鐵路雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的研究

阮小飛 付茂金 陳建譯

雷電是自然界中一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，也可成為一種災(zāi)害性天氣，對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)以及各種設(shè)備造成一定的損害。這就需要對(duì)雷電災(zāi)害以及可能造成的損失作出合理的評(píng)定和估算，預(yù)見(jiàn)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的雷電風(fēng)險(xiǎn)，這就是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系理論

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)與管理工作，是當(dāng)前國(guó)際減災(zāi)防災(zāi)管理中較為先進(jìn)的模式，已經(jīng)成為災(zāi)害科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展方向和研究課題。

雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指在一定時(shí)限范圍內(nèi)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)遭受到雷擊災(zāi)害的概率，以及可能造成的后果進(jìn)行定量分析和評(píng)估。其內(nèi)容主要包括2個(gè)層面：一是對(duì)發(fā)生雷擊災(zāi)害可能性較大的區(qū)域，進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)；二是對(duì)評(píng)估區(qū)域內(nèi)發(fā)生的雷擊災(zāi)害進(jìn)行綜合性分析。通過(guò)對(duì)雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、估測(cè)、評(píng)價(jià)，并以此為基礎(chǔ)對(duì)各種防控風(fēng)險(xiǎn)的方式進(jìn)行優(yōu)化組合，就可有效管控雷擊災(zāi)害帶來(lái)的損害并且妥善處理?yè)p失，以最小的成本來(lái)獲得最大的安全保障目標(biāo)。

2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的及作用

就減輕雷電災(zāi)害帶來(lái)的損失而言，通常有3種方式：一是加強(qiáng)雷災(zāi)天氣的預(yù)警工作，提醒人們?cè)诶纂姙?zāi)害到來(lái)之前做好相關(guān)預(yù)控措施，例如關(guān)閉各種用電設(shè)備等；二是防雷項(xiàng)目的建設(shè)，有利于提高建筑物的防雷能力；三是強(qiáng)化事故搶險(xiǎn)救援工作的能力。我們國(guó)家雖然對(duì)雷暴的臨近預(yù)警能力有了很大的提高，但是依舊處于起步階段，對(duì)于一些特殊的公共行業(yè)來(lái)說(shuō) （電力、醫(yī)療等），要求在雷暴來(lái)臨之際關(guān)閉所有的電力設(shè)備有些不切實(shí)際。而目前的技術(shù)對(duì)雷電災(zāi)害救援工作來(lái)說(shuō)也還不夠成熟，所以進(jìn)行防雷建設(shè)的就成為最重要工作，防雷措施可以大大提高建筑物的防雷擊能力。

雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是根據(jù)評(píng)估目標(biāo)所在地雷電活動(dòng)時(shí)空分布特征及雷電災(zāi)害特征，分析、評(píng)估、計(jì)算雷電可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失程度與危害范圍等方面的綜合風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到優(yōu)化項(xiàng)目選址、合理功能分區(qū)布局、確定防雷類(lèi)別 （等級(jí)）和最佳防雷措施，并能實(shí)時(shí)應(yīng)急處理雷電災(zāi)害事故的目的。雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是雷電防護(hù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)綜合雷電防護(hù)的首要程序，為科學(xué)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)投資、應(yīng)急處置雷害提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)預(yù)防為主，科學(xué)防雷理念的必要條件。

因此，一方面要加強(qiáng)雷暴災(zāi)害的預(yù)警工作，另一方面要通過(guò)對(duì)雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的研究，確定雷電災(zāi)害高發(fā)區(qū)域的范圍，以此來(lái)有效地提高防雷資金的可利用效率，合理安排防雷工程的建設(shè)，根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度依次確定最佳的防雷計(jì)劃，對(duì)不同目標(biāo)采用差異化的防護(hù)，使防護(hù)措施有最高的性?xún)r(jià)比，防止防雷工程的盲目性建設(shè)。

3 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

雷電災(zāi)害帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與其他自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)本質(zhì)相同，都是多種自然因素相互作用的結(jié)果，它往往受到某個(gè)區(qū)域自然系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等因素的影響。在相同的區(qū)域內(nèi)，因雷電造成災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制大致相同，孕災(zāi)環(huán)境也別無(wú)二致，因此可以采用相同的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估辦法，來(lái)表示該區(qū)域內(nèi)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的大小以及對(duì)比關(guān)系。

以歷史氣象災(zāi)害統(tǒng)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)為依托，采用模糊數(shù)學(xué)法、灰色系統(tǒng)法等數(shù)學(xué)方法，對(duì)當(dāng)前的雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)作出預(yù)測(cè)。當(dāng)前公認(rèn)評(píng)價(jià)較好的自然風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)制，主要包含的內(nèi)容為：在某區(qū)域內(nèi)發(fā)生自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，由自然災(zāi)害危險(xiǎn)性 （H）、暴露 （E）、承災(zāi)體的易損性 （V）、防災(zāi)減災(zāi)能力 （C）4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素相互交織而成，表達(dá)式為：R＝H·E·V·C。但是這些因素比較抽象籠統(tǒng)，因此需要與雷電災(zāi)害的形成機(jī)制相互結(jié)合，再采用多元分析法或者分層分析法等數(shù)學(xué)方法，對(duì)其進(jìn)行量化，得出該區(qū)域的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算公式才可以更加準(zhǔn)確、詳細(xì)地對(duì)雷電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，而且可操作性更強(qiáng)。

4 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表達(dá)式

由于文中涉及雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要研究對(duì)象是人以及建筑物，因此建筑物遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)的通用表達(dá)式為：

式中：Rd是指建筑物遭到雷擊之后所損失的風(fēng)險(xiǎn)值；N為該建筑物每年遭到雷擊的次數(shù)；P為該建筑物造成破壞的幾率；δ為該建筑物或者該建筑物所放物品所造成損害的量度值。

F＝NP是建筑物受到雷擊損害的年平均次數(shù)，如果選取觀察時(shí)間以一年計(jì)算 （t＝1），那么當(dāng)NP?1時(shí)，上述通用表達(dá)式可轉(zhuǎn)化為：

此外，若該建筑物使用類(lèi)似避雷針等預(yù)防雷擊的裝置，那么建筑物遭到雷電打擊的風(fēng)險(xiǎn)大小可以依據(jù)該裝置的避雷效果呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

5 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

把建筑物所受到雷擊評(píng)估的流程與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)成雷電評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而建立雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)ㄖ锸艿降睦讚麸L(fēng)電度做出快速的評(píng)估，然后依據(jù)評(píng)估的結(jié)果，以最快的速度找出有效防治雷擊的措施，進(jìn)而減小損失。設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn)。

1．建立雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估界面，同時(shí)要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理窗體，存儲(chǔ)輸入、修改評(píng)估參數(shù)。

2．建立數(shù)據(jù)庫(kù)，主要用于保存雷電閃擊次數(shù)及損害幾率等常量，在該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能夠有效、快速地對(duì)建筑物所受到的雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行估算，進(jìn)而采取適當(dāng)?shù)姆览妆Ｗo(hù)措施。

3．評(píng)估系統(tǒng)由很多功能不同的窗體組合在一起，每一個(gè)窗體都表示一定的功能塊，所以用戶(hù)可以在相關(guān)窗體下執(zhí)行相應(yīng)功能模塊的操作。評(píng)估系統(tǒng)模塊組成圖如圖1所示。

6 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的現(xiàn)狀和未來(lái)

雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是自然災(zāi)害評(píng)估中重要的組成部分。由于雷電災(zāi)害無(wú)法實(shí)時(shí)進(jìn)行追蹤，具有瞬時(shí)出現(xiàn)和隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，難以對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估，因此在自然災(zāi)害評(píng)估領(lǐng)域尚未引起足夠的重視。當(dāng)雷電災(zāi)害發(fā)生后只能做到災(zāi)后評(píng)估，估算出受災(zāi)具體的損失，然后為災(zāi)后重建提供一定的預(yù)算支持。因此，就研究的規(guī)模與技術(shù)層面，雷電災(zāi)害的評(píng)估還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到規(guī)?；u(píng)估的水平。由于在最近幾年，雷電災(zāi)害的發(fā)生頻率與規(guī)模有了很明顯的增長(zhǎng)，因此人們對(duì)雷電災(zāi)害的研究也越來(lái)越重視。但是研究的層面主要局限于防雷電設(shè)備的發(fā)明與研制，針對(duì)于雷電災(zāi)害進(jìn)行規(guī)?；u(píng)估和預(yù)測(cè)方面的研究尚未形成規(guī)模化的體系。不過(guò)現(xiàn)今的雷電防護(hù)技術(shù)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，關(guān)于雷電的形成機(jī)理和發(fā)展過(guò)程已經(jīng)形成了完整的鏈條。這些都為今后雷電災(zāi)害的預(yù)測(cè)和評(píng)估工作提供了有效的支撐。在未來(lái)的雷電災(zāi)害評(píng)估和預(yù)測(cè)領(lǐng)域的研究必將成為新的熱點(diǎn)。

圖1 雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)模塊組成圖

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