基于風險管理的自然風景邊界空曠區雷電防護等級確定

吳心路 鄒德全 田洪進 鄒承立 熊凱 張開華

摘要 對于四周處于自然生態屬性的大型空曠區防雷措施的確定，《建筑物防雷設計規范》沒有做出具體規定，提供風險評估辦法確定防雷措施等級的《雷電防護 第二部分：風險管理》標準對象也只針對建筑物。為了解決這一問題，利用風險管理理念，在充分考慮大型空曠區的風險源、風險分量的前提下，通過人身傷亡國際容許風險典型值關系式得出大型空曠區的雷電防護等級（LPL）。

關鍵詞 自然生態;大型空曠區;風險管理;雷電防護等級;確定

中圖分類號：P427.3 文獻識別碼：A 文章編號：2095–3305（2020）07–0–04

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.07.026

Determination of Thunderbolt Protection Level in Large Space Area Based on Natural Ecological Attributes Based on Risk Management

WU Xin-lu et al （Meteorological Bureau of Zunyi City， Zunyi， GuiZhou 564300）

Abstract For the determination of lightning protection measures in large open areas surrounded by natural ecological attributes， the "Building Lightning Protection Design Code" does not make specific provisions， and provides risk assessment methods to determine the level of lightning protection measures in the "Lightning Protection Part 2： Risk Management" Standard objects are also only for buildings. In order to solve this problem， using the concept of risk management， under the premise of fully considering the risk sources and risk components of large open areas， the lightning protection level （LPL） of large open areas is obtained through the relationship between the typical international allowable risk of personal injury and death.

Key words Natural Scenic Area; An open area; Risk management; Thunder Protection Level

自然風景區游客雷擊事故時有發生。如2007年4月17日，黃山景區天都峰遭雷暴襲擊，護欄、游道等設施受損并有人員傷亡，同年7月12日，黃山景區鰲魚峰的嘴部發生雷擊傷人事件。近年來，景區游客雷擊事件引起關注，諸多文獻反映了景區防雷問題[1-6]。例如，白石山風景區觀景平臺雷擊人員損失分析。應用IEC雷擊風險管理標準對大型戶外空曠區雷擊風險進行分析，對山地旅游景區雷電災害風險評估體系進行研究;同時，《旅游景區雷電災害防御技術規范》對景區防雷只做出原則性規定，如旅游景區的大型空曠區、觀景平臺等應在風險評估的基礎上采取綜合防雷措施。鑒于此，進一步探索、細化旅游景區內不同功能區的具體防雷措施是必要和重要的。

而現階段，我國雷擊風險評估業務主要的依據標準來源于，原本只適用于建筑物的雷擊風險評估，對旅游景區內的大型空曠區沒有給出相應的具體方法[7-8]。為了解決這一問題，借助IEC風險管理理念，在對四周保持自然生態屬性的大型空曠區風險源和風險分量進行充分識別的基礎上，利用人身傷亡國際容許風險典型值關系式得出雷電防護等級（LPL）。

1 大型空曠區雷電風險分析

1.1 大型空曠區物理特性和風險源分析

四周自然生態屬性大型空曠區定義為四周是相對高度較高的灌木叢，中間是相對高度較低的特定景點區域，灌木叢與特定景點區域保持自然生態連接。例如，植物園中的游樂園具有這類屬性。按照IEC對建筑物雷電風險管理理念可知，大型空曠區人身傷亡損失風險源有雷電擊中四周灌木叢和雷電擊中大型空曠區兩種。

1.2 大型空曠區風險分量分析

1.2.1 大型空曠區 將大型空曠區抽象為一座體量為長、寬、高的建筑物。按照文獻規定，取高2.5 m，長和寬據實取值;雷電直接擊中大型空曠區抽象建筑物時，可能存在直接擊中游客而導致其傷亡或相距較近的游客可能因旁側閃擊、接觸電壓、跨步電壓等物理機制而傷亡的現象。按照IEC理念，在雷電直接擊中建筑物的情形下，將產生因接觸和跨步電壓造成人和動物傷害的風險分量RA，因危險火花放電觸發火災或爆炸引起物理損害的風險分量RB，因LEMP造成內部系統失效的風險分量RC。針對大型空曠區抽象建筑物，RB、RC一般不存在，而RA是存在的，但是與IEC的既有考慮又不盡相同，即除了要考慮IEC既有RA外，還要考慮雷電直擊游客的風險，該風險由直擊雷電效應產生，記為R'B，這也與文獻[3]的考慮略有不同。

1.2.2 四周灌木叢抽象建筑物 將四周灌木叢依然抽象為一座體量為長、寬、高的建筑物。按照文獻規定，四周灌木叢對空曠區的反擊需要考慮5 m以內的影響，故每側寬度取5 m，高度取5 m，長度據實取值。雷電直接擊中四周5 m以內灌木叢抽象建筑物時，除直擊雷電效應外，還可能發生旁側閃擊、接觸電壓、跨步電壓等三種形式的雷擊。按照IEC理念，在雷電直接擊中建筑物的情形下，將產生因接觸和跨步電壓造成人和動物傷害的風險分量RA，因危險火花放電觸發火災或爆炸引起物理損害的風險分量RB，因LEMP造成內部系統失效的風險分量RC。針對四周灌木叢抽象建筑物，RC不用考慮;由于灌木叢中沒有游客，RA分量的存在與否要視大型空曠區與四周灌木叢絕緣條件而定，如若絕緣則不考慮RA，如若絕緣條件差，則存在接觸和跨步電壓傷及空曠區游客的可能，此時需要考慮RA，并記為R'A;雷電擊中灌木叢，由雷電的機械破壞力使得樹木爆裂飛濺傷人、巨大雷電流使得枯枝落葉燃燒而引發火災的可能性是存在的，即需要考慮RB。

1.2.3 大型空曠區的風險分量 按照風險計算公式，將大型空曠區抽象建筑物的雷擊風險分量RX用下式表示：

Rx=Nx×Px×Lx（1）

式中：

Nx—年預計雷擊危險事件次數;

Px—損害概率;

Lx—每一損害產生的損失率。

對于大型空曠區抽象建筑物風險，只評估人員傷亡風險R1，據前述分析，風險分量為RA、R'A、R'B、RB。因此，損害概率PX由大型空曠區抽象建筑物內雷電直接擊中人體因接觸和跨步電壓導致人員傷亡的概率PA、雷電直接擊中人體導致人員自身傷亡的概率P'B、雷電直接擊中四周灌木叢因接觸和跨步電壓導致大型空曠區人員傷亡的概率P'A、雷電直接擊中四周灌木叢因物理損害導致大型空曠區人員傷亡的概率PB組成。與之對應的大型空曠區抽象建筑物內人員傷亡損失率LX由雷電直接擊中人體導致因接觸和跨步電壓導致人員傷亡的損失率LA、雷電直接擊中人體導致人員自身傷亡的損失率L'B、雷電直接擊中四周灌木叢因接觸和跨步電壓導致大型空曠區人員傷亡的概率L'A、雷電直接擊中灌木叢因物理損害導致大型空曠區人員傷亡的損失率LB組成。考慮四周都為灌木叢，以正方形為特例，由式（1）得大型空曠區的雷擊人員傷亡損失風險：

R1=NA×PA×LA+NA×P'B×L'B+4NB×P'A×L'A+4NB×PB×LB（2）

式中：

NA—大型空曠區抽象建筑物年預計雷擊危險事件次數;

NB—灌木叢抽象建筑物（寬度5 m）年預計雷擊危險事件次數;

PA—大型空曠區因雷電直接擊中人體產生的接觸和跨步電壓傷亡概率;

P'B—雷電直接擊中大型空曠區人體導致自身傷亡的概率;

P'A—雷電直接擊中四周灌木叢因接觸和跨步電壓導致人員傷亡的概率;

PB—雷電直接擊中四周灌木叢因物理損害導致人員傷亡的概率;

LA—大型空曠區因雷電直接擊中人體產生的接觸和跨步電壓導致人員傷亡的損失率;

L'B—雷電直接擊中人體導致人員傷亡的損失率;

L'A—雷電直接擊中四周灌木叢因接觸和跨步電壓人員傷亡的損失率;

LB—雷電直接擊中四周灌木叢因物理損害導致人員傷亡的損失率。

2 參數的取值與分析

依據定義的N、P、L參數的取值方法，結合大型空曠區抽象建筑物和四周灌木叢的實際情況，對式（2）中各參數進行取值與分析。

2.1 N的取值與分析

大型空曠區抽象建筑物和四周灌木叢抽象建筑物每年預計雷擊危險事件次數N，取決于它們所處地理位置的年雷暴活動特征以及它們的物理特性，按下式計算：

N=NG×AD×CD×10-6（3）

式中：

NG一大型空曠區或者四周灌木叢所在地雷擊大地密度（次/km2.a）;

AD一大型空曠區抽象建筑物或者四周灌木叢抽象建筑物的截收面積（m2）;

CD一大型空曠區抽象建筑物或者四周灌木叢抽象建筑物的位置因子。

雷擊大地密度NG是每年每平方千米雷擊大地的次數，利用當地閃電定位觀測資料求取，也可以用下式計算：

NG=0.1×Td（4）

式中：

Td—當地年平均雷暴日（d/年）。

截收面積AD，以大型空曠區海拔為基準高度，按照地面上建筑物的截收面積計算方法計算。相關文獻只考慮孤立建筑物的情形，對于非孤立建筑物情形由位置因子調整，本研究對大型空曠區抽象建筑物與四周灌木叢抽象建筑物計算截收面積時均視為孤立建筑物，只在位置因子中考慮其相互影響。

位置因子CD對于所處地周邊是同一海拔高度的平坦區時，CD取值1;對于所處地為小山頂或山丘時，CD取值2;對于所處地周邊有其他物體時，CD取值0.5。

2.2 PA、P'B、P'A、和PB的取值與分析

雷電直接擊中大型空曠區導致人員自身傷亡的概率P'B與相關文獻的考慮有所不同。由于四周灌木叢抽象建筑物平均高度大于大型空曠區抽象建筑物高度，從直接雷擊角度上看，四周灌木叢相當于避雷帶，能夠擊中大型空曠區抽象建筑內人體的雷擊應該是視四周灌木叢為避雷帶的一種繞擊，雷電流累積概率通過以下公式計算的P值確定：

S>hr-[h2r-（d/2）2]1/2（5）

hr=10（i0）0.65（6）

lgP=-（i0/108）（7）

式中：

hr—滾球半徑（m）;

d—大型空曠區抽象建筑物寬度（m）;

s—灌木叢抽象建筑物與大型空曠區抽象建筑物的相對高度（m）;

P—大于i0的雷電流累積概率;

i0—雷電流幅值（KA）。

也可以利用當地閃電定位資料從繞擊雷電流i0得出P。根據繞擊雷電流的物理意義，其幅值i0的累積概率為1-P。

設安裝的雷電防護系統導致空曠區物理損害的概率為P'，并且按照相關文獻取值。那么，雷電直接擊中大型空曠區導致人員自身傷亡的概率P'B由四周灌木叢“避雷帶”繞擊率和安裝的雷電防護系統的物理損害概率組成，并且用下式計算：

P'B=（1-P）×P'（8）

雷電直接擊中四周灌木叢因物理損害導致大型空曠區人員傷亡的概率PB，與灌木叢抽象建筑物和灌木叢5 m以外高度差有關。一般意義上，可以認為四周灌木叢5 m內平均高度與5 m外平均高度相當，只考慮大型空曠區抽象建筑物高度與灌木叢抽象建筑物的高度差影響。由于定義灌木叢抽象建筑物平均高度高于大型空曠區抽象建筑物高度，灌木叢抽象建筑物則按照相關文獻，PB取值1。

雷電直接擊中四周灌木叢因接觸和跨步電壓導致大型空曠區人員傷亡的概率P'A，取決于PB和防止旁側閃絡、接觸和跨步電壓措施。

大型空曠區內因雷電直接擊中人體的接觸和跨步電壓的概率PA的取值，取決于P'B和防止旁側閃絡、接觸和跨步電壓措施。

2.3 LA、L'B、L'A和LB參數的取值與分析

對于大型空曠區內因雷電直接擊中人體的旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致人員傷亡的損失率LA，與人員停留在大型空曠區內的時間和數量以及大型空曠區的地板或土壤類型有關，計算公式如下：

LA=rt×LT×nZ/nt×tZ/8760（9）

式中：

rt—由大型空曠區內地板或土壤類型決定的減少人身傷亡的因子;

LT—一次雷擊事件導致受害者遭電擊傷害的典型平均相對量;

nZ—大型空曠區內可能受到威脅的人員數量;

nt—大型空曠區內預期的總人數;

tZ一每年人員停留在大型空曠區內的小時數。

式中的rt、LT取值均為10-2。tZ根據大型空曠區游客具體情況取值，當無法確定時，可參照文獻[8]取為24×Td（Td為當地的年雷暴日），若要更精細化的評估，tZ基于閃電定位資料量化取值。

對于雷電直接擊中大型空曠區內人員導致自身傷亡的損失率L'B，與人員處于大型空曠區的時間和數量有關。由下式計算：

L'B=LT×nZ/nt×tZ/8760（10）

式中的參量及其取值同（9）式。因為L'B是指雷電直接擊中人員的傷亡損失率，所以只考慮雷電直接擊中人體導致人員傷亡的后果，L'B考慮的因素只有人員停留在大型空曠區的時間和數量，而不考慮大型空曠區地板或土壤類型因子，或者說縮減因子rt取值1。

對于雷電直接擊中四周灌木叢因旁側閃絡、接觸和跨步電壓導致大型空曠區人員傷亡的損失率L'A，與人員停留在大型空曠區內的時間、數量、灌木叢和大型空曠區的地板或土壤類型有關，按照下式計算：

L'A=rt×LT×nZ/nt×S1/S2×tZ/8760（11）

式中的參量rt、LT、tZ、nZ、nt及其取值同（9）式。S1為大型空曠區四周5 m寬度反擊區面積（m2），S2為大型空曠區面積（m2）。考慮S1/S2因子是因為雷擊灌木叢對大型空曠區反擊的影響區也只考慮四周5 m范圍的緣故。

對于雷電直接擊中四周灌木叢因物理損害導致人員傷亡的損失率LB，取值，按照下式計算，并且rt由大型空曠區地板或土壤類型決定：

LB=rp×rf×hz×LF×nZ/nt×tZ/8760（12）

式中：

LF—一次危險事件導致受害者遭物理損害的典型平均相對量;

rp—由防火措施決定的減少物理損害導致損失的縮減因子;

rf—由火災危險或爆炸危險決定的減小物理損害導致損失的縮減因子;

hz—特殊危險出現時，物理損害導致的人身傷亡損失的增加因子;

nz—大型空曠區內的人數;

nt—大型空曠區內內預期的總人數;

tz—人員每年在大型空曠區內中停留的小時數。

3 模擬計算

3.1 某大型空曠區、四周灌木叢物理特征參數

某大型空曠區、四周灌木叢物理特征參數（表1～2）。

3.2 風險分量計算

根據表1、表2物理特征參數，計算各風險分量（表3）

3.3 滿足風險值要求的大型空曠區概率P'

利用人身傷亡國際容許風險典型值關系式R1<10-5解出：

P'<0.122

此式的物理意義是：四周保持自然生態屬性的大型空曠區，雷電人身傷亡風險滿足國際容許風險典型值時，需要安裝Ⅲ類LPS。

4 結論

盡管現行的建筑物防雷設計規范和風險管理標準對四周具有自然生態屬性的大型空曠區雷電防護等級都沒有具體規定，但是按照風險管理理念，在對風險源、風險分量充分考慮的前提下，能夠通過人身傷亡國際容許風險典型值關系式得出。

參考文獻

[1] 楊仲江.雷電災害風險評估與管理基礎[M].北京：氣象出版社，2010.

[2] 馮鶴，李小龍，張彥勇.白石山風景區雷電災害風險評估研究[J].氣象與環境科學，2014，37（1）：114–118.

[3] 黃克儉，胡雙偉，俞家華，等.大型戶外大型空曠區的雷擊風險評估研究[J].氣象研究與應用，2015，36（1）：126–129.

[4] 馮鶴，李小龍，山地旅游景區雷電災害風險評估研究[J].防災科技學院學報，2013，15（4）：76–80.

[5] 曾金全，馮真禎，張燁方，等.區雷電災害風險評估模型與應用[J].氣象科技，2017，45（1）：178–182.

[6] 王敏，孔尚成，王秀英.青海東部地區雷電災害易損性分析與區劃[J].氣象科技，2018，46（2）：412–417.

[7] 虞昊，藏庚媛，趙大銅.現代防雷技術基礎[M].北京：清華大學出版社，1995：85–88.

[8] 朱傳林，黃克儉，范宏飛，等.雷電災害風險評估中損失量的量化分析[J].氣象科技，2014，42（4）：698–701.

責任編輯：黃艷飛