雷電災害與建筑物防雷保護分析

    在人類生存的環(huán)境中有許多自然災害，如地震、暴雨、冰雹、水災、旱災、火災、雷擊等等。對此，人們總是想方設法進行防御，或減輕它們所造成的損失。雷擊就是嚴重的自然災害之一，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。研究建筑物防雷應從雷擊事故調查入手，找出雷擊規(guī)律，然后，利用雷擊模擬實驗，對所總結的規(guī)律和所提出的解決方案予以驗證。

    大氣流動形成雷云，隨著下部負電荷的積累，其電場強度增加到極限值，于是開始電離并向下方梯級式放電，成為下行放電。當這種雷擊距地面一定距離時，地面物體在強電場作用下產生尖端放電形成向上的先導，并朝下行先導發(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，此為負極性下行先導雷擊。此雷擊占全部雷擊的大約90%。此外還有正極性下行先導雷擊、負極性上行先導雷擊和正極性先導雷擊。下行先導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大的上行先導，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的先導回路。

     雷電等級評估

    雷電災害已成為主要的氣象災害之一。人們已從多方面對雷電及雷電災害進行了大量的研究，但從災害學角度研究的尚不多。雷電災害作為自然災害的一種，就系統(tǒng)災害理論而言，是孕災環(huán)境系統(tǒng)、致災因子系統(tǒng)和承災體系統(tǒng)綜合作用的結果。其致災因子是雷電，地理、人文環(huán)境是孕災環(huán)境系統(tǒng)，其承災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，雷電災害的產生與存在在相當程度上是必然的，有其絕對性的一面，要改變雷電這種致災因子和地理環(huán)境這種孕災環(huán)境是困難且也是不可能的；人文環(huán)境這種孕災環(huán)境與雷電災害的產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；而承災體則不同，由于防護措施的差異，同極性、同等強度的雷電流在不同的承災體上會造成不同的后果：防護措施做得好，雷電災害發(fā)生潛勢就??；反之，雷電災害發(fā)生潛勢就大。因此增強承災體的承受雷電能力就成為預防和減輕雷電災害的主要途徑。探討雷電引發(fā)災害的等級和可能性大小(雷電災害發(fā)生潛勢)的評估，對于降低雷電災害、預防雷電災害的投資支出和雷電災害保險等有著極為重要的指導意義。

    一、研究評估指標的意義

    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。據研究我國雷電災害遍布全國各地，但雷電災害造成的經濟損失主要分布在華南、華東等經濟發(fā)達地區(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)生在農村地區(qū)。因此，區(qū)域內只要有雷電，就存在雷電災害發(fā)生潛勢。評估區(qū)域雷電災害發(fā)生的潛勢，既可在新上項目選址時避開雷電災害發(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計時、針對不同區(qū)域的雷電災害發(fā)生潛勢，合理設計，減少防雷開支。此外，還可為雷電的預警預報提供參考依據：對于同一次雷電過程，根據不同區(qū)域雷電災害發(fā)生潛勢的大小，發(fā)布的雷電預警預報等級可有所區(qū)別。而要準確地評估區(qū)域雷電災害發(fā)生潛勢，首先要選取合適的評估指標，因此，研究區(qū)域雷電災害發(fā)生潛勢的評估指標十分重要。

    二、雷電災害等級劃分

    雷電災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)象嚴重。目前我國雖然已有氣象災害等級的劃分標準，但尚無針對雷電災害發(fā)生特點的統(tǒng)一的災害等級標準，這也是雷電災害上報不全的原因之一。為了便于雷電災害的收集調查、上報和評估以及保險公司的理賠等，促進雷電防護工作，有必要開展雷電災害等級劃分的工作。曾山泊等曾根據保險公司的理賠情況劃分了雷電災害等級標準，但標準劃分過于粗糙且未考慮氣象災害等級的劃分標準。中國氣象局在《氣象災情收集上報調查和評估試行規(guī)定》中制定了氣象災害較小型、小型、中型、大型和特大型5個等級劃分標準，2008年5月中國氣象局下發(fā)的《氣象災情收集上報調查和評估規(guī)定》將氣象災害分為小型、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、反復出現(xiàn)的經濟損失較小、人員傷亡較輕的雷電災害，與標準為“因災死亡1到3人，或者傷亡總數10人以上30人以下，或者直接經濟損失100萬元以上1000萬元以下”的小型氣象災害相差過于懸殊，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、提高雷電災害的上報率以及防雷減災的意識，應該針對雷電災害發(fā)生獨具的分散性和局地性特點，作為一個特例來設置一個雷電災害等級標準。雷電災害作為氣象災害的一種，其災害等級必須與氣象災害等級的劃分標準相銜接，因此依據氣象災害評估分級處置標準，按照人員傷亡、經濟損失的大小，對小型及以下等級進行細化，而對大型、特大型進行合并，將雷電災害分為7個等級，標準如表1。

    三、雷電災害發(fā)生潛勢評估指標

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

    1.地閃密度

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

    地閃密度雖然較為精確地反映了危害較嚴重的對地閃電活動的頻數，較雷暴日數能更好地反映雷電災害發(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Td來推算，此稱為雷擊密度?！督ㄖ锓览自O計規(guī)范》中雷擊密度指區(qū)域單位面積內所發(fā)生的雷擊大地的年平均次數，公式為M＝0.024T1.3d。

    2.雷災頻數

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

    3.人口密度

    人口密度是指區(qū)域內的單位面積上的人口數量，公式為K＝L/S，單位為人/km2。其中L為統(tǒng)計樣本年限內平均人口總數，單位為人；S為區(qū)域面積，單位為km2。人作為雷電災害承災體之一，區(qū)域人口密度越大，其GDP、房產、基礎設施等財產就愈大，那么不僅雷擊造成的傷亡人數越多，而且可能遭受的經濟損失也越大。人口密度的大小，直接說明了區(qū)域災害承載體的多少，因此人口密度可作為雷電災害發(fā)生潛勢的評價指標。如城市的人口比較集中，區(qū)域人口密度大，所占的經濟基礎也相應大，那么在此區(qū)域內遭受雷擊的傷亡人數相應升高，經濟損失也會越大。而我國雷電災害造成的人員傷亡92%以上為農業(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)域雷災造成的其它經濟損失相對較小。因此，在評估工業(yè)化、城市化程度較低的區(qū)域時，人口總數也可用農業(yè)人口總數代替。

    四、人均GDP

    人均GDP是指區(qū)域內的單位人口的GDP值，公式為G＝Gs/L，單位為萬元/人。其中L為統(tǒng)計樣本年限內平均人口總數，單位為人；Gs為區(qū)域統(tǒng)計樣本年限內平均總GDP值，單位為萬元。區(qū)域內經濟越發(fā)達，作為主要承災體的物體，即廠礦和房產等建筑物、基礎設施、弱電設備等財產就越多，雷電災害發(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)生在經濟發(fā)達的地區(qū)可能造成的災害和損失往往要比發(fā)生在荒蕪人煙經濟落后地區(qū)大得多。而經濟發(fā)達程度可用人均GDP表示，人均GDP的大小間接說明了區(qū)域災害承災體的多少，因此可作為雷電災害發(fā)生潛勢的評價指標。

    五、雷電災害發(fā)生潛勢評估方法

    由以上分析，可用地閃密度(或雷擊密度)、雷災頻數、人口密度和人均GDP作為評估雷電災害發(fā)生潛勢的指標。應用這些評估指標可對某區(qū)域未來因雷電可能造成的災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害越多，則該區(qū)域的雷電災害發(fā)生潛勢就越大。為便于分析、描述以及評估結果的可比性，對雷電災害發(fā)生潛勢指標進行等級值換算。

    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，將雷電災害發(fā)生潛勢評價指標按照高(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將各類雷電災害發(fā)生潛勢指標的計算值進行換算，換算為占該類型指標統(tǒng)計樣本年限內之最高指標值的百分數。③將各評估指標百分數累加并求平均，可得到該地雷電災害綜合發(fā)生潛勢評估值。④根據等級劃分標準確定各區(qū)縣的雷電災害發(fā)生潛勢評價結果。

    以珠江三角洲5市為例評估雷電災害發(fā)生潛勢(表2，表中雷擊密度和雷災頻數數據來源于文獻，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數，即換算值；其它3項指標換算值求法類似。將廣州各指標的換算值求平均，可得到評估值為80.7，即廣州雷電災害發(fā)生潛勢等級高。同理，可得其它城市雷電災害發(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)一級的數據，根據等級劃分標準甚至可以確定各縣區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的雷電災害發(fā)生潛勢等級。從過去雷電災害發(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個評價指標對雷電災害發(fā)生潛勢有一定的評價能力。

    按照雷電災害造成的人員傷亡和經濟損失大小，依據雷電災害發(fā)生的特點，對氣象災害評估分級處置標準進行細化、合并，將雷電災害劃分為7個等級，并確定了標準。從造成雷電災害的致災因子、孕災環(huán)境和承災體系統(tǒng)出發(fā)，根據我國雷電災害發(fā)生的特點，討論了地閃密度(或雷擊密度)、雷災頻數、人口密度和人均GDP的含義，可以作為評估雷電災害發(fā)生潛勢指標，以珠江三角洲5城市為例簡要地介紹了評價方法。評價結果與過去雷電災害發(fā)生的頻繁程度相適宜，此4個評價指標對雷電災害發(fā)生潛勢有一定的評價能力。這些指標能否較全面、準確地反映區(qū)域的雷電災害發(fā)生潛勢的大小，尤其是雷災頻數這一指標不但準確統(tǒng)計較困難且是否合適用歷史代表未來趨勢，還需進一步研究。(摘自：王鳳嬌，任鐘冬，韋良文，郭云才：《雷電災害等級劃分及發(fā)生潛勢指標探討》，載《氣象科技》第37卷第6期)