆塔倾倒^[21]。韩昌^[22]研究暴雨、台风等气象灾害对上海地区电网的侵袭时指出，在电网设计改造施工过程中，气象部门提供电网沿线准确的小气候资料，有助于确定线路和杆塔的设计标准和施工要求。

为减小强降水等气象灾害对电网的威胁，保障电网安全可靠运行，除了提高降水预报水平以外，加强防灾减灾的服务能力也很重要。易引发洪涝灾害的降水主要有两种，一种是暴雨(日雨量达到50 mm的降水)，一种是短时强降水(小时雨量达到20 mm的降水)。暴雨累积雨量大，持续性暴雨对电网设施影响显著，短时强降水雨强大，常具有突发性，较大的雨量集中在很短的时间(几小时到十几小时)内释放，对电网设施的冲击也较大。河南省短时强降水不但次数多、雨强大，且集中在盛夏季节，与夏季的用电高峰高度一致，如果引发电网故障，影响巨大。以往的研究工作多数仅关注暴雨，本文在研究河南省电网强降水灾害风险区划时，强降水包含相同影响系数的暴雨和短时强降水，使得电网强降水灾害风险区划更加科学合理，能够提供基于统计事实的电网安全科技防御策略。

1 资料来源

本文使用的资料主要包括以下三种：

(1) 降水资料。河南省119个国家站1961—2013年共53 a的日雨量资料和2010—2015年共6 a的小时雨量资料。雨量资料由国家气象信息中心提供。

(2) 社会经济资料。河南省18个地市年均供电量和全社会用电量，由国网河南省电力公司电力科学研究院提供。全社会用电量指第一、二、三产业等所有用电领域的电能消耗总量，包括工业用电、农业用电、商业用电、居民用电、公共设施用电以及其它用电等(以下简称用电量)。河南省各县市人均国内生产总值(GDP)数据来自地理国情监测云平台(网址为http://www.dsac.cn/DataDownLoad)。

(3) 基础地理信息。地理信息来自美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的Shuttle Radar Topography Mission(航天飞机雷达地形测绘使命，SRTM，网址为http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp)数据，精度为90 m。水系数据来自国家基础地理信息中心(网址为http://www.ngcc.cn/)。

2 河南省强降水时空演变特征 2.1 强降水时间演变特征

图 1为1961—2013年河南省暴雨日数、暴雨量和总雨量的年际变化图，从中可见，河南省平均每年约出现2.3个暴雨日，年际变化幅度较剧烈，1984—1993年有一个较为明显的波动减小，1993—2000年有一个较为明显的波动增大。年均总雨量为739.61 mm，其中暴雨量为179.94 mm，约占总雨量的24%。暴雨日数和暴雨量与总雨量关系密切，相关系数分别达到0.84和0.80。53 a中，2000年暴雨日数和暴雨量均最多，达到4.27个和388.64 mm，其次为1998年3.53个和286.26 mm，总雨量最多的是1964年。

图 2为河南省暴雨和短时强降水的月际差异分布。不同月份的暴雨统计分析(图 2a)显示，河南省暴雨极少出现在冬季(12月、1月、2月)，自3月起，暴雨逐渐增加，7月最多，年均0.85次，占全年的37%，暴雨量为70.14 mm，约占7月总雨量的40%。夏季(6、7、8月)暴雨1.72次，占全年暴雨总次数的75%，暴雨量139.4 mm，占夏季总雨量的36%，远高于全年平均的24%。

逐月的短时强降水统计结果(图 2b)显示，7、8月为河南省盛夏季节，总雨量大，短时强降水比例大，是降水预报和灾害防御的关注重点。值得强调的是，9月总雨量较大，尤其是前期累积雨量较大，地质环境已经受影响的情况下要特别关注连阴雨天气；6月总雨量虽不大，但其短时强降水出现频率为9月的2倍，因此，还需加强突发性短时强降水的监测和预报预警。

2.2 强降水空间分布特征

图 3为河南省的行政区划图和地形地貌分布图。从图 3a可见，河南共有18个地区，分别是黄河以北的济源、焦作、新乡、鹤壁、安阳、濮阳，豫西的三门峡、洛阳，豫中的郑州、许昌、漯河、平顶山，豫东的开封、商丘、周口，豫西南的南阳以及豫南的驻马店、信阳。分析图 3b发现，河南省地形整体来看西高东低，西面为豫西山地，其中最主要的山脉是伏牛山(蓝色椭圆)，东面为黄淮海平原，西北部为王屋山和太行山，东南部为桐柏山和大别山，豫西山地与桐柏山之间为南阳盆地。

图 4为1961—2013年河南省年均暴雨频次分布及2010—2015年累积短时强降水次数分布图。分析图 4a发现，河南省从南向北、从东向西暴雨频次逐渐递减，桐柏山-大别山山地丘陵区年均暴雨频次最大，在4次以上(红色数字)，最大的是信阳鸡公山站(红色方框)，达到年均5.2次；黄淮海平原和南阳盆地地区暴雨频次多在2~4次之间(蓝色数字)；豫西山地、太行山地区以及中北部的郑州、安阳、濮阳部分辖区暴雨频次最低，在0.7~2次之间(黑色数字)。从图 4b可以看出，短时强降水次数分布总体从东南到西北呈减小趋势，但各个站点之间差异较大。次数较多的站集中在桐柏山-大别山地区、黄淮海平原的黄河以北地区、伏牛山地区和商丘中西部，四个区域内20次以上的站数分别达到8个、5个、2个和2个，其中次数最多的站点位于固始县(红色方块)，达到31次。豫西山地的伏牛山以北地区为短时强降水次数的低值区，其中次数最少的站点位于洛宁县(红色圆点)，仅有2次。其余地区短时强降水次数多在6~15次之间。

图 5给出了河南省不同持续天数(1~7 d)暴雨的年均频次分布。从图中可以看出，持续1 d(图 5a)的暴雨频次中心位于南阳盆地和黄淮海平原的中北部；持续2 d(图 5b)的暴雨发生频次最高，暴雨高发地区覆盖伏牛山、桐柏山-大别山和几乎整个黄淮海平原；持续3 d(图 5c)的暴雨频次各站之间差异最大，暴雨频次中心位于桐柏山和黄淮海平原南部以及商丘东部；持续4 d及以上(图 5d-g)的暴雨频次，高发区位于桐柏山-大别山和伏牛山地区，暴雨频次向西向北逐渐减小。

3 河南省电网强降水灾害风险区划 3.1 风险评估指标体系

电网强降水灾害风险区划研究，是通过了解电网分布范围内的自然环境和社会环境，明确强降水在不同的地形、水系条件下对不同抗灾能力地区的用电量和供电量产生的综合影响。电网强降水灾害风险评估包含四个指标，“致灾因子危险性”为暴雨和短时强降水灾害的风险大小，“孕灾环境敏感性”给出强降水在不同的地形、水系条件下形成灾害的风险大小，电网强降水灾害的承灾体是电网，“承灾体易损性”通过用电量和供电量大小来衡量，“防灾减灾能力”给出灾害防御能力和灾害发生后社会和经济的恢复能力。

3.2 致灾因子危险性分析

某点上致灾因子危险性是该点各个等级致灾因子出现的频率与其系数乘积的总和。河南省电网强降水灾害的致灾因子为暴雨和短时强降水，致灾因子危险性就是不同等级的暴雨和短时强降水出现的频次与其系数乘积的总和。

暴雨和短时强降水等级的划分通过多年实况资料统计得到，表 1给出了不同持续天数不同等级暴雨累积雨量范围。1961—2013年河南省暴雨共12 710站次，分别统计持续1、2、3、4、5、6 d和7 d及以上的过程(站点每天都有降水，且至少有1 d达到暴雨量级)，考虑到累积雨量越大，其引发洪涝的可能性越大，计算暴雨过程累积雨量，将位于60%~80%、80%~90%、90%~95%、95%~98%及98%以上区间的降水划分为1~5级，分别赋予1/15、2/15、3/15、4/15和5/15的系数。

不同等级短时强降水累积雨量范围计算方法与暴雨类似。2010—2015年河南省共发生短时强降水1 290站次，分别统计持续1、2、3、4、5、6 h和7 h及以上的过程(站点每个小时都有降水，且至少有1 h达到短时强降水量级)，计算其过程累积雨量，同样将位于60%~80%、80%~90%、90%~95%、95%~98%及98%以上区间的降水划分为1 ~ 5级，分别赋予1/15、2/15、3/ 15、4/15和5/15的系数。

计算各雨量站不同等级的暴雨(短时强降水)频次，将频次与该等级系数相乘，然后所有等级相加得到该站点上暴雨(短时强降水)危险性，将站点数据插值到格点上，并按照20%、40%、60%和80%百分位数值断点，最终得到暴雨(短时强降水)危险性等级区划。暴雨和短时强降水两者取平均值，即为致灾因子危险性等级区划。其中20%以下、20%~40%、40%~ 60%、60%~80%、80%以上分别对应低危险性、中低危险性、中等危险性、中高危险性、高危险性。

图 6给出了河南省暴雨、短时强降水以及致灾因子危险性等级区划。对比图 6a和图 6b可以看出，暴雨和短时强降水危险性都是从南向北、从东向西递减，两者差异主要体现在南阳地区、驻马店地区和大别山地区。具体来说，暴雨高危险性区域位于南阳盆地，短时强降水高危险性区域位于南阳中西部，盆地为低危险性区域；驻马店地区和大别山地区为暴雨高危险性区域，但短时强降水危险性为中低等级；短时强降水在王屋山和安阳、濮阳地区的危险性为高，暴雨则为低和中低。

图 6c是电网强降水灾害致灾因子危险性等级区划图，暴雨和短时强降水综合的致灾因子分布显示，危险性较高的地区是伏牛山东部到桐柏山地区及大别山以北地区、漯河市、周口市中北部、商丘市中东部以及新乡和安阳的东部地区，豫西山地危险性相对最小。

3.3 孕灾环境敏感性分析

本文基于90 m分辨率的SRTM地形高度数据得到某点地形高程，并计算该点周围相邻的八个点的标准差得到地形标准差。表 2是地形高程和地形标准差的不同组合赋值，某点的地形高度越低、周围地形标准差越低，表示该点越易形成涝灾。

图 7给出河南省电网强降水地形和水系影响系数分布以及电网强降水灾害孕灾环境敏感性等级区划。如图 7a所示，河南中东部平原地区，地形影响系数在0.8以上，其洪水危险程度较高。河南西部伏牛山、南部大别山、桐柏山及北部太行山地区，地形影响系数在0.5以下，其洪水危险程度较低。河南省内水系主要分为河流和湖泊水库，计算湖泊水库缓冲区时，一般只考虑面积在1 000 km²以上的水域，河南省没有达到面积标准的水域，本文计算孕灾环境时，不单独考虑湖泊水库的影响。图 7b显示流经河南省的一级河流有黄河，二级河流有海河、淮河和汉江，距离一级河流8 km以内、二级河流6 km以内，水系影响系数为0.8，距离一级河流12 km以外、二级河流10 km以外，水系影响系数为0.4，两个距离之间系数为0.4~0.8，与距离成反比。

将孕灾环境中地形与水系分别赋予0.5的权重系数，相加后得到孕灾环境敏感性，并按照20%、40%、60%、80%的百分位数值断点，将敏感性划分为5个等级。图 7c为综合考虑地形与水系分布的孕灾环境敏感性等级区划，海河、淮河、汉江流域以及平原地区的黄河流域是灾害危险性最高的区域；黄淮海平原大部分区域、大别山部分区域和南阳盆地为中高和中等危险性区域；其他山地丘陵地带由于地形高程较大，降水能够较快排出，不易形成严重洪涝灾害，孕灾环境敏感性等级较低。

3.4 承灾体易损性分析

衡量电网承灾体易损性的两大指标是供电量和用电量。图 8为河南省各个地区供电量、用电量分布和河南省电网强降水灾害承灾体易损性等级区划。图 8a显示河南省各个地区之间供电量差异较大，供电量大的地区集中在河南省中西部地区，其中洛阳最大，达到339亿kW·h，超过200亿kW·h的地区还有郑州、平顶山、济源和新乡，东部供电量明显小于西部，其中周口市仅为4亿kW·h。图 8b显示河南省各个地区之间用电量差异也非常显著，郑州和洛阳分别达到470和413亿kW·h，其他地区则低于200亿kW·h。

图 8c为河南省电网强降水灾害承灾体易损性等级区划，按照供电量和用电量总量的20%、40%、60%、80%百分位数值断点，得到承灾体易损性等级区划。河南省18个地市承灾体易损性等级最高的地区是郑州、洛阳、新乡和平顶山，其中郑州、洛阳供电量和用电量总量超过了750亿kW·h，如果电网遭受损害，其影响是非常大的。

3.5 防灾抗灾能力分析

防灾抗灾能力是受灾区对气象灾害的抵御和恢复能力，是为应对暴雨洪涝灾害造成损害而实施的措施，用人均GDP作为衡量指标是较为合适的^[23]。本文基于2015年河南省各个县市人均GDP数据，按照20%、40%、60%、80%百分位数值断点，根据人均GDP越低，防灾抗灾能力越差，影响系数越大的原则，分别赋予各个范围人均GDP对应防灾抗灾能力系数为0.8、0.7、0.6、0.5、0.4。

图 9给出河南省人均GDP和电网强降水灾害防灾抗灾能力分布。结合图 9a和9b可以看出，河南省不同县市之间人均GDP差异巨大，最低的地区不足2万，最高的地区超过9万，河南省中西部的郑州、济源全市和三门峡、洛阳、焦作、新乡、鹤壁等市部分辖区人均GDP较高，其防灾抗灾能力强；三门峡、南阳、平顶山、信阳、驻马店、周口、商丘、新乡等市部分辖区人均GDP较低，防灾抗灾能力弱。总体看来，北部防灾抗灾能力强于南部，中西部强于东部，西北部抗灾能力最强，黄淮海平原区和南阳盆地部分地区相对较弱。因此，提高东部和南部地区的经济发展水平，以及该地区水库、河提、房屋和电网设施的防灾抗灾能力，有助于降低灾害风险。

3.6 电网强降水灾害风险评估及区划

通过以上四类因子分析评估，参考谢今范等^[23]对吉林省电网的暴雨灾害风险等级区划，并考虑河南省短时强降水的影响较大，在致灾因子中加入了短时强降水这个影响因子，赋予与暴雨相同的影响系数，最终给出河南省电网强降水灾害风险指数计算公式如下：

$ DR = {A^{0.3}} \times {B^{0.3}} \times {C^{0.2}} \times {D^{0.2}} $

(1)

其中DR代表灾害风险指数，A代表致灾因子危险性，包含暴雨和短时强降水，B代表孕灾环境敏感性，包含地形和河流，C代表承灾体易损性，包含供电量和用电量，D代表防灾抗灾能力，由人均GDP的百分位决定，各因子的权重通过专家评分确定^[23]。

图 10为河南省电网强降水灾害风险等级区划，系河南省内灾害风险指数按照20%、40%、60%、80%百分位数值断点计算得到。由图可见，灾害风险等级最高的地区主要有四个：分别是①南阳、平顶山和洛阳交界的伏牛山地区，②新乡大部、鹤壁南部和东部、安阳东部及郑州北部的黄河海河平原流域，③商丘市辖区，④信阳北部到驻马店东南部的淮河平原流域。三门峡、济源、濮阳、开封、许昌、漯河、周口地区灾害风险等级相对较低，其他地区为中等左右风险。结合河南省500 kV及以上电网分布发现，伏牛山地区的灾害风险高值区内有发电厂、1 000 kV变电站、两条1 000 kV线路和密集的500 kV变电站和线路；新乡市、郑州市高风险区内有500 kV变电站和线路，且郑州市供电量和用电量总量超过750亿kW·h，这两个区域需要高度关注，如发生电网故障影响巨大。

3.7 灾害风险指数

为进一步研究各灾害风险影响因子的相对重要性，本文计算了河南省境内所有站点上灾害风险指数与不同影响因子(暴雨、短时强降水、地形、水系、供电量、用电量和人均GDP)之间的相关系数。结果显示，短时强降水和暴雨是灾害风险最重要的两个影响因子，相关系数分别达到0.68和0.67，作为灾害承灾体的供电量和用电量与灾害风险关系也十分密切，相关系数分别是0.61和0.54，随后是地形(0.43)和人均GDP (-0.34，负相关性表示人均GDP越大，防灾抗灾能力越大，灾害风险指数越小)。水系与灾害风险指数相关系数仅为0.09，所有站点作为一个整体来看，水系对灾害风险指数的贡献非常有限，但是与其他变量不同，水系的影响集中在水体周围的有限区域，由图 7b和图 7c可以看到其在河流的周围地区起到关键性作用。

4 结论和讨论

在统计分析河南省119个国家站53 a日降水、6 a小时降水时空分布特征的基础上，研究了电网强降水灾害风险区划，得到如下结论。

(1) 河南省国家站平均每年有约2.3个暴雨日，暴雨量为179.94 mm，约占总雨量的24%；其中夏季暴雨频次占全年的75%，暴雨量贡献了夏季总雨量的36%。暴雨频次从南向北、从东向西逐渐递减，东南部山区暴雨频次最高，雨量最大。持续2~3 d的暴雨过程最常出现。短时强降水最常出现在7、8月，其次是6月，高频站点集中在桐柏山-大别山地区和黄淮海平原的黄河以北地区等四个区域。

(2) 河南省电网强降水灾害风险区划考虑了致灾因子危险性，孕灾环境敏感性，承灾体易损性以及防灾抗灾能力。灾害风险的主要影响因子是短时强降水和暴雨以及供电量和用电量，水系在河流的周边地区起到关键性作用。

(3) 河南省电网强降水灾害风险等级最高的地区主要有四个：南阳、平顶山和洛阳交界的伏牛山地区，新乡大部、鹤壁南部和东部、安阳东部及郑州北部地区，商丘市辖区，信阳北部到驻马店东南部地区。其中伏牛山地区有发电厂、分布密集的1 000 kV和500 kV变电站和线路；新乡、郑州高风险区内有500 kV变电站和密集的线路，加之郑州市供电量和用电量总量巨大，这两个区域需要给与高度关注，减小电网故障的发生率。

研究电网强降水灾害风险区划，目的是在电网设计、维护以及决策服务时提供科学的气象信息。防御电网强降水灾害，一方面需要提高降水预报准确率，更重要的是在电网设计和改造过程中，合理布置变电站、输变电杆塔等相关设施的位置，对于强降水灾害风险较大的区域，选用高强度的线路设备，加强变电设施和线路的巡查，利用有限的预算尽可能提升更大的灾害抵御能力。

本研究在孕灾环境敏感性分析中对湖泊水库影响使用了通用的标准，即只考虑面积在1 000 km²以上的水域，未考虑河南省境内面积较小的湖泊水库的影响。但事实表明，中小型水库的垮坝曾多次引发河南省洪涝灾害，并导致电杆倒断和电网设施被淹的严重后果。如何科学评估1 000 km²以下较小水域面积的湖泊水库对孕灾环境的影响，也是值得进一步思考和研究的问题。