区域雷电灾害风险评估方法

朱新健

青海省气象服务中心 青海 西宁 810001

引言

为最大限度地降低雷电灾害对地区发展造成的不利影响，需关注雷电灾害风险评估工作，从源头上预防雷电灾害，科学评估危机可能引发的风险损失量，制定专项可行的风险预防与控制技术手段。现阶段应用在区域雷电灾害风险评估中的方式较多，不同评估方式的优缺点较为显著，应当严格遵循因地制宜原则，结合地区雷电分布具体情况选择适宜的雷电灾害风险评估技术手段。

1 区域雷电灾害风险评估方式

1.1 国际标准下的风险评估程序

雷电灾害风险评估国际标准IEC62305-2，此评估程序是一种定量化评估方式，可通过收集区域内雷击点、明确被评估建筑物或电力系统遭受雷击损害的来源、损害类型，确定各类潜在累计风险因子[1]。借助固定计算手段评估建筑物或电力系统遭受雷击灾害的风险值。对比分析计算风险值与可承受风险值，最终判断建筑物或电力系统是否要进行专项防雷保护、防雷保护等级以及所需采用的防雷保护手段。

在雷电灾害风险评估工作开展期间，工作人员需要设置收集年预测雷电次数、人机损坏概率以及危机损坏后果等数值，并由此精准推算出雷击损害风险系数。

1.2 闪电定位数据评估手段

在雷电定位数据评估过程中，需要首先确定等效截收雷击区域。结合引雷空间理论，定义定位误差值[2]。选择包络矩形包围评估边界范围，并以矩形中心作为等效定位误差圆心，从而对等效接收雷击区域内的雷电定位数值进行筛选与分析。

着重分析经济损失风险以及人身损失风险数值，结合筛选各类雷电参数，统计分析取样空间，建立区域内雷电灾害风险计算模型。在模型中应当设定评估区域内雷击次数、生物损失故障发生概率、经济损失事故发生概率、雷击事故造成的人身伤亡损失以及经济损失。

计算区域风险值，评估区域内各功能子区域属性，选择不同权重系数，借助对象区域所占面积比例以及位置功能因素，计算出区域总风险值。

1.3 层次分析评判风险评估

层次分析评判风险是区域雷击灾害风险评估的重要方式，需要在实际应用过程中综合致灾因子、孕灾环境、承载体因素，配合使用递阶层次结构模型展开综合评价。要求在层次分析过程中，需配合定量定性评价方式，借助模糊综合评判方式构建区域雷击风险构件递阶结构模型。

在具体评估过程中，需要首先建立起评估指标体系，确立评估标准。从灾害产生原因角度出发，分析雷击引起的承灾体雷击事故发生概率、确定雷击分级指标、构建层次结构指标评估体系。

确定评估指标权重值，借助层次分析手段，对各层次中指标的重要性进行对比分析，并借助数字方式构造判断矩形。明确矩形中的最大特征值以及最大特征对应特征向量。设置指标隶属度，基于各指标的定义及性质，合理设置定性指标与定量指标。为确保各指标具备一致性，便于后续评价与计算，还需要对指标内容进行量化计算分析，通过隶属函数以及定性指标处理方式建立模糊关系矩阵。对构建起的模型进行模糊综合评价，合理运算权重矩阵以及模糊关系矩阵，获得定量综合评价结果。

1.4 模糊综合评估法

模糊综合评估法主要被应用在难以定量的多因素评估工作中，将某种定性描述或人为主观判断结果用数据形式表示，通过模糊运算手段确定事件所属等级。区域雷电风险是典型的模糊事件，可以使用模糊综合评估方式对区域雷电风险展开综合评估。

以某建筑工程为例，该工程为政府公共建筑服务区域，需配合使用模糊层次综合评估法对该区域内雷电灾害风险展开细致评估。构建工程评估指标因素层次结构，设置评估指标因素权重值。结合层次分析原理，计算出各指标因素的相对权重，并将权重判断结果进行定量化，确定指标因素体系以及各指标因素相对权重值。

建立判断矩阵模型，确定模型中上下之间的元素关系，对同一层次各元素中的某一准则重要性进行对比分析。对于案例中建筑工程而言，工程规划时的可行性报告、阶段性防雷检测报告以及实地调查报告均可以作为区域雷击评估数值。

分别建立各因素综合评估矩阵、总评估矩阵，计算出建筑工程雷电风险评估矩阵、雷电风险得分，确定雷电风险等级，各因素对建筑工程雷电风险的影响程度。

通过构建起模糊数学模型，对特定区域内的雷电风险展开细致评估，可以更好地将工程雷电成灾危险环境因素、雷电危险因素以及雷电易损因素结合在一起，更加全面且客观地反映出雷电风险等级与雷电风险影响范围，为日后制定出更加科学合理的雷电预防对策奠定坚实基础。

1.5 空间网格法

空间网格法主要就是结合区域雷击风险暴露程度以及防雷规避特征，将承灾区划分为建筑物、室外受建筑物遮挡部分与空间地带3种空间类型，并对这些评估区进行合理网格化处理，判断不同单元能够遭受的雷击风险情况，最后对这些情况进行综合评估。借助空间网格评估方式，能够精准地计算出雷击风险次数以及脆弱指数，直观展现出区域内雷击灾害风险的具体情况，并根据这些具体情况制定出专项可行的雷击预防技术手段。

1.6 人员生存环境风险评价方法

人员生存环境风险评价方法被主要应用在评价具备潜在危险环境、危险性半定量的情况下。在具体评价过程中需要收集灾害事故发生概率、暴露在危险环境中的灾害发生频率、发生灾害事故可能造成的损失后果。

为有效简化人员生存环境风险评估流程，可以使用半定量分级赋值方法，结合不同等级确定不同分值，然后再用这些分值判断危险性大小等级。由于该种评估方式内部涉及大量参数数据以及经验值，因此并不适用于厂房或者不与建筑物相连的服务设备雷击风险评估工作中。

通过判断区域雷电评估对象影响机理，建立起能够适用于特定场所内的雷电风险灾害评估模型。由于雷击灾害事故发生可能性以及设计面较为宽广，难以用数字公式完全表达，因此可以将评估指标划分为人员伤亡及财产损失、事故控制状态、暴露在危险环境中的频繁程度、发生事故后可能造成的损失后果，从根本上提升区域雷电灾害风险评估的全面性。

2 区域雷电灾害风险评估模型

2.1 雷电风险指标

借助地闪密度代表区域内雷电活动情况。现阶段闪电定位系统功能日渐完善，应用范围逐步扩大[3]。雷电流幅值是评估雷电灾害强弱的重要参数，不同雷电流幅值，引发的雷击灾害后果不同。在雷电灾害风险评估模型构建过程中，需要收集地区历史发现的所有雷电流幅值总和。基于不同区域占地面积，计算雷电流幅值总和以及雷电流幅值累积影响。

建筑高度因子与雷电活动的频繁度密切相关。在高层越高的地方，雷电灾害发生频率也就越高。雷击事故影响范围、雷击事故发生概率也就越高。

2.2 地域风险指标

地域风险指标主要包括人口密度、经济发展水平。其中，人口密度越大，雷电灾害的影响范围也就越大。在经济发展水平较高的地区，建筑物较为密集，遭受雷电灾害后的损失度也就越大。

2.3 承灾体风险

承载体风险涉及房屋用途、房屋结构两方面。房屋用途分为生活用房、经营用房。经营用房内通常分布着较为重要的电子设备，如遭受雷击灾害后的损失度也会明显大于生活用房。

现有房屋结构包括钢混结构、砖石结构、其他结构等。钢混结构出现年份较晚，在房屋设计与建设过程中配备了较为完善的防雷系统，雷电防御能力较好。而砖石结构与其他结构因修建时间较长，并没有设置适宜的防雷装置，更容易受到雷电灾害影响。

2.4 模型权重计算

在明确区域雷电灾害评估指标后，还需要开展模型权重计算工作。在各风险因素指标前增加权重因子，配合使用层次分析方式获取各指标权重值。针对指标两两建立起判别矩阵，并拟定最大特征值以及矩阵的一致性系数。

配合使用专家评分手段获取层次判别矩阵，评判专家评分的合理性，要求一次性系数应当满足一致性要求。

由于区域雷电灾害风险评估计算模型的数据运算量巨大，在实际计算过程中，还需涉及GIS数据处理与绘图等工作[4]。为从根本上提升风险评估效率，增强评估结果应用水平，还需要配合使用先进的计算平台，对风险评估模型进行自动化计算以及评估图绘制。

3 区域雷电灾害风险评估规范

3.1 区域雷电灾害风险评估流程

在评估过程中注重收集评估对象控制性规划、评估对象所在区域地理、地形地貌、气候环境资料，评估对象所在区域雷暴观测、闪电定位系统数据、雷电灾害资料等。

结合资料内容分析区域雷电活动时空分布特征，计算雷暴日，分析雷电易发等级。制定防护标准，评估区域雷电灾害风险报告书，在审核通过后才可交付评估报告。

3.2 区域雷电灾害风险评估技术方式

一方面，做好区域雷电活动时空分布特征研究工作。结合闪电定位系统运行期间获得的各项参数数据，统计分析评估区域的地闪天气变化、月际变化与日变化规律值。

另一方面，要求在对闪电定位系统数据使用统计分析方式过程中，还需要选择地闪资料时剔除定位方式为二站振幅的数据。要求资料数据序列不得少于10年，最新数据应当为近5年内。如果某年的4-10月数据连续缺失30天以上，则不应该使用该年数据。

3.3 估算区域雷暴日

在区域雷暴日估算工作开展时，需要结合闪电定位系统运行参数、气象台闪电定位参数以及人工观测雷暴日等数据展开综合评估工作。结合闪电定位系统与人工观测雷暴日资料，确定距离评估区域中心最近的人工观测雷暴合理观测距离。要求最近气象台有效观测距离半径需要覆盖到整个评估区域，并将气象站平均观测的雷暴日作为区域平均雷暴日数评估依据。

如以气象台为中心的观测距离半径无法覆盖整个观测区域，则需要注重收集待确定评估区域的年平均雷暴日数、最近气象台年平均雷暴日次数、有效观测距离气象台的年平均落雷日数、以有效观测距离为半径范围内的评估区域年平均落雷日数。

3.4 雷电易发等级

将评估区域划分为1km×1km的网格，着重计算网格内地闪密度、年平均落雷日数。结合网格地闪密度数值收集结果，将地闪密度值划分为4个等级。其中，地闪密度区间小于或等于2.5次的情况下，地闪密度等级为一级。在地闪密度区间为2.5~4.0次之间时，地闪密度等级为二级。在地闪密度区间为4.0~9.0时，地闪密度等级为三级。在地闪密度区间大于9.0时，地闪密度区间为四级。

将网格内平均落雷日数量进行排序，如果年平均落雷日数相同，则可以根据网格地闪密度的大小调节整年平均落雷日数。然后依照地闪密度分级确定百分位数，最后划分年平均落雷日等级。

3.5 防护标准设置

结合区域规划用地结构与拟建项目要求，收集相关标准规范。了解拟建项目属性、建筑特征、电气电子系统运行要求，对可选标准展开适用性评估，确保评估标准满足拟建项目雷电防护要求。

如规划拟建项目没有雷电防护标准的情况下，还需要根据雷电物理理论以及雷电灾害案例开展专项分析，结合区域雷电易发生等级，制定出专项可行的防护对策。

4 结束语

总而言之，通过开展区域雷电灾害风险评估活动，能够对雷电灾害发生规律进行系统分析，结合雷电活动特征开展风险区划分工作，为制定每天灾害规避以及预控手段提供重要参考依据。现阶段应用在区域雷电灾害风险评估中的方式较多，为从根本上提升风险评估全面性与精准度，还需要相关工作人员结合地区电力系统分布特征，不断优化雷电灾害风险评估技术方案，进一步增强雷电灾害风险评估水平。