劉鳳姣 萬協(xié)成 楊加艷 賀秋艷 劉艷清

摘要：以提高農(nóng)村雷電災(zāi)害防御科技水平為目標(biāo)，分析了湖南省雷電災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，創(chuàng)建了農(nóng)村雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及綜合防御技術(shù)方法，研制發(fā)布了國家強制性標(biāo)準(zhǔn)，成功開展了雷電災(zāi)害綜合防御技術(shù)應(yīng)用與示范。取得的創(chuàng)新性成果如下：①確定了農(nóng)村民居防雷建筑物的雷擊次數(shù)下限值的國家標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)的設(shè)計施工技術(shù)要點;②提出了對稱不等間距四極法為測量土壤電阻率的首選方法并申請了專利，更能反映自然土壤實際分層情況，更具穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性更高;③繪制了長沙市大區(qū)域土壤電阻率分布，研發(fā)了分析軟件，分析得出土壤電阻率值與降水量呈明顯正相關(guān);④運用仿真樹、應(yīng)急避難場所、單棟農(nóng)村民居防雷設(shè)施等綜合防雷設(shè)施建設(shè)技術(shù)，創(chuàng)建了雷暴路徑攔截的區(qū)域性防護體系，創(chuàng)立了湖南省農(nóng)村全方位、立體式區(qū)域防雷減災(zāi)的新模式。

關(guān)鍵詞：雷電;農(nóng)村雷電災(zāi)害;防御關(guān)鍵技術(shù);應(yīng)用示范

中圖分類號：P429? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）14-0041-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.007 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： To improve the level of rural lightning disaster prevention science and technology as the goal， the lightning disasters were analysed in Hunan province. Key technical indexes and comprehensive technical methods for rural lightning disaster prevention had been established. National mandatory standards had been developed and issued. And the application and demonstration of comprehensive lightning disaster prevention technology had been successfully carried out. The following innovative results were obtained： ①The national standard for the lower limit of lightning strike frequency of rural residential lightning protection buildings and the corresponding key points of design and construction technology were determined; ②The symmetrical unequal spacing quadrupole method was proposed as the preferred method to measure the soil resistivity and a patent was applied， which can better reflect the actual stratification of natural soil and was more stable and more accurate; ③The distribution map of soil resistivity in Changsha region was drawn， and the analysis software was developed. It was found that the soil resistivity value was significantly positively correlated with precipitation; ④Integrated lightning protection facilities construction technologies， such as simulation trees， emergency shelters and single rural residential lightning protection facilities were used to create a regional protection system for thunderstorm path interception， and a new all-round and three-dimensional regional lightning protection and disaster reduction model in rural Hunan province was established.

Key words： lightning; rural lightning disaster; defense key technology; application demonstration

中國每年因雷電災(zāi)害造成的死亡人數(shù)中90%以上的受害者來自于農(nóng)村。湖南是全國雷電災(zāi)害最為嚴重的省份之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，每年發(fā)生雷災(zāi)事故約100余次，其中農(nóng)村因雷電災(zāi)害造成的傷亡人數(shù)占比最大。湖南省溆浦縣葛竹坪鎮(zhèn)山背村是一個有名的“雷擊村”，1979—1997年雷擊造成11人死亡、245人受傷，該情況逐步引起了各級黨政領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，要求相關(guān)部門采取有效措施解決山背村雷電災(zāi)害防御問題，因此，農(nóng)村雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用示范就此展開。本研究系統(tǒng)性分析了湖南省雷電災(zāi)害發(fā)生規(guī)律，研究創(chuàng)建了農(nóng)村雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及綜合防御技術(shù)方法，研制發(fā)布了國家強制性標(biāo)準(zhǔn)[1]。項目成果在應(yīng)用中不僅讓溆浦縣葛竹坪鎮(zhèn)山背村徹底摘除了“天下第一雷擊村”的帽子，也有效提升了湖南省乃至全國農(nóng)村的防雷減災(zāi)能力，社會經(jīng)濟效益顯著?，F(xiàn)將該項目研究匯報如下。

1 湖南省雷電活動和雷災(zāi)特征

基于湖南省97個縣（市）地面氣象觀測站1951—2013年雷暴觀測記錄、2008—2019年湖南省閃電監(jiān)測數(shù)據(jù)以及2002—2019年湖南省雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)，開展了多方位、多視角、多層次的統(tǒng)計分析，系統(tǒng)性地揭示了湖南省雷電災(zāi)害發(fā)生規(guī)律：①湖南省年雷暴日數(shù)湘南多于湘北、湘西多于湘東，沿南嶺山脈、雪峰山脈為兩條雷暴日高值帶，有名的“雷擊村”就位于雪峰山高值帶內(nèi)。②全省每個月均有雷電發(fā)生，其中4—9月是多發(fā)時段，7、8月是高峰期，多集中在15：00—17：00。③低洼地區(qū)及土壤電阻率較小和地下水位高的地方易遭受雷擊。④農(nóng)村建筑選址規(guī)劃性不強、結(jié)構(gòu)多樣，安全意識薄弱，雷電防護設(shè)施安裝不到位，易因頻繁的雷擊導(dǎo)致事故。⑤農(nóng)村因雷擊傷亡人數(shù)占全省的70%，遠超過城市雷電災(zāi)害事故造成的人員傷亡數(shù)量，其主要原因，一是農(nóng)田附近缺乏必要的避險場所，二是農(nóng)村的各類建（構(gòu)）筑物缺少雷電防護措施 。

2 農(nóng)村雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與方法

2.1 制定國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村民居雷電防護工程技術(shù)規(guī)范》（GB50952—2013）

基于全國各地農(nóng)村民居的規(guī)模、特點和防雷現(xiàn)狀，總結(jié)了各地區(qū)農(nóng)村民居防護工程存在的問題，提出了農(nóng)村民居防雷建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)下限值為0.013次/年，劃定了“一般農(nóng)村民居防雷建筑物”分類范圍，并明確規(guī)定了新建、擴建和改建農(nóng)村民居的防雷設(shè)計、施工要求，對IEC62305和GB50057—2010進行了補充和完善。該標(biāo)準(zhǔn)已實施4年多，對積極推進農(nóng)村防雷工程建設(shè)、大力提升農(nóng)村雷電災(zāi)害防御能力、有效減少雷擊農(nóng)村民居所發(fā)生的人身傷亡和財產(chǎn)損失起到了重要作用[2]。

為解決全國農(nóng)村雷電災(zāi)害較嚴重的問題，基于數(shù)理計算、理論推導(dǎo)等手段及雷閃數(shù)學(xué)模式和損壞概率值PrWr多次理論驗算，首次提出“一般農(nóng)村民居防雷建筑物”的防雷分類，并明確了應(yīng)進行防雷工程設(shè)計和施工的農(nóng)村民居標(biāo)準(zhǔn)范圍[3]，發(fā)布農(nóng)村民居防雷建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)下限值，為0.013次/年，并上升為國家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村民居雷電防護工程技術(shù)規(guī)范》GB50952—2013，填補了國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62305—2000和國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057—2010中未涵蓋的“農(nóng)村民居的防雷”的空白[4，5]。

2.2 建立土壤電阻率測量方法及分析土壤分層結(jié)構(gòu)的方法

在多種不同天氣狀況及土壤含水情況下，分別利用三極法、溫納四極法及對稱不等間距法（巴莫法）對試驗場土壤電阻率進行測量，然后，利用著名軟件CDEGS對測試結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，并將該分析結(jié)果與該區(qū)域臨近項目的地勘數(shù)據(jù)進行對比分析。分析結(jié)果表明，利用對稱不等間距法（巴莫法）測量的土壤電阻率數(shù)據(jù)，最能反映試驗場土壤的實際分層情況，具有最佳的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，提出了將對稱不等間距法（巴莫法）作為土壤電阻率測量的首選方法，而不是行業(yè)目前所使用的等間距溫（文）納四極法的結(jié)論[6]。同時，也完成了試驗場測量3年內(nèi)季節(jié)變化、溫度、降水等因素對土壤電阻率的影響分析，完成了區(qū)域土壤電阻率分布分析系統(tǒng)軟件研發(fā)等，研發(fā)了區(qū)域土壤電阻率分布分析軟件。

首先，對于跨度<120 m的非均勻待測土壤，建立了一種內(nèi)側(cè)極間距與外側(cè)極間距的比≥2的對稱非等距四極法的土壤電阻率測量法，并已申報發(fā)明專利。建立兩個試驗場時，在多種天氣狀況及土壤含水情況下，采用三極法、溫納四極法、對稱不等間距法（巴莫法）、不等間距法等常用土壤電阻率測量方法測量試驗場土壤電阻率，利用著名CDEGS軟件對測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，并將分析結(jié)果與該區(qū)域臨近項目的地勘數(shù)據(jù)進行對比分析[7]，全面揭示對于非均勻地質(zhì)結(jié)構(gòu)，不論區(qū)域大小，溫納四極法測量數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反演土壤分層，而對稱不等間距法（巴莫法）測量數(shù)據(jù)反演結(jié)果與地勘數(shù)據(jù)有較好的相關(guān)性，提出當(dāng)土壤不均勻、電極間距小于40 m時，優(yōu)先使用對稱不等間距法測量土壤電阻率，對GB/T17949和GB/T21431等國家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于土壤電阻率測試方法的精準(zhǔn)性進行補充和完善，以更好地適應(yīng)因社會發(fā)展導(dǎo)致下墊面管線增多和混凝土結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)狀。

其次，研發(fā)了區(qū)域土壤電阻率分布分析系統(tǒng)，研究了長沙市土壤電阻率變化規(guī)律。通過自主研發(fā)的軟件，利用多年檢測數(shù)據(jù)，繪制出長沙市大區(qū)域土壤電阻率分布。研究了將小區(qū)域土壤電阻率分布網(wǎng)格化，利用塊差值法形成精細化的土壤電阻率分布，形成可用于工程的分析方法，并開發(fā)了相應(yīng)分析軟件。

3 工程應(yīng)用示范——溆浦縣葛竹坪鎮(zhèn)山背村雷電災(zāi)害防御體系建設(shè)

溆浦縣葛竹坪鎮(zhèn)山背村屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3 ℃，年平均日照時間1 800 h，無霜期280 d，年平均降雨量1 539.1 mm，四季分明，氣候溫和。溆浦縣山背村雷災(zāi)嚴重、下墊面復(fù)雜，基于其地形地貌、氣候分布特點、雷電災(zāi)害特征等，并結(jié)合現(xiàn)場測量、實地勘探結(jié)果，首次開啟了融合農(nóng)村雷電災(zāi)害防御、鄉(xiāng)村振興為一體的農(nóng)村氣象災(zāi)害防御新模式，創(chuàng)建以仿真樹、應(yīng)急避難場所、單棟農(nóng)村民居防雷設(shè)施等雷電防護安全設(shè)施為主的全方位、立體式農(nóng)村大區(qū)域雷電防御體系，實現(xiàn)了雷災(zāi)嚴重、區(qū)域范圍大、氣象因素和下墊面情況復(fù)雜的條件下農(nóng)村雷電災(zāi)害區(qū)域防御關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用，打造了精準(zhǔn)扶貧、鄉(xiāng)村振興、鄉(xiāng)村旅游及農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新高地[8]。

3.1 山背村氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究

對湖南省閃電定位監(jiān)測網(wǎng)2007—2012年以山背村村部所在位置為中心的15 km半徑的閃電監(jiān)測資料進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。由表1可知，共監(jiān)測到云地閃電6 293條，其中正閃388條，負閃5 905條，每年雷擊密度8.9次/km2。

從地閃統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，閃電具有密度高、強度大，夏季集中、午后高發(fā)等特點。主要集中在6—8月（圖1a），逐時呈現(xiàn)單峰值分布，集中在每天的? 14：00—15：00（圖1b）。最大強度絕對值389.7 kA，最小強度絕對值0 kA，小于5.4 kA的閃電9條，占0.14%，小于10.1 kA的閃電73條，占1.16%，小于15.8 kA的閃電147條，占2.34%。大于150 kA的閃電158條，占2.51%;發(fā)生次數(shù)相對較多的雷暴主導(dǎo)移動方向依次為SE、S、SW（圖1c），這種現(xiàn)象的形成既有大環(huán)境的影響，也有局地強對流天氣的原因。

3.2 土壤特性研究

查閱相關(guān)資料確定山背村的土壤類型為成土母巖，有板頁巖和石灰?guī)r，主要土壤類型有紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地草甸土等4種類型。

對山背村土壤電阻率進行測算分析，由表2可知，山頂高于山谷，背風(fēng)坡高于迎風(fēng)坡，考慮到測量前2 d天氣晴好，取季節(jié)修正系數(shù)1.5，修正后的土壤電阻率整體分布在450～3 000 Ω·m。

3.3 山背村區(qū)域雷電災(zāi)害防御設(shè)施建設(shè)

由于農(nóng)村地域廣闊、居住分散、經(jīng)濟基礎(chǔ)相對薄弱，環(huán)境復(fù)雜多樣，要想實現(xiàn)全面、系統(tǒng)、完善的防雷措施，不僅資金需求大，而且技術(shù)要求高、施工難度大[9]。在掌握了該村雷電存在的主要隱患、發(fā)生的主要規(guī)律、雷暴的主要路徑方位等的基礎(chǔ)上，從雷電區(qū)域攔防、居民建筑防雷裝置改造和電器設(shè)備感應(yīng)雷浪涌保護等幾個方面立體式進行防護，盡可能做到投入少、作用大[10]。

3.3.1 區(qū)域雷電災(zāi)害防御建設(shè) 結(jié)合山背村的氣候特點和地形地貌，以雷暴路徑分布為依據(jù)，在山背村外圍選取區(qū)域高地及峰谷入口設(shè)置通用型仿生樹避雷針，以便將入境的雷雨云提前泄放，減少山背村雷擊次數(shù)的發(fā)生[11]?？紤]到至少需要兩個鐵塔吸引雷雨云電荷，故防雷鐵塔（仿真樹）的設(shè)計間距可考慮在500～2 000 m分布，置于區(qū)域高地或峰谷入口等地形起伏位置，使得從外圍入境的雷雨云從上空經(jīng)過。經(jīng)調(diào)查監(jiān)測，山背村閃電路徑分布較為均勻，因此各個方向均應(yīng)布防;山背村外圍周長約30 km，經(jīng)測算，選取16根避雷針（仿真樹），間距1～3 km分布，從16個方向加密布設(shè)，可在山背村外圍布防，從而更加有效地攔截外圍漂移過來的雷雨云。

3.3.2 應(yīng)急避險場所建設(shè) 在山背村空曠場所建設(shè)災(zāi)害應(yīng)急避險亭，為其在雷雨突襲等災(zāi)害來臨時提供野外避險場所。由于山背村占地面積大，村民勞作范圍廣，多數(shù)農(nóng)田距離民居的步行時間遠不止? 30 min，而人們從肉眼發(fā)現(xiàn)雷雨云發(fā)生，到發(fā)生對地閃擊的時間常在30 min內(nèi)，按照雷電的物理特征，以1 km為避險亭服務(wù)半徑，確保村民在15 min內(nèi)到達，同時利用現(xiàn)有民居，結(jié)合各小組村民與其對應(yīng)農(nóng)田的實際分布情況，選取10個地點作為應(yīng)急避險亭位置。與此同時，在發(fā)生山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害時也可作為臨時應(yīng)急場所。

3.3.3 完善現(xiàn)有建（構(gòu)）筑物綜合防雷設(shè)施 通過采取安裝接閃器、引下線、地網(wǎng)等措施，完善外部防雷系統(tǒng);同時設(shè)置防電涌侵入、等電位等措施，完善內(nèi)部防雷系統(tǒng)。完善山背村現(xiàn)有434棟建（構(gòu)）筑物綜合防雷設(shè)施建設(shè)，其中，木質(zhì)結(jié)構(gòu)房屋301棟，磚混結(jié)構(gòu)房屋133棟，保障了山背村建（構(gòu)）筑物（村民住宅、村辦公場所、學(xué)校、村民活動學(xué)習(xí)場所等）、人員和電器設(shè)施防雷安全。

3.4 山背村綜合防雷安全應(yīng)用效果研究

基于整體防御效果，以及與山背村的自然景觀相融合的問題，從安全、經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，在山背村外圍選取區(qū)域高地及峰谷入口設(shè)置通用型仿生樹避雷針，將入境的雷雨云雷電流進行提前泄放;根據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果得出山背村雷電對地閃擊的時間大約在30 min內(nèi)，選取1 km為避險亭服務(wù)半徑;根據(jù)當(dāng)?shù)貧v史雷災(zāi)特點，選取10個地點建設(shè)雷電災(zāi)害應(yīng)急避險亭。最終建立集區(qū)域內(nèi)雷電災(zāi)害防御、建設(shè)應(yīng)急避險場所、完善現(xiàn)有建（構(gòu)）筑物綜合防雷設(shè)施等手段為主的雷電災(zāi)害綜合防御體系，使雷電災(zāi)害風(fēng)險值低于容許值，即小于1E-05（表3）。通過本項目實施后，雷電災(zāi)害風(fēng)險值低于容許值，當(dāng)?shù)胤览诪?zāi)害防御能力得到了進一步的完善，為山背村人民群眾生產(chǎn)與生活活動提供防御安全。同時，項目的實施可為湖南省在農(nóng)村雷電災(zāi)害防御建設(shè)起到重要的示范作用，乃至為全國樹立樣板工程。

4 小結(jié)與討論

項目成果不僅在湖南省溆浦縣山背村開展了示范，也應(yīng)用到住建、農(nóng)業(yè)、氣象、林業(yè)、生態(tài)、能源、衛(wèi)生、交通、旅游等領(lǐng)域和各級政府決策部門，尤其是為長沙市軌道交通、溆浦縣山背村雷電災(zāi)害防御、張家界新一代天氣雷達建設(shè)等項目提供了高質(zhì)量的技術(shù)服務(wù)，取得了顯著的社會效益及生態(tài)效益。

但是，針對大范圍區(qū)域性雷電災(zāi)害防御作為系統(tǒng)性工程建設(shè)項目，目前社會需求（重點雷擊村、雷擊頻發(fā)旅游景區(qū)、林區(qū)、大型多功能區(qū)等）與科技支撐力量薄弱矛盾，如何科學(xué)、合理、有效地開展并推廣防雷電科技新成果、新技術(shù)，是下一步努力的方向。

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