雷电灾害与建筑物防雷保护分析

    在人类生存的环境中有许多自然灾害，如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击等等。对此，人们总是想方设法进行防御，或减轻它们所造成的损失。雷击就是严重的自然灾害之一，雷击所造成的损失却无法轻视。如1989年山东黄岛油库遭受雷击并引起大火，损失惨重。研究建筑物防雷应从雷击事故调查入手，找出雷击规律，然后，利用雷击模拟实验，对所总结的规律和所提出的解决方案予以验证。

    大气流动形成雷云，随着下部负电荷的积累，其电场强度增加到极限值，于是开始电离并向下方梯级式放电，成为下行放电。当这种雷击距地面一定距离时，地面物体在强电场作用下产生尖端放电形成向上的先导，并朝下行先导发展，两者汇合形成雷电回路，开始主放电，发出闪电和雷声，此为负极性下行先导雷击。此雷击占全部雷击的大约90%。此外还有正极性下行先导雷击、负极性上行先导雷击和正极性先导雷击。下行先导的最后一次跳越距离称为闪击距离。但如果地上某处没有足够强大的上行先导，则雷电是不会打到该处的。安装避雷装置的目的就是对雷电流形成最强的先导回路。

     雷电等级评估

    雷电灾害已成为主要的气象灾害之一。人们已从多方面对雷电及雷电灾害进行了大量的研究，但从灾害学角度研究的尚不多。雷电灾害作为自然灾害的一种，就系统灾害理论而言，是孕灾环境系统、致灾因子系统和承灾体系统综合作用的结果。其致灾因子是雷电，地理、人文环境是孕灾环境系统，其承灾体则是处于地面上的人和物体。从区域上看，由于雷电的客观存在，雷电灾害的产生与存在在相当程度上是必然的，有其绝对性的一面，要改变雷电这种致灾因子和地理环境这种孕灾环境是困难且也是不可能的；人文环境这种孕灾环境与雷电灾害的产生一定程度上是必然的，有其绝对性的一面，也有相对性的一面，要改变虽困难但可能，这需要长时间的努力；而承灾体则不同，由于防护措施的差异，同极性、同等强度的雷电流在不同的承灾体上会造成不同的后果：防护措施做得好，雷电灾害发生潜势就小；反之，雷电灾害发生潜势就大。因此增强承灾体的承受雷电能力就成为预防和减轻雷电灾害的主要途径。探讨雷电引发灾害的等级和可能性大小(雷电灾害发生潜势)的评估，对于降低雷电灾害、预防雷电灾害的投资支出和雷电灾害保险等有着极为重要的指导意义。

    一、研究评估指标的意义

    我国大部分地区从3月到11月均可出现雷电，主要集中出现在6～9月。而一天中24h均有雷电出现，以午后最多。据研究我国雷电灾害遍布全国各地，但雷电灾害造成的经济损失主要分布在华南、华东等经济发达地区，而雷击造成的人员伤亡事故主要发生在我国南部及华东地区，其中92%以上发生在农村地区。因此，区域内只要有雷电，就存在雷电灾害发生潜势。评估区域雷电灾害发生的潜势，既可在新上项目选址时避开雷电灾害发生潜势大的区域，增加项目的安全性，又可在新建或已有建筑的防雷设计时、针对不同区域的雷电灾害发生潜势，合理设计，减少防雷开支。此外，还可为雷电的预警预报提供参考依据：对于同一次雷电过程，根据不同区域雷电灾害发生潜势的大小，发布的雷电预警预报等级可有所区别。而要准确地评估区域雷电灾害发生潜势，首先要选取合适的评估指标，因此，研究区域雷电灾害发生潜势的评估指标十分重要。

    二、雷电灾害等级划分

    雷电灾害等级是指雷电对承载体所造成的破坏程度的大小。由于雷电灾害在时间上具有瞬时性、季节性和频繁性，在空间分布上具有广泛性、分散性和局地性等特点，造成资料收集上报不及时、不全面等现象严重。目前我国虽然已有气象灾害等级的划分标准，但尚无针对雷电灾害发生特点的统一的灾害等级标准，这也是雷电灾害上报不全的原因之一。为了便于雷电灾害的收集调查、上报和评估以及保险公司的理赔等，促进雷电防护工作，有必要开展雷电灾害等级划分的工作。曾山泊等曾根据保险公司的理赔情况划分了雷电灾害等级标准，但标准划分过于粗糙且未考虑气象灾害等级的划分标准。中国气象局在《气象灾情收集上报调查和评估试行规定》中制定了气象灾害较小型、小型、中型、大型和特大型5个等级划分标准，2008年5月中国气象局下发的《气象灾情收集上报调查和评估规定》将气象灾害分为小型、中型、大型和特大型4个等级。对于局地的、分散的却又是频繁的、反复出现的经济损失较小、人员伤亡较轻的雷电灾害，与标准为“因灾死亡1到3人，或者伤亡总数10人以上30人以下，或者直接经济损失100万元以上1000万元以下”的小型气象灾害相差过于悬殊，显然难以引起人们的注意和重视。为了便于宣传、引起人们的重视、提高雷电灾害的上报率以及防雷减灾的意识，应该针对雷电灾害发生独具的分散性和局地性特点，作为一个特例来设置一个雷电灾害等级标准。雷电灾害作为气象灾害的一种，其灾害等级必须与气象灾害等级的划分标准相衔接，因此依据气象灾害评估分级处置标准，按照人员伤亡、经济损失的大小，对小型及以下等级进行细化，而对大型、特大型进行合并，将雷电灾害分为7个等级，标准如表1。

    三、雷电灾害发生潜势评估指标

    从雷电发生的自然规律、分布特点及我国雷电灾害特征来看，对雷电灾害发生潜势的评估，必须选择与致灾因子系统、孕灾环境系统和承灾体系统有关的指标。

    1.地闪密度

    表征雷电的指标有雷暴日、雷暴时数、闪电次数、雷电强度等。闪电密度与雷电灾害的发生频数具有较好的相关性，而闪电分为云闪和地闪两种。对于预防、评估雷电灾害更具有实际意义的是地闪年平均次数。地闪密度也称落雷密度，是每年单位*面积内发生的地闪次数，单位为次/(km2·a)，公式M＝Tc/S，其中Tc为年平均地闪次数，S为区域面积、单位为km2。地闪密度直接与致灾因子有关，区域年平均地闪次数越多，落雷密度就越大，则雷电灾害发生潜势就越大，说明区域致灾因子活跃、孕灾环境有利。因此可作为评价雷电灾害发生潜势的重要指标。

    地闪密度虽然较为精确地反映了危害较严重的对地闪电活动的频数，较雷暴日数能更好地反映雷电灾害发生的潜势。对于一些还没有或刚开始开展闪电、地闪精确监测的地方，尚无或还没有积累到足够的地闪资料，可以采用区域年平均雷暴日数Td来推算，此称为雷击密度。《建筑物防雷设计规范》中雷击密度指区域单位面积内所发生的雷击大地的年平均次数，公式为M＝0.024T1.3d。

    2.雷灾频数

    雷灾频数即雷电灾害频数是指区域内发生雷电灾害的年平均次数，公式为F＝N/n，雷电灾害频数单位为次/a，N为统计样本年限内实际发生雷电灾害的总次数，以地级市为统计区域；n为统计样本的实际年数。这一指标表示区域雷电灾害发生频率的高低，既直接反映了区域雷电灾害在历史上的实际发生情况，又间接反映了这一区域地貌、地形、地质等特征对雷电灾害的形成是否有利，以及区域防雷意识、技术的高低程度。雷电灾害频数大的地区，不但说明此区域的致灾因子活跃，还说明区域的孕灾环境有利于灾害发生，也在一定程度上说明了区域防雷意识和技术水平较低，抵御雷电灾害的能力较差，因此雷电灾害频数可作为雷电灾害发生潜势的评价指标。

    3.人口密度

    人口密度是指区域内的单位面积上的人口数量，公式为K＝L/S，单位为人/km2。其中L为统计样本年限内平均人口总数，单位为人；S为区域面积，单位为km2。人作为雷电灾害承灾体之一，区域人口密度越大，其GDP、房产、基础设施等财产就愈大，那么不仅雷击造成的伤亡人数越多，而且可能遭受的经济损失也越大。人口密度的大小，直接说明了区域灾害承载体的多少，因此人口密度可作为雷电灾害发生潜势的评价指标。如城市的人口比较集中，区域人口密度大，所占的经济基础也相应大，那么在此区域内遭受雷击的伤亡人数相应升高，经济损失也会越大。而我国雷电灾害造成的人员伤亡92%以上为农业人口，且主要出现在工业化、城市化程度较低的区域，此区域雷灾造成的其它经济损失相对较小。因此，在评估工业化、城市化程度较低的区域时，人口总数也可用农业人口总数代替。

    四、人均GDP

    人均GDP是指区域内的单位人口的GDP值，公式为G＝Gs/L，单位为万元/人。其中L为统计样本年限内平均人口总数，单位为人；Gs为区域统计样本年限内平均总GDP值，单位为万元。区域内经济越发达，作为主要承灾体的物体，即厂矿和房产等建筑物、基础设施、弱电设备等财产就越多，雷电灾害发生的可能性就越多、造成的损失就越大，同样的雷击密度发生在经济发达的地区可能造成的灾害和损失往往要比发生在荒芜人烟经济落后地区大得多。而经济发达程度可用人均GDP表示，人均GDP的大小间接说明了区域灾害承灾体的多少，因此可作为雷电灾害发生潜势的评价指标。

    五、雷电灾害发生潜势评估方法

    由以上分析，可用地闪密度(或雷击密度)、雷灾频数、人口密度和人均GDP作为评估雷电灾害发生潜势的指标。应用这些评估指标可对某区域未来因雷电可能造成的灾害和损失做趋势评估和判断(高、低等)。若某区域未来因雷电可能造成的灾害越多，则该区域的雷电灾害发生潜势就越大。为便于分析、描述以及评估结果的可比性，对雷电灾害发生潜势指标进行等级值换算。

    具体换算方法是：①将百分值0～100采用对称不等分间隔的5级分割法，将雷电灾害发生潜势评价指标按照高(80～100)、较高(60～80)、中等(60～40)、较低(40～20)、低(20～0)划分为5个等级。②将各类雷电灾害发生潜势指标的计算值进行换算，换算为占该类型指标统计样本年限内之最高指标值的百分数。③将各评估指标百分数累加并求平均，可得到该地雷电灾害综合发生潜势评估值。④根据等级划分标准确定各区县的雷电灾害发生潜势评价结果。

    以珠江三角洲5市为例评估雷电灾害发生潜势(表2，表中雷击密度和雷灾频数数据来源于文献，其余来自该城市统计年鉴)。珠江三角洲城市的雷击密度最高值出现在广州为8.6次/(km2·a)，将各城市的雷击密度与此值相比可求取百分数，即换算值；其它3项指标换算值求法类似。将广州各指标的换算值求平均，可得到评估值为80.7，即广州雷电灾害发生潜势等级高。同理，可得其它城市雷电灾害发生潜势。由表2可知，珠江三角洲5市以广州的雷电灾害发生潜势评估值最高、等级为高，深圳次之、等级为较高，珠海最低、等级为中等。如果用县区或乡镇一级的数据，根据等级划分标准甚至可以确定各县区或乡镇的雷电灾害发生潜势等级。从过去雷电灾害发生的频繁程度来看，评价还是较适宜的。因此，以上所选取的4个评价指标对雷电灾害发生潜势有一定的评价能力。

    按照雷电灾害造成的人员伤亡和经济损失大小，依据雷电灾害发生的特点，对气象灾害评估分级处置标准进行细化、合并，将雷电灾害划分为7个等级，并确定了标准。从造成雷电灾害的致灾因子、孕灾环境和承灾体系统出发，根据我国雷电灾害发生的特点，讨论了地闪密度(或雷击密度)、雷灾频数、人口密度和人均GDP的含义，可以作为评估雷电灾害发生潜势指标，以珠江三角洲5城市为例简要地介绍了评价方法。评价结果与过去雷电灾害发生的频繁程度相适宜，此4个评价指标对雷电灾害发生潜势有一定的评价能力。这些指标能否较全面、准确地反映区域的雷电灾害发生潜势的大小，尤其是雷灾频数这一指标不但准确统计较困难且是否合适用历史代表未来趋势，还需进一步研究。(摘自：王凤娇，任钟冬，韦良文，郭云才：《雷电灾害等级划分及发生潜势指标探讨》，载《气象科技》第37卷第6期)