河南省2007—2016年雷电灾害特征分析和区域灾情评估

2019-10-21程丽丹

农业灾害研究 2019年5期

摘要根据河南省2007—2016年雷电灾害资料，分析了河南省123个县级行政单位的雷电灾分布特征，讨论了雷灾分布与地闪分布的关系，并从雷灾记录中提取了3个灾度指标，利用熵权综合评价模型对河南省123个县级行政单位的区域雷电灾情进行评估，对雷电灾害灾度空间分布做了等级划分。结果表明，2006、2007、2008和2011年为雷电灾害高发年份;全省的雷灾主要集中在6—8月，8月最多;城市的雷灾次数明显多于乡村地区;电力、通讯、石化、金融和文教为全省主要雷电灾害损失行业。综合灾情指数G分布反映了不同地区受雷电灾害的严重程度，其中焦作市区、济源市区、鹤壁市区、信阳市区、商水县、浚县、开封市祥符区（原开封县）和方城县为受灾较重的地区。该文为区域防雷减灾规划提供了科学依据。

关键词雷电灾害;雷灾特征;灾度;熵权综合评价模型

中图分类号：P429 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）05-032-04

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.05.015

Characteristics Analysis and Regional Damage Evaluation of Lightning Disaster in Henan Province

CHENG Li-dan（Henan Meteorological Disaster Prevention Technology Center，Zhengzhou，Henan 450003）

Abstract According to the lightning data from 2007 to 2016 and disaster data in Henan Province，the distribution of lightning disasters in 123 counties of Henan Province was analyzed，and the relationship between the distribution of lightning disasters and ground flashes was discussed. Three evaluation indices were selected to present a comprehensive assessment for the lightning disasters in 123 counties of Henan Province，with the entropy weight synthetic evaluation model used for natural disaster assessment. Comprehensive disaster index G of 123 counties was divided into 4 levels. The results showed that 2006，2007，2008 and 2011 were the high incidence years of lightning disasters. Lightning disasters mostly occurred in June，July and August. Cities suffered from more lightning disasters than villages. Power，communication，petrochemical，financial and cultural industries were the main lightning disaster loss industries in Henan Province. The distribution of comprehensive disaster index G reflected the severity of lightning disaster in different areas. Jiaozuo City，Jiyuan City，Hebi City，Xinyang City，Shangshui County，Junxian County，Xiangfu District of Kaifeng City （formerly Kaifeng County） and Fangcheng County were heavy lightning disaster areas. This paper provided a scientific basis for regional lightning protection and disaster reduction planning.

Key words Lightning disaster;Characteristics of lightning disaster;Disaster degree;Entropy weight synthetic evaluation model

雷电灾害是联合国公布的10种最严重的自然灾害之一，也是目前我国十大自然灾害之一，被称为“电子时代的一大公害”。近年来，随着社会经济的发展，以及耐压水平低、价值高的微电子设备的广泛应用，雷电危害造成的损失和影响也越来越大。据保守估计，我国每年因雷电灾害造成的直接经济损失达数亿元，而由此造成的间接经济损失则难以估计[1]。随着我国经济和现代化科学技术的飞速发展，雷电灾害所造成的社会损失也日益凸显，因此研究雷电灾害特征和进行灾情评估对于防雷减灾工作具有重要意义。

近年来，国内的不少学者对区域性雷电灾害特征和灾情评估进行了研究分析，马宗晋等根据我国自然灾害的实际情况，提出了“灾度”概念，并用自然灾害的灾度等级判别方法来进行灾情评估[2];张兰生等将致灾因子、承灾體等7个因子进行综合，得到全国6个地区26个区93个小区的灾害区划方案[3];高燚等通过分析统计我国雷击致人伤亡特征，对全国的雷灾易损度进行了评估区划[4];郭虎等将卫星雷电资料和雷电灾害资料相结合，分析了北京地区雷电灾害的时空特征，总结出北京市雷电灾害评估模式[5-6]。殷娴等通过层次分析法（AHP法）建立灾情评估层次模型和灾度评估方程计算灾度值，并利用SAS中聚类分析过程对灾度进行分级，分析各级雷灾在云南各地区的分布情况[7];朱浩等利用熵权综合评价模型对安徽省的区域雷电灾情进行评估[8]。

河南地处中纬度地带，位于我国中东部，地形复杂，有山地、平原、丘陵等。河南地跨暖温带和北亚热带两大自然单元，处于我国东部季风区内，四季分明、雨热同期、气候复杂多样，雷电是常见的气象灾害之一，每年都会造成较大的经济损失和人员伤亡[9]。为了有效规避风险，达到优化资源配置，为防灾减灾工作提供理论支持，开展河南省雷电灾害特征分析和区域灾情评估非常必要。

1 資料与方法

1.1 资料来源及处理

河南省雷电灾害统计资料来源于《全国雷电灾害汇编》和全省各地市上报的统计结果，鉴于雷电灾害的突发性和随机性较强，雷电灾害上报收集工作复杂，部分地区雷电灾害记录难免存在不规范和缺失的情况，因此该文采用的是全省雷电灾害的不完全统计结果，对灾情资料进行分类和处理，可基本确保灾情资料的代表性。

为了更加直观地了解到21世纪以来河南省的雷电灾害年分布情况，雷电灾害年分布特征所用年雷灾起数统计数据为2000—2016年，由于2000—2007年的其他雷灾相关数据不够详实，故除“2.1”外的文章其他部分所用统计分析数据仍为2007—2016年。

闪电定位资料来源于河南省ADTD闪电定位系统2007—2016年的测量数据。利用Matlab软件对闪电定位资料进行格点化处理，利用Arcgis软件进行数据插值和可视化出图，通过图层叠加，对雷灾数据和闪电定位数据的时空分布、雷灾综合评价指数的空间等级分布进行作图。

1.2 主要研究方法

在对河南省区域雷电灾害灾情评估时主要采用的是熵权综合评价模型。熵权综合评价模型是一种基于熵权理论和综合指数法相结合的方法，可对自然灾害灾情进行综合评价和研究。该方法已应用于我国的台风、地震等灾情评价中，具有很好的效果[10]。

当某次灾情评价共有m个评价指标，n个评价对象，其计算模型为：

Gi=■wj×xij，i=1，2，…，n（1）

式中，Gi为每个对象的灾情综合评价指数;xij为将评价指标归一化后第j个指标的无量纲化值;wj为第j个指标的权重值;xij和wj的计算方法如下。

（1）将n个评价指标和m个评价对象构造总评价矩阵：R=（rij）m×n，i=1，2，…，n;j=1，2，…，m。对矩阵R进行归一化处理，得到无量纲化值xij，公式为xij=■。

（2）定义熵。在有m个指标、n个被评价对象的评估问题中，第i个指标的熵为hi=-k■fijlnfij，式中fij=rij/■rij，其中，k=1/lnn，当fij=0时，令fijlnfij=0，求得fij的值。

（3）定义熵权。定义了第i个指标的熵之后，可得到第i个指标的熵权：

Wi=■（0≤wi≤1，■wi=1）

（2）

2 结果与分析

2.1 河南省雷灾分布特征

2007—2016年河南省境内共发生雷电灾害事故757起，因雷击造成65人死亡，40人受伤，造成直接、间接经济损失达6 000余万元。雷电灾害事故多发生在下午至晚上;人员伤亡事故大多发生在开阔的旷野地带或者没有完善防雷设施的室内;伤亡人员基本为农村群众，城市雷灾主要是通信、电子设备及其他弱电设备的损失。

2.1.1 年分布特征由图1可知，雷灾次数呈单峰特性。从2001年开始雷灾次数逐年增加，至2006年陡增至高峰，达到317次。随后又逐年减少，至2009年大幅度减少至100次以下，2011年有所抬升，达101次。2012—2016年雷灾次数从33次减少到近几年的个位数。究其原因，21世纪以来随着城镇化规模的扩大和电子信息技术的迅速发展，电子化集成程度越来越高，电子元件耐压水平低、抗干扰能力弱，为雷击电磁脉冲提供了较好的孕灾条件，而雷电防护措施尤其是对电子信息系统的雷电防护措施尚不完善。近几年雷灾次数减少的原因，一方面闪电频数和雷暴日数确实没有往年多，另一方面社会大众的雷电防护意识逐渐加强，雷电防护措施尤其是对电子信息系统的防护措施正逐渐完善，全省的雷电防护工作取得了一定成效。另外也与上报单位近几年对雷灾上报的重视程度有一定关系。

2.1.2 月分布特征由图2可知，河南省的雷灾主要集中在6—8月，约占雷灾总数的80.5%，其中8月雷灾次数最多。结合河南省闪电定位资料发现，全省的闪电也主要发生在6—8月，约占总闪电频数的88.6%，其中8月闪电最多，约占总闪电频次的45.4%。由此可以看出，雷灾次数与闪电频数的月变化有较好的一致性。

2.1.3 地域分布特征为了研究河南省雷灾的空间分布特征，以县为基本行政单位，以年平均雷灾次数来衡量不同地域的雷灾发生频率（图3）。河南省大部分的县（包括县级市）年平均雷灾次数均不超过2次。其中焦作市最多，为5.2次/年，其次是方城县，为5次/年。另外，郑州市、开封市、安阳市、鹤壁市、焦作市、济源市、平顶山市、信阳市及个别市辖县平均雷灾次数超过3次/年，为全省雷灾高发区。

从图4和图3的对比可以看出，大体上闪电活动较多的地区雷灾发生次数也较多。如西北焦作和新乡部分地区、南阳和驻马店部分地区。但有些地区，安阳部分地区、开封市和罗山县等雷电活动相对较少，但发生雷灾次数却较多。周口部分地区、南阳中部地区雷电活动较多，但发生雷灾次数却较少。这说明雷电灾害的发生不仅与自然雷电活动分布有一定的关系，还与地区的经济发展结构与水平、雷电防护水平等因素有关。

由图5可知，河南省平均地闪强度较大的地区主要位于接近省界的周边地区，如濮阳、商丘、周口、信阳、南阳和三门峡的大部分地区大都在32 kA以上。强度较小的地区主要位于中部偏西，如焦作、郑州、许昌和平顶山的大部分地区及洛阳南部。与图4相比，总的来说，闪电强度较大的地区，闪电密度会较小，这主要和电荷守恒有关，总电荷是一定的，一旦闪电发生的次数多，单次闪电释放的能量就少，相反，闪电较少时，各次闪电中和的电荷就较多[11]。

2.1.4 城乡分布特征将河南省2007—2016年的雷灾资料按灾害的损失类型及城市和乡村分类进行统计，发现城市的雷灾次数明显多于乡村地区，城市的雷灾次数约占总雷灾次数的68.6%，乡村地区雷灾次数仅占总雷灾次数的31.4%。从雷灾造成的损失类型来看，乡村地区的伤亡人数占总伤亡人数的82.9%，乡村地区雷灾造成的人员伤亡占乡村总雷灾次数的46.6%，而城市雷灾造成人员伤亡仅占城市总雷灾次数的5.1%。发生在城市的雷灾以造成物理损害（电气和通信产品设施损坏）和经济损失为主。由此可见，乡村地区的雷击风险主要为人员伤亡，且大都发生在夏季户外区域，城市区域的雷击风险主要为物理损害和经济损失。这说明农村地区相关直击雷防护措施不完善，群众的防雷意识较淡薄，处于户外的人员在雷暴来临前不能采取有效的防御措施，在树下、田间等区域避雷躲雨导致雷击人身伤亡事故。因此，完善直击雷防护措施是乡村地区防雷工作的重点，同时应加大农村地区防雷知识宣传，提高农村雷电灾害防御能力;城市区域应将防雷工作重点放在完善防雷电波侵入和雷电感应防护措施上。

2.1.5 行业分布特征由图6可知，雷电主要对民用、电力、石化、通信、金融、文教、交通、旅游等行业影响较大。民用行业主要是雷电对民房和人身造成的灾害，占雷灾总数的43%;其次雷灾严重的三大行业依次为电力、通信和石化，分别占总灾害次数的12%、10%和9%。电力行业的输变电设备等露天分布较广，遭受雷击的概率较大，直击雷电流通过高压输电线路侵害变压器，电力设施的损坏会导致大面积停电，造成较大的经济损失。随着大规模集成电路和智能化电子设备在通信行业中广泛应用，雷击电磁脉冲（LEMP）的危害愈发严重是其频繁遭受雷电灾害的主要原因。石化行业多为易燃易爆场所，在发生雷灾时，容易发生火灾和爆炸，造成严重的经济损失和人员伤亡。交通行业主要是雷电对高速公路收费站系统造成的危害，影响车辆正常通行;对依赖计算机来进行数据处理和存储的金融系统来说，雷电造成的损失主要是数据丢失、网络瘫痪和监控失效，使业务不能正常运行带来的损失;文教行业主要是雷电对学校的影响，包括对学生的人身伤害和校舍受损。其他行业所占比例虽然较小，但可以看出雷电灾害基本覆盖了社会生活的各行各业。因此，应根据雷灾在不同行业分布的差异有的放矢，有针对性地完善防雷保护措施，减小其遭受雷灾损失的风险。

2.2 河南省区域雷电灾情评估

目前，区域性的雷电防护工作主要有雷电灾害的风险区划、雷电易损性区划和潜势指标探讨等[8]。雷电灾情评估可从实际灾情出发研究不同区域受雷灾影响程度，找出特定区域在雷电防护工作中的薄弱环节，为完善区域性雷电防护工作提供科学依据。

2.2.1 评价指标的选取和指标权重的分配根据GB/T 21714.2-2015的规定，雷电灾害主要引起的损失类型包括人员伤亡损失、公共服务损失、文化遗传损失和经济损失。其中人员伤亡损失和经济损失针对于建筑物和设施，为雷电灾害风险评估中的重要参数。基于河南省雷灾资料，以河南省123个县级行政单位为评价队形，对雷电灾害评价指数G值的大小衡量各对象受雷电灾害影响程度。选取3个评价指标，分别为年平均雷灾次数（N）、年平均伤亡人数（M）和年平均经济损失（E）。利用“1.2”中式（2）计算出3个评价指标N、M和E权重分配依次为0.326、0.526和0.148。

2.2.2 区域灾情评估及结果分析将评价对象及评价指标构造总评价矩阵R，利用“1.2”中式（1）计算得到各评价对象的雷灾综合评价指数（表1）。

采用等间距法将123个县级行政单位按照综合评价指数G大小分为4个等级。其中G=0的等级为0级，这些区域没有雷灾发生或有雷灾没有上报，有南乐县、民权县、卫辉市等地区;其中G在（0，0.2]区间的区域雷灾等级为1级，这些地域受灾影响相对较轻，主要有郑州市区、洛阳市区、长葛县和郸城县等地区，此类地区所占面积较大;G在（0.2，0.4]区间的区域雷灾等级为2级，这些地区雷灾程度居中，有安阳县、襄城县、新乡市区、孟津县、开封市区和驻马店市区等地区;G>0.4的区域雷灾等级为4级，这些区域受灾情况比较严重，有焦作市区、济源市区、鹤壁市区、信阳市区、商水县、浚县和方城县（图7）。

3 结论

通过分析河南省雷电灾害的时空分布特征，并利用熵权法对区域雷电灾情进行了评估，得到以下结论。

（1）近10年来，河南省雷电灾害次数分布呈明显下降趋势，2006、2007、2008和2011年为雷电灾害高发年份，雷电灾害次数均超过100次;全省的雷灾主要集中在6—8月，8月最多;雷灾次数与闪电频数的月变化有较好的一致性。

（2）河南省的雷灾高发区主要分布于西北部。其中焦作市最多，为5.2次/年，其次是方城县，为5次/年。另外，郑州市、开封市、安阳市、鹤壁市、焦作市、济源市、平顶山市、信阳市及个别市辖县平均雷灾次数超过3次/年，为全省雷灾高发区。闪电密度分布与雷灾分布有较好的一致性。

（3）城市的雷灾次数明显多于乡村地区。农用、电力、石化、通信、金融、文教、交通、旅游等行业是全省主要雷电灾害损失行业。民用行业主要是雷电对民房和人身造成的灾害，占雷灾总数的43%;其次雷灾严重的三大行业依次为电力、通信和石化，分别占总灾害次数的12%、10%和9%。

（4）利用熵权综合评价模型对河南省123个县级行政单位的区域雷电灾情进行评估，将雷电灾害强度划分为4个等级，其中焦作市区等7个地区为受雷灾程度较重地区。

参考文献

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[2] 马宗晋，李闵锋.自然灾害评估、灾度和对策[A].中国减轻自然灾害研究会.全国减轻自然灾害研究讨论会论文集[C]. 北京：中国科学技术出版社，1990.

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