何桂霞,季菊香
(宣城市氣象局 安徽,宣城 242000)
雷電是自然大氣中超強(qiáng)、超長(zhǎng)放電現(xiàn)象。雷電發(fā)生時(shí),其強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場(chǎng),以及強(qiáng)烈的電磁輻射等,給人類社會(huì)帶來(lái)極大的危害,造成人員傷亡、起火爆炸、嚴(yán)重?fù)p失[1]。雷電災(zāi)害被聯(lián)合國(guó)國(guó)際減少自然災(zāi)害十年(IDNDR)公布為 “十種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一” 。無(wú)論從造成的傷亡人數(shù),還是從所造成的財(cái)產(chǎn)損失,雷電災(zāi)害都已成為我國(guó)的主要自然災(zāi)害之一[2]。雷電災(zāi)害的危害程度和經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)影響越來(lái)越大[3]。近年來(lái),隨著閃電探測(cè)手段的提高和雷電防護(hù)技術(shù)的日趨進(jìn)步,科技工作者對(duì)閃電形成機(jī)制、特征、活動(dòng)規(guī)律、雷電災(zāi)害及防御進(jìn)行了大量分析研究[4-13]。
宣城市屬南北氣候過渡帶,是冷暖空氣頻繁交匯的地區(qū),地形南高北低,且多為山區(qū)和丘陵地帶。特殊的地理位置、復(fù)雜的氣候條件和地形特點(diǎn),導(dǎo)致境內(nèi)雷電活動(dòng)頻繁,雷電災(zāi)害發(fā)生率高[14]。城區(qū)主要表現(xiàn)為電子信息系統(tǒng)損壞(毀),人員傷亡、建筑物受損主要發(fā)生在農(nóng)村。本研究分析了宣城市農(nóng)村地區(qū)雷電災(zāi)害特征,以雷擊村為案例,研究農(nóng)村雷電防護(hù)技術(shù)。
資料來(lái)源于宣城市氣象局收集的2004~2020年雷電災(zāi)害資料,資料記錄了雷電災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)、受災(zāi)對(duì)象所處位置及周圍環(huán)境、天氣背景資料、損失情況等。閃電資料來(lái)源于安徽省ADTD閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2010~2020年的閃電定位資料,系統(tǒng)有合肥、阜陽(yáng)、蚌埠、六安、安慶、宣城、黃山7個(gè)子站。
1.2.1 利用2004~2020年宣城市雷電災(zāi)害資料,統(tǒng)計(jì)分析宣城市農(nóng)村雷電災(zāi)害發(fā)生規(guī)律、特征。
1.2.2 對(duì)2010~2020年宣城市閃電定位資料進(jìn)行分析、處理,結(jié)合孕災(zāi)環(huán)境,利用ArcGIS繪制雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性分區(qū)圖。
1.2.3 選取1個(gè)典型雷擊村,根據(jù)其地形、地質(zhì)、土壤、環(huán)境和雷電活動(dòng)規(guī)律,結(jié)合區(qū)域雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí),研究雷電防護(hù)技術(shù)。
如表1所示,2004~2020年宣城市共發(fā)生雷電災(zāi)害202起,其中農(nóng)村雷電災(zāi)害76起,占比37.6%;雷電災(zāi)害傷亡28人,其中農(nóng)村傷亡25人,占比89.3%;建筑物受損25起,全部發(fā)生在農(nóng)村。城市雷電災(zāi)害主要表現(xiàn)為電子信息設(shè)備損壞,農(nóng)村雷電災(zāi)害主要表現(xiàn)為人員傷亡、建筑物受損。
表1 2004~2020年宣城市雷電災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表
2.1.1 雷電災(zāi)害月分布特征 由圖1得出,宣城市4~8月是雷電災(zāi)害高發(fā)期,占比96.5%;農(nóng)村雷電災(zāi)害高發(fā)期為6~8月,占比78.9%,以7月最多,占比35.5%。
圖1 雷電災(zāi)害月分布
2.1.2 雷電災(zāi)害年分布特征 由圖2得出,宣城市雷電災(zāi)害年分布呈單峰型,最多年份為2006年。2011年之前雷電災(zāi)害次數(shù)多,表現(xiàn)為電子信息設(shè)備、家用電器損失多,占比62.3%,主要原因是電子信息系統(tǒng)防雷措施尚不完善。2013年開始雷電災(zāi)害次數(shù)明顯減少,究其原因,主要是城市建筑物以及電子信息系統(tǒng)防雷措施的日益完善。2019年之后,雷電災(zāi)害主要發(fā)生在農(nóng)村,表現(xiàn)為電器受損、建筑物受損,但無(wú)人員傷亡,說(shuō)明隨著防雷減災(zāi)知識(shí)的不斷普及,農(nóng)村地區(qū)人們的雷電防護(hù)意識(shí)有所提升。
圖2 雷電災(zāi)害年分布
由表2可知,宣州區(qū)傷亡人數(shù)最多,旌德縣年均傷亡率最高,雷電災(zāi)害人員傷亡主要發(fā)生在農(nóng)村,傷亡人數(shù)為25人,占比89.3%。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元,以年平均雷電災(zāi)害傷亡人數(shù)為基數(shù),得出雷電災(zāi)害人員傷亡空間分布。由圖3可知,宣州區(qū)水陽(yáng)鎮(zhèn)、旌德縣旌陽(yáng)鎮(zhèn)傷亡人數(shù)最多。
圖3 雷電災(zāi)害人員傷亡空間分布
表2 2004~2020年各縣市區(qū)雷電災(zāi)害人員傷亡統(tǒng)計(jì)表
雷電災(zāi)害的發(fā)生與環(huán)境密切相關(guān),農(nóng)田、水塘、水陸交界處、空曠地帶、地勢(shì)高處等都是易遭雷擊區(qū)域。圖4給出了雷電災(zāi)害人員傷亡環(huán)境分布情況,由圖4可知,雷電災(zāi)害人員傷亡發(fā)生在野外的有24人,占比85.7%,以在田間勞動(dòng)居多,有12人,占比42.9%。
圖4 雷電災(zāi)害人員傷亡環(huán)境特征
對(duì)2010~2020年宣城市閃電定位資料進(jìn)行分析、處理,結(jié)合孕災(zāi)環(huán)境,利用ArcGIS繪制宣城市雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性分區(qū)圖(圖5),與雷電災(zāi)害人員傷亡空間分布(圖3)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,雷電災(zāi)害人員傷亡都分布在高危險(xiǎn)區(qū)和較高危險(xiǎn)區(qū),兩者具有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,在制定雷電防護(hù)措施時(shí),需綜合考慮對(duì)應(yīng)區(qū)域的雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)。
圖5 宣城市雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性分區(qū)圖
選取1個(gè)雷擊村為案例,研究農(nóng)村雷電災(zāi)害防護(hù)技術(shù)。宣城市宣州區(qū)古泉鎮(zhèn)章扎村民組位于古泉鎮(zhèn)西部,地勢(shì)較高,周圍開闊,面積0.67km2,共有31棟民房。章扎村雷電災(zāi)害嚴(yán)重,是典型的雷擊村,多戶村民家中都遭受過雷擊,導(dǎo)致人員傷亡、建筑物受損、家用電器損壞、配電線路損壞(毀)等。基于章扎村地形、環(huán)境、土壤和雷電環(huán)境特征等,結(jié)合雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí),制定雷電防護(hù)技術(shù)體系。
采用2010~2020年宣城市閃電定位資料,對(duì)章扎村村民汪衣香房屋所在位置為中心(118°36′18″E、30°59′25″N)的15km范圍內(nèi)閃電監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出雷電流幅值分布(表3)、閃電日變化特征(圖6)、月變化特征(圖7)、雷電路徑(圖8)。
由表3可知,共監(jiān)測(cè)到云地閃6067個(gè),雷電流幅值主要分布在10~80kA,占比92.67%,其中以20~40kA居多,占比47.29%。
表3 雷電流幅值分布
閃電日變化呈單峰型,主要集中在13∶00~18∶00,峰值出現(xiàn)在14∶00~15∶00(圖6)。閃電月變化呈單峰型,主要集中在6~9月,峰值出現(xiàn)在7、8月(圖7)。閃電主導(dǎo)方向?yàn)镹E,次主導(dǎo)方向?yàn)镾W(圖8)。
圖6 閃電日變化特征
圖7 閃電月變化特征
圖8 雷電路徑
章扎村土壤類型為紅壤。采用四點(diǎn)等距法(溫納法)測(cè)量土壤電阻率,測(cè)量時(shí)土壤干燥,取季節(jié)修正系數(shù)1.5,修正后的土壤電阻率在200~400Ω.m之間(見表4)。
表4 土壤電阻率
由圖5可知,章扎村雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性為較高等級(jí),根據(jù)章扎村地形、環(huán)境、土壤和雷電活動(dòng)規(guī)律等,結(jié)合雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí),從區(qū)域雷電攔截、應(yīng)急避險(xiǎn)場(chǎng)所建設(shè)、村民房屋安裝雷電防護(hù)裝置等,采取雷電防護(hù)措施。
4.3.1 區(qū)域雷電攔截 結(jié)合地形,依據(jù)雷電路徑,在章扎村外圍選取地勢(shì)高處設(shè)置仿生樹接閃桿,以攔截雷電。章扎村雷電路徑主要分布在NE、SW、W、SE方向,在這4個(gè)方位選取高地各設(shè)置1根高度為45m的仿生樹接閃桿,有效攔截從外圍入侵的雷電。
4.3.2 應(yīng)急避險(xiǎn)場(chǎng)所建設(shè) 在田間地頭等適當(dāng)位置建造避雷亭,供村民野外避險(xiǎn)??紤]到章扎村面積小,最遠(yuǎn)處農(nóng)田距離村民房屋步行時(shí)間在30min以內(nèi),從人們?nèi)庋劭吹嚼子暝瓢l(fā)生,到發(fā)生對(duì)地閃擊的時(shí)間通常在30min以內(nèi)??紤]到多數(shù)村民在勞作時(shí)不一定會(huì)看到雷雨云發(fā)生的初始階段,根據(jù)雷電物理特性,以300m為半徑,建設(shè)應(yīng)急避雷亭,確保村民在10min內(nèi)能到達(dá)。根據(jù)農(nóng)田的實(shí)際分布情況,選取3個(gè)地點(diǎn)建設(shè)避雷亭。
4.3.3 村民房屋安裝雷電防護(hù)裝置 章扎村共有31棟村民房屋,均為磚混結(jié)構(gòu)、屋頂為木質(zhì)檀條蓋瓦。入戶電源線路直接從室外電線桿架空引入,未接地。無(wú)任何防雷措施。
經(jīng)計(jì)算,31棟建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)在0.05~0.25次/a之間,考慮到章扎村雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)為較高危險(xiǎn)區(qū),故按第二類防雷建筑物設(shè)計(jì),電源線路按C級(jí)防護(hù)。從直擊雷防護(hù)、等電位連接、電源線路埋地引入、安裝電涌保護(hù)器等采取綜合防雷措施。
章扎村遭受雷擊損失類型主要考慮人身傷亡損失L1,雷擊風(fēng)險(xiǎn)為R1。經(jīng)計(jì)算,未采取雷電防護(hù)措施時(shí),章扎村雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為2.17E-04,大于風(fēng)險(xiǎn)容許值;采取雷電防護(hù)措施后,雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為6.51E-06,小于風(fēng)險(xiǎn)容許值(見表5),起到有效防護(hù)作用。損失類型為L(zhǎng)1時(shí),風(fēng)險(xiǎn)容許值RT確定為E-05[15]。
表5 風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)比
2004~2020年宣城市共發(fā)生雷電災(zāi)害202起,其中農(nóng)村雷電災(zāi)害76起,占比37.6%;雷擊傷亡28人,其中農(nóng)村雷擊傷亡25人,占比89.3%;建筑物受損25起,全部發(fā)生在農(nóng)村。城市雷電災(zāi)害主要表現(xiàn)為電子信息設(shè)備損壞,農(nóng)村雷電災(zāi)害主要表現(xiàn)為人員傷亡、建筑物受損。雷電災(zāi)害人員傷亡都分布在雷電致災(zāi)高危險(xiǎn)區(qū)和較高危險(xiǎn)區(qū)。
農(nóng)村雷電災(zāi)害高發(fā)期為6~8月,占比78.9%;雷電災(zāi)害的發(fā)生與環(huán)境密切相關(guān),農(nóng)田、水塘、水陸交界處、空曠地帶、地勢(shì)高處等都是易遭雷擊區(qū)域[16],雷電災(zāi)害人員傷亡發(fā)生在野外的有24人,占比85.7%,以田間勞動(dòng)居多,有12人,占比42.9%。
以雷擊村章扎村為案例,分析其地形、環(huán)境、土壤和雷電環(huán)境特征等,結(jié)合雷電致災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí),從區(qū)域雷電攔截、應(yīng)急避險(xiǎn)場(chǎng)所建設(shè)、村民房屋安裝雷電防護(hù)裝置等方面,采取雷電防護(hù)措施。
對(duì)章扎村安裝雷電防護(hù)裝置前后雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,未采取雷電防護(hù)措施時(shí),章扎村雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為2.17E-04,大于風(fēng)險(xiǎn)容許值;采取雷電防護(hù)措施后,雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為6.51E-06,小于風(fēng)險(xiǎn)容許值,起到有效保護(hù)作用。
農(nóng)村地域廣闊,地形多樣復(fù)雜,針對(duì)不同區(qū)域,如何科學(xué)有效地開展農(nóng)村雷電防護(hù)新技術(shù)研究,是下一步努力方向。