宣城市農(nóng)村雷電災(zāi)害特征及防護(hù)技術(shù)研究

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、超長放電現(xiàn)象。雷電發(fā)生時，其強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場，以及強烈的電磁輻射等，給人類社會帶來極大的危害，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)合國國際減少自然災(zāi)害十年（IDNDR）公布為 “十種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一” 。無論從造成的傷亡人數(shù)，還是從所造成的財產(chǎn)損失，雷電災(zāi)害都已成為我國的主要自然災(zāi)害之一[2]。雷電災(zāi)害的危害程度和經(jīng)濟(jì)損失以及社會影響越來越大[3]。近年來，隨著閃電探測手段的提高和雷電防護(hù)技術(shù)的日趨進(jìn)步，科技工作者對閃電形成機制、特征、活動規(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，導(dǎo)致境內(nèi)雷電活動頻繁，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)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來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)生時間、地點、受災(zāi)對象所處位置及周圍環(huán)境、天氣背景資料、損失情況等。閃電資料來源于安徽省ADTD閃電監(jiān)測系統(tǒng)2010～2020年的閃電定位資料，系統(tǒng)有合肥、阜陽、蚌埠、六安、安慶、宣城、黃山7個子站。

1.2 研究方法

1.2.1 利用2004～2020年宣城市雷電災(zāi)害資料，統(tǒng)計分析宣城市農(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)危險性分區(qū)圖。

1.2.3 選取1個典型雷擊村，根據(jù)其地形、地質(zhì)、土壤、環(huán)境和雷電活動規(guī)律，結(jié)合區(qū)域雷電致災(zāi)危險性等級，研究雷電防護(hù)技術(shù)。

2 宣城市農(nóng)村雷電災(zāi)害特征

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)計表

2.1 時間分布特征

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，但無人員傷亡，說明隨著防雷減災(zāi)知識的不斷普及，農(nóng)村地區(qū)人們的雷電防護(hù)意識有所提升。

圖2 雷電災(zāi)害年分布

2.2 人員傷亡空間分布特征

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)水陽鎮(zhèn)、旌德縣旌陽鎮(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)計表

2.3 人員傷亡環(huán)境特征

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

3 雷電致災(zāi)危險性分布與雷電災(zāi)害人員傷亡分布的關(guān)系

對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)行對比分析，結(jié)果表明，雷電災(zāi)害人員傷亡都分布在高危險區(qū)和較高危險區(qū)，兩者具有較好對應(yīng)關(guān)系。因此，在制定雷電防護(hù)措施時，需綜合考慮對應(yīng)區(qū)域的雷電致災(zāi)危險性等級。

圖5 宣城市雷電致災(zāi)危險性分區(qū)圖

4 農(nóng)村雷電災(zāi)害防護(hù)技術(shù)研究

選取1個雷擊村為案例，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?；谡略宓匦?、環(huán)境、土壤和雷電環(huán)境特征等，結(jié)合雷電致災(zāi)危險性等級，制定雷電防護(hù)技術(shù)體系。

4.1 章扎村雷電環(huán)境特征

采用2010～2020年宣城市閃電定位資料，對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)測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析，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)測到云地閃6067個，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)方向為NE，次主導(dǎo)方向為SW（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

4.2 章扎村土壤特性

章扎村土壤類型為紅壤。采用四點等距法（溫納法）測量土壤電阻率，測量時土壤干燥，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

4.3 章扎村雷電防護(hù)技術(shù)

由圖5可知，章扎村雷電致災(zāi)危險性為較高等級，根據(jù)章扎村地形、環(huán)境、土壤和雷電活動規(guī)律等，結(jié)合雷電致災(zāi)危險性等級，從區(qū)域雷電攔截、應(yīng)急避險場所建設(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)急避險場所建設(shè) 在田間地頭等適當(dāng)位置建造避雷亭，供村民野外避險?？紤]到章扎村面積小，最遠(yuǎn)處農(nóng)田距離村民房屋步行時間在30min以內(nèi)，從人們?nèi)庋劭吹嚼子暝瓢l(fā)生，到發(fā)生對地閃擊的時間通常在30min以內(nèi)。考慮到多數(shù)村民在勞作時不一定會看到雷雨云發(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)田的實際分布情況，選取3個地點建設(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。無任何防雷措施。

經(jīng)計算，31棟建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)在0.05～0.25次/a之間，考慮到章扎村雷電致災(zāi)危險性等級為較高危險區(qū)，故按第二類防雷建筑物設(shè)計，電源線路按C級防護(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。

5 章扎村雷電災(zāi)害風(fēng)險值對比

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)險為R1。經(jīng)計算，未采取雷電防護(hù)措施時，章扎村雷電災(zāi)害風(fēng)險為2.17E-04，大于風(fēng)險容許值；采取雷電防護(hù)措施后，雷電災(zāi)害風(fēng)險為6.51E-06，小于風(fēng)險容許值（見表5），起到有效防護(hù)作用。損失類型為L1時，風(fēng)險容許值RT確定為E-05[15]。

表5 風(fēng)險值對比

6 結(jié)論與討論

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)高危險區(qū)和較高危險區(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)危險性等級，從區(qū)域雷電攔截、應(yīng)急避險場所建設(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。

對章扎村安裝雷電防護(hù)裝置前后雷電災(zāi)害風(fēng)險值進(jìn)行對比，結(jié)果表明，未采取雷電防護(hù)措施時，章扎村雷電災(zāi)害風(fēng)險為2.17E-04，大于風(fēng)險容許值；采取雷電防護(hù)措施后，雷電災(zāi)害風(fēng)險為6.51E-06，小于風(fēng)險容許值，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。