劍門蜀道古柏雷電防護對策研究

摘要 劍門蜀道古柏極具自然歷史人文價值。為做好古柏的雷電防護，通過確定古柏雷擊風(fēng)險，運用近年來國內(nèi)對森林雷擊火災(zāi)防御的研究理念，分析了研究劍門蜀道古柏的分布特點和區(qū)域內(nèi)的雷電路徑、雷電活動特征，并提出了對古柏的雷電防護采取先期在翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地、石洞溝安裝雷電防護裝置，同時配合安裝雷電監(jiān)測、預(yù)警裝置為劍門蜀道古柏后續(xù)的雷電防護工程提供研究數(shù)據(jù)的對策。

關(guān)鍵詞 古柏；雷電活動；雷電防護

中圖分類號：S761.5 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）05–0179-03

Countermeasure Research Lightning Protection Measures of Ancient Cypress in Jianmen Roads Toward Shu

Hou Lin-song et al（Guangyuan Meteoro-

logical Bureau， Guangyuan， Sichuan 628017）

Abstract The ancient cypress of Jianmen Roads Toward Shu has great natural， historical and cultural value. In order to do a good job in the lightning protection of ancient cypress， by determining the lightning risk of ancient cypress， using the domestic research concept of forest lightning fire prevention in recent years， analyzed the distribution characteristics of ancient cypress in Jianmen Roads Toward Shu and the lightning path and activity characteristics in the area， and proposes that the lightning protection of ancient cypress should be installed in the Cuiyun Corridor scenic area， the ancient cypress protection area of the barrier wall， and the Shidong ditch in advance， and cooperate with the installation of lightning monitoring The early warning device provides research data and countermeasures for the subsequent lightning protection project of ancient cypress in Jianmen Roads Toward Shu.

Key words Ancient cypress; Lightning activity; Lightning protection

古代歷史上的蜀道，是由長安通往蜀地的一條交通要道，早在秦漢時期就開始在劍門蜀道兩旁人工種植行道柏樹，至今存活有近7 800余棵，主要分布在劍閣縣漢陽鎮(zhèn)翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地、石洞溝及縣內(nèi)南部國道108線兩側(cè)，極具自然歷史人文價值。作為影響古樹名木生長的自然因素之一，雷電會導(dǎo)致樹木折斷、起火甚至是死亡。隨著各級政府對古樹名木保護的重視，相繼出臺了古樹名木保護條例。按照《四川省古樹名木保護條例》《廣元市劍門蜀道保護條例》相關(guān)規(guī)定，95.9%的劍門蜀道古柏屬于一級古樹，實行一級保護，應(yīng)設(shè)置雷電防護裝置。古樹名木的雷電防護不同于建筑物的防雷設(shè)施一成不變，需要充分考慮樹木的生長特性。目前對于孤立或多株集中的古樹名木，其的雷電防護有較為成熟的理論和完善的工程性措施，李兆華等[1]提出采用不同類型的接閃裝置對單株、多株古樹名木實施防雷保護的技術(shù)要求和方法；王海蕓[2]探討古樹采用獨立避雷針進行防護的必要性和避雷針安裝的位置；黃聲錦等[3]古樹名木雷電防護技術(shù)分析等。這些研究主要是針對單株或多株古樹名木，對于劍門蜀道古柏這種數(shù)量多、分布面積廣的古樹名木雷電防護，若直接采用上述措施需耗費大量的人力、物力、財力，這顯然不符合社會、經(jīng)濟效益的發(fā)展要求。通過確定古柏雷擊風(fēng)險，運用近年來國內(nèi)對森林雷擊火災(zāi)防御的研究理念，分析特定區(qū)域內(nèi)的雷電活動狀況，提出了適宜的劍門蜀道古柏雷電防護對策。

1 劍門蜀道古柏的雷擊風(fēng)險

劍門古柏生長于古蜀道兩側(cè)，按照山形溝壑走勢走向，由北向南綿延150 km，呈線型帶狀分布，古柏既有聚集分布也有零星分布。蜀道古柏的栽種始于秦漢時期，生長時間較長，平均樹齡達864年，較之周圍環(huán)境相對孤立、高聳。古柏平均高度為17.5 m，最高為33.4 m；樹冠平均直徑9.7 m（表1）。古柏所生長下墊面土壤為黃壤土，因蜀道兩側(cè)長期受到保護土壤腐殖質(zhì)較多，土壤電阻率較?。还虐厮幍乩砗０挝恢锰幱趶V元市雷電活動最為頻繁的海拔區(qū)間[4]。

古柏受到雷擊的風(fēng)險與其高度、冠幅、所處地理位置密切相關(guān)。楊磊等[5]古樹名木雷電災(zāi)害防御研究認為對于單棵古柏的年預(yù)計雷擊次數(shù)N可以表示為：

N=KⅹN_gⅹA_g （1）

其中，K表示古柏所處位置的修正系數(shù)，古柏相對周圍環(huán)境相對孤立、高聳取值為2；N_g表示年雷擊大地密度，根據(jù)雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析按照古柏分布區(qū)域內(nèi)雷電密度的最小值3.57（次/km²/年）[6]；A_g表示古柏的雷擊等效面積取古柏生長特性的平均值進行計算，在擴大寬度后等效面積A_g的計算結(jié)果為：0.012 km²。

2 劍門蜀道古柏雷電防護設(shè)計思路

自“3·30”四川省涼山州木里雷擊森林火災(zāi)后，為了預(yù)防森林雷擊火災(zāi)，研究提出了應(yīng)用現(xiàn)代氣象觀測資料和閃電定位技術(shù)，分析特定區(qū)域的天氣系統(tǒng)、雷電活動特征，可以在適當(dāng)位置選取安裝雷電防護裝置主動吸引雷擊電流，進行有效攔截，降低特定區(qū)域內(nèi)樹木被雷擊概率的防雷安全新技術(shù)理念。該技術(shù)理念目前已在部分森林區(qū)域開展了一定范圍的嘗試，例如重慶綦江區(qū)郭扶鎮(zhèn)鳳凰山森林防雷工程已通過專家論證。

劍門蜀道古柏分布位于四川省北部，主要為廣元市西南的劍閣縣境內(nèi)，處于中緯度地區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。雷電是在一定天氣系統(tǒng)背景下發(fā)生自然天氣現(xiàn)象，四川天氣系統(tǒng)與西風(fēng)帶環(huán)流關(guān)系密切，絕大部分雷暴路徑移動方向與中緯度西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)移動路徑基本一致[7-8]。在劍門蜀道古柏分布區(qū)域雷電活動最為活躍的季節(jié)盛行偏南風(fēng)，利用四川省雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)以疊加方式對比了2個時間段（2021年9月26日、2022年7月31日）雷電活動的過程的初始空間分布、中間過程空間分布、結(jié)束空間分布，初始雷電發(fā)生在綿陽境后沿西南方向經(jīng)梓潼，由劍閣進入廣元（圖1）。劍門蜀道古柏所在區(qū)域的雷電路徑主要是以西南方侵入為主。劍門蜀道古柏大體由北向南分布，與雷電路徑基本保持一致，選擇沿古蜀道以10 km為間距在翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地、石洞溝、龍源鎮(zhèn)小石口、白龍鎮(zhèn)禾豐健全、鼓樓村段周邊設(shè)置雷電防護裝置進行分段攔截。考慮經(jīng)濟性、科學(xué)性以及雷擊風(fēng)險影響因子先期在人員活動頻繁、有雷擊史的翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地、石洞溝3個區(qū)域設(shè)置雷電防護裝置，同時進一步開展雷電活動的監(jiān)測和預(yù)警，為劍門蜀道古柏的雷電防護積累經(jīng)驗。

3 雷電防護裝置安裝的選址

3.1 雷電活動特征

翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地、石洞溝古柏分布在廣元市雷電高易發(fā)區(qū)（圖2）。翠云廊、石洞溝南側(cè)雷電流強度較大，攔馬墻東南、北部的雷電流強度較大。表2為不同區(qū)域10、3 km半徑范圍內(nèi)雷電活動狀況，在10 km范圍內(nèi)翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地雷電活動在區(qū)域的南側(cè)和東側(cè)較為頻繁，石洞溝雷電活動分布均勻。越靠近古柏群翠云廊景區(qū)南側(cè)、攔馬墻古柏保護地雷電活動越為頻繁，其雷電流強度也較之增大；石洞溝雷電密度較周邊有一定的減弱，雷電流強度有所降低。雷電流強度大、活動頻繁的區(qū)域是布置雷電防護裝置的首選區(qū)域。

3.2 地形特點

劍門古蜀道沿山形溝壑走勢綿延在劍閣縣境內(nèi)。翠云廊古柏位于山梁的西側(cè)，呈西南至東北走向，其海拔最高點是位于南側(cè)的翠云亭；現(xiàn)有的接閃塔分別布置在南側(cè)山梁較高位置。攔馬墻古柏沿山體中部，呈東西走向海拔逐步降低；古柏南側(cè)有一山梁是該區(qū)域的海拔最高點，同時也是周邊環(huán)境的制高點。石洞溝古柏沿山頂向山底，海拔高度相差較大；一村道將石洞溝古柏分為上下兩部分，交通狀況差且山體坡度對施工影響較大。為便于提前接閃攔截雷電，地形的高點或接閃裝置能夠突出的位置是布置雷電防護裝置的首選區(qū)域。

3.3 雷電防護裝置布置區(qū)域

通過分析相關(guān)區(qū)域雷電活動、地形狀況、雷擊點分布、天氣系統(tǒng)的路徑。在翠云廊景區(qū)檢測原有接閃塔和翠云樓頂部接閃桿，確保雷電防護裝置運行正常，在原雷電防護裝置運行正常的情況下在漢德驛廣場外圍新建接閃塔，同時在翠云古碑附近區(qū)域新建接閃塔。在攔馬墻古柏保護地沿南側(cè)山脊布置接閃塔，考慮到此處2次遭受雷擊，可在雷擊點上方、下方位置各布置接閃塔。在石洞溝雷擊點附近或南側(cè)的山頂布置接閃塔。

4 雷電防護裝置的選擇

劍門蜀道古柏平均高度為18 m，最高為34 m，考慮項目的科學(xué)、經(jīng)濟性，雷電防護裝置—接閃塔采用35 m高四角熱鍍鋅鐵塔，塔頂安裝接閃器具有提前放電功能的接閃桿，以便向上先導(dǎo)的形成，提高主動接閃的概率，同時在塔各方位適當(dāng)位置增設(shè)接閃短桿。為古柏樹雷電防護提供驗證數(shù)據(jù)，在接閃塔引下線配合安裝雷電波形記錄儀，測量雷擊電流的特性參數(shù)，記錄雷電擊中接閃塔的過程。

劍門蜀道古柏下墊面土壤的電阻率較小，要求接地電阻值≤10 Ω。增設(shè)人工接地網(wǎng)呈放射式布置，古樹道兩側(cè)50 m為劃定的保護范圍，設(shè)置護欄、警告牌作為防接觸電壓和跨步電壓的措施。在選購降阻材料時，優(yōu)先選用環(huán)保無腐蝕性的材料，避免對古柏生長的原始生態(tài)環(huán)境造成影響。

為便于劍門蜀道古柏的雷電防護研究同時考慮到翠云廊現(xiàn)為國家4A級景區(qū)，游客活動頻繁，該區(qū)域內(nèi)安裝較為密集的接閃裝置，容易產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，威脅游客、工作人員的人身安全。可在景區(qū)建設(shè)1套雷電監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，在發(fā)生雷電天氣前，提前預(yù)警，疏散人員，避免出現(xiàn)安全事故。該系統(tǒng)記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，也能夠為劍門蜀道古柏后續(xù)的雷電防護工程提供研究數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

（1）通過計算劍門蜀道古柏的年預(yù)計雷擊次數(shù)達三類防雷要求，遭受雷擊時會產(chǎn)生巨大熱量，造成古柏內(nèi)部炸裂，甚至導(dǎo)致樹木燃燒。

（2）在大面積古樹名木的防雷工程技術(shù)還未成熟的情況下，劍門蜀道古柏的分布特點及其區(qū)域雷電路徑、雷電活動特征能夠與區(qū)域防雷的理念有較好的契合，可以作為雷電防護的理論依據(jù)。

（3）劍門蜀道古柏的雷電防護可以先期在翠云廊景區(qū)、攔馬墻古柏保護地、石洞溝安裝雷電防護裝置，同時配合安裝雷電監(jiān)測、預(yù)警裝置為劍門蜀道古柏后續(xù)的雷電防護工作提供研究數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1] 李兆華，莊嘉，劉平英，等.古樹名木的雷電防護標準研究[J].西部林業(yè)科學(xué)， 2014，43（6）：163-167.

[2] 王海蕓.從通海秀山風(fēng)景區(qū)防雷方案談古樹、古建筑群雷擊防護[J].廣西氣象， 2006（S2）：115-116.

[3] 黃聲錦，陳躍清，施宗強，等.古樹名木雷電防護技術(shù)分析[J].福建熱作科技， 2021，46（3）：40-42.

[4] 侯林松，曹廣成，李志明，等.廣元市雷電易發(fā)區(qū)的特征分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（28）：75-77.

[5] 楊磊，強玉華.古樹名木雷電災(zāi)害防御研究[J].安全，2021，42（11）：57-61.

[6] 侯林松，王璐思，曹廣成，等.廣元市雷電易發(fā)區(qū)的劃分[J].河南科技，2021，40 （15）：141-143.

[7] 四川省氣象局.四川天氣預(yù)報手冊[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2014.

[8] 崔雪東，張衛(wèi)斌.2007—2017年浙江省雷暴路徑時空特征分析[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2021，37（1）：59-66.

責(zé)任編輯：黃艷飛