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        試點區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的方法與應(yīng)用

        2022-01-07 07:01:42方文海黃凱敏尤金羅顯星
        廣東氣象 2021年6期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域

        方文海,黃凱敏,尤金,羅顯星

        (珠海市公共氣象服務(wù)中心,廣東珠海 519000)

        雷電是伴有閃電和雷鳴的一種放電現(xiàn)象。近年來,隨著電子信息系統(tǒng)的快速發(fā)展,雷電災(zāi)害的受災(zāi)行業(yè)從傳統(tǒng)的電力、建筑等領(lǐng)域拓展到了幾乎所有的行業(yè)。雷電災(zāi)害為人類帶來了嚴(yán)重的傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失,中國電工委員會稱其為“電子時代的一大公害”[1-2]。廣東省屬于雷電高發(fā)區(qū)域,雷電活動十分頻繁[3-4]。近年來國內(nèi)不少專家學(xué)者對于區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估及風(fēng)險區(qū)劃的方法和應(yīng)用進(jìn)行研究,為區(qū)域雷電防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)[5-9]。

        本研究以2020年珠海市首批開展試點區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估工作的珠海高新區(qū)為例,利用層次分析法、灰色定權(quán)聚類方法建立風(fēng)險綜合評價計算模型,運用定量和定性的方法,針對該區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局特點,考慮人口、經(jīng)濟(jì)、雷電活動特征等因素,對雷電可能造成社會生產(chǎn)和人民生活的致災(zāi)影響做出綜合性、區(qū)域化的評估,為評估區(qū)域的項目選址、功能分區(qū)布局、防雷類別(等級)與防雷措施確定、雷災(zāi)事故應(yīng)急方案制定等提供科學(xué)依據(jù),并將作為后續(xù)全面開展區(qū)域評估工作的重要技術(shù)依據(jù)。

        1 資料與方法

        1.1 資料來源

        1)閃電定位數(shù)據(jù):雷電監(jiān)測資料來源于廣東省閃電定位系統(tǒng)1999—2019年共計21年的地閃數(shù)據(jù),用于分析評估區(qū)域的大氣雷電環(huán)境。

        2)雷電災(zāi)情數(shù)據(jù):珠海市氣象局檔案室提供的2004—2019年珠海市雷電災(zāi)情共計16年雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)。

        3)區(qū)域規(guī)劃及統(tǒng)計資料:用地性質(zhì)、規(guī)劃建設(shè)規(guī)模、人口規(guī)模等數(shù)據(jù)取自珠海市自然資源局高新分局;高新區(qū)園區(qū)的土地面積、常住人口及地區(qū)生產(chǎn)總值等數(shù)據(jù)取自珠海市統(tǒng)計局。

        1.2 評估方法

        本研究開展的依據(jù)是2018年經(jīng)珠海市氣象學(xué)會評審?fù)ㄟ^的《珠海市區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)指南》[10]。項目根據(jù)災(zāi)害學(xué)原理,從雷電危險性、孕災(zāi)背景環(huán)境及承災(zāi)體易損性3個方面構(gòu)造多層次評估指標(biāo)系統(tǒng);利用層次分析法(AHP)確定評估指標(biāo)的權(quán)重;利用灰類白化權(quán)函數(shù)分析法確定評估指標(biāo)的影響程度;將兩者綜合分析從而計算得到最終的風(fēng)險評價結(jié)果。

        采用灰類白化權(quán)函數(shù)分析方法,是因為灰色系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)管理和工程技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,灰類白化權(quán)函數(shù)是根據(jù)已知信息,對一個灰類(模糊、不確定性)在其取值范圍內(nèi)不同數(shù)值的“偏愛”程度的主觀判斷,并以定量描述的方式刻畫為各數(shù)據(jù)點隸屬于該灰類的程度。而采用將風(fēng)險指標(biāo)轉(zhuǎn)化成1~10的評價分?jǐn)?shù)后(包括定量指標(biāo)),再代入灰類白化權(quán)函數(shù)計算,既統(tǒng)一了各風(fēng)險指標(biāo)的計算方法,同時也考慮了定性指標(biāo)不唯一性的問題。

        1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。

        風(fēng)險指標(biāo)分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩大類共計21個底層指標(biāo)。為了滿足區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的需要,將21個底層指標(biāo)劃分為4層的層次結(jié)構(gòu)體系,如圖1所示。

        2)AHP計算各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重向量。

        (1)構(gòu)造判斷矩陣。

        根據(jù)層次分析法的基本原理,通過相互比較確定各指標(biāo)對于目標(biāo)的權(quán)重,即構(gòu)造判斷矩陣A,從而自上而下得到各層各指標(biāo)的權(quán)重,以及底層指標(biāo)對目標(biāo)層總合成權(quán)重(絕對權(quán)重)。為使矩陣中的各要素的重要性能夠進(jìn)行定量顯示,引進(jìn)了矩陣判斷標(biāo)度aij對本層指標(biāo)的“相對重要性”原則進(jìn)行重要性賦值(表1)。由此可得出指向同一上層指標(biāo)的各子指標(biāo)的判斷矩陣A為

        標(biāo)度 含義 標(biāo)度 含義aij=1 兩個因素(各子指標(biāo),余同)相比,兩者同等重要 aij=9 兩個因素相比,前者比后者極度重要aij=3 兩個因素相比,前者比后者稍微重要 aij=2、4、6、8 介于相鄰結(jié)果的中間值aaiijj==57兩 兩個 個因 因素 素相 相比 比,,前前者 者比 比后 后者 者明 強顯 烈重 重要要 特殊情況aajiii==11/aij

        (2)計算相對權(quán)重及絕對權(quán)重。

        通過求解判斷矩陣A的最大特征值λmax及最大特征值對應(yīng)的特征向量W,得出各指標(biāo)的相對權(quán)重和絕對權(quán)重,最終求出21個底層指標(biāo)的絕對權(quán)重矩陣C=[C1,C2,C3,…,C21],其中Ci表示第i個底層指標(biāo)在所有21個底層指標(biāo)中的權(quán)重,

        (3)一致性檢驗。

        當(dāng)成對比較得出的判斷矩陣的階數(shù)≥3時,則需要進(jìn)行一致性檢驗。未通過檢驗的,需要對判斷矩陣A的兩兩比較值作調(diào)整,直至通過檢驗。

        (4)灰類白化權(quán)函數(shù)分析法。

        將區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險評價等級設(shè)為低風(fēng)險、中等風(fēng)險、高風(fēng)險及極高風(fēng)險4個等級,采用10分制原則,各等級對應(yīng)的分?jǐn)?shù)區(qū)間為[0,4]、[4,6]、[6,8]、[8,10],對應(yīng)的區(qū)間灰數(shù)為3、5、7、9。根據(jù)影響程度的不同,給各風(fēng)險指標(biāo)賦予1到10分的評價分?jǐn)?shù)ui(i=1,2,…,n,n為指標(biāo)數(shù)目),分值越高,該指標(biāo)風(fēng)險越高,分值越低,該指標(biāo)風(fēng)險越低。

        灰類白化權(quán)分析法直接根據(jù)風(fēng)險綜合評價向量B,求出b1、b2、b3、b4中的最大值,即可判斷區(qū)域雷災(zāi)風(fēng)險屬于哪一危險等級(分級標(biāo)準(zhǔn)見表2)。

        表2 區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

        2 評估實例

        2.1 劃分評估子區(qū)域及各子區(qū)域差異風(fēng)險指標(biāo)

        試點區(qū)域位于珠海高新區(qū),占地面積約7.15 km2。根據(jù)區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃文件,結(jié)合各規(guī)劃區(qū)域在承災(zāi)體易損性指標(biāo)(使用性質(zhì)、等效高度)存在著明顯差異(表3),故該次評估區(qū)域共劃分為居住生活區(qū)、先進(jìn)制造業(yè)區(qū)、新型產(chǎn)業(yè)區(qū)及物流運輸區(qū)共4個子區(qū)域。

        表3 評估子區(qū)域差異風(fēng)險指標(biāo)

        2.2 確定風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重矩陣

        根據(jù)AHP(層次分析法),通過集合本行業(yè)多名專家對各級指標(biāo)重要性打分結(jié)果,并根據(jù)重要性分值建立判斷矩陣,進(jìn)而求出矩陣的特征值、特征向量。經(jīng)過計算,階數(shù)≥3的判斷矩陣均通過一致性檢驗,最終得出絕對權(quán)重矩陣:

        2.3 計算灰色評價系數(shù)權(quán)重矩陣

        通過多名專家評分并代入灰類白化權(quán)函數(shù)計算,居住生活區(qū)(R1)、先進(jìn)制造業(yè)區(qū)(R2)、新型產(chǎn)業(yè)區(qū)(R3)及物流運輸區(qū)(R4)等4個子區(qū)域最終灰色評價系數(shù)權(quán)重矩陣(圖略)。

        2.4 風(fēng)險綜合評價向量

        計算得到4個評估子區(qū)域的風(fēng)險綜合評價向量如下:

        2.5 評估結(jié)果與分析

        根據(jù)風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn),評估子區(qū)域的風(fēng)險分布見圖2,其中居住生活區(qū)、先進(jìn)制造業(yè)區(qū)和新型產(chǎn)業(yè)區(qū)為高風(fēng)險,物流運輸區(qū)為中等風(fēng)險。主要原因除了試點區(qū)域雷電頻次較高的客觀因素,各子區(qū)域的等效高度、相對高度、人口密度、使用性質(zhì)等因素影響也較大。

        圖2 評估子區(qū)域雷電風(fēng)險分布圖

        此外4個子區(qū)域高風(fēng)險或極高風(fēng)險的影響指標(biāo)集中在地形地貌、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度、工程建設(shè)項目規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)以及運營管理等方面,除了地形地貌、人口密度等客觀因素之外,其他指標(biāo)可根據(jù)評估結(jié)果針對性的優(yōu)化設(shè)計,適當(dāng)提高防雷措施的等級,能有效降低存在的風(fēng)險。

        本研究以層次分析法和灰類白化權(quán)函數(shù)分析法為原理,綜合考慮閃電密度、人口密度、使用性質(zhì)等21項風(fēng)險指標(biāo),通過建立區(qū)域雷電風(fēng)險評價計算模型,分析該區(qū)域存在的各類雷電災(zāi)害風(fēng)險,評估方法實用,實施性較強,符合本區(qū)域產(chǎn)業(yè)分區(qū)特點。評估結(jié)果能夠?qū)^(qū)域產(chǎn)業(yè)規(guī)劃建設(shè)起到積極作用,提出的防御措施與建議具有針對性,對相關(guān)工作開展具有指導(dǎo)意義。區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險評估是一個相對復(fù)雜的過程,環(huán)境改變、人員活動變化及區(qū)域規(guī)劃發(fā)展的調(diào)整都可能影響雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的結(jié)論。因此在開展區(qū)域評估之前應(yīng)盡可能準(zhǔn)確獲取相關(guān)基礎(chǔ)信息,掌握更詳盡的影響因素,能夠提高評估結(jié)論的準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性。

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