湖南省農村雷電災害防治關鍵技術研究與應用示范

劉鳳姣 萬協成 楊加艷 賀秋艷 劉艷清

摘要：以提高農村雷電災害防御科技水平為目標，分析了湖南省雷電災害發生規律，創建了農村雷電災害防御關鍵技術指標及綜合防御技術方法，研制發布了國家強制性標準，成功開展了雷電災害綜合防御技術應用與示范。取得的創新性成果如下：①確定了農村民居防雷建筑物的雷擊次數下限值的國家標準以及相應的設計施工技術要點;②提出了對稱不等間距四極法為測量土壤電阻率的首選方法并申請了專利，更能反映自然土壤實際分層情況，更具穩定性，準確性更高;③繪制了長沙市大區域土壤電阻率分布，研發了分析軟件，分析得出土壤電阻率值與降水量呈明顯正相關;④運用仿真樹、應急避難場所、單棟農村民居防雷設施等綜合防雷設施建設技術，創建了雷暴路徑攔截的區域性防護體系，創立了湖南省農村全方位、立體式區域防雷減災的新模式。

關鍵詞：雷電;農村雷電災害;防御關鍵技術;應用示范

中圖分類號：P429? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0041-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.007 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： To improve the level of rural lightning disaster prevention science and technology as the goal， the lightning disasters were analysed in Hunan province. Key technical indexes and comprehensive technical methods for rural lightning disaster prevention had been established. National mandatory standards had been developed and issued. And the application and demonstration of comprehensive lightning disaster prevention technology had been successfully carried out. The following innovative results were obtained： ①The national standard for the lower limit of lightning strike frequency of rural residential lightning protection buildings and the corresponding key points of design and construction technology were determined; ②The symmetrical unequal spacing quadrupole method was proposed as the preferred method to measure the soil resistivity and a patent was applied， which can better reflect the actual stratification of natural soil and was more stable and more accurate; ③The distribution map of soil resistivity in Changsha region was drawn， and the analysis software was developed. It was found that the soil resistivity value was significantly positively correlated with precipitation; ④Integrated lightning protection facilities construction technologies， such as simulation trees， emergency shelters and single rural residential lightning protection facilities were used to create a regional protection system for thunderstorm path interception， and a new all-round and three-dimensional regional lightning protection and disaster reduction model in rural Hunan province was established.

Key words： lightning; rural lightning disaster; defense key technology; application demonstration

中國每年因雷電災害造成的死亡人數中90%以上的受害者來自于農村。湖南是全國雷電災害最為嚴重的省份之一，據不完全統計，每年發生雷災事故約100余次，其中農村因雷電災害造成的傷亡人數占比最大。湖南省溆浦縣葛竹坪鎮山背村是一個有名的“雷擊村”，1979—1997年雷擊造成11人死亡、245人受傷，該情況逐步引起了各級黨政領導的高度重視，要求相關部門采取有效措施解決山背村雷電災害防御問題，因此，農村雷電災害防御關鍵技術的研究與應用示范就此展開。本研究系統性分析了湖南省雷電災害發生規律，研究創建了農村雷電災害防御關鍵技術指標及綜合防御技術方法，研制發布了國家強制性標準[1]。項目成果在應用中不僅讓溆浦縣葛竹坪鎮山背村徹底摘除了“天下第一雷擊村”的帽子，也有效提升了湖南省乃至全國農村的防雷減災能力，社會經濟效益顯著。現將該項目研究匯報如下。

1 湖南省雷電活動和雷災特征

基于湖南省97個縣（市）地面氣象觀測站1951—2013年雷暴觀測記錄、2008—2019年湖南省閃電監測數據以及2002—2019年湖南省雷電災情數據，開展了多方位、多視角、多層次的統計分析，系統性地揭示了湖南省雷電災害發生規律：①湖南省年雷暴日數湘南多于湘北、湘西多于湘東，沿南嶺山脈、雪峰山脈為兩條雷暴日高值帶，有名的“雷擊村”就位于雪峰山高值帶內。②全省每個月均有雷電發生，其中4—9月是多發時段，7、8月是高峰期，多集中在15：00—17：00。③低洼地區及土壤電阻率較小和地下水位高的地方易遭受雷擊。④農村建筑選址規劃性不強、結構多樣，安全意識薄弱，雷電防護設施安裝不到位，易因頻繁的雷擊導致事故。⑤農村因雷擊傷亡人數占全省的70%，遠超過城市雷電災害事故造成的人員傷亡數量，其主要原因，一是農田附近缺乏必要的避險場所，二是農村的各類建（構）筑物缺少雷電防護措施 。

2 農村雷電災害防御關鍵技術指標與方法

2.1 制定國家標準《農村民居雷電防護工程技術規范》（GB50952—2013）

基于全國各地農村民居的規模、特點和防雷現狀，總結了各地區農村民居防護工程存在的問題，提出了農村民居防雷建筑物的年預計雷擊次數下限值為0.013次/年，劃定了“一般農村民居防雷建筑物”分類范圍，并明確規定了新建、擴建和改建農村民居的防雷設計、施工要求，對IEC62305和GB50057—2010進行了補充和完善。該標準已實施4年多，對積極推進農村防雷工程建設、大力提升農村雷電災害防御能力、有效減少雷擊農村民居所發生的人身傷亡和財產損失起到了重要作用[2]。

為解決全國農村雷電災害較嚴重的問題，基于數理計算、理論推導等手段及雷閃數學模式和損壞概率值PrWr多次理論驗算，首次提出“一般農村民居防雷建筑物”的防雷分類，并明確了應進行防雷工程設計和施工的農村民居標準范圍[3]，發布農村民居防雷建筑物的年預計雷擊次數下限值，為0.013次/年，并上升為國家標準《農村民居雷電防護工程技術規范》GB50952—2013，填補了國際標準IEC62305—2000和國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057—2010中未涵蓋的“農村民居的防雷”的空白[4，5]。

2.2 建立土壤電阻率測量方法及分析土壤分層結構的方法

在多種不同天氣狀況及土壤含水情況下，分別利用三極法、溫納四極法及對稱不等間距法（巴莫法）對試驗場土壤電阻率進行測量，然后，利用著名軟件CDEGS對測試結果進行數據分析，并將該分析結果與該區域臨近項目的地勘數據進行對比分析。分析結果表明，利用對稱不等間距法（巴莫法）測量的土壤電阻率數據，最能反映試驗場土壤的實際分層情況，具有最佳的穩定性及準確性，提出了將對稱不等間距法（巴莫法）作為土壤電阻率測量的首選方法，而不是行業目前所使用的等間距溫（文）納四極法的結論[6]。同時，也完成了試驗場測量3年內季節變化、溫度、降水等因素對土壤電阻率的影響分析，完成了區域土壤電阻率分布分析系統軟件研發等，研發了區域土壤電阻率分布分析軟件。

首先，對于跨度<120 m的非均勻待測土壤，建立了一種內側極間距與外側極間距的比≥2的對稱非等距四極法的土壤電阻率測量法，并已申報發明專利。建立兩個試驗場時，在多種天氣狀況及土壤含水情況下，采用三極法、溫納四極法、對稱不等間距法（巴莫法）、不等間距法等常用土壤電阻率測量方法測量試驗場土壤電阻率，利用著名CDEGS軟件對測量結果進行數據分析，并將分析結果與該區域臨近項目的地勘數據進行對比分析[7]，全面揭示對于非均勻地質結構，不論區域大小，溫納四極法測量數據不能準確反演土壤分層，而對稱不等間距法（巴莫法）測量數據反演結果與地勘數據有較好的相關性，提出當土壤不均勻、電極間距小于40 m時，優先使用對稱不等間距法測量土壤電阻率，對GB/T17949和GB/T21431等國家標準關于土壤電阻率測試方法的精準性進行補充和完善，以更好地適應因社會發展導致下墊面管線增多和混凝土結構變化的現狀。

其次，研發了區域土壤電阻率分布分析系統，研究了長沙市土壤電阻率變化規律。通過自主研發的軟件，利用多年檢測數據，繪制出長沙市大區域土壤電阻率分布。研究了將小區域土壤電阻率分布網格化，利用塊差值法形成精細化的土壤電阻率分布，形成可用于工程的分析方法，并開發了相應分析軟件。

3 工程應用示范——溆浦縣葛竹坪鎮山背村雷電災害防御體系建設

溆浦縣葛竹坪鎮山背村屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16.3 ℃，年平均日照時間1 800 h，無霜期280 d，年平均降雨量1 539.1 mm，四季分明，氣候溫和。溆浦縣山背村雷災嚴重、下墊面復雜，基于其地形地貌、氣候分布特點、雷電災害特征等，并結合現場測量、實地勘探結果，首次開啟了融合農村雷電災害防御、鄉村振興為一體的農村氣象災害防御新模式，創建以仿真樹、應急避難場所、單棟農村民居防雷設施等雷電防護安全設施為主的全方位、立體式農村大區域雷電防御體系，實現了雷災嚴重、區域范圍大、氣象因素和下墊面情況復雜的條件下農村雷電災害區域防御關鍵技術的成功應用，打造了精準扶貧、鄉村振興、鄉村旅游及農村基礎設施建設新高地[8]。

3.1 山背村氣象基礎數據研究

對湖南省閃電定位監測網2007—2012年以山背村村部所在位置為中心的15 km半徑的閃電監測資料進行統計，結果見表1。由表1可知，共監測到云地閃電6 293條，其中正閃388條，負閃5 905條，每年雷擊密度8.9次/km2。

從地閃統計數據來看，閃電具有密度高、強度大，夏季集中、午后高發等特點。主要集中在6—8月（圖1a），逐時呈現單峰值分布，集中在每天的? 14：00—15：00（圖1b）。最大強度絕對值389.7 kA，最小強度絕對值0 kA，小于5.4 kA的閃電9條，占0.14%，小于10.1 kA的閃電73條，占1.16%，小于15.8 kA的閃電147條，占2.34%。大于150 kA的閃電158條，占2.51%;發生次數相對較多的雷暴主導移動方向依次為SE、S、SW（圖1c），這種現象的形成既有大環境的影響，也有局地強對流天氣的原因。

3.2 土壤特性研究

查閱相關資料確定山背村的土壤類型為成土母巖，有板頁巖和石灰巖，主要土壤類型有紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地草甸土等4種類型。

對山背村土壤電阻率進行測算分析，由表2可知，山頂高于山谷，背風坡高于迎風坡，考慮到測量前2 d天氣晴好，取季節修正系數1.5，修正后的土壤電阻率整體分布在450～3 000 Ω·m。

3.3 山背村區域雷電災害防御設施建設

由于農村地域廣闊、居住分散、經濟基礎相對薄弱，環境復雜多樣，要想實現全面、系統、完善的防雷措施，不僅資金需求大，而且技術要求高、施工難度大[9]。在掌握了該村雷電存在的主要隱患、發生的主要規律、雷暴的主要路徑方位等的基礎上，從雷電區域攔防、居民建筑防雷裝置改造和電器設備感應雷浪涌保護等幾個方面立體式進行防護，盡可能做到投入少、作用大[10]。

3.3.1 區域雷電災害防御建設 結合山背村的氣候特點和地形地貌，以雷暴路徑分布為依據，在山背村外圍選取區域高地及峰谷入口設置通用型仿生樹避雷針，以便將入境的雷雨云提前泄放，減少山背村雷擊次數的發生[11]。考慮到至少需要兩個鐵塔吸引雷雨云電荷，故防雷鐵塔（仿真樹）的設計間距可考慮在500～2 000 m分布，置于區域高地或峰谷入口等地形起伏位置，使得從外圍入境的雷雨云從上空經過。經調查監測，山背村閃電路徑分布較為均勻，因此各個方向均應布防;山背村外圍周長約30 km，經測算，選取16根避雷針（仿真樹），間距1～3 km分布，從16個方向加密布設，可在山背村外圍布防，從而更加有效地攔截外圍漂移過來的雷雨云。

3.3.2 應急避險場所建設 在山背村空曠場所建設災害應急避險亭，為其在雷雨突襲等災害來臨時提供野外避險場所。由于山背村占地面積大，村民勞作范圍廣，多數農田距離民居的步行時間遠不止? 30 min，而人們從肉眼發現雷雨云發生，到發生對地閃擊的時間常在30 min內，按照雷電的物理特征，以1 km為避險亭服務半徑，確保村民在15 min內到達，同時利用現有民居，結合各小組村民與其對應農田的實際分布情況，選取10個地點作為應急避險亭位置。與此同時，在發生山洪、泥石流等地質災害時也可作為臨時應急場所。

3.3.3 完善現有建（構）筑物綜合防雷設施 通過采取安裝接閃器、引下線、地網等措施，完善外部防雷系統;同時設置防電涌侵入、等電位等措施，完善內部防雷系統。完善山背村現有434棟建（構）筑物綜合防雷設施建設，其中，木質結構房屋301棟，磚混結構房屋133棟，保障了山背村建（構）筑物（村民住宅、村辦公場所、學校、村民活動學習場所等）、人員和電器設施防雷安全。

3.4 山背村綜合防雷安全應用效果研究

基于整體防御效果，以及與山背村的自然景觀相融合的問題，從安全、經濟實用的角度出發，在山背村外圍選取區域高地及峰谷入口設置通用型仿生樹避雷針，將入境的雷雨云雷電流進行提前泄放;根據風險評估結果得出山背村雷電對地閃擊的時間大約在30 min內，選取1 km為避險亭服務半徑;根據當地歷史雷災特點，選取10個地點建設雷電災害應急避險亭。最終建立集區域內雷電災害防御、建設應急避險場所、完善現有建（構）筑物綜合防雷設施等手段為主的雷電災害綜合防御體系，使雷電災害風險值低于容許值，即小于1E-05（表3）。通過本項目實施后，雷電災害風險值低于容許值，當地防雷災害防御能力得到了進一步的完善，為山背村人民群眾生產與生活活動提供防御安全。同時，項目的實施可為湖南省在農村雷電災害防御建設起到重要的示范作用，乃至為全國樹立樣板工程。

4 小結與討論

項目成果不僅在湖南省溆浦縣山背村開展了示范，也應用到住建、農業、氣象、林業、生態、能源、衛生、交通、旅游等領域和各級政府決策部門，尤其是為長沙市軌道交通、溆浦縣山背村雷電災害防御、張家界新一代天氣雷達建設等項目提供了高質量的技術服務，取得了顯著的社會效益及生態效益。

但是，針對大范圍區域性雷電災害防御作為系統性工程建設項目，目前社會需求（重點雷擊村、雷擊頻發旅游景區、林區、大型多功能區等）與科技支撐力量薄弱矛盾，如何科學、合理、有效地開展并推廣防雷電科技新成果、新技術，是下一步努力的方向。

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