湖南省农村雷电灾害防治关键技术研究与应用示范

刘凤姣 万协成 杨加艳 贺秋艳 刘艳清

摘要：以提高农村雷电灾害防御科技水平为目标，分析了湖南省雷电灾害发生规律，创建了农村雷电灾害防御关键技术指标及综合防御技术方法，研制发布了国家强制性标准，成功开展了雷电灾害综合防御技术应用与示范。取得的创新性成果如下：①确定了农村民居防雷建筑物的雷击次数下限值的国家标准以及相应的设计施工技术要点;②提出了对称不等间距四极法为测量土壤电阻率的首选方法并申请了专利，更能反映自然土壤实际分层情况，更具稳定性，准确性更高;③绘制了长沙市大区域土壤电阻率分布，研发了分析软件，分析得出土壤电阻率值与降水量呈明显正相关;④运用仿真树、应急避难场所、单栋农村民居防雷设施等综合防雷设施建设技术，创建了雷暴路径拦截的区域性防护体系，创立了湖南省农村全方位、立体式区域防雷减灾的新模式。

关键词：雷电;农村雷电灾害;防御关键技术;应用示范

中图分类号：P429         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0041-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.007 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： To improve the level of rural lightning disaster prevention science and technology as the goal， the lightning disasters were analysed in Hunan province. Key technical indexes and comprehensive technical methods for rural lightning disaster prevention had been established. National mandatory standards had been developed and issued. And the application and demonstration of comprehensive lightning disaster prevention technology had been successfully carried out. The following innovative results were obtained： ①The national standard for the lower limit of lightning strike frequency of rural residential lightning protection buildings and the corresponding key points of design and construction technology were determined; ②The symmetrical unequal spacing quadrupole method was proposed as the preferred method to measure the soil resistivity and a patent was applied， which can better reflect the actual stratification of natural soil and was more stable and more accurate; ③The distribution map of soil resistivity in Changsha region was drawn， and the analysis software was developed. It was found that the soil resistivity value was significantly positively correlated with precipitation; ④Integrated lightning protection facilities construction technologies， such as simulation trees， emergency shelters and single rural residential lightning protection facilities were used to create a regional protection system for thunderstorm path interception， and a new all-round and three-dimensional regional lightning protection and disaster reduction model in rural Hunan province was established.

Key words： lightning; rural lightning disaster; defense key technology; application demonstration

中國每年因雷电灾害造成的死亡人数中90%以上的受害者来自于农村。湖南是全国雷电灾害最为严重的省份之一，据不完全统计，每年发生雷灾事故约100余次，其中农村因雷电灾害造成的伤亡人数占比最大。湖南省溆浦县葛竹坪镇山背村是一个有名的“雷击村”，1979—1997年雷击造成11人死亡、245人受伤，该情况逐步引起了各级党政领导的高度重视，要求相关部门采取有效措施解决山背村雷电灾害防御问题，因此，农村雷电灾害防御关键技术的研究与应用示范就此展开。本研究系统性分析了湖南省雷电灾害发生规律，研究创建了农村雷电灾害防御关键技术指标及综合防御技术方法，研制发布了国家强制性标准[1]。项目成果在应用中不仅让溆浦县葛竹坪镇山背村彻底摘除了“天下第一雷击村”的帽子，也有效提升了湖南省乃至全国农村的防雷减灾能力，社会经济效益显著。现将该项目研究汇报如下。

1 湖南省雷电活动和雷灾特征

基于湖南省97个县（市）地面气象观测站1951—2013年雷暴观测记录、2008—2019年湖南省闪电监测数据以及2002—2019年湖南省雷电灾情数据，开展了多方位、多视角、多层次的统计分析，系统性地揭示了湖南省雷电灾害发生规律：①湖南省年雷暴日数湘南多于湘北、湘西多于湘东，沿南岭山脉、雪峰山脉为两条雷暴日高值带，有名的“雷击村”就位于雪峰山高值带内。②全省每个月均有雷电发生，其中4—9月是多发时段，7、8月是高峰期，多集中在15：00—17：00。③低洼地区及土壤电阻率较小和地下水位高的地方易遭受雷击。④农村建筑选址规划性不强、结构多样，安全意识薄弱，雷电防护设施安装不到位，易因频繁的雷击导致事故。⑤农村因雷击伤亡人数占全省的70%，远超过城市雷电灾害事故造成的人员伤亡数量，其主要原因，一是农田附近缺乏必要的避险场所，二是农村的各类建（构）筑物缺少雷电防护措施 。

2 农村雷电灾害防御关键技术指标与方法

2.1 制定国家标准《农村民居雷电防护工程技术规范》（GB50952—2013）

基于全国各地农村民居的规模、特点和防雷现状，总结了各地区农村民居防护工程存在的问题，提出了农村民居防雷建筑物的年预计雷击次数下限值为0.013次/年，划定了“一般农村民居防雷建筑物”分类范围，并明确规定了新建、扩建和改建农村民居的防雷设计、施工要求，对IEC62305和GB50057—2010进行了补充和完善。该标准已实施4年多，对积极推进农村防雷工程建设、大力提升农村雷电灾害防御能力、有效减少雷击农村民居所发生的人身伤亡和财产损失起到了重要作用[2]。

为解决全国农村雷电灾害较严重的问题，基于数理计算、理论推导等手段及雷闪数学模式和损坏概率值PrWr多次理论验算，首次提出“一般农村民居防雷建筑物”的防雷分类，并明确了应进行防雷工程设计和施工的农村民居标准范围[3]，发布农村民居防雷建筑物的年预计雷击次数下限值，为0.013次/年，并上升为国家标准《农村民居雷电防护工程技术规范》GB50952—2013，填补了国际标准IEC62305—2000和国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057—2010中未涵盖的“农村民居的防雷”的空白[4，5]。

2.2 建立土壤电阻率测量方法及分析土壤分层结构的方法

在多种不同天气状况及土壤含水情况下，分别利用三极法、温纳四极法及对称不等间距法（巴莫法）对试验场土壤电阻率进行测量，然后，利用著名软件CDEGS对测试结果进行数据分析，并将该分析结果与该区域临近项目的地勘数据进行对比分析。分析结果表明，利用对称不等间距法（巴莫法）测量的土壤电阻率数据，最能反映试验场土壤的实际分层情况，具有最佳的稳定性及准确性，提出了将对称不等间距法（巴莫法）作为土壤电阻率测量的首选方法，而不是行业目前所使用的等间距温（文）纳四极法的结论[6]。同时，也完成了试验场测量3年内季节变化、温度、降水等因素对土壤电阻率的影响分析，完成了区域土壤电阻率分布分析系统软件研发等，研发了区域土壤电阻率分布分析软件。

首先，对于跨度<120 m的非均匀待测土壤，建立了一种内侧极间距与外侧极间距的比≥2的对称非等距四极法的土壤电阻率测量法，并已申报发明专利。建立两个试验场时，在多种天气状况及土壤含水情况下，采用三极法、温纳四极法、对称不等间距法（巴莫法）、不等间距法等常用土壤电阻率测量方法测量试验场土壤电阻率，利用著名CDEGS软件对测量结果进行数据分析，并将分析结果与该区域临近项目的地勘数据进行对比分析[7]，全面揭示对于非均匀地质结构，不论区域大小，温纳四极法测量数据不能准确反演土壤分层，而对称不等间距法（巴莫法）测量数据反演结果与地勘数据有较好的相关性，提出当土壤不均匀、电极间距小于40 m时，优先使用对称不等间距法测量土壤电阻率，对GB/T17949和GB/T21431等国家标准关于土壤电阻率测试方法的精准性进行补充和完善，以更好地适应因社会发展导致下垫面管线增多和混凝土结构变化的现状。

其次，研发了区域土壤电阻率分布分析系统，研究了长沙市土壤电阻率变化规律。通过自主研发的软件，利用多年检测数据，绘制出长沙市大区域土壤电阻率分布。研究了将小区域土壤电阻率分布网格化，利用块差值法形成精细化的土壤电阻率分布，形成可用于工程的分析方法，并开发了相应分析软件。

3 工程应用示范——溆浦县葛竹坪镇山背村雷电灾害防御体系建设

溆浦县葛竹坪镇山背村属亚热带湿润季风气候，年平均气温16.3 ℃，年平均日照时间1 800 h，无霜期280 d，年平均降雨量1 539.1 mm，四季分明，气候温和。溆浦县山背村雷灾严重、下垫面复杂，基于其地形地貌、气候分布特点、雷电灾害特征等，并结合现场测量、实地勘探结果，首次开启了融合农村雷电灾害防御、乡村振兴为一体的农村气象灾害防御新模式，创建以仿真树、应急避难场所、单栋农村民居防雷设施等雷电防护安全设施为主的全方位、立体式农村大区域雷电防御体系，实现了雷灾严重、区域范围大、气象因素和下垫面情况复杂的条件下农村雷电灾害区域防御关键技术的成功应用，打造了精准扶贫、乡村振兴、乡村旅游及农村基础设施建设新高地[8]。

3.1 山背村气象基础数据研究

对湖南省闪电定位监测网2007—2012年以山背村村部所在位置为中心的15 km半径的闪电监测资料进行统计，结果见表1。由表1可知，共监测到云地闪电6 293条，其中正闪388条，负闪5 905条，每年雷击密度8.9次/km2。

从地闪统计数据来看，闪电具有密度高、强度大，夏季集中、午后高发等特点。主要集中在6—8月（圖1a），逐时呈现单峰值分布，集中在每天的  14：00—15：00（图1b）。最大强度绝对值389.7 kA，最小强度绝对值0 kA，小于5.4 kA的闪电9条，占0.14%，小于10.1 kA的闪电73条，占1.16%，小于15.8 kA的闪电147条，占2.34%。大于150 kA的闪电158条，占2.51%;发生次数相对较多的雷暴主导移动方向依次为SE、S、SW（图1c），这种现象的形成既有大环境的影响，也有局地强对流天气的原因。

3.2 土壤特性研究

查阅相关资料确定山背村的土壤类型为成土母岩，有板页岩和石灰岩，主要土壤类型有红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地草甸土等4种类型。

对山背村土壤电阻率进行测算分析，由表2可知，山顶高于山谷，背风坡高于迎风坡，考虑到测量前2 d天气晴好，取季节修正系数1.5，修正后的土壤电阻率整体分布在450～3 000 Ω·m。

3.3 山背村区域雷电灾害防御设施建设

由于农村地域广阔、居住分散、经济基础相对薄弱，环境复杂多样，要想实现全面、系统、完善的防雷措施，不仅资金需求大，而且技术要求高、施工难度大[9]。在掌握了该村雷电存在的主要隐患、发生的主要规律、雷暴的主要路径方位等的基础上，从雷电区域拦防、居民建筑防雷装置改造和电器设备感应雷浪涌保护等几个方面立体式进行防护，尽可能做到投入少、作用大[10]。

3.3.1 区域雷电灾害防御建设 结合山背村的气候特点和地形地貌，以雷暴路径分布为依据，在山背村外围选取区域高地及峰谷入口设置通用型仿生树避雷针，以便将入境的雷雨云提前泄放，减少山背村雷击次数的发生[11]。考虑到至少需要两个铁塔吸引雷雨云电荷，故防雷铁塔（仿真树）的设计间距可考虑在500～2 000 m分布，置于区域高地或峰谷入口等地形起伏位置，使得从外围入境的雷雨云从上空经过。经调查监测，山背村闪电路径分布较为均匀，因此各个方向均应布防;山背村外围周长约30 km，经测算，选取16根避雷针（仿真树），间距1～3 km分布，从16个方向加密布设，可在山背村外围布防，从而更加有效地拦截外围漂移过来的雷雨云。

3.3.2 应急避险场所建设 在山背村空旷场所建设灾害应急避险亭，为其在雷雨突袭等灾害来临时提供野外避险场所。由于山背村占地面积大，村民劳作范围广，多数农田距离民居的步行时间远不止  30 min，而人们从肉眼发现雷雨云发生，到发生对地闪击的时间常在30 min内，按照雷电的物理特征，以1 km为避险亭服务半径，确保村民在15 min内到达，同时利用现有民居，结合各小组村民与其对应农田的实际分布情况，选取10个地点作为应急避险亭位置。与此同时，在发生山洪、泥石流等地质灾害时也可作为临时应急场所。

3.3.3 完善现有建（构）筑物综合防雷设施 通过采取安装接闪器、引下线、地网等措施，完善外部防雷系统;同时设置防电涌侵入、等电位等措施，完善内部防雷系统。完善山背村现有434栋建（构）筑物综合防雷设施建设，其中，木质结构房屋301栋，砖混结构房屋133栋，保障了山背村建（构）筑物（村民住宅、村办公场所、学校、村民活动学习场所等）、人员和电器设施防雷安全。

3.4 山背村综合防雷安全应用效果研究

基于整体防御效果，以及与山背村的自然景观相融合的问题，从安全、经济实用的角度出发，在山背村外围选取区域高地及峰谷入口设置通用型仿生树避雷针，将入境的雷雨云雷电流进行提前泄放;根据风险评估结果得出山背村雷电对地闪击的时间大约在30 min内，选取1 km为避险亭服务半径;根据当地历史雷灾特点，选取10个地点建设雷电灾害应急避险亭。最终建立集区域内雷电灾害防御、建设应急避险场所、完善现有建（构）筑物综合防雷设施等手段为主的雷电灾害综合防御体系，使雷电灾害风险值低于容许值，即小于1E-05（表3）。通过本项目实施后，雷电灾害风险值低于容许值，当地防雷灾害防御能力得到了进一步的完善，为山背村人民群众生产与生活活动提供防御安全。同时，项目的实施可为湖南省在农村雷电灾害防御建设起到重要的示范作用，乃至为全国树立样板工程。

4 小结与讨论

项目成果不仅在湖南省溆浦县山背村开展了示范，也应用到住建、农业、气象、林业、生态、能源、卫生、交通、旅游等领域和各级政府决策部门，尤其是为长沙市轨道交通、溆浦县山背村雷电灾害防御、张家界新一代天气雷达建设等项目提供了高质量的技术服务，取得了显著的社会效益及生态效益。

但是，针对大范围区域性雷电灾害防御作为系统性工程建设项目，目前社会需求（重点雷击村、雷击频发旅游景区、林区、大型多功能区等）与科技支撑力量薄弱矛盾，如何科学、合理、有效地开展并推广防雷电科技新成果、新技术，是下一步努力的方向。

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