基于AHP和GIS的日照市雷電災害特征及災度區劃評估

陳樂奇，劉向科，蔚立存，秦泗偉

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，濟南 250031；2.山東省氣象災害防御技術中心，濟南 250031；3.濟南市氣象局，濟南 250102；4.山東省第八地質礦產勘察院，日照 276800)

0 引言

日照市屬于低山丘陵區，地形呈西北(高)—東南(低)走向。境內山脈呈“X”形分布，大部分位于五蓮縣和莒縣境內。日照市背山面海，氣候特征明顯，是典型的溫帶大陸性季風氣候。特殊的地形地貌和明顯的氣候特征導致該地區遭受雷電災害具有顯著的時空分布特點。

馬明[1]等分析了雷電災害及相關因素的特征，指出重大雷災傷亡事件直接與承災體的脆弱性有關；張旭暉[2]等、張祎[3]等、陳雷文[4]等、丁旻[5]等、殷嫻[6]等、夏一楠[7]等、王鑫森[8]等分別對江蘇省、浙江省、東莞市、云南省、山東省的雷電災害特征進行了統計分析，開展了雷電災害易損性及風險區劃分析，建立了雷電災害易損性評估模型。

文章利用數理統計方法分析了日照市雷電災害的損害類型及行業分布；運用層次分析法，構建雷電災害災度區劃評估層次模型[9]，計算合成權重，確定雷災災度等級；在科學研究的基礎上對雷電災害進行災度區劃分析，實現雷電災害指標風險化管理[10]。文中所有數據已應用于日照嵐山“大會戰”氣象災害綜合風險普查，推動了日照市雷電災害風險普查工作的開展，為防雷減災政策的制定提供科學參考，提升防災減災的能力建設。

1 日照市雷電災害特征分析

1.1 雷電災害的損害類型分布

GB/T 21714.2-2015《雷電防護 第2部分：風險管理》中明確了雷擊的基本損害類型為人畜傷害、物理損害及電氣和電子系統故障3種。雷電災害導致電氣和電子系統故障占比最高，達到95.9%；其中以五蓮縣的雷電災害次數和損害類型最多；雷電造成的人畜傷害主要發生在莒縣和東港區；電氣和電子系統故障的具體分類中，辦公電子設備、家用電子電器和電力設備最易受損，占比分別為41.7%，31.5%和18.6%。

1.2 雷電災害的行業分布

日照市的電力行業、通信行業、生產企業和居戶遭受的雷電災害次數較多，分布區域較廣。其中電力行業遭受雷電災害主要分布于五蓮縣，縣城西側附近遭受雷電災害次數達16～19次，屬于高值區；通信行業和生產企業遭受雷電災害也是以五蓮縣為主，在莒縣和東港區有少量分布；居戶遭受雷電災害以五蓮縣為主，在0.02°×0.02°的區域范圍內，最高遭受過5次雷電災害，東港區其次，莒縣和嵐山區有少量分布。經過統計，五蓮縣在各行業及居戶中遭受雷電災害次數最多，分布最廣，五蓮縣在防范雷擊災害方面有較大壓力。

2 日照市雷電災害災度區劃評估

2.1 日照市雷電災害災度區劃評估及指標確定

2.1.1 雷電災害災度區劃評估的理論與方法

將災度區劃評估所包含的因素分層。其中雷電災害災度區劃評估的目標為最高層；生命損失指數、經濟影響指數和其包含的要素作為實現區劃評估而采取的手段、措施和指標等，列為中間層；通過AHP法最終得出的雷電災害的災度值，作為用于解決日照市雷電災害災度區劃評估的方案，列為最底層。

圖1為雷電災害災度區劃評估的層次模型，共建立了4個判斷矩陣，分別是A-B二階矩陣、B1-C四階矩陣、B2-C二階矩陣和C6-D七階矩陣。在A-B二階矩陣中，規定B1生命損失指數比B2經濟影響指數的權重略高，分別為0.55和0.45；為了消除量綱，在B2-C二階矩陣中C5直接經濟損失(722.51萬元)和C6間接經濟損失(723.7萬元)的數據指標將采用歸一化處理。結合2004—2018年日照市雷電災害實例，構建雷電災害災度區劃評估層次模型。

圖1 雷電災害災度區劃評估層次模型

2.1.2 構建判斷矩陣及一致性檢驗

層次模型建立后，利用一致矩陣法，將上下層之間的所有因素兩兩比較；采用相對尺度，盡量減少性質不同因素之間的比較，提高精準度。

文章采用了美國匹茲堡大學教授A.L.Saaty在20世紀70年代中期提出的1～9標度法。該標度法在層析分析法中用于量化過程，對建立矩陣后進一步求矩陣標準化特征向量、最大特征值、一致性檢驗指標和一致性比例起到重要的作用。

生命損失指數層判斷矩陣B1-C及其一致性檢驗結果如表1所示。其中一致性比率C.R.=0.0779(<0.1)，表明該判斷矩陣通過一致性檢驗。

表1 生命損失指數B1-C層矩陣標準化特征向量及其一致性檢驗結果

直接經濟損失層判斷矩陣C5-D及其一致性檢驗結果如表2所示。其中一致性比率C.R.=0.0245(<0.1)，表明該判斷矩陣通過一致性檢驗。

表2 直接經濟損失C5-D層矩陣標準化特征向量及其一致性檢驗結果

2.1.3 層次總排序及各指標權重的計算

A-C層各因素指標在總評估中的權重值如表3所示。直接經濟損失C5-D層各因素指標在總評估中的權重值如表4所示。權重突出了各因素指標在總評估中的重要性。

表3 A-C層各因素指標在總評估中的權重

表4 C5-D層各因素指標在總評估中的權重

2.2 日照市雷電災害災度的計算

通過對日照市雷電災害災度區劃評估層次模型的分析，確定了各指標的權重，建立了雷電災害災度方程公式：

(1)

式中，G代表雷電災害災度；H亡為死亡人數；H重為重傷人數；H輕為輕傷人數；H精為精神損害人數；M火為火災或爆炸；M建為建筑物受損；M通為通信設備受損；M電為電力設備受損；M石為石化設備受損；M辦為辦公電子設備受損；M家為家用電子電器受損；E間為間接經濟損失(萬元)。

2.3 日照市雷電災害災度的等級劃分

根據雷電災害災度公式(1)，對日照市2004—2018年記錄的204例雷電災害資料進行災度值計算，確定每一次雷災的G值。為充分反映雷電災害災情客觀存在的區域分布規律，體現對災度等級的明確劃分，以及災度與等級的密切融合，對數據進行歸一化處理，利用等差分級法，確定雷電災害災度等級(表5)。

表5 日照市雷災災度值等級劃分表

按照災度等級，對災度G值進行分類處理，將日照市各區縣的雷電災害災度值分成5個等級。通過分析各區縣的雷電災害災度等級分布可知：五蓮縣雷電災害災度值從輕微災害到特別嚴重災害均有分布，占全部災害的84.8%；重大災害及特別嚴重災害占比達4.4%。

利用GIS對日照市各災度值進行反距離權重法插值，采用自然間斷點分級法，形成日照市雷電災害災度區劃圖。從區劃圖中雷電災害分布情況可知：日照市雷電災害災度的高值區位于五蓮縣城的東北部和東南部，是馬耳山、五蓮山、九仙山等所在區域；莒縣大部、嵐山區西南部、五蓮縣城西北部和東港區中部區域位于雷電災害災度的低值區；山間平原和低山等下墊面的不同類型，影響了日照市區域范圍內不同雷災災度值的分布。

3 結束語

文章利用數理統計方法分析了日照市4個區縣雷電災害的損害類型及行業分布，以五蓮縣的雷災次數和損害類型最典型。選取生命損失指數和經濟影響指數等13個指數作為雷電災害災度區劃指標集，采用各種統計方法，將日照市雷電災害災度劃分為5個等級。

由于雷電災害數據上報模式的局限性，目前的數據不能完全真實反映社會雷電災害受損情況，存在一定的分析偏差。隨著社會對防雷減災工作的重視，以及氣象部門不斷規范完善雷電災害的調查收集工作，對區域的雷電災害災度區劃分析的結果將更加客觀合理。