河北省乡村雷电灾害风险区划研究*

龙 爽，俞海洋，李 婷，李 倩，邹芷潇，王 瑛，许映军※

(1.环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875；2.地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；3.北京师范大学地理科学学部，北京 100875；4.北京师范大学统计学院，北京 100875；5.河北省气象灾害防御中心，石家庄 050021)

0 引言

雷电灾害泛指雷击或雷电电磁脉冲入侵造成人员伤亡或财产受损、电子设备部分或全部功能丧失，酿成不良的社会和经济后果的事件，也称雷灾[1]。全球气候变暖背景下，极端气候事件的频率变化将对人类和自然系统产生重大影响[2，3]。雷电与全球气候系统有着内在联系，预计全球变暖及干燥将导致雷电活动增加[4，5]。雷灾发生的频度高、范围广、突发性强、损失大，是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的10种自然灾害之一[6]。

风险区划作为风险管理的重要手段，对防灾减灾工作具有重要意义。长期以来，国内许多学者从雷电灾害易损性的角度对雷电灾害进行区划研究[7-11]。近年来，从自然灾害系统理论出发对雷电灾害进行区划研究的成果越来越多，朱涯等和程向阳等分别从致灾因子、孕灾环境、承灾体方面对安徽省和云南省玉溪市雷电灾害风险区划进行了研究[6，11]；殷娴等从地震高发区判别、致灾因子、受灾敏感度、承灾体4个方面对云南省地震高发区雷灾风险进行分析与区划[12]；吴安坤从致灾因子、孕灾环境、承灾体和防雷减灾能力方面对贵州省雷电灾害风险进行了评价与区划研究[13]。随着地理信息技术的发展，GIS空间分析技术被应用于雷灾区划研究中，使雷灾区划制图走向精细化。

河北省位于中纬度沿海与内陆交接地带，属温带大陆性季风气候区，地形地貌复杂多样，加剧了雷灾的时空分布的复杂性。在区位上，地处环京津、环渤海经济圈，经济区位作用重要。由于现代化及信息化程度低、生产方式相对落后、防御雷击设施薄弱及防御意识淡薄，中国广袤的农村成为雷电灾害的重灾区，众多的农业人口和农村设施、家用电器成为重要的承灾体。据不完全统计，中国90%以上的雷击伤亡人员集中在农村[14-16]。河北省是农业大省，农业人口占总人口的75%。十九大报告中明确指示坚决遏制特大安全事故，提升防灾减灾救灾能力，《国家综合防灾减灾规划(2016—2020年)》将加强区域和城乡基层的防灾减灾救灾能力建设作为任务之一，《中共中央国务院关于推进防灾减灾救灾体制机制改革的意见》中将开展以县为单位的全国自然灾害综合风险与减灾能力调查，提升灾害风险预警能力，加强灾害风险评估、隐患排查治理作为改革事项的重要举措之一。目前针对乡村雷电灾害开展风险区划工作的研究鲜见，文章以县域为单元开展河北省乡村雷电灾害风险区划研究，从而为乡村雷电灾害风险评估、防雷减灾制定对策及监测预警提供参考。

1 资料来源与研究方法

1.1 资料来源

文中使用资料包括：(1)地闪数据来源于2010—2016年中国气象局闪电监测网ADTD资料，该系统采用定向时差联合法对闪电进行定位，能及时获取闪击点的闪击时间、经度、纬度、极性、强度等参数；(2)社会经济数据包含乡村用电量、乡村家电拥有量来源于《河北经济年鉴》《河北统计年鉴》及河北省各市统计年鉴；(3)灾情数据来源于2014—2016年《全国雷电灾害汇编》[17]，其记载了河北省11个市县上报的雷电灾害事例及数据。

1.2 研究方法

1.2.1 风险等级评估方法

区域气象灾害风险等级评估，指特定各区域与未来某时段内的气象灾害造成的人员伤亡、财产损失与生态环境损毁的相对期望损失高低进行评估。依据区域气象灾害致灾因子的相对强度，各类脆弱性承灾体的性质，即脆弱承灾体的暴露程度或暴露承灾体的价值。再根据气象致灾因子相对强度与承灾体损失等级之间的矩阵关系(表1)，求得区域因灾造成的相对期望损失等级。通用计算公式为：

RL=f(Hg·Eg)

(1)

式(1)中，RL表示风险等级(Risk Level)；Hg表示致灾因子的相对强度(Hazard Grade)；Eg表示脆弱承灾体的暴露程度(Exposure magnitude)。

雷电灾害风险由致灾因子危险性和承灾体的脆弱性共同决定[18]。该文雷灾危险性由地闪密度和最大地闪强度组成，脆弱性由乡村电器拥有量和乡村用电量组成(表2)。利用ArcGIS的自然断点分类方法及重分类技术将雷灾危险性及脆弱性的分布划分为极低、低、中、高、极高5个等级并重分类赋值为1～5，两者相乘结果按照极高(16～25)、高(10～15)、中(6～9)、低(3～5)、极低(1～2)分为5级(表1)，可得到最终的风险区划图。

表1 雷电灾害风险分级矩阵

表2 雷电灾害风险概念框架及评价指标

1.2.2 等级划分方法

该文采用自然断点法对各评价指标结果进行等级划分。自然断点法基于数据中固有的自然分组，可在数据值差异大的位置处设置其分类边界，使各个类别之间差异最大化。

1.2.3 数据标准化

计算雷灾危险性、脆弱性时，均采用(2)式对各项数据作归一化处理，将各个量统一转换为无量纲数，使各因子间存在可比较性：

(2)

式(2)中，xi、Xi为数据预处理前后的值；xmax和xmin为样本数据最大值和最小值。

2 结果分析

2.1 地闪密度年际分布分析

图1为2010—2016年河北省地闪密度年际分布情况，由图1可知，地闪密度年际间存在差异，但在空间分布上存在一定的规律。地闪密度高值区主要集中在4个区域：唐山东部与秦皇岛西南部交界各县(简称高值1区)，2014年地闪密度高值特征明显，2010年秦皇岛相对较弱，而2016年唐山相对较弱。石家庄东北部与保定西北部交界各县(简称高值2区)，该区地闪密度高值特征在2010年最为明显。张家口的中部各县和南部蔚县(简称高值3区)和邢台市西部地区(简称高值4区)地闪密度高值特征在2014年与2016年分布一致，2010年相对较弱。

高值1区为燕山山脉迎风坡，森林密集，水源丰富，易形成对流性天气，境内矿区聚集，且矿区与山区地形结合，更易于发生雷电活动[19]；高值2区为太行山脉迎风坡，丘陵地形起伏大，且距海较近，受东南风影响大，便于形成雷暴云；高值3区及高值4区同样受地形、矿区、森林、河流等因素影响，地闪密度较高。

2.2 危险性区划与分析

雷灾与地闪活动密切相关，气象部门自2014起取消雷暴日观察，地闪活动成为雷电灾害风险评估中不可忽略的要素[10]。雷灾事件通常由直雷击中承灾体而造成，因而承灾体接受雷云对地放电的频度和强度大小是雷电灾害危险性最直观的表现[11]。地闪密度为每平方公里的年平均地闪次数，单位为次/(km2·年)。地闪密度越大，说明雷电灾害致灾因子活跃，孕灾环境复杂。最大地闪强度为各县域的最大雷电流值，单位为kA/a，表达雷电灾害发生的可能性和破坏性，是雷电防护中考虑的重要参数之一[20]。从风险的角度，运用地闪密度和最大地闪强度作为致灾因子可以刻画特定区域内对承灾体可能造成威胁的事件的强度—概率关系。利用GIS技术，以河北省各县域为单元统计出河北省地闪密度和最大地闪强度，地闪(could-to-ground，CG)分极性，电流小于10kA的正地闪在研究中常作为云闪，在所有统计正地闪相关特征时不予考虑[21]，因此该研究剔除所有小于10kA的正地闪数据。河北省雷电灾害危险性为地闪密度和最大地闪强度归一化之后的乘积，再依据自然断点法将结果分为极高至极低5个等级，结果见图2(c)所示。

图2 乡村雷电灾害危险性区划图

图3 乡村雷电灾害承灾性脆弱性区划 图4 乡村雷电灾害风险区划图

图5 2014年乡村雷灾频次分布

图2中显示的2010—2016年地闪密度分布与上述年际地闪密度分布具有相似规律，高值4区多年地闪密度和地闪强度值相较于其他3个高值区偏低，因而危险性低。最大地闪强度整体呈现西北部强，东南部低的趋势。地闪密度和最大地闪强度叠加后的危险性等级显示秦皇岛西南部的昌黎县和卢龙县，唐山东部迁安县和滦县，保定南部的定州市为危险性等级极高区。

2.3 脆弱性区划与分析

脆弱性选取乡村用电量和乡村家电拥有量的暴露程度表征，脆弱性指标由两者归一化后相加获得。张家口和承德的脆弱性相对较低，廊坊南部霸州市、保定南部定州市和邯郸北部武安市为脆弱性最高的区县单元(图3)。霸州市乡镇企业及民营经济发展迅速，带动了乡村经济发展；定州市乡村人口数量位居河北省第一，为农业和工业大县；武安市是河北省工业新兴城市，铁、煤等矿产资源丰富。电力设备的投入以及能源消耗加大了3地的雷灾脆弱性。

2.4 风险区划与效果分析

2.4.1 风险等级区划

雷电灾害风险依据风险矩阵法获得(表2)，得到最终的风险区划图(图4)。由图可见，极高和高风险区主要分布在以唐山、秦皇岛和承德为主的高值1区以及张家口南部至石家庄东部的高值2区，该分布格局是危险性区划、脆弱性区划综合作用的效果，例如张家口中部地区虽然危险性等级较高，但脆弱性等级低，故最终风险等级较低，而邯郸北部、沧州中西部，虽脆弱性等级极高，但危险性等级偏低，导致最终风险等级降低。

2.4.2 风险区划效果分析

为了检验该文的风险区划结果，将区划图与雷灾发生频次进行对比。如图5为发生雷灾频次较多的2014年河北省雷灾频次分布图，图5雷灾频次较高的区县均为图4中的极高和高风险区，包括唐山北部遵化市和迁西县，中部滦县。具体来看，遵化市为极高风险等级，2014年18起雷灾事件中共3起明确记录的乡村雷灾事件，4起城镇雷灾事件，11起未明确记录地点的雷灾，除家电被击之外，遵化市雷灾发生地多为电力、钢铁等工业企业。滦县也为极高风险等级，共8起乡村雷灾事件，受灾对象多为乡村家电。迁西县为高风险等级，37起雷灾事件中共27起乡村雷灾事件，击毁家电较多，说明迁西县乡村防灾系统尚不完善。

另有承德中部双桥区、石家庄西南部井陉县雷灾频次较多。双桥区位于承德市中心位置，无乡村雷灾，因而为低风险等级，雷灾发生地主要为旅游景点、管理局、公司、高度公路等。井陉县为中风险区，4起雷灾事故中乡村雷灾共2起，均为家电遭雷击，其余两起发生于天长镇，其中一名女子在浇地时遭雷击身亡，这说明井陉县整体防灾设施薄弱而且村民的防灾意识较差。

3 结论与讨论

(1)该文根据乡村雷灾受灾情况，构建了乡村雷电灾害风险区划指标体系，并利用风险矩阵方法来完成风险指数的计算。该方法避免了权重设置的主观性，且方法可操作性强。

(2)河北省地闪密度的地域分布具有一定的规律：山地迎风坡、水域、矿区、森林等地易遭受雷击；最大地闪强度空间分布整体呈西北部强，东南部低的格局；雷电灾害的高危险区域主要分布在3个地区：唐山东部与秦皇岛西南部交界各县、石家庄东北部与保定西北部交界各县及张家口中部各县和南部蔚县。

(3)河北省乡村雷灾风险高值区为：秦皇岛南部昌黎县、唐山东北部迁安市以及保定南部定州市，这些区域或者高危险性、或者高脆弱性、或者两者兼备，是河北省雷灾防范的重点对象。

此研究对高风险地区雷灾监测预警及综合防御具有一定意义，可为决策部门提供参考。由于资料获取难度大，此研究还存在许多不足之处，后续研究可以基于更长时间序列的地闪数据进一步统计划分乡村与城市雷电灾害危险性，而不是用整个河北省的地闪数据评估乡村雷电灾害危险性，进而可以获得更好的区域风险评估结果。此外，后续将优化评价指标，考虑加入气候、地形等孕灾环境因子，完善乡村雷灾风险评估模型。