宣城市农村雷电灾害特征及防护技术研究

何桂霞，季菊香

（宣城市气象局 安徽，宣城 242000）

雷电是自然大气中超强、超长放电现象。雷电发生时，其强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场，以及强烈的电磁辐射等，给人类社会带来极大的危害，造成人员伤亡、起火爆炸、严重损失[1]。雷电灾害被联合国国际减少自然灾害十年（IDNDR）公布为 “十种最严重的自然灾害之一” 。无论从造成的伤亡人数，还是从所造成的财产损失，雷电灾害都已成为我国的主要自然灾害之一[2]。雷电灾害的危害程度和经济损失以及社会影响越来越大[3]。近年来，随着闪电探测手段的提高和雷电防护技术的日趋进步，科技工作者对闪电形成机制、特征、活动规律、雷电灾害及防御进行了大量分析研究[4-13]。

宣城市属南北气候过渡带，是冷暖空气频繁交汇的地区，地形南高北低，且多为山区和丘陵地带。特殊的地理位置、复杂的气候条件和地形特点，导致境内雷电活动频繁，雷电灾害发生率高[14]。城区主要表现为电子信息系统损坏（毁），人员伤亡、建筑物受损主要发生在农村。本研究分析了宣城市农村地区雷电灾害特征，以雷击村为案例，研究农村雷电防护技术。

1 资料与方法

1.1 资料来源

资料来源于宣城市气象局收集的2004～2020年雷电灾害资料，资料记录了雷电灾害发生时间、地点、受灾对象所处位置及周围环境、天气背景资料、损失情况等。闪电资料来源于安徽省ADTD闪电监测系统2010～2020年的闪电定位资料，系统有合肥、阜阳、蚌埠、六安、安庆、宣城、黄山7个子站。

1.2 研究方法

1.2.1 利用2004～2020年宣城市雷电灾害资料，统计分析宣城市农村雷电灾害发生规律、特征。

1.2.2 对2010～2020年宣城市闪电定位资料进行分析、处理，结合孕灾环境，利用ArcGIS绘制雷电致灾危险性分区图。

1.2.3 选取1个典型雷击村，根据其地形、地质、土壤、环境和雷电活动规律，结合区域雷电致灾危险性等级，研究雷电防护技术。

2 宣城市农村雷电灾害特征

如表1所示，2004～2020年宣城市共发生雷电灾害202起，其中农村雷电灾害76起，占比37.6%；雷电灾害伤亡28人，其中农村伤亡25人，占比89.3%；建筑物受损25起，全部发生在农村。城市雷电灾害主要表现为电子信息设备损坏，农村雷电灾害主要表现为人员伤亡、建筑物受损。

表1 2004～2020年宣城市雷电灾害统计表

2.1 时间分布特征

2.1.1 雷电灾害月分布特征 由图1得出，宣城市4～8月是雷电灾害高发期，占比96.5%；农村雷电灾害高发期为6～8月，占比78.9%，以7月最多，占比35.5%。

图1 雷电灾害月分布

2.1.2 雷电灾害年分布特征 由图2得出，宣城市雷电灾害年分布呈单峰型，最多年份为2006年。2011年之前雷电灾害次数多，表现为电子信息设备、家用电器损失多，占比62.3%，主要原因是电子信息系统防雷措施尚不完善。2013年开始雷电灾害次数明显减少，究其原因，主要是城市建筑物以及电子信息系统防雷措施的日益完善。2019年之后，雷电灾害主要发生在农村，表现为电器受损、建筑物受损，但无人员伤亡，说明随着防雷减灾知识的不断普及，农村地区人们的雷电防护意识有所提升。

图2 雷电灾害年分布

2.2 人员伤亡空间分布特征

由表2可知，宣州区伤亡人数最多，旌德县年均伤亡率最高，雷电灾害人员伤亡主要发生在农村，伤亡人数为25人，占比89.3%。以乡镇为单元，以年平均雷电灾害伤亡人数为基数，得出雷电灾害人员伤亡空间分布。由图3可知，宣州区水阳镇、旌德县旌阳镇伤亡人数最多。

图3 雷电灾害人员伤亡空间分布

表2 2004～2020年各县市区雷电灾害人员伤亡统计表

2.3 人员伤亡环境特征

雷电灾害的发生与环境密切相关，农田、水塘、水陆交界处、空旷地带、地势高处等都是易遭雷击区域。图4给出了雷电灾害人员伤亡环境分布情况，由图4可知，雷电灾害人员伤亡发生在野外的有24人，占比85.7%，以在田间劳动居多，有12人，占比42.9%。

图4 雷电灾害人员伤亡环境特征

3 雷电致灾危险性分布与雷电灾害人员伤亡分布的关系

对2010～2020年宣城市闪电定位资料进行分析、处理，结合孕灾环境，利用ArcGIS绘制宣城市雷电致灾危险性分区图（图5），与雷电灾害人员伤亡空间分布（图3）进行对比分析，结果表明，雷电灾害人员伤亡都分布在高危险区和较高危险区，两者具有较好对应关系。因此，在制定雷电防护措施时，需综合考虑对应区域的雷电致灾危险性等级。

图5 宣城市雷电致灾危险性分区图

4 农村雷电灾害防护技术研究

选取1个雷击村为案例，研究农村雷电灾害防护技术。宣城市宣州区古泉镇章扎村民组位于古泉镇西部，地势较高，周围开阔，面积0.67km2，共有31栋民房。章扎村雷电灾害严重，是典型的雷击村，多户村民家中都遭受过雷击，导致人员伤亡、建筑物受损、家用电器损坏、配电线路损坏（毁）等。基于章扎村地形、环境、土壤和雷电环境特征等，结合雷电致灾危险性等级，制定雷电防护技术体系。

4.1 章扎村雷电环境特征

采用2010～2020年宣城市闪电定位资料，对章扎村村民汪衣香房屋所在位置为中心（118°36′18″E、30°59′25″N）的15km范围内闪电监测资料进行统计分析，得出雷电流幅值分布（表3）、闪电日变化特征（图6）、月变化特征（图7）、雷电路径（图8）。

由表3可知，共监测到云地闪6067个，雷电流幅值主要分布在10～80kA，占比92.67%，其中以20～40kA居多，占比47.29%。

表3 雷电流幅值分布

闪电日变化呈单峰型，主要集中在13∶00～18∶00，峰值出现在14∶00～15∶00（图6）。闪电月变化呈单峰型，主要集中在6～9月，峰值出现在7、8月（图7）。闪电主导方向为NE，次主导方向为SW（图8）。

图6 闪电日变化特征

图7 闪电月变化特征

图8 雷电路径

4.2 章扎村土壤特性

章扎村土壤类型为红壤。采用四点等距法（温纳法）测量土壤电阻率，测量时土壤干燥，取季节修正系数1.5，修正后的土壤电阻率在200～400Ω.m之间（见表4）。

表4 土壤电阻率

4.3 章扎村雷电防护技术

由图5可知，章扎村雷电致灾危险性为较高等级，根据章扎村地形、环境、土壤和雷电活动规律等，结合雷电致灾危险性等级，从区域雷电拦截、应急避险场所建设、村民房屋安装雷电防护装置等，采取雷电防护措施。

4.3.1 区域雷电拦截 结合地形，依据雷电路径，在章扎村外围选取地势高处设置仿生树接闪杆，以拦截雷电。章扎村雷电路径主要分布在NE、SW、W、SE方向，在这4个方位选取高地各设置1根高度为45m的仿生树接闪杆，有效拦截从外围入侵的雷电。

4.3.2 应急避险场所建设 在田间地头等适当位置建造避雷亭，供村民野外避险。考虑到章扎村面积小，最远处农田距离村民房屋步行时间在30min以内，从人们肉眼看到雷雨云发生，到发生对地闪击的时间通常在30min以内。考虑到多数村民在劳作时不一定会看到雷雨云发生的初始阶段，根据雷电物理特性，以300m为半径，建设应急避雷亭，确保村民在10min内能到达。根据农田的实际分布情况，选取3个地点建设避雷亭。

4.3.3 村民房屋安装雷电防护装置 章扎村共有31栋村民房屋，均为砖混结构、屋顶为木质檀条盖瓦。入户电源线路直接从室外电线杆架空引入，未接地。无任何防雷措施。

经计算，31栋建筑物年预计雷击次数在0.05～0.25次/a之间，考虑到章扎村雷电致灾危险性等级为较高危险区，故按第二类防雷建筑物设计，电源线路按C级防护。从直击雷防护、等电位连接、电源线路埋地引入、安装电涌保护器等采取综合防雷措施。

5 章扎村雷电灾害风险值对比

章扎村遭受雷击损失类型主要考虑人身伤亡损失L1，雷击风险为R1。经计算，未采取雷电防护措施时，章扎村雷电灾害风险为2.17E-04，大于风险容许值；采取雷电防护措施后，雷电灾害风险为6.51E-06，小于风险容许值（见表5），起到有效防护作用。损失类型为L1时，风险容许值RT确定为E-05[15]。

表5 风险值对比

6 结论与讨论

2004～2020年宣城市共发生雷电灾害202起，其中农村雷电灾害76起，占比37.6%；雷击伤亡28人，其中农村雷击伤亡25人，占比89.3%；建筑物受损25起，全部发生在农村。城市雷电灾害主要表现为电子信息设备损坏，农村雷电灾害主要表现为人员伤亡、建筑物受损。雷电灾害人员伤亡都分布在雷电致灾高危险区和较高危险区。

农村雷电灾害高发期为6～8月，占比78.9%；雷电灾害的发生与环境密切相关，农田、水塘、水陆交界处、空旷地带、地势高处等都是易遭雷击区域[16]，雷电灾害人员伤亡发生在野外的有24人，占比85.7%，以田间劳动居多，有12人，占比42.9%。

以雷击村章扎村为案例，分析其地形、环境、土壤和雷电环境特征等，结合雷电致灾危险性等级，从区域雷电拦截、应急避险场所建设、村民房屋安装雷电防护装置等方面，采取雷电防护措施。

对章扎村安装雷电防护装置前后雷电灾害风险值进行对比，结果表明，未采取雷电防护措施时，章扎村雷电灾害风险为2.17E-04，大于风险容许值；采取雷电防护措施后，雷电灾害风险为6.51E-06，小于风险容许值，起到有效保护作用。

农村地域广阔，地形多样复杂，针对不同区域，如何科学有效地开展农村雷电防护新技术研究，是下一步努力方向。