地震救灾初期防雷应急保障方法及应用

庄 嘉，吴永斌，刘平英，胡 颖，殷 娴

(云南省气象灾害防御技术中心，云南 昆明 650034)

0 引言

灾后安置是地震救灾的主要工作，根据实施时间和安置期限的不同，可分为应急安置、过渡安置和永久安置[1]，分别对应地震救灾初期、中期和后期。建设安置点是灾后安置的主要措施，安置点也是灾区民众聚集和临时居住的主要场所，其选址原则是避开地震断裂带和山洪等主要次生灾害，大多选择地势较高的空旷地带[2]，按照现代防雷理论[3][4]，这类区域均属于雷击易发区。可以说，地震灾区的雷电防护重点在于对安置点的防雷保护。多年来，国内专家学者对地震灾区的雷电防护进行了大量研究。左雄等[5]以汶川8.0级地震、玉树7.1级地震为例，分析了目前地震灾后雷电灾害防御面临的临时安置点防雷设施不完善等新形势，提出了加强防雷减灾工作组织领导、防雷工程建设以及雷电灾害应急管理的一些措施；胡颖等[6]研究了云南省地震活动和雷电活动的相关性，提出了地震高发区应加强雷电防护的建议；彭启洋等、王文英等以鲁甸6.5级地震、玉树7.1级地震为例，分析了灾区的雷电活动特征，提出了对策措施；靳小兵等[9,10]、马俊贵等[11]、杨成山等[12]结合救灾中期过渡安置房的实际情况，提出了过渡安置房雷电防护技术及方法；杜建忠等[13]、陈家强等[14]归纳总结汶川8.0级地震救灾经验，对用于救灾中后期过渡安置点的雷电防护装置进行了研究。目前，在地震救灾初期应急安置点雷电防御方面的研究国内学者很少涉及。地震救灾初期，由于时间紧迫，应急安置点是在非常规条件下就近高速建设而成，没有采取有效的雷电防护措施，大多数安置点都存在雷击隐患。在雷电活动频发季节，各安置点人员聚集，同时受灾民众正处于灾后恐慌期[1]，如再发生雷击伤亡事件，后果不堪设想。

2018年9月8日，云南省墨江县发生5.9级地震，根据云南省气象局发布的地震应急气象专报显示灾区近期将有强对流天气发生，而新建的各应急安置点并未采取任何防雷措施。对此云南省气象灾害防御技术中心迅速抽调技术人员前往灾区开展防雷应急保障，仅用3 d时间完成了保障任务，在其后强对流天气过程中有效保障了灾区民众生命安全，获得了良好的社会效益。本文结合该案例，通过分析地震救灾初期特点，提出相适应的防雷应急保障应用流程，并研究分析得出关键技术方法。

1 救灾初期防雷应急保障流程

1.1 地震救灾初期特点

地震救灾根据其特点可分为救灾初期、中期和后期。初期相比于中后期(表1)，总体上持续时间短，但救灾时间紧，面临的救灾环境更为复杂，条件更为苛刻，救援难度更大。安置点防雷保障方面，保障期虽不长，但在实施时间及条件方面要求严苛。在地震发生后到过渡安置点建设完成前这段时期，在断水断电、交通运输不便、雷暴随时来临的大环境下，面对数量庞大且分散的应急安置点，需要采取有效措施在短时间内提高应急安置点的雷电防御能力，保障其中灾民及救援人员免遭雷电威胁，这对防雷应急保障提出了更高要求。需要结合实际情况分析，制定科学适用的保障流程。

表1 地震救灾初期与中后期特点对比

1.2 防雷应急保障流程

结合地震救灾初期的特点，制定防雷应急保障流程图(图1)。

图1 防雷应急保障流程图

1.2.1 前期准备 应将防雷应急保障物资提前配置齐全，结合资金情况，一般准备10套以上雷电应急防护装置及相应配件和安装工具，并做好日常储存管理和保养，指定应急保障车辆，确保地震灾情发生后防雷应急保障启动时相应物资能及时调用。

1.2.2 接受任务 及时与指挥部、当地政府及安置点负责人进行沟通，收集灾区相关信息，包括地震烈度图、应急安置点信息(数量、经纬度、建设规模等)、具体联系人、交通情况等。

1.2.3 分析确定保护对象 地震救灾初期，临时布设的应急安置点往往数量庞大，时间紧迫，不能泛泛开展防雷应急保障。通过收集分析灾区闪电定位资料、地形资料，结合地震烈度图制作灾区雷电易发区划图，综合现场环境勘测资料，确定保护对象。

1.2.4 防雷工程设计 分析灾区气候资料、地形资料、现场勘测资料、保护对象相关信息，确定防护重点，根据相关标准技术规范，依据科学合理、经济高效的原则编制防护方案。方案需明确防雷装置的选址、保护范围、布置形式、规格材料及各部分安装工艺。

1.2.5 防雷工程施工 依据防护方案，严格把关施工工艺，通常以4人为一组，分头前往各安置点，在确保安全的条件下有序施工安装，并对工程相关资料特别是隐蔽工程进行简要记录。

1.2.6 竣工检测 施工完成后，应对工程质量进行最终检查检测，确保防雷装置接地电阻值、倾斜度、安全距离等参数符合设计要求。同时应在杆体上悬挂“雷电危险，请勿靠近”等警示牌，周围拉设简易隔离围栏，防止民众靠近。

1.2.7 科普宣传 对周边灾民及救援人员进行科普宣传，内容包括基本防雷避险、自救互救常识，防雷装置使用规范等，以增强灾区民众防雷避险能力。

1.2.8 设备材料回收 本着经济节约，保护环境的原则，在应急安置点撤除后，应对相应防雷装置及材料进行回收养护，以备下次使用。

2 主要技术方法

2.1 保护对象的确定

雷云对地放电具有选择性[4]，其发生概率与下垫面的地质条件、地形地貌有着较高的关联性，通过对灾区的雷电易发性、安置点现场环境进行分析，筛选确定雷击高风险应急安置点作为保护对象。

2.1.1 灾区雷电易发性分析 雷电易发性主要从两个方面体现：雷电密度和地形条件。

①雷电密度：反映区域雷电活动的自然规律。单位面积内地闪次数越多，则雷电易发性越高。根据2009—2018年云南省ADTD闪电定位数据格点化统计分析形成的云南省地闪密度概率分布图可看出(图2)，地闪密度在0～1.7范围内区间值百分比较为集中，大于1.7范围区间值百分比较为分散。

图2 云南省地闪密度的概率分布

②地形条件：反映区域地形对雷电活动的影响，由海拔高度、坡度、海拔差决定。以云南省为例，通过分析其海拔高度、坡度、海拔差与地闪密度的相关性，发现地闪落雷区域的海拔、坡度、海拔差的概率分布近似服从对应的正态分布(图3)。地闪落雷点集中在海拔值为2 000 m左右，坡度值为28°左右，落雷区域海拔差为200 m左右的区域。

图3 云南省地闪落雷点与海拔、坡度、海拔差关系图

在墨江县5.9级地震中，灾区雷电易发性主要分析步骤如下：

①采用2008—2017年云南省闪电定位网(ADTD)墨江县部分的地闪监测数据，通过质量控制检验，剔除异常及不合理数据。

②将地闪数据按1 km×1 km精度格点化，通过ArcGIS软件提取相应格点最大海拔、海拔差、最大坡度等DEM数据。计算年平均雷电密度、地闪落雷点海拔、地闪落雷点坡度、地闪落雷区域海拔差，计算并绘制综合地形条件图层。

③将格点化的地闪数据利用ArcGIS软件克里金插值法生成灾区年平均地闪密度图层。

④运用yaahp软件，归集10位专家AHP调查问卷结果计算以上两个图层表征雷电易发性的权重分别为0.28(综合地形条件图层)和0.72(年平均地闪密度图层)。用ArcGIS软件中的栅格计算器将两个图层按各自权重进行叠加，并采用自然间断点分析法将叠加后的图层划分成极高易发区、高易发区、较高易发区、中易发区和一般易发区等5个层级得到墨江县雷电易发区划图。

⑤将墨江县雷电易发区划图与云南省地震局发布的墨江县地震烈度图综合叠加获得墨江县地震灾区雷电易发区划图(图4)。

2.1.2 现场勘测 现场勘测主要选择在灾区地震烈度为7度和8度的区域内，该区域内建筑损毁比较严重，应急安置点布置数量较多且人员集中。勘测其中处于雷电极高易发区和高易发区内的安置点局部地理环境，将符合以下雷击易发条件[3,4]的安置点列为保护对象：一是建于空旷地带或具有突出效应的山顶；二是建于土壤电阻率较小和土壤电阻率变化明显的地方，如河床、地下水出口处、山坡与稻田接壤处、河边、湖边、低洼地区和地下水位高的地方等；三是建于雷暴路径上和具有抬升作用的地方，如迎风山口和谷口、迎风坡面等。通过现场勘测，墨江县地震灾区共确定5个应急安置点做为保护对象(表2、图4)。

表2 墨江地区保护对象基本信息及防雷装置信息表

图4 墨江县地震灾区雷电易发区划图

2.2 防雷工程设计要点

地震救灾初期，应急安置点以安置人员为主要目的，精密电子仪器和家电设备较少。因此，在考虑安置点雷电防护时，应以安置人员为主要目标，主要以防护直击雷以及接触电压、跨步电压、旁侧闪络、地电位反击等二次雷害[4]为主。

根据救灾初期应急安置房的特点，结合直击雷防护设计理念，防护思路有两种：一种是采用独立接闪杆对一定范围内的雷电进行接闪，并通过合理的接地措施对接闪雷电流进行泄放，保护该范围内的安置房免遭雷击；另一种是利用帐篷、简易房的金属支架作为接闪装置，通过将金属支架进行可靠“接地”，达到接闪泄流的目的。后一思路虽看似更为简单易行，然则隐患颇多，由于雷电的热效应[4]，雷电击中帐篷金属支架时，短时间内产生高温，极易引发火灾；由于雷电的电效应[4]，在雷电流沿支架泄放时易对旁侧人员造成接触电压、旁侧闪络等伤害，同时该法对地网要求很高，需做好均压等电位和地表绝缘，否则易引发跨步电压、地电位反击等二次雷害。前一思路接闪杆位于户外，通过合理的布设，在达到良好雷电防护效果同时可有效避免二次雷害。因此，应采用独立接闪杆对救灾初期的应急安置点进行防雷保护。

目前采用独立接闪杆的直击雷防护方法主要有两种：滚球法[15]和区域性防雷法[16,17]。滚球法是几何模拟法，它以放电路径几何距离的长短作为接闪杆保护的判据，其保护范围限定在保护半径之内，其保护半径为：

(1)

式中，rx为接闪杆在高度为hx平面上的保护半径；h为接闪杆高度(单位：m)；hr为滚球半径(单位：m)，此处取值60 m[9，18]；hx为安置房高度(单位：m)。

区域性防雷法是指在需要防雷的特定区域内，在雷电发生主要路径的上风向安装接闪杆对直击雷进行拦截，从而使下风方向的特定区域内避免或减少直击雷发生的方法。其保护面积可由下式确定[17]：

A=πr2/2

(2)

式中：A为接闪杆下风方区域的保护面积(单位：m2)；r为第一接闪点与第二接闪点之间的距离(单位：m)。其中，距离r应分以下两种情况而定：

①若从雷电活动路径的上风向第一拦截点至下风向的2 km直线距离内，没有超过上风向第一拦截点接闪杆地面海拔高度的区域，则r=2 km[17]。

②若第一拦截点下风向2 km范围内存在比第一拦截点接闪杆高的地表物体时，则r值为两者之间距离的实际测量值。

对二者定义和公式(1)、(2)分析可得：对处于接闪杆保护范围内的安置房，从防护效果上看，滚球法要优于区域性防雷法；从保护范围来看，区域性防雷法要大大优于滚球法。在应急安置点的雷电防护上，应根据科学合理的原则，结合实际勘测情况选择适用的防护方法。其选择标准和设计要点如表3所示。

表3 技术方法选择标准和设计要点

在墨江地震中，3#点和5#点，规模较小，地理环境适宜，通过公式(1)计算，在其侧山坡等地理位置较高处各安置1座13 m高接闪杆即可满足要求；而1#点、2#点、4#点或是规模较大(1#、2#)，或是周围地理环境不适(4#)，若采用滚球法则须采用多支接闪杆联合保护方有可能达到设计要求，如此不仅工时大大增加，同时二次雷害风险及选点难度也相应增加。故该3个安置点拟采用区域性防雷法进行设计。查询当地近10 a气象资料，绘制风向占比玫瑰图(图略)可知，西风、西南偏西风和南风占比较高，分别为：13.6%、16.7%和12.4%，存在主要风向。观察其周围山势地形，1#点位于山坳处，存在进风口位于其南侧，而2#点、4#点则处于西面和西南面迎风坡面上，综合判断存在雷暴路径，满足区域性防雷法的实施要求，因此，决定采用区域性防雷法对该3个安置点进行防雷保护。接闪杆布设于安置点雷暴路径上风方2 km内相对位置较高处对来自该方向的雷暴进行提前接闪，布设情况如表2所示。

2.3 施工方法及要点

2.3.1 防雷装置的选择 结合安置点的防雷设计方案，防雷装置主要为接闪杆和接地装置。与常规场所中使用的防雷装置[15]相比，适用于地震救灾初期的防雷装置还应着重考虑两个方面：运输和安装。要求所选用的接闪杆和接地装置在满足防雷技术要求的同时，在重量体积上应尽可能的轻便，施工安装上尽可能的简便易于操作。

接闪杆的选择：通过调研目前市面上的各类接闪杆，结合其优缺点综合筛选考虑，确定移动伸缩式接闪杆是适宜的选择。该类接闪杆通过摇杆进行升降，伸长高度根据需要一般可在3～20 m之间，闭合高度仅为2 m左右，重量根据所选规格大致在15～150 kg，重量体积较小，易于搬运和装卸，应急结束后，方便回收。在安装固定上，为确保稳定和具有较强的抗风能力，宜选择底部可打地桩固定，同时装配有三角支架和拉线的产品(图5)。

图5 移动伸缩式接闪杆示意图

接地材料的选择：接地装置主要由水平接地装置和垂直接地装置组成。因使用周期不长，为方便装卸，其相互连接方式可采用压接式。为便于施工，接地材料应在前期做如下准备：

①水平接地装置：采用截面积不小于70 mm2的钢绞线[15]。

②垂直接地装置：采用截面积不小于290 mm2的热镀锌角钢[15]，长度为1.5 m，一端打孔便于螺栓连接，一端加工成尖角便于施工。

③辅助材料及工具：与钢绞线规格相匹配的铜鼻子、螺栓若干，液压钳、大锤等。

④在土壤电阻率较高的地区，宜准备降阻剂[9]。降阻剂使用量计算公式为：

(3)

2.3.2 工程实施安装要点

接闪杆的安装：确保杆体放置处地面大致水平；确保接闪杆的最终倾斜度不大于0.5°。

接地装置的施工：①接地装置布设时，应观察周围环境，若接闪杆的选址位于安置房或人行通道等人员活动频繁场所附近，则接地装置的设计应着重考虑预防二次雷害，可采用边缘闭合的“环形地网”，加快雷电流的泄放速度，同时减少其泄放距离，确保入地雷电流的“均压性”，防止跨步电压的产生；若接闪杆选址远离人员活动场所，则可采用边缘非闭合的“一字型地网”，易于施工和降低接地电阻。

②接地装置埋设时，水平接地体埋设深度不小于0.5 m[15]，垂直接地体间距不小于3 m[15]。

③填土时，宜做接地电阻值测试，根据情况确定是否使用降阻剂，确保最终接地电阻值不大于30 Ω。

3 结论及讨论

针对震后灾区初期救援工作中应急安置点建设方面雷电防护的缺失问题，结合实际，通过分析研究及实际应用，得到如下结论：

①防雷应急保障的实施应“安全可靠、应急高效”，结合救灾初期特点，制定科学有效的实施流程，重点对保护对象、防雷工程设计和施工3个关键环节进行把控，合理运用雷电易发区划、现场勘测、直击雷防护等技术方法。一是将海拔高度、坡度、海拔差等地形因子与雷电密度因子综合考虑，可提高灾区雷电易发区划的精细度及准确性，结合灾区地震烈度图和局部地理环境的勘查结果，快速确定保护对象；二是地震救灾初期应着重应急安置点的直击雷防护，其防护装置应采用独立接闪杆，结合实际因地制宜，合理运用“滚球法”和“区域性防雷法”进行防雷设计，同时注意规避二次雷害，在有效提高安置点直击雷防御能力的同时将大大缩短工期，提高实施效率；三是防雷装置可采用移动伸缩式接闪杆、压接式接地装置，在实施过程中可有效规避水电和运输等不便因素，依靠人力即可完成，现场施工方便高效。

②雷电成灾，群众缺乏防雷常识是主要因素之一，应当动员和组织有关力量发放宣传材料，讲解科普知识, 提高灾区群众的防雷减灾意识，增强雷电灾害安全防范和避险处置能力。地震救灾中后期，安置点的选址规划宜考虑避开雷电极高易发区和高易发区，同时应做好感应雷防护措施，开展系统全面的雷电防护工程。