中国电力基础设施在地震灾害中的脆弱性风险评估

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Risk assessment of power infrastructure vulnerability to seismic hazards in China

中国电力基础设施地震风险评估框架研究

　　
中国电力基础设施地震风险评估框架的创新与实践

一、研究背景与核心挑战
随着我国能源网络现代化进程加速，电力系统作为社会运行的基础设施，其抗震能力直接关系到区域经济稳定和民生保障。研究团队针对传统评估体系的三大短板展开突破：其一，现有方法多采用省级或市级尺度，难以捕捉县域级设施分布差异；其二，对地形影响的量化评估存在空白，特别是西部高烈度区与东部沿海经济带的特殊矛盾；其三，缺乏针对不同电压等级的差异化脆弱性模型。这种多尺度、多维度的系统缺陷导致防灾资源错配，重大经济损失预估失真等问题。

二、方法论创新体系
1. 数据融合架构
构建了包含地质构造、基础设施分布、经济参数的三维数据立方体。采用遥感影像解译技术，实现35-220kV变电站、输电塔基等关键设施的厘米级定位。创新性地将地形坡度与岩石硬度指数纳入风险评估模型，揭示出西南喀斯特地貌区地震动放大效应可达平原地区的1.8倍。

2. 动态脆弱性建模
针对我国特有的超高压输电网络（占比达37%），建立了电压等级-故障模式-经济损失的映射关系。通过解析1994-2020年间287次强震的电力设施损毁数据，发现220kV变电站的损失率比输电线路高42%，这与绝缘子等关键部件的脆性破坏特性相关。

3. 双维度风险量化
提出年化地震经济损失（AEL）与损失比率（AELR）的协同评估体系：前者反映绝对经济损失规模，后者体现单位资产价值风险强度。实证显示，东南沿海某经济强县AEL达8.3亿元/年，但AELR仅0.7%，而西部某高烈度县AEL为2.1亿元/年，AELR却高达1.2%，揭示出不同区域的风险管理侧重点差异。

三、区域风险特征图谱
1. 西部高烈度带
青藏高原东缘的唐古拉山-三江并流区，PGA年均值达0.65g，显著高于全国平均水平（0.32g）。研究显示该区域输电线路的年化经济损失中位数达1.2亿元/县，其中杆塔基础液化破坏占事故总量的58%。特别值得注意的是，雅鲁藏布江大拐弯区域因特殊的地形放大效应，局部AELR突破1.5%警戒线。

2. 东部沿海经济带
长三角、珠三角等城市群周边，AEL呈现显著的空间集聚特征。上海青浦区因变电站密度达每百平方公里32座，其AEL值是周边县域的6.8倍。但通过引入沿海防护林带对地震波的衰减效应修正后，AELR下降37%，印证了工程措施与自然屏障的协同增效作用。

3. 西北干旱区
塔里木盆地周边地区虽地震动参数较低，但年均2.3次的小震引发的累积性损失不容忽视。研究揭示该区域输电线路的年均断裂次数达0.7次/百公里，形成特有的"低强度高频次"风险模式，传统以峰值加速度为核心的评估体系在此失效。

4. 南方喀斯特地貌区
贵州、云南等地的溶蚀峰丛地貌导致地震波传播异常。通过建立地形粗糙度指数（TRI）与损失率的回归模型（R2=0.89），发现TRI>0.6的区域，线路断损率提升至平原区的2.3倍。创新性地将溶洞发育密度（每平方公里>50个）作为修正参数，使评估精度提升41%。

四、技术突破与工程应用
1. 县级分辨率评估体系
采用"省级统筹-县级落实"的网格化处理方案，将全国划分为2846个独立评估单元。通过改进的克吕格距离衰减模型，实现县域尺度地震动参数的毫米级插值，空间分辨率较现有研究提升两个数量级。

2. 多尺度耦合分析
构建了"震源-断层-场址"三级耦合模型：① 1:400万区域地震动参数生成；② 1:25万次生灾害影响区划；③ 1:5000设施脆弱性评估。这种嵌套式分析方法使跨区域风险传导评估误差控制在8%以内。

3. 工程优化决策支持
开发的风险预警系统已集成至国家电网智能巡检平台，实现：
- 设施健康度动态评估（更新频率：小时级）
- 风险区段自动识别（响应时间：<3秒）
- 应急物资预置方案（覆盖半径：200公里）
系统上线后，西北地区震后72小时恢复供电率从61%提升至89%。

五、风险应对策略建议
1. 区域差异化防护
- 西部高烈度区：优先加固杆塔基础（投资回报率1:5.3）
- 东部沿海区：建设防风揭盖复合型输电塔（降低AELR 28%）
- 南方喀斯特区：采用锚固桩+波纹板复合护坡（成本增加15%，故障率下降63%）

2. 设施迭代优化
220kV变电站应配置：
- 液压阻尼器（临界阻尼比>0.85）
- 多重绝缘层（耐压等级≥72kV）
- 智能监测系统（实时监测21项力学参数）

3. 应急响应机制
建立"3T"应急响应体系：
- Threat（威胁）分层：红（PGA>0.5g）、橙（0.3-0.5g）、黄（0.1-0.3g）
- Time（响应时间）：红区<1小时，橙区<4小时，黄区<12小时
- Targets（目标优先级）：按照AELR值排序，前20%高风险区纳入首波救援序列

六、延伸应用价值
该评估框架已拓展至其他基础设施领域：
1. 交通系统：成功预警川藏铁路某隧道群年均0.7次潜在失稳风险
2. 建筑群：深圳某科技园通过AELR指标优化，实现抗震设计成本降低19%
3. 海上工程：南海某LNG接收站应用后，最大单次经济损失预估误差从32%降至9%

七、研究局限与展望
当前框架存在三个主要局限：① 对新型柔性直流输电的评估参数不足；② 城市群地下综合管廊的耦合效应未量化；③ 碳中和背景下新能源设施的抗震特性缺乏数据支撑。后续研究将重点开发：
- 基于数字孪生的动态风险评估系统
- 智能电网韧性指数（SGRI）构建
- 氢能储能站抗震设计规范修订

本框架的突破性在于首次将县域作为风险分析的最小单元，通过融合工程学、地理信息学和社会经济学等多学科方法，构建了可复制、可扩展的电力系统抗震评估范式。其实践价值体现在使防灾资源分配效率提升40%，高风险区设施迭代成本降低28%，为我国《国家综合防灾能力现代化规划（2021-2035）》提供了关键技术支撑。