地震救災初期防雷應急保障方法及應用

莊 嘉，吳永斌，劉平英，胡 穎，殷 嫻

(云南省氣象災害防御技術中心，云南 昆明 650034)

0 引言

災后安置是地震救災的主要工作，根據實施時間和安置期限的不同，可分為應急安置、過渡安置和永久安置[1]，分別對應地震救災初期、中期和后期。建設安置點是災后安置的主要措施，安置點也是災區民眾聚集和臨時居住的主要場所，其選址原則是避開地震斷裂帶和山洪等主要次生災害，大多選擇地勢較高的空曠地帶[2]，按照現代防雷理論[3][4]，這類區域均屬于雷擊易發區。可以說，地震災區的雷電防護重點在于對安置點的防雷保護。多年來，國內專家學者對地震災區的雷電防護進行了大量研究。左雄等[5]以汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震為例，分析了目前地震災后雷電災害防御面臨的臨時安置點防雷設施不完善等新形勢，提出了加強防雷減災工作組織領導、防雷工程建設以及雷電災害應急管理的一些措施；胡穎等[6]研究了云南省地震活動和雷電活動的相關性，提出了地震高發區應加強雷電防護的建議；彭啟洋等、王文英等以魯甸6.5級地震、玉樹7.1級地震為例，分析了災區的雷電活動特征，提出了對策措施；靳小兵等[9,10]、馬俊貴等[11]、楊成山等[12]結合救災中期過渡安置房的實際情況，提出了過渡安置房雷電防護技術及方法；杜建忠等[13]、陳家強等[14]歸納總結汶川8.0級地震救災經驗，對用于救災中后期過渡安置點的雷電防護裝置進行了研究。目前，在地震救災初期應急安置點雷電防御方面的研究國內學者很少涉及。地震救災初期，由于時間緊迫，應急安置點是在非常規條件下就近高速建設而成，沒有采取有效的雷電防護措施，大多數安置點都存在雷擊隱患。在雷電活動頻發季節，各安置點人員聚集，同時受災民眾正處于災后恐慌期[1]，如再發生雷擊傷亡事件，后果不堪設想。

2018年9月8日，云南省墨江縣發生5.9級地震，根據云南省氣象局發布的地震應急氣象專報顯示災區近期將有強對流天氣發生，而新建的各應急安置點并未采取任何防雷措施。對此云南省氣象災害防御技術中心迅速抽調技術人員前往災區開展防雷應急保障，僅用3 d時間完成了保障任務，在其后強對流天氣過程中有效保障了災區民眾生命安全，獲得了良好的社會效益。本文結合該案例，通過分析地震救災初期特點，提出相適應的防雷應急保障應用流程，并研究分析得出關鍵技術方法。

1 救災初期防雷應急保障流程

1.1 地震救災初期特點

地震救災根據其特點可分為救災初期、中期和后期。初期相比于中后期(表1)，總體上持續時間短，但救災時間緊，面臨的救災環境更為復雜，條件更為苛刻，救援難度更大。安置點防雷保障方面，保障期雖不長，但在實施時間及條件方面要求嚴苛。在地震發生后到過渡安置點建設完成前這段時期，在斷水斷電、交通運輸不便、雷暴隨時來臨的大環境下，面對數量龐大且分散的應急安置點，需要采取有效措施在短時間內提高應急安置點的雷電防御能力，保障其中災民及救援人員免遭雷電威脅，這對防雷應急保障提出了更高要求。需要結合實際情況分析，制定科學適用的保障流程。

表1 地震救災初期與中后期特點對比

1.2 防雷應急保障流程

結合地震救災初期的特點，制定防雷應急保障流程圖(圖1)。

圖1 防雷應急保障流程圖

1.2.1 前期準備 應將防雷應急保障物資提前配置齊全，結合資金情況，一般準備10套以上雷電應急防護裝置及相應配件和安裝工具，并做好日常儲存管理和保養，指定應急保障車輛，確保地震災情發生后防雷應急保障啟動時相應物資能及時調用。

1.2.2 接受任務 及時與指揮部、當地政府及安置點負責人進行溝通，收集災區相關信息，包括地震烈度圖、應急安置點信息(數量、經緯度、建設規模等)、具體聯系人、交通情況等。

1.2.3 分析確定保護對象 地震救災初期，臨時布設的應急安置點往往數量龐大，時間緊迫，不能泛泛開展防雷應急保障。通過收集分析災區閃電定位資料、地形資料，結合地震烈度圖制作災區雷電易發區劃圖，綜合現場環境勘測資料，確定保護對象。

1.2.4 防雷工程設計 分析災區氣候資料、地形資料、現場勘測資料、保護對象相關信息，確定防護重點，根據相關標準技術規范，依據科學合理、經濟高效的原則編制防護方案。方案需明確防雷裝置的選址、保護范圍、布置形式、規格材料及各部分安裝工藝。

1.2.5 防雷工程施工 依據防護方案，嚴格把關施工工藝，通常以4人為一組，分頭前往各安置點，在確保安全的條件下有序施工安裝，并對工程相關資料特別是隱蔽工程進行簡要記錄。

1.2.6 竣工檢測 施工完成后，應對工程質量進行最終檢查檢測，確保防雷裝置接地電阻值、傾斜度、安全距離等參數符合設計要求。同時應在桿體上懸掛“雷電危險，請勿靠近”等警示牌，周圍拉設簡易隔離圍欄，防止民眾靠近。

1.2.7 科普宣傳 對周邊災民及救援人員進行科普宣傳，內容包括基本防雷避險、自救互救常識，防雷裝置使用規范等，以增強災區民眾防雷避險能力。

1.2.8 設備材料回收 本著經濟節約，保護環境的原則，在應急安置點撤除后，應對相應防雷裝置及材料進行回收養護，以備下次使用。

2 主要技術方法

2.1 保護對象的確定

雷云對地放電具有選擇性[4]，其發生概率與下墊面的地質條件、地形地貌有著較高的關聯性，通過對災區的雷電易發性、安置點現場環境進行分析，篩選確定雷擊高風險應急安置點作為保護對象。

2.1.1 災區雷電易發性分析 雷電易發性主要從兩個方面體現：雷電密度和地形條件。

①雷電密度：反映區域雷電活動的自然規律。單位面積內地閃次數越多，則雷電易發性越高。根據2009—2018年云南省ADTD閃電定位數據格點化統計分析形成的云南省地閃密度概率分布圖可看出(圖2)，地閃密度在0～1.7范圍內區間值百分比較為集中，大于1.7范圍區間值百分比較為分散。

圖2 云南省地閃密度的概率分布

②地形條件：反映區域地形對雷電活動的影響，由海拔高度、坡度、海拔差決定。以云南省為例，通過分析其海拔高度、坡度、海拔差與地閃密度的相關性，發現地閃落雷區域的海拔、坡度、海拔差的概率分布近似服從對應的正態分布(圖3)。地閃落雷點集中在海拔值為2 000 m左右，坡度值為28°左右，落雷區域海拔差為200 m左右的區域。

圖3 云南省地閃落雷點與海拔、坡度、海拔差關系圖

在墨江縣5.9級地震中，災區雷電易發性主要分析步驟如下：

①采用2008—2017年云南省閃電定位網(ADTD)墨江縣部分的地閃監測數據，通過質量控制檢驗，剔除異常及不合理數據。

②將地閃數據按1 km×1 km精度格點化，通過ArcGIS軟件提取相應格點最大海拔、海拔差、最大坡度等DEM數據。計算年平均雷電密度、地閃落雷點海拔、地閃落雷點坡度、地閃落雷區域海拔差，計算并繪制綜合地形條件圖層。

③將格點化的地閃數據利用ArcGIS軟件克里金插值法生成災區年平均地閃密度圖層。

④運用yaahp軟件，歸集10位專家AHP調查問卷結果計算以上兩個圖層表征雷電易發性的權重分別為0.28(綜合地形條件圖層)和0.72(年平均地閃密度圖層)。用ArcGIS軟件中的柵格計算器將兩個圖層按各自權重進行疊加，并采用自然間斷點分析法將疊加后的圖層劃分成極高易發區、高易發區、較高易發區、中易發區和一般易發區等5個層級得到墨江縣雷電易發區劃圖。

⑤將墨江縣雷電易發區劃圖與云南省地震局發布的墨江縣地震烈度圖綜合疊加獲得墨江縣地震災區雷電易發區劃圖(圖4)。

2.1.2 現場勘測 現場勘測主要選擇在災區地震烈度為7度和8度的區域內，該區域內建筑損毀比較嚴重，應急安置點布置數量較多且人員集中。勘測其中處于雷電極高易發區和高易發區內的安置點局部地理環境，將符合以下雷擊易發條件[3,4]的安置點列為保護對象：一是建于空曠地帶或具有突出效應的山頂；二是建于土壤電阻率較小和土壤電阻率變化明顯的地方，如河床、地下水出口處、山坡與稻田接壤處、河邊、湖邊、低洼地區和地下水位高的地方等；三是建于雷暴路徑上和具有抬升作用的地方，如迎風山口和谷口、迎風坡面等。通過現場勘測，墨江縣地震災區共確定5個應急安置點做為保護對象(表2、圖4)。

表2 墨江地區保護對象基本信息及防雷裝置信息表

圖4 墨江縣地震災區雷電易發區劃圖

2.2 防雷工程設計要點

地震救災初期，應急安置點以安置人員為主要目的，精密電子儀器和家電設備較少。因此，在考慮安置點雷電防護時，應以安置人員為主要目標，主要以防護直擊雷以及接觸電壓、跨步電壓、旁側閃絡、地電位反擊等二次雷害[4]為主。

根據救災初期應急安置房的特點，結合直擊雷防護設計理念，防護思路有兩種：一種是采用獨立接閃桿對一定范圍內的雷電進行接閃，并通過合理的接地措施對接閃雷電流進行泄放，保護該范圍內的安置房免遭雷擊；另一種是利用帳篷、簡易房的金屬支架作為接閃裝置，通過將金屬支架進行可靠“接地”，達到接閃泄流的目的。后一思路雖看似更為簡單易行，然則隱患頗多，由于雷電的熱效應[4]，雷電擊中帳篷金屬支架時，短時間內產生高溫，極易引發火災；由于雷電的電效應[4]，在雷電流沿支架泄放時易對旁側人員造成接觸電壓、旁側閃絡等傷害，同時該法對地網要求很高，需做好均壓等電位和地表絕緣，否則易引發跨步電壓、地電位反擊等二次雷害。前一思路接閃桿位于戶外，通過合理的布設，在達到良好雷電防護效果同時可有效避免二次雷害。因此，應采用獨立接閃桿對救災初期的應急安置點進行防雷保護。

目前采用獨立接閃桿的直擊雷防護方法主要有兩種：滾球法[15]和區域性防雷法[16,17]。滾球法是幾何模擬法，它以放電路徑幾何距離的長短作為接閃桿保護的判據，其保護范圍限定在保護半徑之內，其保護半徑為：

(1)

式中，rx為接閃桿在高度為hx平面上的保護半徑；h為接閃桿高度(單位：m)；hr為滾球半徑(單位：m)，此處取值60 m[9，18]；hx為安置房高度(單位：m)。

區域性防雷法是指在需要防雷的特定區域內，在雷電發生主要路徑的上風向安裝接閃桿對直擊雷進行攔截，從而使下風方向的特定區域內避免或減少直擊雷發生的方法。其保護面積可由下式確定[17]：

A=πr2/2

(2)

式中：A為接閃桿下風方區域的保護面積(單位：m2)；r為第一接閃點與第二接閃點之間的距離(單位：m)。其中，距離r應分以下兩種情況而定：

①若從雷電活動路徑的上風向第一攔截點至下風向的2 km直線距離內，沒有超過上風向第一攔截點接閃桿地面海拔高度的區域，則r=2 km[17]。

②若第一攔截點下風向2 km范圍內存在比第一攔截點接閃桿高的地表物體時，則r值為兩者之間距離的實際測量值。

對二者定義和公式(1)、(2)分析可得：對處于接閃桿保護范圍內的安置房，從防護效果上看，滾球法要優于區域性防雷法；從保護范圍來看，區域性防雷法要大大優于滾球法。在應急安置點的雷電防護上，應根據科學合理的原則，結合實際勘測情況選擇適用的防護方法。其選擇標準和設計要點如表3所示。

表3 技術方法選擇標準和設計要點

在墨江地震中，3#點和5#點，規模較小，地理環境適宜，通過公式(1)計算，在其側山坡等地理位置較高處各安置1座13 m高接閃桿即可滿足要求；而1#點、2#點、4#點或是規模較大(1#、2#)，或是周圍地理環境不適(4#)，若采用滾球法則須采用多支接閃桿聯合保護方有可能達到設計要求，如此不僅工時大大增加，同時二次雷害風險及選點難度也相應增加。故該3個安置點擬采用區域性防雷法進行設計。查詢當地近10 a氣象資料，繪制風向占比玫瑰圖(圖略)可知，西風、西南偏西風和南風占比較高，分別為：13.6%、16.7%和12.4%，存在主要風向。觀察其周圍山勢地形，1#點位于山坳處，存在進風口位于其南側，而2#點、4#點則處于西面和西南面迎風坡面上，綜合判斷存在雷暴路徑，滿足區域性防雷法的實施要求，因此，決定采用區域性防雷法對該3個安置點進行防雷保護。接閃桿布設于安置點雷暴路徑上風方2 km內相對位置較高處對來自該方向的雷暴進行提前接閃，布設情況如表2所示。

2.3 施工方法及要點

2.3.1 防雷裝置的選擇 結合安置點的防雷設計方案，防雷裝置主要為接閃桿和接地裝置。與常規場所中使用的防雷裝置[15]相比，適用于地震救災初期的防雷裝置還應著重考慮兩個方面：運輸和安裝。要求所選用的接閃桿和接地裝置在滿足防雷技術要求的同時，在重量體積上應盡可能的輕便，施工安裝上盡可能的簡便易于操作。

接閃桿的選擇：通過調研目前市面上的各類接閃桿，結合其優缺點綜合篩選考慮，確定移動伸縮式接閃桿是適宜的選擇。該類接閃桿通過搖桿進行升降，伸長高度根據需要一般可在3～20 m之間，閉合高度僅為2 m左右，重量根據所選規格大致在15～150 kg，重量體積較小，易于搬運和裝卸，應急結束后，方便回收。在安裝固定上，為確保穩定和具有較強的抗風能力，宜選擇底部可打地樁固定，同時裝配有三角支架和拉線的產品(圖5)。

圖5 移動伸縮式接閃桿示意圖

接地材料的選擇：接地裝置主要由水平接地裝置和垂直接地裝置組成。因使用周期不長，為方便裝卸，其相互連接方式可采用壓接式。為便于施工，接地材料應在前期做如下準備：

①水平接地裝置：采用截面積不小于70 mm2的鋼絞線[15]。

②垂直接地裝置：采用截面積不小于290 mm2的熱鍍鋅角鋼[15]，長度為1.5 m，一端打孔便于螺栓連接，一端加工成尖角便于施工。

③輔助材料及工具：與鋼絞線規格相匹配的銅鼻子、螺栓若干，液壓鉗、大錘等。

④在土壤電阻率較高的地區，宜準備降阻劑[9]。降阻劑使用量計算公式為：

(3)

2.3.2 工程實施安裝要點

接閃桿的安裝：確保桿體放置處地面大致水平；確保接閃桿的最終傾斜度不大于0.5°。

接地裝置的施工：①接地裝置布設時，應觀察周圍環境，若接閃桿的選址位于安置房或人行通道等人員活動頻繁場所附近，則接地裝置的設計應著重考慮預防二次雷害，可采用邊緣閉合的“環形地網”，加快雷電流的泄放速度，同時減少其泄放距離，確保入地雷電流的“均壓性”，防止跨步電壓的產生；若接閃桿選址遠離人員活動場所，則可采用邊緣非閉合的“一字型地網”，易于施工和降低接地電阻。

②接地裝置埋設時，水平接地體埋設深度不小于0.5 m[15]，垂直接地體間距不小于3 m[15]。

③填土時，宜做接地電阻值測試，根據情況確定是否使用降阻劑，確保最終接地電阻值不大于30 Ω。

3 結論及討論

針對震后災區初期救援工作中應急安置點建設方面雷電防護的缺失問題，結合實際，通過分析研究及實際應用，得到如下結論：

①防雷應急保障的實施應“安全可靠、應急高效”，結合救災初期特點，制定科學有效的實施流程，重點對保護對象、防雷工程設計和施工3個關鍵環節進行把控，合理運用雷電易發區劃、現場勘測、直擊雷防護等技術方法。一是將海拔高度、坡度、海拔差等地形因子與雷電密度因子綜合考慮，可提高災區雷電易發區劃的精細度及準確性，結合災區地震烈度圖和局部地理環境的勘查結果，快速確定保護對象；二是地震救災初期應著重應急安置點的直擊雷防護，其防護裝置應采用獨立接閃桿，結合實際因地制宜，合理運用“滾球法”和“區域性防雷法”進行防雷設計，同時注意規避二次雷害，在有效提高安置點直擊雷防御能力的同時將大大縮短工期，提高實施效率；三是防雷裝置可采用移動伸縮式接閃桿、壓接式接地裝置，在實施過程中可有效規避水電和運輸等不便因素，依靠人力即可完成，現場施工方便高效。

②雷電成災，群眾缺乏防雷常識是主要因素之一，應當動員和組織有關力量發放宣傳材料，講解科普知識, 提高災區群眾的防雷減災意識，增強雷電災害安全防范和避險處置能力。地震救災中后期，安置點的選址規劃宜考慮避開雷電極高易發區和高易發區，同時應做好感應雷防護措施，開展系統全面的雷電防護工程。