雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析評(píng)估系統(tǒng)

黃進(jìn)云，程 林，儂耀輝

(云南省紅河州氣象局，云南蒙自 661199)

雷電是發(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象，其放電電流可達(dá)數(shù)十千安，甚至數(shù)百千安，雷電流產(chǎn)生巨大的破壞力和極強(qiáng)的電磁干擾。聯(lián)合國(guó)“國(guó)際減災(zāi)十年”公布雷電災(zāi)害為自然界十大災(zāi)害之一，地球上平均每秒就會(huì)發(fā)生100次左右的閃電，強(qiáng)大的雷電流對(duì)建筑物和電子設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指以實(shí)現(xiàn)綜合雷電防護(hù)為目的，運(yùn)用科學(xué)原理和方法，對(duì)被評(píng)估對(duì)象可能遭受雷擊概率及雷擊后產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行分析計(jì)算，向建設(shè)單位提供科學(xué)合理且經(jīng)濟(jì)安全的雷電防護(hù)措施和建議。雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估屬于災(zāi)害評(píng)估的一種，可分為新建項(xiàng)目預(yù)評(píng)估、在建項(xiàng)目方案評(píng)估和已建項(xiàng)目現(xiàn)狀評(píng)估3種。

近年來(lái)，由于全球變暖加劇，極端天氣頻繁出現(xiàn)，雷擊事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失呈上升趨勢(shì)［1］。最嚴(yán)重的2011年發(fā)生雷電災(zāi)害事故次數(shù)6 127次、人員死亡人數(shù)1 109人、經(jīng)濟(jì)損失50 635萬(wàn)元。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，民用住宅小區(qū)和國(guó)家大中型項(xiàng)目開工建設(shè)，對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作提出了更高要求。我國(guó)幅員遼闊，各個(gè)地方的氣候環(huán)境和地理環(huán)境情況差別很大，如果不區(qū)分域地統(tǒng)一采取措施，將會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的巨大浪費(fèi)。根據(jù)中華人民共和國(guó)GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］、GB/T 21714《雷電防護(hù)》［3］和國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 61662的規(guī)定和要求，運(yùn)用C#語(yǔ)言編制計(jì)算機(jī)計(jì)算、分析、綜合評(píng)估平臺(tái)，大大地減少風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算的工作量和計(jì)算誤差。筆者在此通過(guò)雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算評(píng)估系統(tǒng)對(duì)建筑物的相關(guān)情況及所處的位置和周邊環(huán)境進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和分析［4］，對(duì)雷擊風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行定量化計(jì)算，為建設(shè)項(xiàng)目工程防雷工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取 選用當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站多年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、云南省閃電定位儀觀測(cè)記錄數(shù)據(jù);工程項(xiàng)目立項(xiàng)審批報(bào)告相關(guān)數(shù)據(jù)、建筑物設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù);工程所在地地質(zhì)、土壤電阻率和地理環(huán)境要素等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算參數(shù)選取 雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要是計(jì)算由于雷電發(fā)生造成一定的生命傷亡、經(jīng)濟(jì)損耗以及其他方面的各種風(fēng)險(xiǎn)疊加，同時(shí)綜合周邊環(huán)境特性和閃電的時(shí)空分布規(guī)律。為項(xiàng)目區(qū)域范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目的位置選定、功能布局、雷電防護(hù)等級(jí)(類別)和防雷設(shè)施設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)，也為雷電災(zāi)害事故應(yīng)急預(yù)案評(píng)價(jià)方法提供建設(shè)性意見。

雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)內(nèi)容共分為人員生命損失風(fēng)險(xiǎn)、公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險(xiǎn)4類。雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果主要取決于風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)參數(shù)(表1)，參數(shù)值的選取正確與否決定風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果［2］。

2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算

2.1 按風(fēng)險(xiǎn)管理要求進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1.1 雷擊導(dǎo)致建筑物的各種損失對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分量(Rx)。其計(jì)算公式為Rx=Nx×Px×Lx，式中，Nx為年平均雷擊危險(xiǎn)事件次數(shù);Px為每次雷擊損害概率;Lx為每次雷擊損失率。

2.1.2 建筑物的雷擊損害風(fēng)險(xiǎn)(R)。其計(jì)算公式為R=∑Rx，式中，Rx為建筑物的雷擊損害風(fēng)險(xiǎn)涉及的風(fēng)險(xiǎn)分量。

2.2 建筑物及入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算

2.2.1 建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(N)。其計(jì)算公式為N=N1+N2，式中，N1為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次/a);N2為建筑物入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次/a)。

2.2.2 建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(N1)。其計(jì)算公式為N1=K×Ng×Ae，式中，K為校正系數(shù);Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地密度［次/(km2·a)］，Ng≈0.1 × Td，其中，Td為建筑物所在地年平均雷暴日數(shù)(d/a);Ae為建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2)。

2.2.3 建筑物等效面積(Ae)。當(dāng)建筑物高度H＜100 m時(shí)，其每邊的擴(kuò)大寬度D(m)和等效面積Ae(km2)按公式D=、Ae=［Lw+2(L+W)×D+πH(200－H)］×10－6計(jì)算確定。當(dāng)建筑物高度H≥100 m時(shí)，其每邊的擴(kuò)大寬度應(yīng)按等于建筑物的高H計(jì)算，建筑物等效面積按公式Ae= ［Lw+2H(L+W)+πH2］×10－6計(jì)算確定，式中，Lw 為建筑物a端到服務(wù)設(shè)施的距離;L、W、H分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高(m)。

2.2.4 入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(N2)。按照公式N2=Ng×Ae'=Ng×(Ae1'+Ae2')計(jì)算，式中，N2為入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)(次/a);Ae1'為電源線入戶設(shè)施截收面積(km2);Ae2'為信號(hào)線纜入戶設(shè)施截收面積(km2)。

表1 雷擊損失風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)

2.3 可接受最大年平均雷擊次數(shù)(Nc)的計(jì)算 其計(jì)算公式為Nc=5.8×10－1/C，式中，C為各類因子C1(材料結(jié)構(gòu)因子)、C2(信息系統(tǒng)程度因子)、C3(信息系統(tǒng)耐壓因子)、C4(信息系統(tǒng)防護(hù)因子)、C5(信息系統(tǒng)雷擊因子)、C6(區(qū)域雷暴等級(jí)因子)之和，按照文獻(xiàn)［2］中的規(guī)定取值。

2.4 人身傷亡損失率(Lx) 其計(jì)算公式為L(zhǎng)x=(np/nt)×(tp/8 760)，式中，np為可能受到危害的人員數(shù)量;nt為預(yù)期的建筑物內(nèi)總?cè)藬?shù);tp為以小時(shí)計(jì)算的可能受害人員每年處于危險(xiǎn)場(chǎng)所的時(shí)間。

2.5 公眾服務(wù)中斷損失率(Lx) 其計(jì)算公式為L(zhǎng)x=(np/nt)×(t/8 760)，式中，np為可能失效服務(wù)的年平均用戶數(shù)量;nt為接受服務(wù)的用戶總數(shù);t為用小時(shí)表示的年平均服務(wù)中斷時(shí)間。

3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算流程

各類雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量Rx按以上運(yùn)算公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與雷擊風(fēng)險(xiǎn)容許值Rt(其中人生傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)Rt≤10－3，公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)Rt≤10－3)［3］進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮各種防護(hù)措施的技術(shù)可行性和施工成本，選擇最有效的綜合防護(hù)措施，雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算流程如圖1所示。

4 編制雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估平臺(tái)

建立氣象要素歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、閃電定位數(shù)據(jù)庫(kù)、各類風(fēng)險(xiǎn)容許值數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用C#計(jì)算機(jī)編制風(fēng)險(xiǎn)雷擊計(jì)算進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)雷擊參數(shù)計(jì)算和綜合分析，得出風(fēng)險(xiǎn)雷擊評(píng)估數(shù)據(jù)。雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算分析評(píng)估系統(tǒng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)界面如圖2所示。

通過(guò)雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果(圖3)，結(jié)合工程項(xiàng)目的建筑設(shè)計(jì)參數(shù)、使用性質(zhì)、地理環(huán)境、總體布局、功能等因素綜合分析論證，提供科學(xué)合理的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論。

圖1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算流程

5 結(jié)論

雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是近年來(lái)才開展的一項(xiàng)針對(duì)新建、在建建設(shè)項(xiàng)目可能受到雷電破壞的可行性評(píng)價(jià)論證工作。由于開展的時(shí)間不長(zhǎng)，雷擊災(zāi)害造成損失的各類風(fēng)險(xiǎn)分量的計(jì)算仍停留在手工計(jì)算上，各項(xiàng)參數(shù)的選擇存在不確定性。手工計(jì)算不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且容易出現(xiàn)計(jì)算誤差。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)工作經(jīng)過(guò)近一年的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)63個(gè)建設(shè)工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析計(jì)算驗(yàn)證，系統(tǒng)計(jì)算和分析結(jié)果與實(shí)際情況出入不大，基本能滿足風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作需要。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是界面清晰、操作簡(jiǎn)單;參數(shù)選擇實(shí)現(xiàn)定量化;數(shù)據(jù)篩選、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;參評(píng)對(duì)象選擇模式分類;可根據(jù)工作需求調(diào)整、增添模塊;實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能。該系統(tǒng)雖然解決了雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的一部分實(shí)際問(wèn)題，隨著新項(xiàng)目的開展和新技術(shù)的開發(fā)運(yùn)用，還需要逐步改進(jìn)和完善，以適應(yīng)雷擊風(fēng)評(píng)估工作的需要。

圖2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算評(píng)估系統(tǒng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)界面

圖3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分量計(jì)算結(jié)果輸出圖

［1］徐丹.基于surferr平臺(tái)的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013.

［2］中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50057－2010［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［3］四川中光高科產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團(tuán).雷電防護(hù):GB/T 21714［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］陳阿仲，王興國(guó)，周興瑤.雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的流程優(yōu)化分析研究［C］//第26屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)氣象災(zāi)害與社會(huì)和諧分會(huì)場(chǎng)論文集.中國(guó)氣象學(xué)會(huì)，2009.