麥冠華，陳 強(qiáng)

（廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526060）

1 引言

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程加快，人口高度密集，城市追求的生態(tài)、景觀、藝術(shù)、功能的品質(zhì)和城市居民的生活質(zhì)量都越來越高，城市體育公園的出現(xiàn)，是城市居民追求更高層次的生活質(zhì)量的必然趨勢(shì)。城市體育公園可實(shí)現(xiàn)生態(tài)、景觀、游憩、文化、運(yùn)動(dòng)5大功能。肇慶市伴月湖社區(qū)體育公園作為肇慶市新興建的社區(qū)體育公園，集豐富的自然景觀、體育活動(dòng)和生態(tài)健身為一體的主題公園，既突出體育公園的特色，又將運(yùn)動(dòng)休閑融于獨(dú)特的環(huán)境景觀之中［1］。然而，該公園位于空曠、山水相接地帶，很容易受到雷電的侵害［2，3］，直接危害游人的人身安全。美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心“雷暴資料”統(tǒng)計(jì)了1959—1996年美國(guó)不同場(chǎng)所的雷擊受傷和死亡人數(shù)，其中曠野、棒球場(chǎng)、公園受傷和死亡人數(shù)各占28%；大樹底下受傷和死亡人數(shù)分別占13%和18%；劃船、釣魚、水域等場(chǎng)合受傷和死亡人數(shù)分別占5%和12%［4］。以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明城市公園雷擊人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)防護(hù)的重要性和迫切性。

2 肇慶市伴月湖社區(qū)體育公園雷擊風(fēng)險(xiǎn)的分析與計(jì)算

2.1 資料與方法

伴月湖社區(qū)體育公園位處肇慶市區(qū)中心，占地面積42hm2，其湖水面積4hm2，園內(nèi)山水相依、林泉交錯(cuò)，自然環(huán)境優(yōu)越。本文選取伴月湖社區(qū)公園所在區(qū)域（23°19′4″N，112°23′53″E），利用肇慶市 1957~2008年雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料、2001~2011年廣東省雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)閃電定位資料，分析該區(qū)域雷暴強(qiáng)度、雷電密度、雷電閃擊頻數(shù)等雷暴特征參數(shù)。通過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)土壤特性參數(shù)、建筑物參數(shù)，結(jié)合雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程式 Rx＝Nx×Px×Lx［5］，Rx 為雷擊風(fēng)險(xiǎn)，Nx 為雷擊次數(shù)，Px為雷擊概率，Lx為雷擊損失。計(jì)算未采取雷電防御措施和采取防雷措施后雷擊對(duì)人員可能造成的人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提出相關(guān)防雷措施。

2.2 伴月湖社區(qū)體育公園雷電活動(dòng)特征

本項(xiàng)目中雷電資料取自廣東省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以伴月湖社區(qū)體育公園的地理參數(shù)為基準(zhǔn)點(diǎn)，以3km為半徑，提取近10年地閃資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出如下結(jié)論，作為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)參數(shù)之一。下面對(duì)廣東省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)到的伴月湖社區(qū)體育公園所在區(qū)域（3km范圍內(nèi)）地閃活動(dòng)近10a數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［1，2］。

2.2.1 地閃密度

圖1 伴月湖社區(qū)體育公園（3km）區(qū)域地閃密度分布圖

根據(jù)圖1得出伴月湖社區(qū)體育公園所在點(diǎn)及其周圍10個(gè)格點(diǎn)的近10a平均地閃密度，乘以校正系數(shù)后的平均值為 14.84 次／a／km2，作為本評(píng)估項(xiàng)目所采用的地閃密度。

2.2.2 項(xiàng)目區(qū)域雷電流幅值累計(jì)概率分布圖（10a資料）及分析

根據(jù)伴月湖社區(qū)體育公園工程中心位置地理參數(shù)，以該點(diǎn)為圓心，以3km為半徑作圓，統(tǒng)計(jì)廣東省雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)近10a地閃數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出雷擊電流平均值和最大值，以及99%、98%、95%、90%雷電流累積概率分布情況?？梢缘贸霭樵潞鐓^(qū)體育公園（3km 半徑）區(qū)域范圍內(nèi)近 10a 雷電流幅值［1，2］：

1%→117.5kA；2%→89.1kA；5%→63.2kA；10%→46.8kA

99%→117.5kA，即雷電流幅值大于 117.5kA 的地閃概率為1%；

98%→89.1kA，即雷電流幅值大于80kA的地閃概率為2%；

95%→63.2kA，即雷電流幅值大于 62.5kA 的地閃概率為5%；

90%→49.4kA，即雷電流幅值大于 49.2kA 的地閃概率為10%。

1%：≥117.5kA，

雷電流幅值的平均值：21.4kA。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，大部分雷電流幅值都在117.5kA以下，只有極少數(shù)的雷電流幅值超過117.5kA，且概率極低。對(duì)于伴月湖社區(qū)體育公園防雷保護(hù)而言，從經(jīng)濟(jì)合理且方便選擇參數(shù)的角度考慮，選擇最大雷電流幅值為117.5kA是可行的。

綜合以上氣象雷暴數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)于伴月湖社區(qū)體育公園雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防雷保護(hù)而言，取以下氣象雷暴參數(shù)值是科學(xué)合理的：

Ng ＝14.84 次／a／km2；最大雷電流幅值I0＝117.5kA。

2.2.3 伴月湖社區(qū)體育公園（3KM半徑）區(qū)域地閃月均分布規(guī)律

圖2是根據(jù)伴月湖社區(qū)體育公園所在區(qū)域3km半徑范圍內(nèi)近10a地閃雷電數(shù)據(jù)繪制的月均分布圖，依據(jù)該圖得出地閃月均活動(dòng)規(guī)律：該區(qū)域7月份雷電活動(dòng)最為強(qiáng)烈，10月份至次年3月份基本上沒有地閃發(fā)生；4月份開始進(jìn)入雷暴期，5月份雷電活動(dòng)明顯加強(qiáng)，進(jìn)入 9月份雷電活動(dòng)明顯減弱［1，2］。

圖2 伴月湖社區(qū)體育公園工程（3km半徑）區(qū)域地閃活動(dòng)月均分布圖

2.2.4 區(qū)域地閃時(shí)段分布

伴月湖社區(qū)體育公園（3km半徑）區(qū)域地閃時(shí)段分布規(guī)律地閃數(shù)據(jù)繪制的時(shí)分布圖（圖3），依據(jù)該圖得出地閃日均活動(dòng)規(guī)律：該地域地閃主要活躍在14時(shí)-24時(shí)，80%以上的地閃發(fā)生在這個(gè)時(shí)段；午后15時(shí)-20時(shí)為地閃高發(fā)時(shí)段，70%以上的地閃發(fā)生在這個(gè)時(shí)段，其中19時(shí)段雷電活動(dòng)最為強(qiáng)烈；凌晨1時(shí)-次日13時(shí)段地閃相對(duì)較少，約15%的地閃發(fā)生在這個(gè)時(shí)段［1，2］。

圖3 伴月湖社區(qū)體育公園工程（3km半徑）區(qū)域地閃活動(dòng)時(shí)段分布圖

2.3 伴月湖社區(qū)公園雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

雷電致公園內(nèi)人身傷亡的發(fā)生主要由以下4方面引起［4］：

（1）游人對(duì)雷電防護(hù)知識(shí)的缺乏或不及時(shí)關(guān)注天氣預(yù)警信息，雷雨天氣時(shí)仍在公園內(nèi)停留遭受直接雷擊，或者防護(hù)方法不正確，受到接觸電壓、跨步電壓、旁側(cè)閃絡(luò)的危害；

（2）公園面積大，進(jìn)行綜合防雷設(shè)計(jì)和施工的成本較大，因此極少對(duì)整個(gè)園區(qū)進(jìn)行綜合防雷考慮；

（3）公園選址時(shí)，重點(diǎn)考慮的是自然環(huán)境、人口密度因素及城市規(guī)劃需求，強(qiáng)調(diào)擁山濱水，為此，從規(guī)劃設(shè)計(jì)開始就是跟高概率的雷擊掛上了鉤；

（4）公園屬于松散型管理模式，沒有對(duì)雷電等自然災(zāi)害預(yù)警信息及時(shí)接收和傳遞的系統(tǒng)，也缺乏雷雨來臨之際提前對(duì)人員疏散、臨時(shí)封閉、呼吁進(jìn)入雷電避災(zāi)場(chǎng)所等應(yīng)急措施。

直接雷擊包括雷電直擊公園內(nèi)建（構(gòu)）筑物、大樹和人體。該公園位于空曠地帶，人員多為鄰里型休憩活動(dòng)的居民，第1個(gè)游人高峰期為06：00左右，第 2個(gè)高峰期為 19：30以后［4］，而肇慶市各個(gè)時(shí)次都有雷暴發(fā)生［5］。當(dāng)雷電來臨時(shí)，因公園內(nèi)無建筑物或建筑物較少，人員無法在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)安全的場(chǎng)所，從而引發(fā)直接雷擊人身傷亡事故。雷電直擊建（構(gòu)）筑物主要由接觸電壓、跨步電壓引起的人身傷亡。旁側(cè)閃絡(luò)是指雷電直接擊中公園內(nèi)的大樹，大樹帶高電位，從而向它附近的人閃擊放電，造成人身傷亡，當(dāng)人在距被雷擊中的大樹很近時(shí)，閃電擊穿空氣間隙對(duì)人體進(jìn)行放電，假設(shè)雷電先導(dǎo)對(duì)大樹的分布電容C1＝0.15F，大樹對(duì)地的分布電容C2＝1.5F，雷電先導(dǎo)對(duì)地電壓U1＝1000KV，利用公式U2＝U1.C1／（C1+C2）計(jì)算旁側(cè)閃絡(luò)電壓 U2 ＝90KV。

接觸電壓是指雷電直接擊中公園內(nèi)的大樹，人員會(huì)由于接觸大樹而受到接觸雷擊。假設(shè)人手扶樹干在大樹下避雨，雷電擊中大樹，雷電流i＝40KA，人手接觸點(diǎn)離地高度h＝1.5m，樹干電阻R＝500Ω，單位長(zhǎng)度電感L0＝2μH／m，利用公式U＝UR+UL＝iR+L0·h·di／dt計(jì)算人手接觸樹干后可能的接觸電壓為20012KV。

跨步電壓是指雷電直接擊中公園內(nèi)的大樹，由于土壤散流電阻的存在，雷電流將在周圍土壤中產(chǎn)生壓降，如果人站在這塊具有不均勻電位分布的地面上，則在人的兩腳之間就存在著一定的電位差，這個(gè)電位差稱為跨步電壓。當(dāng)跨步電壓大到超過人體的承受能力時(shí)，便足以使人受到電擊甚至死亡。假設(shè)雷電流幅值 i＝40KA，土壤電阻率 ρ＝150Ωm，跨步長(zhǎng)度s＝0.8m，雷擊點(diǎn)與靠近一腳的距離d＝2m，利用公式 u ＝ i.ρ／2π × s／d（ d+s）計(jì)算出來的跨步電壓為133.7kV［6，7］。

2.4 伴月湖社區(qū)體育公園雷擊風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

把伴月湖社區(qū)公園分為4個(gè)區(qū)，分別為Z1區(qū)（封閉建筑物）、Z2區(qū)（敞開構(gòu)筑物）、Z3區(qū)（大樹底下）和Z4區(qū)（露天場(chǎng)所）。采用雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程式 Rx ＝ Nx× Px × Lx［3］，選取好相關(guān)的參數(shù)，如NX、PX、LX和 Cd，（見表 1、表 2、表 3、表 4）計(jì)算各區(qū)域未采取雷電防御措施的風(fēng)險(xiǎn)分量（如表5），再計(jì)算采取防御措施后的風(fēng)險(xiǎn)分量（如表6），并對(duì)前后風(fēng)險(xiǎn)分量進(jìn)行比較分析［8-10］。

2.4.1 未采取雷電防御措施產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分量

Z1區(qū)主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)分量為雷電直擊建筑物通過接觸電壓、跨步電壓產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分量RA。公園內(nèi)有一封閉建筑物長(zhǎng)33 m、寬13 m、高15.6m，實(shí)測(cè)土壤電阻率ρ＝120Ωm，3 km范圍內(nèi)地閃密度值Ng＝ 14.84 次／（km2·年），Ad＝LW+6H（L+W）+9π（H）2＝11093.1m2，Cd＝1 得出危險(xiǎn)事件次數(shù) ND＝NgAdCd10-6＝0.16 次／年，PA＝ 1，LA＝ra×Lt＝10-2×10-4＝10-6，RA＝ND×PA×LA＝0.016×10-5。 經(jīng)計(jì)算，該建筑物為三類防雷建筑物［6，7］。

Z2區(qū)位于LPZ0B區(qū)，主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)分量為雷電直擊構(gòu)筑物通過接觸電壓、跨步電壓產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分量RA、人員可能遭到小于滾球半徑所對(duì)應(yīng)的雷電流的直接雷擊產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分量RD，概率為11.23%。公園內(nèi)有一敞開構(gòu)筑物長(zhǎng)5m、寬5m、高4.3m，構(gòu)筑物危險(xiǎn)事件次數(shù) ND＝0.01 次／年。PA＝1，LA＝10-6，RA＝0.001 ×10-5；PD＝1，LD＝10-4，RD＝0.1 ×10-5×11.23% ＝0.011×10-5。經(jīng)計(jì)算，該建筑物為三類防雷建筑物。

Z3區(qū)主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)分量為雷電直擊大樹通過接觸電壓、跨步電壓引起的風(fēng)險(xiǎn)分量RA、因旁側(cè)閃絡(luò)引起的風(fēng)險(xiǎn)分量RB［9］。公園內(nèi)一大樹長(zhǎng)10m、寬10 m、高 15 m，危險(xiǎn)事件次數(shù) ND＝0.12 次／a。 PA＝1，LA＝10-4，RA＝1.2×10-5；PB＝1，LB＝10-5，RB＝0.12×10-5。

Z4區(qū)主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)分量為直接雷擊人體引起的風(fēng)險(xiǎn)分量RD。該公園占地面積為4.2×105㎡，可能受到危害的人員數(shù)量為100人，正常情況下暴露人口數(shù)為10000人，可能受害人員每年處于危險(xiǎn)場(chǎng)所的時(shí)間為 6120 h。Lt＝np／nt×tp／8760＝（100／10000）×（6120／8760）＝0.007，Ng＝14.84 次／（ km2·年 ），Ad＝4.2×105㎡，Cd＝0.5，危險(xiǎn)事件次數(shù) ND＝NgAdCd10-6＝3.12次／年。 PD＝1，LD＝ra×Lt＝0.007×10-2，RD＝ 21.8×10-5。類防雷建筑物采取防雷措施，風(fēng)險(xiǎn)分量RA降低了99%；人員及時(shí)進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)分量RD可降為0。Z3、Z4區(qū)，人員及時(shí)進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)分量RA、RB、RD可降為0。

表1 雷擊產(chǎn)生的接觸和跨步電壓導(dǎo)致生物觸電的根率PA的數(shù)值

表2 取決于減少物理損害的保護(hù)措施的PB的數(shù)值

表3 Lt，Lf和 Lo 的典型平均值

表4 土壤或地板表面類型與縮減因子ra和ru的數(shù)值關(guān)系

3 結(jié)論

表5 未采取雷電防御措施各區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值×10-5

從表5可知，人員處于無雷電防御設(shè)施的封閉建筑物、敞開構(gòu)筑物內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)分量總和低于風(fēng)險(xiǎn)容許值1×10－5；大樹底下、露天場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)分量總值高于風(fēng)險(xiǎn)容許值1×10－5，是公園雷擊人身傷亡的主要區(qū)域。

2.4.2 采取雷電防御措施后產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)分量

Z1區(qū)按照第3類防雷建筑物采取防雷措施，PA值由 1 減小為 10－2，RA＝ 0.00111×10－5； Z2區(qū)按照第3類防雷建筑物采取防雷措施，PA值由1減小為10－2，RA＝0.00002×10－5；人員及時(shí)進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，PD值由 1 減小為 0，RD＝ 0。Z3、Z4區(qū)，雷電來臨時(shí)，公園內(nèi)人員如果能及時(shí)進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物，受到雷電直擊、旁側(cè)閃絡(luò)、跨步電壓、接觸電壓的可能性可降為0。

由表2可知，Z1區(qū)按照第3類防雷建筑物采取防雷措施，風(fēng)險(xiǎn)分量RA降低了99%。Z2區(qū)按照第3

（1）伴月湖社區(qū)公園區(qū)域雷暴的發(fā)生主要集中在4~9月，7月雷電閃擊的概率最多，達(dá)到28.2%。閃電活動(dòng)主要集中在 14：00—24：00，其中 19：00 出現(xiàn)的頻數(shù)最高。雷電流最大值為117.5KA，平均值為21.4KA。3km 范圍內(nèi)地閃密度值 Ng為 14.84次／（km2·a）。

（2）人員處于無雷電防御設(shè)施的封閉建筑物、敞開構(gòu)筑物內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)分量總和低于風(fēng)險(xiǎn)容許值1×10－5；大樹底下、露天場(chǎng)所風(fēng)險(xiǎn)分量總值高于風(fēng)險(xiǎn)容許值1×10－5，是公園雷擊人身傷亡的主要區(qū)域，為此雷電來臨時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離大樹和不要在露天場(chǎng)所停留。

（3）按照相應(yīng)類別采取防雷措施后，封閉建筑物區(qū)和敞開構(gòu)筑物區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分量RA各降低了99%，人員及時(shí)進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)分量可降為0。

表6 采取雷電防御措施后各區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值×10-5

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