雷電災(zāi)害與建筑物防雷保護(hù)分析

    在人類生存的環(huán)境中有許多自然災(zāi)害，如地震、暴雨、冰雹、水災(zāi)、旱災(zāi)、火災(zāi)、雷擊等等。對此，人們總是想方設(shè)法進(jìn)行防御，或減輕它們所造成的損失。雷擊就是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，雷擊所造成的損失卻無法輕視。如1989年山東黃島油庫遭受雷擊并引起大火，損失慘重。研究建筑物防雷應(yīng)從雷擊事故調(diào)查入手，找出雷擊規(guī)律，然后，利用雷擊模擬實驗，對所總結(jié)的規(guī)律和所提出的解決方案予以驗證。

    大氣流動形成雷云，隨著下部負(fù)電荷的積累，其電場強(qiáng)度增加到極限值，于是開始電離并向下方梯級式放電，成為下行放電。當(dāng)這種雷擊距地面一定距離時，地面物體在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生尖端放電形成向上的先導(dǎo)，并朝下行先導(dǎo)發(fā)展，兩者匯合形成雷電回路，開始主放電，發(fā)出閃電和雷聲，此為負(fù)極性下行先導(dǎo)雷擊。此雷擊占全部雷擊的大約90%。此外還有正極性下行先導(dǎo)雷擊、負(fù)極性上行先導(dǎo)雷擊和正極性先導(dǎo)雷擊。下行先導(dǎo)的最后一次跳越距離稱為閃擊距離。但如果地上某處沒有足夠強(qiáng)大的上行先導(dǎo)，則雷電是不會打到該處的。安裝避雷裝置的目的就是對雷電流形成最強(qiáng)的先導(dǎo)回路。

     雷電等級評估

    雷電災(zāi)害已成為主要的氣象災(zāi)害之一。人們已從多方面對雷電及雷電災(zāi)害進(jìn)行了大量的研究，但從災(zāi)害學(xué)角度研究的尚不多。雷電災(zāi)害作為自然災(zāi)害的一種，就系統(tǒng)災(zāi)害理論而言，是孕災(zāi)環(huán)境系統(tǒng)、致災(zāi)因子系統(tǒng)和承災(zāi)體系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。其致災(zāi)因子是雷電，地理、人文環(huán)境是孕災(zāi)環(huán)境系統(tǒng)，其承災(zāi)體則是處于地面上的人和物體。從區(qū)域上看，由于雷電的客觀存在，雷電災(zāi)害的產(chǎn)生與存在在相當(dāng)程度上是必然的，有其絕對性的一面，要改變雷電這種致災(zāi)因子和地理環(huán)境這種孕災(zāi)環(huán)境是困難且也是不可能的；人文環(huán)境這種孕災(zāi)環(huán)境與雷電災(zāi)害的產(chǎn)生一定程度上是必然的，有其絕對性的一面，也有相對性的一面，要改變雖困難但可能，這需要長時間的努力；而承災(zāi)體則不同，由于防護(hù)措施的差異，同極性、同等強(qiáng)度的雷電流在不同的承災(zāi)體上會造成不同的后果：防護(hù)措施做得好，雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢就小；反之，雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢就大。因此增強(qiáng)承災(zāi)體的承受雷電能力就成為預(yù)防和減輕雷電災(zāi)害的主要途徑。探討雷電引發(fā)災(zāi)害的等級和可能性大小(雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢)的評估，對于降低雷電災(zāi)害、預(yù)防雷電災(zāi)害的投資支出和雷電災(zāi)害保險等有著極為重要的指導(dǎo)意義。

    一、研究評估指標(biāo)的意義

    我國大部分地區(qū)從3月到11月均可出現(xiàn)雷電，主要集中出現(xiàn)在6～9月。而一天中24h均有雷電出現(xiàn)，以午后最多。據(jù)研究我國雷電災(zāi)害遍布全國各地，但雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失主要分布在華南、華東等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，而雷擊造成的人員傷亡事故主要發(fā)生在我國南部及華東地區(qū)，其中92%以上發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)。因此，區(qū)域內(nèi)只要有雷電，就存在雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢。評估區(qū)域雷電災(zāi)害發(fā)生的潛勢，既可在新上項目選址時避開雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢大的區(qū)域，增加項目的安全性，又可在新建或已有建筑的防雷設(shè)計時、針對不同區(qū)域的雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢，合理設(shè)計，減少防雷開支。此外，還可為雷電的預(yù)警預(yù)報提供參考依據(jù)：對于同一次雷電過程，根據(jù)不同區(qū)域雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的大小，發(fā)布的雷電預(yù)警預(yù)報等級可有所區(qū)別。而要準(zhǔn)確地評估區(qū)域雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢，首先要選取合適的評估指標(biāo)，因此，研究區(qū)域雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的評估指標(biāo)十分重要。

    二、雷電災(zāi)害等級劃分

    雷電災(zāi)害等級是指雷電對承載體所造成的破壞程度的大小。由于雷電災(zāi)害在時間上具有瞬時性、季節(jié)性和頻繁性，在空間分布上具有廣泛性、分散性和局地性等特點，造成資料收集上報不及時、不全面等現(xiàn)象嚴(yán)重。目前我國雖然已有氣象災(zāi)害等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，但尚無針對雷電災(zāi)害發(fā)生特點的統(tǒng)一的災(zāi)害等級標(biāo)準(zhǔn)，這也是雷電災(zāi)害上報不全的原因之一。為了便于雷電災(zāi)害的收集調(diào)查、上報和評估以及保險公司的理賠等，促進(jìn)雷電防護(hù)工作，有必要開展雷電災(zāi)害等級劃分的工作。曾山泊等曾根據(jù)保險公司的理賠情況劃分了雷電災(zāi)害等級標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)劃分過于粗糙且未考慮氣象災(zāi)害等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)。中國氣象局在《氣象災(zāi)情收集上報調(diào)查和評估試行規(guī)定》中制定了氣象災(zāi)害較小型、小型、中型、大型和特大型5個等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，2008年5月中國氣象局下發(fā)的《氣象災(zāi)情收集上報調(diào)查和評估規(guī)定》將氣象災(zāi)害分為小型、中型、大型和特大型4個等級。對于局地的、分散的卻又是頻繁的、反復(fù)出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)損失較小、人員傷亡較輕的雷電災(zāi)害，與標(biāo)準(zhǔn)為“因災(zāi)死亡1到3人，或者傷亡總數(shù)10人以上30人以下，或者直接經(jīng)濟(jì)損失100萬元以上1000萬元以下”的小型氣象災(zāi)害相差過于懸殊，顯然難以引起人們的注意和重視。為了便于宣傳、引起人們的重視、提高雷電災(zāi)害的上報率以及防雷減災(zāi)的意識，應(yīng)該針對雷電災(zāi)害發(fā)生獨具的分散性和局地性特點，作為一個特例來設(shè)置一個雷電災(zāi)害等級標(biāo)準(zhǔn)。雷電災(zāi)害作為氣象災(zāi)害的一種，其災(zāi)害等級必須與氣象災(zāi)害等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)相銜接，因此依據(jù)氣象災(zāi)害評估分級處置標(biāo)準(zhǔn)，按照人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失的大小，對小型及以下等級進(jìn)行細(xì)化，而對大型、特大型進(jìn)行合并，將雷電災(zāi)害分為7個等級，標(biāo)準(zhǔn)如表1。

    三、雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢評估指標(biāo)

    從雷電發(fā)生的自然規(guī)律、分布特點及我國雷電災(zāi)害特征來看，對雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的評估，必須選擇與致災(zāi)因子系統(tǒng)、孕災(zāi)環(huán)境系統(tǒng)和承災(zāi)體系統(tǒng)有關(guān)的指標(biāo)。

    1.地閃密度

    表征雷電的指標(biāo)有雷暴日、雷暴時數(shù)、閃電次數(shù)、雷電強(qiáng)度等。閃電密度與雷電災(zāi)害的發(fā)生頻數(shù)具有較好的相關(guān)性，而閃電分為云閃和地閃兩種。對于預(yù)防、評估雷電災(zāi)害更具有實際意義的是地閃年平均次數(shù)。地閃密度也稱落雷密度，是每年單位*面積內(nèi)發(fā)生的地閃次數(shù)，單位為次/(km2·a)，公式M＝Tc/S，其中Tc為年平均地閃次數(shù)，S為區(qū)域面積、單位為km2。地閃密度直接與致災(zāi)因子有關(guān)，區(qū)域年平均地閃次數(shù)越多，落雷密度就越大，則雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢就越大，說明區(qū)域致災(zāi)因子活躍、孕災(zāi)環(huán)境有利。因此可作為評價雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的重要指標(biāo)。

    地閃密度雖然較為精確地反映了危害較嚴(yán)重的對地閃電活動的頻數(shù)，較雷暴日數(shù)能更好地反映雷電災(zāi)害發(fā)生的潛勢。對于一些還沒有或剛開始開展閃電、地閃精確監(jiān)測的地方，尚無或還沒有積累到足夠的地閃資料，可以采用區(qū)域年平均雷暴日數(shù)Td來推算，此稱為雷擊密度?！督ㄖ锓览自O(shè)計規(guī)范》中雷擊密度指區(qū)域單位面積內(nèi)所發(fā)生的雷擊大地的年平均次數(shù)，公式為M＝0.024T1.3d。

    2.雷災(zāi)頻數(shù)

    雷災(zāi)頻數(shù)即雷電災(zāi)害頻數(shù)是指區(qū)域內(nèi)發(fā)生雷電災(zāi)害的年平均次數(shù)，公式為F＝N/n，雷電災(zāi)害頻數(shù)單位為次/a，N為統(tǒng)計樣本年限內(nèi)實際發(fā)生雷電災(zāi)害的總次數(shù)，以地級市為統(tǒng)計區(qū)域；n為統(tǒng)計樣本的實際年數(shù)。這一指標(biāo)表示區(qū)域雷電災(zāi)害發(fā)生頻率的高低，既直接反映了區(qū)域雷電災(zāi)害在歷史上的實際發(fā)生情況，又間接反映了這一區(qū)域地貌、地形、地質(zhì)等特征對雷電災(zāi)害的形成是否有利，以及區(qū)域防雷意識、技術(shù)的高低程度。雷電災(zāi)害頻數(shù)大的地區(qū)，不但說明此區(qū)域的致災(zāi)因子活躍，還說明區(qū)域的孕災(zāi)環(huán)境有利于災(zāi)害發(fā)生，也在一定程度上說明了區(qū)域防雷意識和技術(shù)水平較低，抵御雷電災(zāi)害的能力較差，因此雷電災(zāi)害頻數(shù)可作為雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的評價指標(biāo)。

    3.人口密度

    人口密度是指區(qū)域內(nèi)的單位面積上的人口數(shù)量，公式為K＝L/S，單位為人/km2。其中L為統(tǒng)計樣本年限內(nèi)平均人口總數(shù)，單位為人；S為區(qū)域面積，單位為km2。人作為雷電災(zāi)害承災(zāi)體之一，區(qū)域人口密度越大，其GDP、房產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施等財產(chǎn)就愈大，那么不僅雷擊造成的傷亡人數(shù)越多，而且可能遭受的經(jīng)濟(jì)損失也越大。人口密度的大小，直接說明了區(qū)域災(zāi)害承載體的多少，因此人口密度可作為雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的評價指標(biāo)。如城市的人口比較集中，區(qū)域人口密度大，所占的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)也相應(yīng)大，那么在此區(qū)域內(nèi)遭受雷擊的傷亡人數(shù)相應(yīng)升高，經(jīng)濟(jì)損失也會越大。而我國雷電災(zāi)害造成的人員傷亡92%以上為農(nóng)業(yè)人口，且主要出現(xiàn)在工業(yè)化、城市化程度較低的區(qū)域，此區(qū)域雷災(zāi)造成的其它經(jīng)濟(jì)損失相對較小。因此，在評估工業(yè)化、城市化程度較低的區(qū)域時，人口總數(shù)也可用農(nóng)業(yè)人口總數(shù)代替。

    四、人均GDP

    人均GDP是指區(qū)域內(nèi)的單位人口的GDP值，公式為G＝Gs/L，單位為萬元/人。其中L為統(tǒng)計樣本年限內(nèi)平均人口總數(shù)，單位為人；Gs為區(qū)域統(tǒng)計樣本年限內(nèi)平均總GDP值，單位為萬元。區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)，作為主要承災(zāi)體的物體，即廠礦和房產(chǎn)等建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施、弱電設(shè)備等財產(chǎn)就越多，雷電災(zāi)害發(fā)生的可能性就越多、造成的損失就越大，同樣的雷擊密度發(fā)生在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)可能造成的災(zāi)害和損失往往要比發(fā)生在荒蕪人煙經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)大得多。而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度可用人均GDP表示，人均GDP的大小間接說明了區(qū)域災(zāi)害承災(zāi)體的多少，因此可作為雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的評價指標(biāo)。

    五、雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢評估方法

    由以上分析，可用地閃密度(或雷擊密度)、雷災(zāi)頻數(shù)、人口密度和人均GDP作為評估雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的指標(biāo)。應(yīng)用這些評估指標(biāo)可對某區(qū)域未來因雷電可能造成的災(zāi)害和損失做趨勢評估和判斷(高、低等)。若某區(qū)域未來因雷電可能造成的災(zāi)害越多，則該區(qū)域的雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢就越大。為便于分析、描述以及評估結(jié)果的可比性，對雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢指標(biāo)進(jìn)行等級值換算。

    具體換算方法是：①將百分值0～100采用對稱不等分間隔的5級分割法，將雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢評價指標(biāo)按照高(80～100)、較高(60～80)、中等(60～40)、較低(40～20)、低(20～0)劃分為5個等級。②將各類雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢指標(biāo)的計算值進(jìn)行換算，換算為占該類型指標(biāo)統(tǒng)計樣本年限內(nèi)之最高指標(biāo)值的百分?jǐn)?shù)。③將各評估指標(biāo)百分?jǐn)?shù)累加并求平均，可得到該地雷電災(zāi)害綜合發(fā)生潛勢評估值。④根據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定各區(qū)縣的雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢評價結(jié)果。

    以珠江三角洲5市為例評估雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢(表2，表中雷擊密度和雷災(zāi)頻數(shù)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)，其余來自該城市統(tǒng)計年鑒)。珠江三角洲城市的雷擊密度最高值出現(xiàn)在廣州為8.6次/(km2·a)，將各城市的雷擊密度與此值相比可求取百分?jǐn)?shù)，即換算值；其它3項指標(biāo)換算值求法類似。將廣州各指標(biāo)的換算值求平均，可得到評估值為80.7，即廣州雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢等級高。同理，可得其它城市雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢。由表2可知，珠江三角洲5市以廣州的雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢評估值最高、等級為高，深圳次之、等級為較高，珠海最低、等級為中等。如果用縣區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級的數(shù)據(jù)，根據(jù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)甚至可以確定各縣區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢等級。從過去雷電災(zāi)害發(fā)生的頻繁程度來看，評價還是較適宜的。因此，以上所選取的4個評價指標(biāo)對雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢有一定的評價能力。

    按照雷電災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失大小，依據(jù)雷電災(zāi)害發(fā)生的特點，對氣象災(zāi)害評估分級處置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化、合并，將雷電災(zāi)害劃分為7個等級，并確定了標(biāo)準(zhǔn)。從造成雷電災(zāi)害的致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)我國雷電災(zāi)害發(fā)生的特點，討論了地閃密度(或雷擊密度)、雷災(zāi)頻數(shù)、人口密度和人均GDP的含義，可以作為評估雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢指標(biāo)，以珠江三角洲5城市為例簡要地介紹了評價方法。評價結(jié)果與過去雷電災(zāi)害發(fā)生的頻繁程度相適宜，此4個評價指標(biāo)對雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢有一定的評價能力。這些指標(biāo)能否較全面、準(zhǔn)確地反映區(qū)域的雷電災(zāi)害發(fā)生潛勢的大小，尤其是雷災(zāi)頻數(shù)這一指標(biāo)不但準(zhǔn)確統(tǒng)計較困難且是否合適用歷史代表未來趨勢，還需進(jìn)一步研究。(摘自：王鳳嬌，任鐘冬，韋良文，郭云才：《雷電災(zāi)害等級劃分及發(fā)生潛勢指標(biāo)探討》，載《氣象科技》第37卷第6期)