宣城市農村雷電災害特征及防護技術研究

何桂霞，季菊香

（宣城市氣象局 安徽，宣城 242000）

雷電是自然大氣中超強、超長放電現象。雷電發生時，其強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場，以及強烈的電磁輻射等，給人類社會帶來極大的危害，造成人員傷亡、起火爆炸、嚴重損失[1]。雷電災害被聯合國國際減少自然災害十年（IDNDR）公布為 “十種最嚴重的自然災害之一” 。無論從造成的傷亡人數，還是從所造成的財產損失，雷電災害都已成為我國的主要自然災害之一[2]。雷電災害的危害程度和經濟損失以及社會影響越來越大[3]。近年來，隨著閃電探測手段的提高和雷電防護技術的日趨進步，科技工作者對閃電形成機制、特征、活動規律、雷電災害及防御進行了大量分析研究[4-13]。

宣城市屬南北氣候過渡帶，是冷暖空氣頻繁交匯的地區，地形南高北低，且多為山區和丘陵地帶。特殊的地理位置、復雜的氣候條件和地形特點，導致境內雷電活動頻繁，雷電災害發生率高[14]。城區主要表現為電子信息系統損壞（毀），人員傷亡、建筑物受損主要發生在農村。本研究分析了宣城市農村地區雷電災害特征，以雷擊村為案例，研究農村雷電防護技術。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來源于宣城市氣象局收集的2004～2020年雷電災害資料，資料記錄了雷電災害發生時間、地點、受災對象所處位置及周圍環境、天氣背景資料、損失情況等。閃電資料來源于安徽省ADTD閃電監測系統2010～2020年的閃電定位資料，系統有合肥、阜陽、蚌埠、六安、安慶、宣城、黃山7個子站。

1.2 研究方法

1.2.1 利用2004～2020年宣城市雷電災害資料，統計分析宣城市農村雷電災害發生規律、特征。

1.2.2 對2010～2020年宣城市閃電定位資料進行分析、處理，結合孕災環境，利用ArcGIS繪制雷電致災危險性分區圖。

1.2.3 選取1個典型雷擊村，根據其地形、地質、土壤、環境和雷電活動規律，結合區域雷電致災危險性等級，研究雷電防護技術。

2 宣城市農村雷電災害特征

如表1所示，2004～2020年宣城市共發生雷電災害202起，其中農村雷電災害76起，占比37.6%；雷電災害傷亡28人，其中農村傷亡25人，占比89.3%；建筑物受損25起，全部發生在農村。城市雷電災害主要表現為電子信息設備損壞，農村雷電災害主要表現為人員傷亡、建筑物受損。

表1 2004～2020年宣城市雷電災害統計表

2.1 時間分布特征

2.1.1 雷電災害月分布特征 由圖1得出，宣城市4～8月是雷電災害高發期，占比96.5%；農村雷電災害高發期為6～8月，占比78.9%，以7月最多，占比35.5%。

圖1 雷電災害月分布

2.1.2 雷電災害年分布特征 由圖2得出，宣城市雷電災害年分布呈單峰型，最多年份為2006年。2011年之前雷電災害次數多，表現為電子信息設備、家用電器損失多，占比62.3%，主要原因是電子信息系統防雷措施尚不完善。2013年開始雷電災害次數明顯減少，究其原因，主要是城市建筑物以及電子信息系統防雷措施的日益完善。2019年之后，雷電災害主要發生在農村，表現為電器受損、建筑物受損，但無人員傷亡，說明隨著防雷減災知識的不斷普及，農村地區人們的雷電防護意識有所提升。

圖2 雷電災害年分布

2.2 人員傷亡空間分布特征

由表2可知，宣州區傷亡人數最多，旌德縣年均傷亡率最高，雷電災害人員傷亡主要發生在農村，傷亡人數為25人，占比89.3%。以鄉鎮為單元，以年平均雷電災害傷亡人數為基數，得出雷電災害人員傷亡空間分布。由圖3可知，宣州區水陽鎮、旌德縣旌陽鎮傷亡人數最多。

圖3 雷電災害人員傷亡空間分布

表2 2004～2020年各縣市區雷電災害人員傷亡統計表

2.3 人員傷亡環境特征

雷電災害的發生與環境密切相關，農田、水塘、水陸交界處、空曠地帶、地勢高處等都是易遭雷擊區域。圖4給出了雷電災害人員傷亡環境分布情況，由圖4可知，雷電災害人員傷亡發生在野外的有24人，占比85.7%，以在田間勞動居多，有12人，占比42.9%。

圖4 雷電災害人員傷亡環境特征

3 雷電致災危險性分布與雷電災害人員傷亡分布的關系

對2010～2020年宣城市閃電定位資料進行分析、處理，結合孕災環境，利用ArcGIS繪制宣城市雷電致災危險性分區圖（圖5），與雷電災害人員傷亡空間分布（圖3）進行對比分析，結果表明，雷電災害人員傷亡都分布在高危險區和較高危險區，兩者具有較好對應關系。因此，在制定雷電防護措施時，需綜合考慮對應區域的雷電致災危險性等級。

圖5 宣城市雷電致災危險性分區圖

4 農村雷電災害防護技術研究

選取1個雷擊村為案例，研究農村雷電災害防護技術。宣城市宣州區古泉鎮章扎村民組位于古泉鎮西部，地勢較高，周圍開闊，面積0.67km2，共有31棟民房。章扎村雷電災害嚴重，是典型的雷擊村，多戶村民家中都遭受過雷擊，導致人員傷亡、建筑物受損、家用電器損壞、配電線路損壞（毀）等。基于章扎村地形、環境、土壤和雷電環境特征等，結合雷電致災危險性等級，制定雷電防護技術體系。

4.1 章扎村雷電環境特征

采用2010～2020年宣城市閃電定位資料，對章扎村村民汪衣香房屋所在位置為中心（118°36′18″E、30°59′25″N）的15km范圍內閃電監測資料進行統計分析，得出雷電流幅值分布（表3）、閃電日變化特征（圖6）、月變化特征（圖7）、雷電路徑（圖8）。

由表3可知，共監測到云地閃6067個，雷電流幅值主要分布在10～80kA，占比92.67%，其中以20～40kA居多，占比47.29%。

表3 雷電流幅值分布

閃電日變化呈單峰型，主要集中在13∶00～18∶00，峰值出現在14∶00～15∶00（圖6）。閃電月變化呈單峰型，主要集中在6～9月，峰值出現在7、8月（圖7）。閃電主導方向為NE，次主導方向為SW（圖8）。

圖6 閃電日變化特征

圖7 閃電月變化特征

圖8 雷電路徑

4.2 章扎村土壤特性

章扎村土壤類型為紅壤。采用四點等距法（溫納法）測量土壤電阻率，測量時土壤干燥，取季節修正系數1.5，修正后的土壤電阻率在200～400Ω.m之間（見表4）。

表4 土壤電阻率

4.3 章扎村雷電防護技術

由圖5可知，章扎村雷電致災危險性為較高等級，根據章扎村地形、環境、土壤和雷電活動規律等，結合雷電致災危險性等級，從區域雷電攔截、應急避險場所建設、村民房屋安裝雷電防護裝置等，采取雷電防護措施。

4.3.1 區域雷電攔截 結合地形，依據雷電路徑，在章扎村外圍選取地勢高處設置仿生樹接閃桿，以攔截雷電。章扎村雷電路徑主要分布在NE、SW、W、SE方向，在這4個方位選取高地各設置1根高度為45m的仿生樹接閃桿，有效攔截從外圍入侵的雷電。

4.3.2 應急避險場所建設 在田間地頭等適當位置建造避雷亭，供村民野外避險。考慮到章扎村面積小，最遠處農田距離村民房屋步行時間在30min以內，從人們肉眼看到雷雨云發生，到發生對地閃擊的時間通常在30min以內。考慮到多數村民在勞作時不一定會看到雷雨云發生的初始階段，根據雷電物理特性，以300m為半徑，建設應急避雷亭，確保村民在10min內能到達。根據農田的實際分布情況，選取3個地點建設避雷亭。

4.3.3 村民房屋安裝雷電防護裝置 章扎村共有31棟村民房屋，均為磚混結構、屋頂為木質檀條蓋瓦。入戶電源線路直接從室外電線桿架空引入，未接地。無任何防雷措施。

經計算，31棟建筑物年預計雷擊次數在0.05～0.25次/a之間，考慮到章扎村雷電致災危險性等級為較高危險區，故按第二類防雷建筑物設計，電源線路按C級防護。從直擊雷防護、等電位連接、電源線路埋地引入、安裝電涌保護器等采取綜合防雷措施。

5 章扎村雷電災害風險值對比

章扎村遭受雷擊損失類型主要考慮人身傷亡損失L1，雷擊風險為R1。經計算，未采取雷電防護措施時，章扎村雷電災害風險為2.17E-04，大于風險容許值；采取雷電防護措施后，雷電災害風險為6.51E-06，小于風險容許值（見表5），起到有效防護作用。損失類型為L1時，風險容許值RT確定為E-05[15]。

表5 風險值對比

6 結論與討論

2004～2020年宣城市共發生雷電災害202起，其中農村雷電災害76起，占比37.6%；雷擊傷亡28人，其中農村雷擊傷亡25人，占比89.3%；建筑物受損25起，全部發生在農村。城市雷電災害主要表現為電子信息設備損壞，農村雷電災害主要表現為人員傷亡、建筑物受損。雷電災害人員傷亡都分布在雷電致災高危險區和較高危險區。

農村雷電災害高發期為6～8月，占比78.9%；雷電災害的發生與環境密切相關，農田、水塘、水陸交界處、空曠地帶、地勢高處等都是易遭雷擊區域[16]，雷電災害人員傷亡發生在野外的有24人，占比85.7%，以田間勞動居多，有12人，占比42.9%。

以雷擊村章扎村為案例，分析其地形、環境、土壤和雷電環境特征等，結合雷電致災危險性等級，從區域雷電攔截、應急避險場所建設、村民房屋安裝雷電防護裝置等方面，采取雷電防護措施。

對章扎村安裝雷電防護裝置前后雷電災害風險值進行對比，結果表明，未采取雷電防護措施時，章扎村雷電災害風險為2.17E-04，大于風險容許值；采取雷電防護措施后，雷電災害風險為6.51E-06，小于風險容許值，起到有效保護作用。

農村地域廣闊，地形多樣復雜，針對不同區域，如何科學有效地開展農村雷電防護新技術研究，是下一步努力方向。