（大气物理学与大气环境专业论文）黑龙江省雷电灾害分析及雷击灾害风险评估系统研发.pdf

摘要 a b s t r a c t 第一章绪论 i l 1 1 研究的目的意义1 1 2 国内外发展概况和研究现状3 1 3 研究内容4 第二章雷电灾害概念及研究方法概述。6 2 1 雷电灾害的概念6 2 2 雷电灾害风险评估的概念7 2 3 雷电灾害风险评估的研究方法7 2 4 一般灾害风险评估的内容和程序8 2 5 雷电灾害风险评估的程序9 第三章黑龙江省霄电灾害分析 3 1 资料说明。1 1 3 2 黑龙江省雷电灾害孕灾环境分析1l 3 2 1 黑龙江省雷暴日数与雷电灾害的空间分布特征对比分析1 2 3 2 2 黑龙江省雷暴日的年际变化特征1 4 3 2 3 黑龙江省雷暴日与雷电灾害的年际变化特征对比分析1 5 3 2 4 黑龙江省雷暴日数与雷电灾害月变化对比分析。1 5 3 2 5 黑龙江省地闪频数日变化曲线特征分析1 6 3 2 6 雷电灾害分类统计特征分析17 3 3 黑龙江省雷电灾害易损性分析1 8 3 3 1 评估指标计算19 3 3 2 评估指标权重的计算2 2 3 3 3 建立评估模型2 2 3 3 4 黑龙江省雷电灾害易损度评估结果2 3 3 3 5 黑龙江省雷电灾害易损度区划图2 3 3 3 6 雷电灾害易损度区划结果评价2 6 第四章雷击灾害风险评估实倒 4 1 齐齐哈尔多普勒天气雷达基地建筑概况2 7 4 1 1 供配电2 7 4 1 - 2 直击雷防护2 8 4 1 3 雷电感应和雷电波侵入的防护。2 8 4 2 齐齐哈尔多普勒天气雷达基地雷电灾害孕灾环境评价2 9 4 2 1雷暴日分析2 9 南京信息工程大学硕士学位论文 4 2 2 地闪密度等级3 0 4 2 3 雷电流累积概率31 4 2 4 地闪日变化规律3 2 4 3 齐齐哈尔多普勒天气雷达基地雷电灾害易损度评价3 2 4 4 雷击损害风险估算3 2 4 4 1 建筑物及入户设施的截收面积3 2 4 4 2 年预计危险事件次数。3 3 4 4 3 雷击导致各种损害的概率3 4 4 4 4 人员生命损失风险估算3 4 4 4 5 经济损失风险估算3 6 4 5 评估结果3 7 第五章雷电灾害风险评估管理系统 5 1 系统需求分析3 8 5 2 程序设计说明3 8 5 3 系统功能3 9 5 3 1 评估工作操作流程管理模块3 9 5 3 2 雷击损害风险估算模块3 9 5 3 3 评估档案管理模块3 9 5 3 4 雷暴日数查询模块4 0 5 3 5易损度查询模块4 1 5 3 6 外接程序模块4 2 5 4 雷击损害风险估算数据处理流程4 2 第六章总结4 4 6 1 结论4 4 6 2 研究新意和论文特色4 5 在读期间发表的论文 参考文献 致谢 4 7 i l 5 1 摘要 摘要+ 本文首先在灾害风险评估理论的基础上，对雷电灾害风险评估的概念和方 法进行探讨，给出雷电灾害风险评估的内容及流程。从雷电灾害孕灾环境、承 灾体雷电灾害易损性、雷击损害风险估算等方面对雷电灾害风险评估方法进行 分析。 然后，选取雷暴日数、雷电灾害频度、人身损失及经济损失情况四个评估 指标，采用层次分析法确定雷电灾害风险评估指标的权重分布，得出雷电灾害 风险评估模型，提出潜在易损性、现实易损性及综合易损性等概念，并用于评 价承灾体雷电灾害易损性。以黑龙江省为例，进行区域雷电灾害分布特征分析、 孕灾环境分析、承灾体雷电灾害易损性分析，得出雷电灾害易损度区划图，为 黑龙江省制定防灾、减灾规划提供科学依据，为雷电灾害风险评估工作提供参 考。 上述研究推动了雷电灾害风险评估的计算机系统开发，本文介绍了该系统。 该系统采用人机交互方式，界面友好，便于实现复杂的风险估算参数选取；依 据i e c 6 2 3 0 5 - 2 的规定，确定程序的风险估算公式，完成雷击损害风险数据的处 理和计算的自动化；可以实现雷电灾害风险评估业务流程规范化和档案电子化 的计算机管理；可以免除大量繁琐的人工计算过程，避免人工出错，便于信息 更正，提高评估结果的准确性和评估工作的管理效率。 关键词：雷电灾害，潜在易损性，现实易损性，风险评估 + 公益性行业科研专项( g y h y 2 0 0 8 0 6 0 1 4 ) 及黑龙江省气象局科学技术项目“雷击风险评 估方法研究”共同资助 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t + f i r s lt h ec o n c e p t sa n dt h em e t h o d so fl i g h t n i n gd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n tw e r e s t u d i e d ，t h ec o n t e n t sa n dt h ep r o c e s so fl i g h m i n gd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n tw e r eg i v e n b a s e do nt h et h e o r i e so fd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n ta n dl i g h t n i n gd i s a s t e r r i s k a s s e s s m e n ti nt h i sp a p e r a l s o ，t h em e t h o d so fl i g h m i n gd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n t w e r ea n a l y z e df r o mt h ef o l l o w i n gr e s p e c t ss u c ha sp r e g n a n tl i g h t n i n ge n v i r o n m e n t s ， l i g h t n i n gd i s a s t e rv u l n e r a b i l i t ya n dl i g h t n i n gd a m a g er i s ke s t i m a t i o n t h e n ，a n n u a lm e a nt h u n d e r s t o r mc l a y s ，l i g h t n i n gd i s a s t e rf r e q u e n c y ，v i t a l v u l n e r a b i l i t y m o d u l ea n de c o n o m i c v u l n e r a b i l i t y m o d u l e w e r es e l e c t e da s a s s e s s m e n ti n d i c e so fr i s kz o n i n go fr e g i o n a ll i g h t n i n gd i s a s t e r , a n dt h ew e i g h t i n g d i s t r i b u t i o no fa s s e s s m e n ti n d e xw a sd e f i n e dw i n l 脚n ee q u a t i o n so fl i g h t n i n g d i s a s t e rr i s ke s t i m a t i o nw e r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fa h pm o d e l m e a n w h i l e t h e n o t i o n so fp o t e n t i a lv u l n e r a b i l i t y ，r e a l i s t i cv u l n e r a b i l i t ya n ds y n t h e t i cv u l n e r a b i l i t y w e r ep r o p o s e dt oe v a l u a t el i g h t n i n gd i s a s t e rv u l n e r a b i l i t y m o r e o v e r ，t h es y n t h e t i c a s s e s s m e n tf o rr i s kz o n i n ga n dr i s kz o n i n gm a po ft h u n d e r s t o r md i s a s t e r si n h e i l o n g j i a n gp r o v i n c ew e r eo b t a i n e d s c i e n t i f i cb a s i sm i g h tb ep r o v i d e df o rt h e p l a n n i n go fr e g i o n a lp r e v e n t i o na n dr e d u c t i o no fl i g h t n i n gd i s a s t e ri nh e i l o n g j i a n g p r o v i n c e ，a n dt h u sc o u l d b eu s e da sr e f e r e n c e sf o rt h e l i g h t n i n gd i s a s t e rr i s k a s s e s s m e n t f i n a l l y ，a no b j e c t i v es y s t e mo fl i g h t n i n gd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n tw a sd e v e l o p e d f o rt h ec o m p u t e rm a n a g e m e n to fl i g h t n i n gd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e mp r o c e s s ，t h e a u t o m a t i cp r o c e s s i n ga n dc a l c u l a t i o no fl i g h t n i n gd a m a g er i s kd a t aa n dt h ee l e c t r o n i c m a n a g e m e n to fl i g h t n i n gd i s a s t e rr i s ka s s e s s m e n ti e c o r d s n o to n l yal a r g en u m b e r o ft e d i o u sm a n u a lc a l c u l a t i o n sa r ee x e m p t e d ，b u ta l s oa r t i f i c i a le r r o r sa r ea v o i d e d ， a n dt h ea c c u r a c yo fa s s e s s m e n tr e s u l t si si m p r o v e d k e yw o r d s ：l i g h t n i n gd i s a s t e r ；p o t e n t i a lv u l n e r a b i l i t y ；r e a l i s t i cv u l n e r a b i l i t y ；r i s k a s s e s s m e n t t h ew o r ki ss u p p o r t e db yc h i n ac o m m o n w e a li n d u s t r yr e s e a r c hp r o j e c ty h y 2 0 0 8 0 6 014 i i 第一章绪论 1 1 研究的目的意义 第一章绪论 在科学技术日益发展的今天，人类利用自然改造自然的能力不断提高，然而众多类型 的灾害却给人类带来了巨大的威胁和挑战，给人类社会带来难以估量的损失。同时随着人 口的持续增长、社会经济生产规模的不断扩大、城市化水平的不断提高以及人类对生态环 境的不断破坏，灾害的种类日益增多，频度不断提高，损害日益严重。灾害已经成为当今社 会面临的最主要问题之一【l 】o 因此，灾害已成为现代科学研究中的热点【】1 引。世界各国都越 来越重视灾害研究，1 9 7 2 年底召开的第2 7 届联合国大会决议，将每年的6 月5 日定为世 界环境日【l 】。为了推进广泛的国际协调与合作，1 9 8 7 年联合国第4 2 届大会通过了“国际减 轻自然灾害十年( i n t e r n a t i o n a ld e c a d eo f h a z a r dr e d u c t i o n ) ”的决议，把2 0 世纪最后十年作 为研究、治理自然灾害的十年【1 1 l ，目的在于提醒和教育人们重视环境保护、预防灾害。联 合国国际减灾十年( i d n d r ) 委员会在1 9 9 1 年提出的国际减轻自然灾害十年的灾害预防、 减少、减轻和环境保护纲要方案与目标中，把灾害评估作为i d n d r 要具体实现的三项 目标中的第一项【l l 】，说明开展灾害风险评估工作具有极为重要的意义。 雷电是发生在大气层中的声、光、电物理现象，通常认为是由于热空气上升，冷空气 下降过程中的热交换，产生带有正负电荷的小水滴积聚形成积雨云，在积雨云( 雷云) 形成 过程中，由于大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用，正负电荷分别在云 的不同部位积聚。当这些电荷积聚到一定程度时，就会在云与云之间或云与地之间发生放 电，也就是人们平常所说的“闪电，【1 9 1 。雷电放电瞬间可产生数十千安，甚至数百千安的放 电电流。雷电流能产生巨大的破坏力和很强的电磁干扰，给人类的生活、工作带来很大的 影响，它引起的灾害是自然界对人类生活有较大影响的十大自然灾害之一【2 0 1 。 雷电因其强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应而 能够在瞬间产生巨大的破坏作用【2 1 1 ，常常导致人员伤亡，建筑物、供配电系统、通信设备、 民用电器的损坏，引起森林火灾，造成计算机信息系统中断、仓储、炼油厂、油田等燃烧 南京信息工程大学硕士学位论文 甚至爆炸，危害人民财产和人身安全，也会严重威胁航空航天等运载工具的安全。每年都 有因雷击而造成经济损失和人员伤亡的事故发生，严重影响和制约了社会经济的健康发展 2 2 - 2 4 。为了减轻雷电灾害造成的损失和影响，需要科学地防御雷电灾害，雷电防护采取的 措施，必须轻重得当【2 5 1 。措施过轻，不能起到有效的保护作用；措施过重，则增加不必要 的资源浪费。因此，要做好雷电防护，首先要进行雷电灾害风险评估。 风险评估是指对不良结果或不期望事件发生的几率进行描述及定量的系统过程。或者 说，风险评估是对一特定期间内生命、财产安全等受到损害的可能性及可能的程度做出评 估的系统过程【2 6 1 。 灾害风险评估是指对一定的区域，在一定的时期内，自然灾害发生的可能性及其结果 的可能性做出科学的评估，包括致灾因子的危险性评估、承灾体的脆弱性评估、损失结果 可能性的评估及其之间的关系【1 羽。 雷电灾害风险评估是根据项目所在地大气雷电环境特征及其灾害特征，对雷电可能导 致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算，从而为项目选址、功能 分区布局、防雷类别( 等级) 与防雷措施确定、雷灾事故应急方案等提出建设性意见的一 种评价方法【2 7 1 。是人们从科学的角度认识雷电灾害，通过定量分析确定危害程度的一种常 用措施，是雷电灾害风险管理的重要环节，是雷电灾害风险处理的前提和基础，是防雷工 程设计的基础依据，统筹和指导防雷设计的各个方耐2 引。做好雷电灾害风险评估是保证防 雷设计科学可靠、技术先进、经济合理的重要环节。雷电灾害风险评估的目标是围绕雷击 对建筑物、信息系统、易燃易爆场所、公共安全场所等造成损害的成因，对评估对象所处 地区的大气雷电环境充分调查，确定雷灾风险的评估因子和各种雷击损害的概率，给出雷击 引起的建筑物损害风险的评估程序，在确定评估对象所能承受的最大雷灾损害风险值的基 础上，能够从安全和经济合理性出发，为决定建筑物是否需要提供防护措施，以及如何选 择适当的防护措施提供技术参考。因此，雷电灾害风险评估是防雷设计中最重要的一环。 其工作必须在防雷工程设计之前完成。这样才能使防雷工程立于坚实的科学基础之上，做 到安全可靠、技术先进和经济合理，克服盲目性和大量器材的无谓浪费。通过雷电灾害风 险评估可为评估对象提供雷电防护的科学设计、灾害风险控制、经济投资、应急管理等方 2 第一章绪论 面服务，保证防雷工程安全可靠、技术先进、经济合理。雷电灾害风险评估是开展综合防 雷的必经程序1 2 9 1 ，也是实现科学防雷的必要条件，体现了预防为主，防治结合的理念。 1 2 国内外发展概况和研究现状 在国外，i e c 和i t u 两大国际组织相继发布了一系列关于雷电防护的标准与规范，特别 针对建筑物和通信站等雷电灾害风险评估制定t i e c 6 2 3 0 5 和i t u tk 3 9 1 3 0 1 等标准。逐渐形 成了一套完整而实用的雷电灾害风险评估体系，对雷电防护及其风险评估提供了有力的依 据，具有重要的指导意义。国际新防雷标准系列i e c 6 2 3 0 5 中的第二部分i e c 6 2 3 0 5 2r i s k m a n a g e m e n t 提供的雷电灾害风险评估方法，是目前开展雷电灾害风险评估的主要技术依 据。i e c 方法的架构合理，考虑全面、仔细。能反映不同雷害来源、不同因素的影响，可以 看到各个雷击风险分量，进而视不同雷击风险分量的大小采取不同的对策，针对性较好， 也可作经济比较。缺点是繁琐复杂，结构庞大，雷害损失系数和可容忍风险值难定，如区 别直击一反击、感应和侵入波的危害程度上不够，对雷击损坏后果的考虑不够等。 在国内，针对气象信息系统雷击电磁脉冲防护问题，中国气象局发布了气象信息系 统雷击电磁脉冲防护规范( q x 3 2 0 0 0 ) 1 3 1 】，适用范围是由雷击电磁脉冲( l e m p ) 对气象 信息系统造成损失的风险评估，评估的重点是确定年平均直击雷次数和年平均允许雷击次 数。这个标准的雷电灾害风险评估方法相对比较简单，评估结构清晰，比较有针对性。建 筑物电子信息系统防雷技术规范( g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 ) 3 2 1 按建筑物电子信息系统所处环境进 行雷电灾害风险评估，确定雷电防护等级。该标准确定的雷电灾害风险评估方法重点考虑 了建筑物年预计雷击次数、建筑物入户设施年预计雷击次数以及建筑物电子信息系统因直 击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数。这两个规范的缺点是将所有风险 分量都混在一起，不能给出雷击风险值，不能区别不同来源雷害的风险值，不能区别不同 防护措施减少风险的效果f 2 8 】。2 0 0 7 年，中国气象局颁布了行业标准q x t 8 5 2 0 0 7 雷电灾害 风险评估技术规范，规定了雷电灾害风险评估的内容包括大气雷电环境评价、雷击损害风 险评估等，对雷电灾害的孕灾环境因素进行了更深入的分析，但在目前的研究中很少引用 该规范。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 随着技术规则的建立和逐步完善，雷电灾害风险评估业务的实践在国内得到了较快速 发展，并取得了一些经验。钟万强等以建筑物雷电灾害风险评估作为研究对象，就风险 和风险评估的定义、雷电灾害风险评估的基本原则、评估的工作流程和概念模型、相关的 评估标准、建筑物风险评估体系和评估方法等方面进行了分析；程翠娥川等从雷击风险评 估的概念、标准、方法以及国内雷击风险评估工作开展的途径及近况等方面进行了雷击风 险评估综述；陈华晖f 3 5 1 等以正c 6 2 3 0 5 评估标准为依据，就评估过程中某些参数的取值进 行了探讨；杨仲江【3 6 】等针对热电厂的特殊结构，结合某热电厂的雷电灾害实际情况，简化 风险评估模型，尝试用2 0 0 6 年发布的i e c 6 2 3 0 5 2 雷电灾害风险管理的评估方法对电厂 进行初步的雷电灾害风险评估；王强、隋彬【3 7 】根据i e c 6 1 6 6 2 的雷击风险评估模型对建筑物 雷击风险评估进行了探讨。 然而雷电灾害风险评估工作是一项复杂的工作，涉及到建筑物所在地的气象环境、地 质、地理环境等方方面面，由于我国幅员辽阔，气候差异很大，大气雷电环境及雷电灾害 过程也不尽相同，因此，有必要深入开展区域性雷电灾害风险分析与研究。郭虎等3 8 , 3 9 1 在 灾情网络分析的基础上，建立了北京市雷电灾害的灾情评估指标体系，并对北京市进行了 雷电灾害易损性分析，形成北京市雷电灾害易损度区划；尹娜等【4 0 1 对广东省雷电灾害的脆 弱性和易损性进行了综合评估，形成了广东省各地易损性结构和雷灾易损度区划；蒋勇军 等对重庆市进行了雷电灾害易损性分析及易损度区划；严春银1 4 2 1 对江西省各设区市的雷 灾易损性进行了综合评估，形成了江西省雷灾易损性区划；殷娴等【4 3 1 分析了江苏省的雷电灾 害分布特征，生成了江苏省的雷灾易损度区域划分图。深入开展区域雷击事故分析，雷电 参数统计，大气雷电环境评价，雷电灾害风险区划，确定雷击后果因子系数、最大可承受 雷击风险概率等因素，给出雷击损害风险的评估程序，在确定评估对象所能承受的最大雷 灾损害风险值的基础上，能够从安全和经济合理性出发，为如何选择适当的防护措施提供 技术参考，为采取科学合理的雷电防护措施提供决策依据。 1 3 研究内容 本文利用黑龙江省1 9 5 9 2 0 0 8 年8 0 个气象观测站的雷暴日资料、2 0 0 5 2 0 0 9 年黑龙江 4 第一章绪论 省雷电地闪定位网的监测资料、1 9 9 9 2 0 0 8 年各年的全国雷电灾害汇编记载的雷电灾 害信息及黑龙江省防雷中心收集整理的雷电灾害资料、黑龙江统计年鉴2 0 0 9 发布的黑 龙江省人口和经济特征资料，对比分析黑龙江省雷电灾害孕灾环境、雷电灾害时、空分布 特征以及黑龙江省潜在的雷电易损性，在此基础上，结合齐齐哈尔多普勒雷达基地综合楼 开展了雷击灾害风险评估的研究，并研发了雷电灾害风险评估管理系统。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章雷电灾害概念及研究方法概述 2 1 雷电灾害的概念 雷电灾害泛指雷击或雷电电磁脉冲入侵和影响造成人员伤亡或财物受损、部分或全部 功能丧失，酿成不良的社会和经济后果的事件。雷电灾害的损失包括直接的人员伤亡和经 济损失，以及由此衍生的经济损失和不良社会影响1 2 1 1 。 自然界中由雷电造成的损害可以分为两类【2 1 】：直接雷击灾害和间接雷击灾害。 直击雷是雷电直接击在物体上，产生电效应、热效应和机械力，直接雷的高电压和强 电流对地面物体造成巨大的破坏。间接雷击主要是雷电感应和雷电波侵入。雷电感应是雷 电在放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，并可能使金属部件之间产生火花。 雷电波侵入是雷电放电时产生的强烈电磁脉冲，在金属管道的导线上感应出强大的电磁脉 冲，雷电过电压波可能沿着架空线路或金属管道侵入屋内，危及人身安全或损坏仪器设备。 雷击释放的强大的瞬间脉冲电流产生巨大的热能、机械能并诱发脉冲过电压、过电流，造 成建筑物倒塌、起火，人员伤亡，电力、电子设备的工作失灵或损坏，通信中断，系统瘫 痪等严重后果，甚至会危及人身的安全，对于生命和财产构成威胁。 随着科学技术的不断进步，各类电子信息产品得到广泛应用，特别是电子信息系统的 应用，极大的方便了人们的生活。但是，这些电子设备普遍存在着绝缘强度低、过电压和 过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域发生 雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、通信线、接收天线、金属管道和 空间辐射等途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行。如防护不当， 这些雷电的危害轻则使电子设备误动作，重则造成电子设备永久性损坏，严重时还可能造 成人员伤亡。随着全社会现代化水平的不断提高，雷电对电子和通讯等设施的破坏，而造 成的经济损失及人员伤亡，远远超过了雷击火灾的损失。 6 第二章 雷电灾害概念及研究方法概述 2 2 雷电灾害风险评估的概念 雷电灾害风险评估是根据项目所在地大气雷电环境特征及其灾害特征，估算该区域雷 电灾害事件的年平均发生概率，结合现场情况进行分析，对雷电可能导致的人员伤亡、财 产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算，从而为项目选址、功能分区布局、防雷类 别( 等级) 与防雷措施确定、雷灾事故应急方案等提出建设性意见的一种评价方法2 7 1 。通 过雷电灾害风险评估可为评估对象提供雷电防护的科学设计、灾害风险控制、经济投资、 应急管理等方面服务，保证防雷工程安全可靠、技术先进、经济合理。 2 3 雷电灾害风险评估的研究方法 风险评估方法的选择直接影响到评估过程中的每个环节，甚至可以左右最终的评估结 果，所以需要根据具体情况，选择合适的风险评估方法1 4 4 1 。 国内外自然灾害风险评估的方法多种多样，归纳起来，可大致分为定性风险评估方法、 定量风险评估方法和定性与定量相结合的综合风险评估方法【1 2 】。随着灾害研究的不断深入 以及各种新技术( 计算机、遥感、g i s 等) 的不断应用，灾害风险评估的方法不断增加并由 定性分析逐步走向定量评估【9 】o 主要的灾害风险评估方法包括【1 ，8 】：资料分析法，应用数学 模型，物理模拟法和遥感g i s 法等。资料分析法包括自然界记载的资料和历史文献记载的 资料两大类；数学模型法利用适当的数学模型对灾害风险进行评估，如：数理统计方法、 模糊数学、拓扑学、神经网络、概率模型、灰色系统模型、动力学模型等；物理模拟法在 一定灾害研究基础之上通过实验方法模拟灾害的发生和演变规律，可以净化致灾因子，排 除混杂因素的干扰，深刻揭示灾害形成机制，为灾害风险预测、区划提供依据；遥感技术 主要用于灾害的调查和灾害的动态监测，g i s 主要用于数据的管理和模型的预测。 目前，雷电灾害风险评估的方法大致有定性风险评估方法、定量风险评估方法、定性 与定量相结合的综合风险评估方法 2 s j 。定性评估方法如国标g b 5 0 0 5 7 9 4 中规定建筑物应 根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类【4 5 】，就是 一种定性评估。常用的定量评估方法有i e c 6 2 3 0 5 2 评估方法、i t u t k 3 9 评估方法、 7 南京信息工程大学硕士学位论文 q x 3 2 0 0 0 评估方法和q x t8 5 2 0 0 7 评估方法等。 本文采用的是定性和定量相结合的综合风险评估方法。应用统计分析法对雷电监测资 料及雷电灾害资料进行统计分析，应用数学模型法建立雷电灾害风险评估模型进行大气雷 电环境评价和雷电灾害易损性研究，详见第3 章。 2 4 一般灾害风险评估的内容和程序 灾害评估是灾害学研究的重要内容，是灾害的预测、防治乃至灾害补偿研究的基础1 1 】。 针对不同的研究角度和评估目的，灾害评估可概括为灾害风险评估、损失评估、生态环境 评估和防灾工程的减灾效益评估等。灾害风险评估是从灾害致灾因子和孕灾环境角度，通 过分析导致灾害发生的自然现象的频度和强度，建立和保存历史灾害记录，对各种自然灾 害绘制危险性区划图，对易损性及潜在影响进行估计；灾害损失评估是对灾害造成的人员 伤亡、直接经济损失以及间接经济损失进行评估；灾害生态环境评估主要针对灾害发生对 生态环境的影响进行评价；减灾效益评估的目的在于对减灾工程和措施在减轻自然灾害方 面的作用进行合理评价。 灾害风险评估是对灾害风险区遭受不同强度灾害的可能性及其可能造成的后果进行的 定量分析和评估。灾害风险评估的主要内容包括 1 - 1 0 1 ： ( 1 ) 致灾因子风险分析。确定相关区域一定时段内特定强度的灾害事件的发生概率或 重现期，获取灾害发生的超越概率，并建立灾害强度一频率关系。 ( 2 ) 承灾体易损性评价。确定遭受灾害影响的可能区域以及其内部的主要建筑、固定 设备、内部财产以及人口数量、分布、经济发展水平等。根据灾害风险区内不同承灾体的 抗灾性能和易损程度，以及灾害风险区的灾前预防预报措施、灾期的抗灾救灾能力和灾后 的自救恢复能力和保险措施等因素建立承灾体易损矩阵。 ( 3 ) 灾情损失评估。评估风险区内一定时段内可能发生的一系列不同强度灾害给风险 区造成的可能后果，估算灾害风险区可能遭受的直接、间接损失以及人员伤亡状况。 ( 4 ) 风险等级划分。根据灾害风险区风险损失的大小，划分风险等级，并在此基础上 确定不同风险等级的空间分布状况，绘制风险区划图。 8 第二章雷电灾害概念及研究方法概述 参照文献 1 0 ，1 8 ，图2 1 给出了一般灾害风险评估的程序。 致灾因子分析il 承灾体易损性分析il 损失分析 藉莅擎“i 破坏模型 li 损失模型 损失计算方法 风险损失估算 ( 经济损失、社会影响、 人员伤亡、环境破坏等) 风险等级划分 风险图与区划 图2 1 灾害风险评估程序图 2 5 雷电灾害风险评估的程序 雷电灾害风险评估程序应从自然灾害系统的构成要素致灾因子、孕灾环境和承灾体出 发，分析雷电灾害的风险因素，参考一般灾害风险评估的方法【l l o 2 7 1 ，雷电灾害风险评估应 按照如下程序： ( 1 ) 评估的对象及其特征分析； ( 2 ) 雷电灾害孕灾环境评价： ( 3 ) 承载体雷电灾害易损性分析； ( 4 ) 雷击损害风险估算 i 确定评估对象中可能的各种类型的损失以及相应的风险尺( 尺l 凡) ； i i 计算每种类型损失相应的风险r ； i i i 将建筑物风险r 1 、恐和飓与风险容许值研作比较，确定评估对象是否需要防雷 保护； i v 通过比较采用或不采用防护措施时造成的损失代价及防雷措施年平均花费，来 0 南京信息工程大学硕士学位论文 评价采用防护措施的成本效益。 ( 5 ) 得出评估结论，给出为减小雷电灾害风险应采取的防护措施方案。 1 0 第三章黑龙江省雷电灾害分析 第三章黑龙江省雷电灾害分析 黑龙江省处于中纬度欧亚大陆东沿，太平洋西岸，北面临近寒冷的西伯利亚，南北跨 中温带与寒温带，具有明显的季风气候特征【4 6 】。由西北到东南为山地贯穿，松花江由西而 东切穿两大山地，西南和东北是广阔的平原。西北部有大兴安岭的北端，北部有小兴安岭， 东南部有张广才岭、老爷岭和完达山地，东北部有三江平原，西南部有松嫩平原。复杂的 地形地貌、南北气候的差异和地域经济的发展水平不同，使黑龙江省大气雷电环境及承灾 体雷电灾害易损性具有明显的区域特征。 本章依据雷暴日数、雷电灾害频度、人身损失及经济损失情况四个评估指标，采用层 次分析法确定评估指标的权重分布，给出雷电灾害风险评估模型，应用潜在易损性、现实 易损性及综合易损性等概念，评价承灾体雷电灾害易损性，对黑龙江省进行区域雷电灾害 孕灾环境分析、承灾体雷电灾害易损性分析及易损度区划4 7 书】。 3 1 资料说明 本文所用资料包括1 9 5 9 2 0 0 8 年黑龙江省8 0 个气象观测站的雷暴日资料、2 0 0 5 2 0 0 9 年黑龙江省雷电地闪定位网的监测资料、1 9 9 9 2 0 0 8 年各年的全国雷电灾害汇编记载 的雷电灾害信息及黑龙江省防雷中心收集整理的雷电灾害资料、黑龙江统计年鉴2 0 0 9 发布的黑龙江省人口和经济特征资料。 3 2 黑龙江省雷电灾害孕灾环境分析 孕灾环境，狭义上，孕灾环境是酝酿致灾因子的环境系统；广义上，孕灾环境应该是 孕育灾害的温床，它包括空间、时间和人文社会背景。从空间上看，包括岩石圈、水圈、 生物圈、大气圈。从时间上看，每个灾害风险事件都有特定的或频发的时间。从人文物质、 社会背景看，贫穷落后或防灾设施差的地区，人民素质差或不良的社会背景下，易孕育致 灾因子5 0 】。 1 1 南京信息工程大学硕士学位论文 雷电灾害孕灾环境主要包括大气环流、天气系统、地形地貌、植被条件、社会经济条 件和现有灾害防治能力等1 9 1 。对雷电灾害孕灾环境分析一般包括【3 9 。4 9 】，对雷电活动及雷电 灾害时空分布特征、地闪频度和强度特征、评估对象所在地的地形、土壤状况及雷电流散 流分布特征等进行分析。 3 2 1黑龙江省雷暴日数与雷电灾害的空间分布特征对比分析 复杂的地形地貌、南北气候的差异和地域经济的发展水平不同，使黑龙江省年平均雷 暴日数的空间分布不尽一致。图3 1 给出了1 9 5 9 - - - - 2 0 0 8 年黑龙江省5 0 年平均雷暴日空间 分布特征。从图3 1 可以看出年平均雷暴日最多的区域位于黑龙江省中部，在3 5 d 以上； 位于北部的小兴安岭地区和西北部的大兴安岭地区年平均雷暴日均在3 0 d 以上：位于西南 部的松嫩平原年平均雷暴日在2 5 3 0 d 之间；东部的三江平原年平均雷暴日较少，在 2 2 3 0 d 之间。从整个区域范围来看，黑龙江省的年平均雷暴日分布具有中部多，东部少： 山地和河流附近多，平原地区少的特征。 1 2 11 2 31 2 s1 2 71 2 9 图3 1黑龙江省雷暴日数空间分布图 1 2 第三章黑龙江省雷电灾害分析 图3 2 给出了1 9 9 9 - - 2 0 0 8 年黑龙江省雷电灾害的空间分布特征。从中可以看出雷电灾 害次数空间分布有3 个高值区，分别是小兴安岭山区、张广才岭西部边缘地带到松花江谷 地的过渡带、大兴安岭到松嫩平原的过渡带，大致对应着雷暴日数高值区，但也有一定的 差异。雷暴日数最多的是尚志、绥化、绥棱、铁力、巴彦、木兰等地区，而雷电灾害最多 的是省会哈尔滨市区，共5 1 次，占所统计的全部雷电灾害的8 2 ；伊春、鹤岗、双鸭山、 鸡西、牡丹江等城市的雷电灾害也明显多于周边区域。可见雷电灾害的发生不仅与雷电发 生的频率有关，还与人口密度、经济发展水平等有关。对比图3 1 和图3 2 可以发现，黑 龙江省雷电灾害次数的高值区均在年平均雷暴日3 0 d 以上的区域内，而年平均雷暴日较少 的松嫩平原和三江平原雷电灾害次数也较少，表明自然雷电是雷电灾害的致灾因子之一： 二是雷电灾害的发生还受到人口密度及经济特征等因素的制约。 1 2 11 2 3l 筠1 2 71 2 91 3 11 3 3 e 图3 2 黑龙江省雷电灾害次数空间分布图 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 3 2 2 黑龙江省雷暴目的年际变化特征 图3 3 给出了黑龙江省1 9 5 9 2 0 0 8 年年平均雷暴日数年际变化曲线。从图3 3 可以看 出，黑龙江省雷暴日数年际变化差异较大，全省5 0 年年平均雷暴日数是2 9 3 d ，1 9 6 3 年雷 暴日数最多，为3 8 7 d ，2 0 0 7 年雷暴日数最少，为1 8 5 d 。雷暴日数的滑动平均曲线( 图 3 3 ) 和雷暴日数的距平图( 图3 4 ) 显示，雷暴日数年际变化呈下降的趋势，2 0 世纪6 0 年代最多，7 0 年代有所下降，8 0 年代略有上升，9 0 年代有一次明显减少过程，2 1 世纪初 下降趋势明显减缓，总趋势仍然是下降趋势。 4 0 3 5 籁3 0 啭 | 8 2 5 2 0 1 5 以4 | 抓、a ，：a 一八a a a w y v 一、卜、胡仃 vn 7 ， 、。_ j | y 1 9 5 91 9 6 2 1 9 6 51 9 6 81 9 7 11 9 7 4 1 9 7 71 9 8 01 9 8 31 9 8 61 9 8 91 9 9 21 9 9 51 9 9 82 0 0 12 0 0 42 0 0 7 焦 图3 3 黑龙江省雷暴日数年际变化( 实线) 及其7 点滑动曲线( 虚线) l 一t 1 1 量li - - 1 i i - 瑚蜥2 螂聊啪薪湍 菥 叫胖! _ j j ) 4 2 ( 一 i - i 图3 4 黑龙江省雷暴日数距平及其线性拟合曲线 1 4 生 5 o 5 o 5 o 5 一 1 1 第三章黑龙江省雷电灾害分析 3 2 3黑龙江省雷暴日与雷电灾害的年际变化特征对比分析 国内开展雷电灾害资料的收集整理工作时间较短，积累的资料序列较短，仅收集到 1 9 9 9 - - 2 0 0 8 年l o 年的资料，故本文利用1 9 9 9 - - - 2 0 0 8 年黑龙江省全省平均雷暴日数和雷电 灾害次数资料进行年际变化对比分析( 图3 5 ) 。从图中可以看出雷电灾害次数和雷暴日 数的年际变化大体相近，相关系数为0 5 1 ，2 0 0 7 年是l o 年中雷暴日数最少的年份，2 0 0 7 年的雷电灾害次数也相对较少。近1 0 年雷暴日数的年际变化趋势不明显，但从上节分析可 知雷暴日数年际变化总体上呈下降趋势，而雷电灾害次数呈增长趋势，其变化率为2 5 次a 1 ，这与随着社会经济的发展、高层建筑和微电子设备的增加，对雷电灾害的承受能 力降低有关。 1 9 9 92 0 0 12 0 0 32 0 0 52 0 0 7 年 图3 5 黑龙江省雷暴日数( 虚线) 和雷电灾害次数( 实线) 的年际变化 3 2 4 黑龙江省雷暴日数与雷电灾害月变化对比分析 籁 皿 脚 恤 露 睁 鳟 剞 图3 6 给出了黑龙江省1 9 5 9 - - 2 0 0 8 年5 0 年平均雷暴日数和雷电灾害次数的月变化曲 线。从图3 6 可以看出，雷电灾害次数和雷暴日数的月变化大体一致，相关系数达0 9 8 。 雷电主要发生在6 _ 矗月，占全年的7 6 3 。雷电灾害同样主要发生在6 - 8 月，占全年的 7 3 4 。3 5 月及1 0 月1 1 月雷暴日较少，雷电灾害也较少，1 月、2 月和1 2 月无雷暴和 雷电灾害。其中7 月份雷暴日数最多，占全年的2 8 7 。但雷电灾害最多的月份是6 月， 1 5 i；弱加坫m 5 o约鲫们约o 籁憋试粗 南京信息工程大学硕士学位论文 占全年的3 1 1 。 3 5 3 0 更2 5 蒋2 0 求1 5 岫1 0 b o l23 45 67891 0 1 l 1 2 月 图3 6 黑龙江省雷电日数( 虚线) 和雷电灾害次数( 实线) 的月变化 为什么会有这样的差异呢? 为此，利用2 0 0 5 - - 2 0 0 9 年的闪电定位仪观测资料，进一步 分析了6 月和7 月的地闪频数日变化( 如图3 7 ) 发现，6 月地闪发生在地闪频数峰值时段 1 1 ：0 0 - - 2 2 ：0 0 的比率略高于7 月，这一时间段也是人们活动频繁，大部分设备处于运转时 期；6 月地闪发生在谷值时段2 3 ：0 0 - - 1 0 ：0 0 的比率略低于7 月，而谷值时段对应着夜间人 们休息，是大部分设备停止运转的时段，表明雷电灾害的时间特征和人们的活动规律相关。 0l234567891 0 1 l 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 92 02 l2 22 3 时 图3 72 0 0 5 - 2 0 0 9 年6 月地闪频数( 实线) 和7 , 9 地闪频数( 虚线) 日变化曲线 3 2 5 黑龙江省地闪频数日变化曲线特征分析 图3 8 给出2 0 0 5 2 0 0 9 年年平均地闪总数日变化曲线，可以看出闪电的发生存在着 明显的日