黃揚東,劉三梅,張漫霞,夏云,黃躍昭,謝斌,周炯斌
(1.揭西縣氣象局,廣東揭西 515400;2.廣東省氣候中心,廣東廣州 510640;3.惠來縣氣象局,廣東惠來 515200;4.揭陽市氣象局,廣東揭陽 515500)
雷電災害屬于聯(lián)合國公布的10大最嚴重的災害之一。長期以來,揭陽市雷電防御工作只側重于工程防護,而對于雷電災害風險分布研究工作比較滯后。揭陽市“一城兩園”位于廣東省惠來縣,規(guī)劃總面積146.6 km2,其中“一城”由惠來老城、粵東新城組成,面積78.9 km2,“兩園”包括大南海石化工業(yè)區(qū)42.4 km2、惠來臨港產(chǎn)業(yè)園25.3 km2,同時還包括高鐵、高速、高校、石化、海上風電、LNG天然氣等一大批重要重點項目。揭陽市并未做過雷電災害風險區(qū)劃的研究,所以非常有必要進行該方面的研究。
對于雷電災害風險區(qū)劃的研究,國內(nèi)外專家學者從雷電機理、雷電活動特征、雷災風險區(qū)劃與評估、雷災監(jiān)測與預警和防雷工程等方面進行卓有成效的研究[1-2],如劉三梅等[3]對廣東省雷電災害風險區(qū)劃研究;程麗丹等[4]對河南省雷電災害易損性分析及風險區(qū)劃研究;程萌等[5]對菏澤市雷電災害風險區(qū)劃研究;呂海勇等[6]對廣東省雷電災害易損性分析與風險區(qū)劃研究。揭陽在雷電災害風險區(qū)劃方面研究較少,本研究也算填補揭陽在雷電災害風險區(qū)劃研究方面的空白。
以往關于雷電災害風險區(qū)劃的研究多以雷暴日資料為基礎,僅考慮致災因子與承載體的影響對區(qū)域雷電災害進行風險區(qū)劃。本研究將以閃電定位儀資料為基礎,從孕災環(huán)境、致災因子、承災體和防災能力4個方面全面分析區(qū)域雷電災害風險;選取適當?shù)睦纂姙暮︼L險評價指標,采用GIS技術繪制“一城兩園”地區(qū)雷電密度和強度分布圖,并繪制揭陽市“一城兩園”雷電災害風險區(qū)劃圖,旨在充實揭陽氣象災害綜合風險區(qū)劃內(nèi)容,為揭陽氣象災害防御規(guī)劃的編制奠定基礎,為揭陽市雷電風險評估和雷電預報預警提供技術支撐和科學依據(jù)。
本研究主要采用雷暴日數(shù)據(jù)、雷電數(shù)據(jù)、雷電災害數(shù)據(jù)和經(jīng)濟數(shù)據(jù),其中雷暴日數(shù)據(jù)來自惠來國家氣象站1956—2013年的數(shù)據(jù);雷電數(shù)據(jù)來自廣東省雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)(2011—2020年)[7];雷電災害數(shù)據(jù)來自于廣東省雷電災害實例匯編(2011—2020年),包括雷災起數(shù)、人身事故、建筑物受損、經(jīng)濟損失等;經(jīng)濟數(shù)據(jù)來自惠來統(tǒng)計局年鑒2020年數(shù)據(jù)。
本研究利用地閃定位數(shù)據(jù),提取近10年的揭陽市雷電監(jiān)測定位數(shù)據(jù),采用歸一處理法[8]、層次分析法[6],結合揭陽市“一城兩園”地區(qū)地形地貌、雷暴日分布、雷電災害分布、城市經(jīng)濟發(fā)展等相關因素,探討相互之間的影響關系;選擇評價指標,根據(jù)指標確定權重比例因子,建立雷電風險區(qū)域劃分模型[9],并把模型進行數(shù)學公式化,形成一個加權函數(shù)的數(shù)學公式,借助GIS中的空間分析模塊和插值原理,按照氣象等級分類進行分層設色,并制作揭陽市“一城兩園”地區(qū)雷電災害風險分布圖,得出低風險區(qū)、次低風險區(qū)、中等風險區(qū)、次高風險區(qū)和高風險區(qū)。
1)雷暴日分布。
雷暴日表征不同地區(qū)雷電活動的頻繁程度,是在指定區(qū)域內(nèi)一年四季所發(fā)生雷電放電的天數(shù),用td表示。不同年份雷暴日數(shù)也是不同,可能變化較大,因此采用多年的平均值。相對雷暴日多的地區(qū),遭受雷擊的可能性也較大。
地區(qū)雷暴日等級根據(jù)年平均雷暴日數(shù)劃分為少雷區(qū)、中雷區(qū)、多雷區(qū)和強雷區(qū)。根據(jù)惠來縣1956—2013年雷暴日數(shù)資料統(tǒng)計可知,惠來縣年平均雷暴日數(shù)為55.1 d,屬于多雷區(qū)。
2)雷電空間分布。
(1)地閃密度分布。
地閃密度指每平方公里年地面落雷次數(shù),用Ng表示。地閃密度直接體現(xiàn)了該地區(qū)雷電分布情況,值越大,分布越密集;值越小,分布越稀疏[3]。地閃密度還體現(xiàn)了地區(qū)遭受雷擊的可能性,值越大,遭受雷擊的可能性越大,存在的雷電風險就越大。
圖1為惠來縣2011—2020年地閃密度空間分布情況。
圖1 惠來縣2011—2020年地閃密度空間分布
由圖1可知,惠來縣粵東新城地閃密度大部分在6.6~7.9次/(km2·年)區(qū)域,少部分處在8.0~9.3次/(km2·年)區(qū)域,大南海石化區(qū)地閃密度相對較高,有部分地閃密度在10.8~12.1次/(km2·年)范圍內(nèi),臨港產(chǎn)業(yè)園地閃密度則相對較低。
(2)雷電流分布。
95%雷電流處于0~50 kA之間,多年來,雷電流均值處于比較平穩(wěn)階段,沒有明顯增強趨勢。在雷電活動特征分析時,它是一個重要參數(shù),雷電流越大,造成的危險越嚴重,特別是極大值,一些重大雷災事故發(fā)生都由極大值造成。
由圖2可知,揭陽“一城兩園”平均雷電流大多在30 kA左右,其中粵東新城達到35 kA以上,雷電流相對較大,造成的危險也較為嚴重,所以更要重視。
圖2 惠來縣2011—2020年平均雷電流分布
1)雷電災害風險形成機制。
從災害學的角度出發(fā),形成雷電災害必須具有以下條件:(1)形成雷電災害的環(huán)境(孕災環(huán)境);(2)存在誘發(fā)雷電災害的因素(致災因子);(3)雷電災害的作用對象(承災體);(4)致災因子與承災體的相互作用。雷電的作用方式主要是通過直擊雷、雷電感應、雷電波侵入和雷擊電磁脈沖4種形式來對承災體產(chǎn)生直接或者間接影響。
2)雷電災害風險區(qū)劃。
氣象災害風險區(qū)劃是指在孕災環(huán)境敏感性、致災因子危險性、承災體易損性、防災減災能力等因子進行定量分析評價的基礎上,為了反映氣象災害風險分布的地區(qū)差異,根據(jù)風險度指數(shù)的大小,對風險區(qū)劃分為若干個等級??紤]到各評價因子對風險的構成起作用并不完全相同,本研究采納氣象、氣候、電力等相關專家的建議,將雷電災害風險所涉及的因子權重系數(shù)加以匯總,如圖3所示,然后根據(jù)雷電災害風險指數(shù)公式求算雷電災害風險指數(shù),具體計算公式為
圖3 揭陽市“一城兩園”雷電風險區(qū)劃權重分布示意圖(括號中數(shù)據(jù)為權重)
其中,TRI(typhoon risk index)為雷電災害風險指數(shù),用于表示風險程度,其值越大,則災害風險程度越大;H、S、V、R分別表示風險評價模型中的致災因子的危險性、孕災環(huán)境的敏感性、承災體的易損性和防災抗災能力各評價因子指數(shù);α、β、δ、γ分別是各評價因子的權重系數(shù),α+β+δ+γ=1,權重系數(shù)的大小依據(jù)各因子對雷電災害的影響程度大小,主要采取層次分析法取得,適當根據(jù)專家建議,結合當?shù)貙嶋H情況討論確定。
對于危險性,由于雷電密度和雷電流對雷電風險影響最大,賦值0.35;雷暴日對雷電風險有一定的影響,賦值0.20;雷電災害頻次相對來說,對雷電風險的影響小一些,賦值0.10。
從雷電災害形成的原因和數(shù)據(jù)的可得性,雷電災害孕災環(huán)境主要考慮地形等因子對雷電災害形成的綜合影響。地勢高,其雷電災害孕災環(huán)境敏感性越高。同時,雷擊區(qū)與該地區(qū)地質結構有關,在電阻率小的地區(qū),雷擊的幾率較大,一般水的電阻率比陸地要小,因此離水體越近的地區(qū)越是容易出現(xiàn)雷擊。選擇地形地貌和水體密度作為雷電災害孕災環(huán)境敏感性指標,分別給予權重為0.7和0.3。
承災體的易損性包括物理暴露度和脆弱性,而暴露度和脆弱性通過地均人口、地均GDP和耕地比重等體現(xiàn),分別給予權重為0.40、0.20和0.40。
防災抗災能力是受災區(qū)對氣象災害的抵御和恢復程度,是為應對雷電災害所造成的損害而進行的工程和非工程措施。考慮到這些措施和工程的建設必須要有當?shù)卣慕?jīng)濟支持,主要考慮了人均GDP和防雷面積比例,權重分別為0.40和0.60。
各風險指數(shù)和評價因子的確定如圖3所示的有關雷電災害風險權重分布系數(shù)。
采用雷電災害風險評估模型計算各地雷電災害風險指數(shù),利用GIS中自然斷點分級法將雷電風險指數(shù)按5個等級分區(qū)劃分(高風險區(qū)、次高風險區(qū)、中等風險區(qū)、次低風險區(qū)和低風險區(qū))[10],并基于GIS繪制揭陽市“一城兩園”雷電災害風險區(qū)劃圖(圖4)。
圖4 揭陽市“一城兩園”雷電風險區(qū)劃圖
正確合理地劃分揭陽市“一城兩園”雷電風險分布圖,需要做到幾點:①空間上要求區(qū)域單元格式合理、面積大小合適,與地圖及雷電定位系統(tǒng)的精度相符合;②等級劃分上,范圍覆蓋完整,能包括揭陽市“一城兩園”的雷電密度,界限分明,并具有可操作性;③風險區(qū)劃分布圖層次清晰,可在地圖上明確標出,且直觀明了便于使用。5種顏色代表著5個風險區(qū):低風險區(qū)、次低風險區(qū)、中等風險區(qū)、次高風險區(qū)和高風險區(qū)。
通過以上分析可以看出,惠來縣粵東新城雷電風險處于高風險區(qū),是雷電災害防御的重點區(qū)域,所以應該重視和加強防雷減災工作;惠來臨港產(chǎn)業(yè)園處于中風險區(qū)及以上,大南海石化區(qū)風險相對低點,但是大部分也處于次低風險區(qū)以上,有部分地方也處于高風險區(qū)內(nèi),所以在進行雷電災害防御時應采取科學、合理的預防措施,避免和減輕雷災事故的發(fā)生。
本研究得出的揭陽市“一城兩園”雷電風險區(qū)劃圖,給揭陽市雷電災害風險評估和雷電預報預警提供技術支持,也給主管部門決策提供依據(jù)。而雷電災害風險區(qū)劃最為關鍵的是選取合理的評估指標及確定權重。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,影響指標和權重也是動態(tài)變化的,但是受資料和數(shù)據(jù)等條件限制,本研究選取的指標及確定的權重可能有一定局限性,還需要進一步探討和研究,以期為社會提供更準確的決策防雷服務和公眾防雷服務。