重慶地區(qū)森林雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和防護(hù)方法探析

高榮生　曾武　許成　黎明　何靜

摘要 雷擊火是引發(fā)森林火災(zāi)的主要原因，但是由于森林自身的特殊性和傳統(tǒng)防雷工程的局限性，目前對(duì)森林雷擊火的防護(hù)還處于起步階段，成效不高。科學(xué)合理的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能有效指導(dǎo)防雷減災(zāi)工作，有針對(duì)性地分析森林雷電活動(dòng)規(guī)律、雷擊高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和雷暴路徑，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，可以有針對(duì)性地開展森林防雷保護(hù)工作，該方法具有較好的適用性，既能更好地為森林防雷減災(zāi)服務(wù)，也能完善雷電防護(hù)技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞 雷電災(zāi)害;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;森林防雷;雷擊火

中圖分類號(hào)：S761.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）11–0081–02

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一。重慶位于青藏高原與長江中下游平原之間的過渡地帶，由于特殊的地理位置，重慶的氣候具有緯向和經(jīng)向過渡性的特點(diǎn)，是雷電天氣相對(duì)活躍區(qū)和高發(fā)區(qū)[1]。重慶每年因雷擊造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，人員傷亡達(dá)數(shù)十人，加強(qiáng)防雷減災(zāi)工作刻不容緩[2]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，防雷措施逐漸得到完善，雷電造成人員傷亡的事故在逐漸下降，城市中雷電防護(hù)更多聚焦在電子信息系統(tǒng)的防護(hù)方面，但是雷電對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)的危害依然很大，尤其是近年來雷擊森林大火造成的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失事故頻發(fā)，森林防雷亟待得到重視，森林防雷措施也亟待得到完善[3]。

對(duì)森林來說，火災(zāi)是最為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，與此同時(shí)，雷擊是造成林火最主要的原因。大量研究表明，雷擊火造成的森林火災(zāi)占比最高，大興安嶺地區(qū)森林火災(zāi)有約40%為雷擊火導(dǎo)致，該比例受氣候變化影響，在夏季更高[4]。僅在重慶古劍山脈森林保護(hù)區(qū)，近5年就發(fā)生3起雷擊森林起火事故，森林火災(zāi)不僅造成了嚴(yán)重的直接損失，還會(huì)產(chǎn)生極其不良的社會(huì)影響[5]。

1 雷電對(duì)森林的影響

雷電主要通過以下3種效應(yīng)危害樹木。

1.1 熱效應(yīng)

閃電擊中地面物體，閃電電流產(chǎn)生熱效應(yīng)，強(qiáng)大的雷電流通過被雷擊物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，從而發(fā)生熔化、汽化、燃燒現(xiàn)象，可以使較小體積的金屬熔化。當(dāng)雷電直接擊中落葉、樹樁、樹冠、朽木等，且這些物體體積小、含水量少，就很容易起火，并引燃周圍可燃物，造成森林火災(zāi)。如果雷電直接擊中樹木，被擊中的樹木瞬間將產(chǎn)生大量的熱量，并且來不及散發(fā)，導(dǎo)致樹木內(nèi)部的大量水分變成蒸汽，迅速膨脹，產(chǎn)生巨大的爆炸力，破壞樹木[6]。

1.2 沖擊波效應(yīng)

由于雷電通道中空氣受熱急劇膨脹，并以超聲波速度向四周擴(kuò)散，其外圍附近的冷空氣被強(qiáng)烈壓縮成激波。一般可能對(duì)傳播路徑上的樹木產(chǎn)生外表損害，目前該效應(yīng)對(duì)樹木造成的損害較小，也很少被發(fā)現(xiàn)。

1.3 趨膚效應(yīng)

當(dāng)雷電擊中樹木時(shí)，雷電流沿樹體對(duì)地泄放時(shí)，由于雷擊電流很強(qiáng)，通過的時(shí)間又短，而雷電具有熱效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，被雷擊樹木瞬間產(chǎn)生大量的熱量，來不及散發(fā)，導(dǎo)致樹木表皮內(nèi)部的大量水分蒸發(fā)成水蒸氣，并迅速膨脹，產(chǎn)生巨大爆炸力，雷電流經(jīng)過的地方，樹木表皮呈條狀剝落。部分樹木由于燃點(diǎn)高，木質(zhì)密度大，雷電直接擊中后很難燃燒起來，更可能出現(xiàn)劈開和表層脫落的情況。林場中的落葉、草堆、苔蘚等遭遇雷擊后，更容易燃燒起來，從而造成森林火災(zāi)。

目前，通用的防雷技術(shù)方法大多針對(duì)建構(gòu)筑物，有明確的保護(hù)對(duì)象和范圍，適用于獨(dú)立生長的古樹，可以按照傳統(tǒng)防雷技術(shù)手段進(jìn)行保護(hù)，但是森林不適用于該技術(shù)體系。由于森林面積大，內(nèi)部地形復(fù)雜，常規(guī)的直擊雷保護(hù)措施從成本和可行性上都不能滿足要求。森林防雷還是要盡早發(fā)現(xiàn)火情，如架設(shè)森林防火瞭望塔，利用視頻監(jiān)測火災(zāi)，或者建設(shè)防火隔離區(qū)，或者在雷擊火發(fā)生位置建設(shè)避雷塔等。有條件的森林保護(hù)區(qū)利用氣象雷達(dá)和雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測雷電活動(dòng)情況，加強(qiáng)監(jiān)控可能發(fā)生雷電的區(qū)域和時(shí)段，盡可能降低森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。目前，針對(duì)森林防雷的措施效果都不太理想，且針對(duì)性不足[7-8]。

2 森林雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)防雷減災(zāi)而言，應(yīng)先分析和評(píng)價(jià)雷電災(zāi)害，合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)雷電防護(hù)工作具有指導(dǎo)意義。目前，常用的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并不適用于森林，但可以從3個(gè)方向綜合評(píng)判森林保護(hù)區(qū)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，分別為雷電活動(dòng)規(guī)律、雷擊高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和雷暴路徑。

結(jié)合森林所在區(qū)域的雷電監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，以10年為1個(gè)時(shí)間單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以掌握該區(qū)域雷電活動(dòng)的年際變化、月變化、日變化，以及空間上密度和強(qiáng)度的分布規(guī)律，可以了解該區(qū)域雷電活動(dòng)時(shí)空上的分布特征。

然后結(jié)合地貌信息和雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析森林保護(hù)區(qū)雷電活躍位置，并繪制到地理信息地圖上，同時(shí)結(jié)合雷擊選擇性，篩選出所在區(qū)域內(nèi)雷電容易擊中的位置，同時(shí)疊加到地理信息地圖上，某森林保護(hù)區(qū)雷擊高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布見圖1。

通過統(tǒng)計(jì)所在區(qū)域歷史雷達(dá)、衛(wèi)星等氣象數(shù)據(jù)，分析得到區(qū)域強(qiáng)對(duì)流天氣過程的方向和路徑，一般以10年為1個(gè)時(shí)間單位，可以得到區(qū)域內(nèi)雷電移動(dòng)路徑的分布概率。某森林保護(hù)區(qū)雷電路徑分布概率見圖2，該區(qū)域雷電活動(dòng)路徑集中在北面進(jìn)入林區(qū)。

3 森林雷電防護(hù)方法

根據(jù)森林雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果，可以由面到點(diǎn)開展森林雷電防護(hù)。

首先，對(duì)于區(qū)域內(nèi)有明顯雷電路徑的情況，結(jié)合地理信息，如重慶某森林保護(hù)區(qū)雷暴路徑是由北往南（圖3），與保護(hù)區(qū)內(nèi)山脊走向相近，可以在保護(hù)區(qū)的北面山脊高聳處架設(shè)避雷塔，有條件的情況下可以沿山脊線裝架設(shè)，條件不允許時(shí)可在保護(hù)區(qū)北面上方高點(diǎn)集中架設(shè)避雷塔，塔頂裝設(shè)提前放電式引雷裝置提前釋放電荷，主動(dòng)將雷電流引入此裝置并泄流入大地，以達(dá)到保護(hù)后方大范圍林場的目的。

其次，在保護(hù)區(qū)雷擊高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)架設(shè)避雷塔或避雷針，此時(shí)保護(hù)半徑可以按堆場100 m計(jì)算，盡量選擇高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)相對(duì)位置更高的地方架設(shè)。

最后，因?yàn)樯直Ｗo(hù)區(qū)內(nèi)建有很多防火瞭望塔，瞭望塔材料為金屬，相對(duì)高度高于樹木，自身更容易遭受雷擊，且瞭望塔上安裝了很多電子設(shè)備，如攝像頭等，對(duì)雷電十分敏感，建議為瞭望塔的接地裝置和電涌保護(hù)器安裝防雷安全性能智能監(jiān)測系統(tǒng)，便于管理方實(shí)時(shí)了解林區(qū)瞭望塔的安全情況。對(duì)需要投入大量精力進(jìn)行安全檢測的林業(yè)而言，有著相當(dāng)可觀的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為森林火災(zāi)的監(jiān)測和預(yù)警提供安全保障。

4 結(jié)論

（1）目前，常用的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并不適用于森林，但可以從雷電活動(dòng)規(guī)律、雷擊高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和雷暴路徑方向3個(gè)方面綜合評(píng)判一個(gè)森林保護(hù)區(qū)的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并從中準(zhǔn)確掌握森林雷電災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和易發(fā)點(diǎn)，為制訂合理的防雷措施提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。

（2）在雷擊高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、易發(fā)點(diǎn)和雷電主要路徑的上方架設(shè)避雷塔是現(xiàn)代森林防雷的關(guān)鍵，這些措施不僅能保證防雷的效率，也能合理控制成本，在實(shí)際工程中具有較高的推廣價(jià)值，也為現(xiàn)代森林防雷提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

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[8] 舒立福，劉曉東.森林防火學(xué)概論[M].北京：中國林業(yè)出版社，2016.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Risk Assessment and Protection Methods of Forest Lightning Disaster in Chongqing

GAO Rong-sheng et al（Chongqing Laiting Lightning Protection Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400000）

Abstract Lightning fire is the main cause of forest fire， but due to the particularity of forest itself and the limitation of traditional lightning protection engineering， the protection of forest lightning fire is still in the initial stage， the effect is not high. Lightning disaster risk assessment of the scientific and reasonable guide lightning protection and disaster mitigation work effectively， targeted analysis of forest high-risk point moving regularity of thunder and lightning， lightning and thunderstorms path， according to the evaluation results can be targeted forest lightning protection work， the method has good applicability and can provide better service for forest lightning protection and disaster mitigation， also can improve the lightning protection technology system.

Key words Lightning disaster; Risk assessment; Forest lightning protection; Lightning fire

作者簡介 高榮生（1988—），男，山東泰安人，助理工程師，主要從事氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象研究。

收稿日期 2021-08-16