鐵路雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)的研究

阮小飛 付茂金 陳建譯

雷電是自然界中一種常見的物理現(xiàn)象，也可成為一種災(zāi)害性天氣，對人類的生命財產(chǎn)以及各種設(shè)備造成一定的損害。這就需要對雷電災(zāi)害以及可能造成的損失作出合理的評定和估算，預(yù)見系統(tǒng)可能出現(xiàn)的雷電風(fēng)險，這就是雷電災(zāi)害風(fēng)險評估。

1 雷電災(zāi)害風(fēng)險評價體系理論

雷電災(zāi)害風(fēng)險的評價與管理工作，是當(dāng)前國際減災(zāi)防災(zāi)管理中較為先進(jìn)的模式，已經(jīng)成為災(zāi)害科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展方向和研究課題。

雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估是指在一定時限范圍內(nèi)，對風(fēng)險區(qū)遭受到雷擊災(zāi)害的概率，以及可能造成的后果進(jìn)行定量分析和評估。其內(nèi)容主要包括2個層面：一是對發(fā)生雷擊災(zāi)害可能性較大的區(qū)域，進(jìn)行雷擊風(fēng)險的評價；二是對評估區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷擊災(zāi)害進(jìn)行綜合性分析。通過對雷擊災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行識別、估測、評價，并以此為基礎(chǔ)對各種防控風(fēng)險的方式進(jìn)行優(yōu)化組合，就可有效管控雷擊災(zāi)害帶來的損害并且妥善處理損失，以最小的成本來獲得最大的安全保障目標(biāo)。

2 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的目的及作用

就減輕雷電災(zāi)害帶來的損失而言，通常有3種方式：一是加強(qiáng)雷災(zāi)天氣的預(yù)警工作，提醒人們在雷電災(zāi)害到來之前做好相關(guān)預(yù)控措施，例如關(guān)閉各種用電設(shè)備等；二是防雷項目的建設(shè)，有利于提高建筑物的防雷能力；三是強(qiáng)化事故搶險救援工作的能力。我們國家雖然對雷暴的臨近預(yù)警能力有了很大的提高，但是依舊處于起步階段，對于一些特殊的公共行業(yè)來說 （電力、醫(yī)療等），要求在雷暴來臨之際關(guān)閉所有的電力設(shè)備有些不切實際。而目前的技術(shù)對雷電災(zāi)害救援工作來說也還不夠成熟，所以進(jìn)行防雷建設(shè)的就成為最重要工作，防雷措施可以大大提高建筑物的防雷擊能力。

雷電風(fēng)險評估是根據(jù)評估目標(biāo)所在地雷電活動時空分布特征及雷電災(zāi)害特征，分析、評估、計算雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風(fēng)險，達(dá)到優(yōu)化項目選址、合理功能分區(qū)布局、確定防雷類別 （等級）和最佳防雷措施，并能實時應(yīng)急處理雷電災(zāi)害事故的目的。雷電風(fēng)險評估是雷電防護(hù)目標(biāo)實現(xiàn)綜合雷電防護(hù)的首要程序，為科學(xué)設(shè)計、經(jīng)濟(jì)投資、應(yīng)急處置雷害提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)預(yù)防為主，科學(xué)防雷理念的必要條件。

因此，一方面要加強(qiáng)雷暴災(zāi)害的預(yù)警工作，另一方面要通過對雷災(zāi)風(fēng)險的研究，確定雷電災(zāi)害高發(fā)區(qū)域的范圍，以此來有效地提高防雷資金的可利用效率，合理安排防雷工程的建設(shè)，根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險程度依次確定最佳的防雷計劃，對不同目標(biāo)采用差異化的防護(hù)，使防護(hù)措施有最高的性價比，防止防雷工程的盲目性建設(shè)。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法

雷電災(zāi)害帶來的風(fēng)險與其他自然災(zāi)害的風(fēng)險本質(zhì)相同，都是多種自然因素相互作用的結(jié)果，它往往受到某個區(qū)域自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等因素的影響。在相同的區(qū)域內(nèi)，因雷電造成災(zāi)害的風(fēng)險機(jī)制大致相同，孕災(zāi)環(huán)境也別無二致，因此可以采用相同的風(fēng)險評估辦法，來表示該區(qū)域內(nèi)雷電災(zāi)害風(fēng)險的大小以及對比關(guān)系。

以歷史氣象災(zāi)害統(tǒng)計的相關(guān)數(shù)據(jù)為依托，采用模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)法等數(shù)學(xué)方法，對當(dāng)前的雷災(zāi)風(fēng)險作出預(yù)測。當(dāng)前公認(rèn)評價較好的自然風(fēng)險形成機(jī)制，主要包含的內(nèi)容為：在某區(qū)域內(nèi)發(fā)生自然災(zāi)害的風(fēng)險，由自然災(zāi)害危險性 （H）、暴露 （E）、承災(zāi)體的易損性 （V）、防災(zāi)減災(zāi)能力 （C）4個風(fēng)險因素相互交織而成，表達(dá)式為：R＝H·E·V·C。但是這些因素比較抽象籠統(tǒng)，因此需要與雷電災(zāi)害的形成機(jī)制相互結(jié)合，再采用多元分析法或者分層分析法等數(shù)學(xué)方法，對其進(jìn)行量化，得出該區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估計算公式才可以更加準(zhǔn)確、詳細(xì)地對雷電風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測，而且可操作性更強(qiáng)。

4 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估表達(dá)式

由于文中涉及雷電風(fēng)險評估的主要研究對象是人以及建筑物，因此建筑物遭受雷擊風(fēng)險的通用表達(dá)式為：

式中：Rd是指建筑物遭到雷擊之后所損失的風(fēng)險值；N為該建筑物每年遭到雷擊的次數(shù)；P為該建筑物造成破壞的幾率；δ為該建筑物或者該建筑物所放物品所造成損害的量度值。

F＝NP是建筑物受到雷擊損害的年平均次數(shù)，如果選取觀察時間以一年計算 （t＝1），那么當(dāng)NP?1時，上述通用表達(dá)式可轉(zhuǎn)化為：

此外，若該建筑物使用類似避雷針等預(yù)防雷擊的裝置，那么建筑物遭到雷電打擊的風(fēng)險大小可以依據(jù)該裝置的避雷效果呈現(xiàn)降低趨勢。

5 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估系統(tǒng)的設(shè)計

把建筑物所受到雷擊評估的流程與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計成雷電評估數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而建立雷災(zāi)風(fēng)險評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ㄖ锸艿降睦讚麸L(fēng)電度做出快速的評估，然后依據(jù)評估的結(jié)果，以最快的速度找出有效防治雷擊的措施，進(jìn)而減小損失。設(shè)計的內(nèi)容主要包括以下幾點。

1．建立雷擊災(zāi)害風(fēng)險評估界面，同時要求設(shè)計數(shù)據(jù)處理窗體，存儲輸入、修改評估參數(shù)。

2．建立數(shù)據(jù)庫，主要用于保存雷電閃擊次數(shù)及損害幾率等常量，在該系統(tǒng)運(yùn)行時，能夠有效、快速地對建筑物所受到的雷災(zāi)風(fēng)險值進(jìn)行估算，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)姆览妆Ｗo(hù)措施。

3．評估系統(tǒng)由很多功能不同的窗體組合在一起，每一個窗體都表示一定的功能塊，所以用戶可以在相關(guān)窗體下執(zhí)行相應(yīng)功能模塊的操作。評估系統(tǒng)模塊組成圖如圖1所示。

6 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的現(xiàn)狀和未來

雷電災(zāi)害的風(fēng)險評估是自然災(zāi)害評估中重要的組成部分。由于雷電災(zāi)害無法實時進(jìn)行追蹤，具有瞬時出現(xiàn)和隨機(jī)性強(qiáng)的特點，難以對其進(jìn)行系統(tǒng)的評估，因此在自然災(zāi)害評估領(lǐng)域尚未引起足夠的重視。當(dāng)雷電災(zāi)害發(fā)生后只能做到災(zāi)后評估，估算出受災(zāi)具體的損失，然后為災(zāi)后重建提供一定的預(yù)算支持。因此，就研究的規(guī)模與技術(shù)層面，雷電災(zāi)害的評估還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到規(guī)模化評估的水平。由于在最近幾年，雷電災(zāi)害的發(fā)生頻率與規(guī)模有了很明顯的增長，因此人們對雷電災(zāi)害的研究也越來越重視。但是研究的層面主要局限于防雷電設(shè)備的發(fā)明與研制，針對于雷電災(zāi)害進(jìn)行規(guī)模化評估和預(yù)測方面的研究尚未形成規(guī)模化的體系。不過現(xiàn)今的雷電防護(hù)技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢，關(guān)于雷電的形成機(jī)理和發(fā)展過程已經(jīng)形成了完整的鏈條。這些都為今后雷電災(zāi)害的預(yù)測和評估工作提供了有效的支撐。在未來的雷電災(zāi)害評估和預(yù)測領(lǐng)域的研究必將成為新的熱點。

圖1 雷電風(fēng)險評估系統(tǒng)模塊組成圖

［1］ 趙讓元，潘威炎．國內(nèi)外雷電探測研究［J］．電波與天線，1997．

［2］ 郗秀書．法國的大氣電學(xué)研究［J］．大氣情報，1994（2）．

［3］ 史培軍．三論災(zāi)害研究的理論與實踐［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2002（3）。

［4］ 門福錄 ．關(guān)于災(zāi)害、災(zāi)害學(xué)和災(zāi)害研究方法若干問題的淺見［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2002（4）．

［5］ 蘇邦禮，崔秉球，吳望平，蘇語燕．雷電與避雷工程［M］．廣州：中山大學(xué)出版社，1999，10．

［6］ 潘忠林．現(xiàn)代防雷技術(shù)與工程［M］．北京：電子科技大學(xué)出版社，2012，12．

［7］ 付茂金，阮小飛，王州龍，李永毅，邱傳睿．高速鐵路通信信號綜合防雷技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社，2014，8．