喀斯特地貌景区的雷击风险分析*——以云南石林为例

刘平英，杨荣建，李兆华，尹丽云，刘雪涛

(1．云南省雷电中心，云南昆明650034;2．云南省气象台，云南昆明650034)

云南省旅游资源十分丰富，石林风景区就是喀斯特地貌景观的典型代表，其人文及科研价值不言而喻，每年景区的游客数量超过300万人次。云南省是全国雷电灾害较为严重的省份之一，全省大部分地区年均雷暴日数在80 d以上。石林景区属于强雷区，有着鲜明的强雷暴天气特点，雷暴活动十分频繁。近年来，随着观光面积的不断扩大，随之带来的景区防雷设施不完善，游客防雷意识淡薄等问题日益突出，景区内雷灾事故时有发生。2010年7月13日16:40左右，石林景区南天门景点附近发生一起雷击事件，导致2名游客当场死亡，5名游客受伤。此外，景区内建设的SOS电话求助系统近年来也多次遭到雷击，造成了一定的经济损失。

雷电产生强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波和剧变的电磁场给景区宝贵的自然景观和游客的人身安全带来潜在威胁，会造成不可估量的人身伤亡和自然文化遗产损失。尹丽云、谢屹然等对云南省雷电活动及雷电灾害的时空分布特征进行分析，通过研究高原晴天大气电场和雷暴天气过程的电场演变特征，得到云南晴天大气电场具有明显的日变化和月变化特征，雷电活动频繁且持续时间较长的结论［1－2］;焦雪、袁湘玲、盖程程等提出雷电灾害的潜在易损性和现实易损性概念，利用雷暴日资料、雷电灾害资料，结合经济和人口密度特征，提出了雷暴日数、雷电灾害频度、生命及经济易损模数作为雷电灾害易损性评估指标，提出相应的雷击风险评估方法［3－5］;汪志红等使用投影寻踪、遗传算法和模拟技术建立了突发事件风险分类评级过程，运用该评价过程建立了广东省雷电灾害风险评价模型，对广东省雷电灾害进行实证研究［6］;王惠等对多年的闪电数据资料进行分析，从灾害易损性的角度出发，提出某一地区雷击灾害的发生及其造成的损失情况既与该地所处的地理位置、大气环境状况有关，也与该地人口密度、经济发展状况有关的结论［7］;于书明等在综合相关研究的基础上，对旅游景区的雷电防护措施进行了归纳和总结［8］;刘彩杰等对旅游景区索道遭受雷击入侵的主要途径及类型进行了分析，提出相应的防护建议［9］;孟祥飞等对雷灾调查分析方法和步骤、雷电灾害的成因、相应的雷电防护技术进行了深入研究［10］;彭超贤结合云南雷电活动特点，得出地质地貌条件对雷击的选择性放电存在一定影响的结论［11］;梁永宁等通过多年研究，将石林喀斯特地貌特征进行了分类［12］;潘江等对云南路南石林历年的地质灾害进行了深入整理和研究［13］;文银平围绕提高雷电探测、雷电定位计算精度，探讨雷电传播路径的变化主要受地球表面高低起伏的地形变化影响［14］。

上述相关研究文献对开展旅游景区的雷电灾害防御工作具有一定指导作用，通过我国旅游景区防雷状况的调研，了解到至今还没有任何一个省市对旅游景区进行过全面的防雷体系建设。因此，对石林这样具有特殊地质地貌的景区进行雷击风险分析，可为其它旅游景区的雷电灾害防御工作提供参考，具有代表性和特殊性。分析景区存在的雷击风险，讨论喀斯特地形地貌条件对雷电活动的影响，提出切实有效的景区雷电防护措施，有效防御雷电灾害对公共安全和自然景观的危害，是目前急需解决的问题。

1 资料和方法

石林风景区范围广阔，面积达350 km2，景观资源十分丰富，具有很高的美学、生态、科研价值。本文选取石林所在区域(24.40°～24.85°N，103.15°～103.35°E，海拔1 780～1 950 m)，利用石林县近35年的雷暴数据统计资料、2006－2010年云南省闪电定位系统观测及雷灾上报资料，结合石林景区特殊的地理位置、喀斯特地形地貌和地质构造特征，分析景区所在区域的雷暴强度、雷电密度、雷电闪击频数等雷暴特征参数。此外，2009－2010年景区内雷击事件发生频繁，通过现场勘查的土壤特性参数和计算雷击对人员及景观可能造成的人身伤亡风险、公共损失风险等雷击风险参数，对景区存在的雷击风险及喀斯特地形地貌对雷电活动的影响进行了分析，进而提出相关防雷措施，为景区雷电灾害防御措施的选取提供理论依据，分析中应用了部分实测资料。

2 石林风景区喀斯特地貌地质条件对雷电活动的影响

2.1 地貌地形条件对雷电活动的影响

雷电是积雨云强烈发展时所伴随的大气放电现象，雷电发生的频率各地有所不同，其中一个主要原因就是地貌的差异。雷电传播路径的变化主要受地面高低起伏的地形变化影响，大气折射、土壤电气特性及地球不均匀性引起地面上传播的雷电波速发生较大变化，最大相差达400 km/s以上［14］。石林喀斯特地貌由高大石柱、石峰、深切溶沟相组合，石柱密集分布，通过表1可看出，景区内的石峰石柱高度在几米至几十米的范围内，主要为剑状石柱和尖棱状石柱，具有尖锐、突兀的特点。喀斯特地貌高低起伏，土壤电气特性变化较大等环境因子可导致区域大气电场不稳定，容易激发局部强对流天气过程，尖锐高大的石峰极易产生尖端放电效应，造成区域内落雷密度偏高，从而增大游客和建(构)筑物遭到直击雷的风险。具有不同土壤电阻率的交界地段容易发生雷击，如岩石与土壤交界处、山坡与稻田交界处。

表1 石林风景区喀斯特地貌特征

2.2 地质条件对雷电活动的影响

石林喀斯特地貌的发育地层主要由下二叠统栖霞组和茅口组构成。栖霞组下段为中厚层状生物碎屑灰岩和白云岩，厚度50～84 m;上段为生物碎屑黑虎斑厚层灰岩，厚度在35～44 m。茅口组下段为厚层生物碎屑灰岩，厚度在60～97 m;上段为中厚层生物碎屑灰岩、泥晶灰岩，厚度约220 m。表层岩土的电阻率受岩石电阻率的影响较小，电阻率ρ参考值在数百欧姆·米，但表层岩土向下即为灰岩，与表层岩土形成明显的垂直双层土壤结构，下层的土壤电阻率远大于上层，导致散流的电流密度在分界面下降低，接地电阻值较大，整体电阻率也相当大。在同一天气条件下，抽取景区内不同位置进行土壤特性参数测试，通过对测试数据进行比较和分析，从表2可以看出景区土壤电阻率较高，数值在几百至数千欧姆·米之间。

高土壤电阻率环境不利于雷电能量的泄放，雷击造成石峰石柱崩落、飞溅，间接导致自然景观的观赏价值受损，带来一定的自然遗产损失和经济损失。同时，在雷击点附近形成的接触电压与跨步电压，增大了区域内游客遭到雷击的风险。

表2 各抽测点土壤电阻参数的采集

3 石林风景区雷电活动时空分布特征

3.1 石林风景区雷暴日及闪电日变化分析

石林风景区作为全国5A级旅游景点，该地区具有明显的季风气候特征，据石林县35年雷暴观测资料显示，该县年平均雷暴日有67.1 d，最高年份可达109 d(1982年)，最少年份也有33 d。通过图1可看出雷暴的发生主要集中在5－9月，8月最多，最高可达22 d，为雷暴高发期，8月以后，强对流活动减弱，闪电活动逐渐减少。通过对闪电活动的日变化分析(图2)可看出，闪电活动从午后呈逐渐增加的趋势，12:00以后闪电活动急剧增多，闪电集中发生在15:00－19:00，该时段强闪电出现的频数很高。

图1 石林风景区35年(1971－2006年)雷暴日月平均分布图

图2 石林风景区闪电日变化分布图

3.2 石林风景区雷暴强度分析

结合云南省雷电监测系统提供的2009－2010年闪电定位资料，选取石林风景区所在区域(24.40°－24.85°N，103.15°－103.35°E)，分析2009－2010年石林风景区的闪电强度，得到图3中的石林风景区雷电强度分布，景区所在区域雷电流幅值的绝对值在20～40 kA的范围内，局部区域在60～80 kA之间，个别区域的超过100 kA，说明石林风景区的雷击强度较大，存在着一定的雷灾隐患。

图3 2009－2010年石林风景区雷电强度空间分布图

3.3 石林风景区雷暴密度分析

对云南省雷电监测系统提供的石林景区闪电定位资料进行计算分析，以此得到该区域的雷电活动趋势。图4所示为2009－2010年石林风景区雷暴密度分布，4－12月景区周围区域的雷击密度约为4.26个/km2，可看出景区所在区域雷电活动较为活跃，雷击分布相对集中。

图4 2009－2010年石林风景区雷暴密度分布

4 石林风景区典型石峰及观赏亭雷击风险分量的计算与分析

景区内典型石峰及观赏亭是人员密集的区域，对雷击风险评估的技术步骤应围绕危险事件的次数N、损害概率P、损失L来展开，建立雷电灾害风险评估的基本方程:

雷击风险R为由雷击导致的人身伤亡及建(构)筑物公共设施的损失，不同类型损失对应的风险R是不同风险分量RX的总和。N与雷电对地闪击的密度、被保护物体的特征、周围环境和土壤特征有关。P为一次雷击造成损害的概率，与被保护物体的特征和防护措施有关。L为造成损失的平均数量，L与被保护物体的指定用途、人员在场情况、公共服务设施的类型、受损的货物价值和采取减少损失的措施有关。

景区内的典型石峰和观赏亭周围区域游客密集，存在一定的雷击风险隐患。雷击对景区造成的主要风险为无法替代的自然遗产损失和对人员造成的生命损失，按照IEC62305－2的计算方法，选取相关雷击风险评估参数。通过将计算得到的雷击造成的风险值R1与规范规定的承灾体所能接受的风险RT相比较，判断是否需要采取防雷保护措施。雷击典型石峰及观赏亭周围区域造成风险量为:

式中:R1为雷击造成的人身伤亡风险;RA为与接触和跨步电压造成生物伤害有关的风险分量;RB为因危险旁络闪击及雷击的机械作用导致石体爆裂伤人有关的风险分量;LB为无法替代的文化遗产损失。

图5 典型石峰雷击风险分量值的对比

以裸露石峰为主的观景点一旦遭受雷击，人员的伤亡风险主要由雷电能量在泄放过程中对雷击点附近产生的接触电压和跨步电压以及由雷击岩石爆裂间接伤害人身所致。行业标准规定的雷击造成人身伤害损失分量的最大可容许值为RT=1.0×10－5，结合石林县1971－2006年雷暴观测资料和年平均雷暴日数据，对典型石峰的雷击风险分量进行计算，得到图5所示的结果，可看到由雷击引发的人员伤亡损失总风险R1都在1×10－5以上，雷击对阿诗玛石峰、石林题字所在石峰、母子携游、漫步从容石峰可能造成的人员伤亡风险较大。对观赏亭的雷击风险分量进行计算，得到图6所示的结果，雷击对望峰亭、双亭周围区域可能造成的人员伤亡风险及公共损失风险较大。应根据景区配套设施、建(构)筑物的使用性质、人员分布情况，采取相应的雷电防护措施，避免或减少雷击造成的人身伤害和自然遗产损失。

图6 观赏亭雷击风险分量值的对比

5 石林风景区雷电防护的对策建议

基于上述分析和雷电防护相关准则，应根据石林景区雷暴环境特征和周边地形地貌、植被分布特点以及景区内建筑物等布局情况，采取完善的防雷保护措施。

5.1 建立完善的雷电预警机制

结合石林风景区实际情况，建立石林风景区雷电监测预警系统，为景区雷电灾害的防御决策提供预警信息、传递紧急避险指令，及时将雷电监测预报信息向公众发布，做到提前预警、超前防范、有效避险，从而减少雷击游客事件发生的概率。

5.2 健全雷电灾害防护措施

从石林风景名胜区的防雷保护现状看，有必要综合考虑石林景区的气候条件、自然环境、地质地貌、防护装置与自然景观的美观协调性等因素，深入进行景区的雷电防护关键技术研究，从而切实、有效地搞好景区的雷电防护。

5.3 雷电科普的宣传、培训

景区应加强对游客雷电防护知识的宣传，提高游客对雷电灾害的防范意识。同时对工作人员开展防雷知识培训，在雷雨天气下能够引导游客做出正确的应对措施，有效指导和处置雷电灾害突发事件，以此减少或避免雷击事件的发生。

6 结论

结合实地勘查和观测数据，从石林风景区这个承灾体的雷暴活动的时空分布、区域地质地貌对雷暴环境的影响进行分析，得出如下结论。

(1)石林风景区所在区域的雷暴活动主要集中发生在5－9月，进入汛期以后闪电活动急剧增多，7、8月雷暴活动最为频繁，9月以后，强对流活动减弱，闪电活动也逐渐减少，11月以后基本无闪电发生。从日变化分布可看出闪电活动从午后呈逐渐增加的趋势，12:00以后闪电活动急剧增多，闪电集中发生在6－8月午后15:00－19:00，该时段内强闪电出现的频数很高，为强对流易发时段，应根据雷暴活动的季节变化和日变化特点，在雷暴高发时段加强对雷电灾害的防范，采取有效的防护措施。

(2)雷暴强度和密度的分布无明显的年变化规律，大部分区域的雷电流幅值的绝对值在20～40 kA的范围内，局部区域在60～80 kA之间，在个别区域出现了超过100 kA的闪电，说明石林风景区的雷击强度较大，雷暴活动较为活跃。

(3)景区内的典型石峰景点和观赏亭周围游客密集，是雷击可能造成人员伤亡的两大区域。雷击对景区造成的风险主要表现为无法替代的自然遗产损失和对附近人员造成的生命损失，通过将计算结果与规范规定值进行对比，典型石峰及观赏亭的雷击风险值都超过了规范规定的最大允许值，区域遭受雷击风险的概率较高，需采取相应的雷电防护措施。

(4)石林风景区地质地貌特殊，雷电发生的位置在一定程度上与其特有的喀斯特地貌有关。园区内石峰密布，石形尖锐，地质、地形、地貌、人为因素等都会影响到雷电波的传导。以裸露石峰为主的观景点一旦遭受雷击，人员伤亡主要由雷电泄放导致的岩石爆裂以及旁络闪击所致。构成喀斯特地貌的灰岩、碳酸盐岩石峰的电阻率高达数千欧姆·米，土壤电阻率极高，不利于雷电能量的泄放，雷击可能造成不可恢复的自然文化遗产损失，对游客的人身安全、景区建筑物及配套设施存在的风险也较大。

综上所述，石林风景名胜区的地理位置、地貌和地质构造特征特殊，需要综合考虑景区实际情况，深入研究针对景区的雷电防护技术，有效防御和减少雷电灾害对游客、自然景观和公共安全的危害，才能切实、有效地做好景区的雷电防护，从而提高景区雷电灾害防御能力和安全管理水平。

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