雷擊風(fēng)險計算分析評估系統(tǒng)

黃進云，程 林，儂耀輝

(云南省紅河州氣象局，云南蒙自 661199)

雷電是發(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象，其放電電流可達數(shù)十千安，甚至數(shù)百千安，雷電流產(chǎn)生巨大的破壞力和極強的電磁干擾。聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布雷電災(zāi)害為自然界十大災(zāi)害之一，地球上平均每秒就會發(fā)生100次左右的閃電，強大的雷電流對建筑物和電子設(shè)備產(chǎn)生巨大的破壞作用。雷擊風(fēng)險評估是指以實現(xiàn)綜合雷電防護為目的，運用科學(xué)原理和方法，對被評估對象可能遭受雷擊概率及雷擊后產(chǎn)生后果的嚴重程度進行分析計算，向建設(shè)單位提供科學(xué)合理且經(jīng)濟安全的雷電防護措施和建議。雷擊風(fēng)險評估屬于災(zāi)害評估的一種，可分為新建項目預(yù)評估、在建項目方案評估和已建項目現(xiàn)狀評估3種。

近年來，由于全球變暖加劇，極端天氣頻繁出現(xiàn)，雷擊事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失呈上升趨勢［1］。最嚴重的2011年發(fā)生雷電災(zāi)害事故次數(shù)6 127次、人員死亡人數(shù)1 109人、經(jīng)濟損失50 635萬元。隨著國民經(jīng)濟的快速增長，民用住宅小區(qū)和國家大中型項目開工建設(shè)，對雷擊風(fēng)險評估工作提出了更高要求。我國幅員遼闊，各個地方的氣候環(huán)境和地理環(huán)境情況差別很大，如果不區(qū)分域地統(tǒng)一采取措施，將會造成經(jīng)濟上的巨大浪費。根據(jù)中華人民共和國GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》［2］、GB/T 21714《雷電防護》［3］和國際電工標準IEC 61662的規(guī)定和要求，運用C#語言編制計算機計算、分析、綜合評估平臺，大大地減少風(fēng)險值計算的工作量和計算誤差。筆者在此通過雷擊風(fēng)險計算評估系統(tǒng)對建筑物的相關(guān)情況及所處的位置和周邊環(huán)境進行科學(xué)計算和分析［4］，對雷擊風(fēng)險值進行定量化計算，為建設(shè)項目工程防雷工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料選取 選用當(dāng)?shù)貧庀笈_站多年氣象觀測數(shù)據(jù)、云南省閃電定位儀觀測記錄數(shù)據(jù);工程項目立項審批報告相關(guān)數(shù)據(jù)、建筑物設(shè)計方案數(shù)據(jù);工程所在地地質(zhì)、土壤電阻率和地理環(huán)境要素等相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 雷擊損失風(fēng)險計算參數(shù)選取 雷擊損失風(fēng)險評估主要是計算由于雷電發(fā)生造成一定的生命傷亡、經(jīng)濟損耗以及其他方面的各種風(fēng)險疊加，同時綜合周邊環(huán)境特性和閃電的時空分布規(guī)律。為項目區(qū)域范圍內(nèi)的建設(shè)項目的位置選定、功能布局、雷電防護等級(類別)和防雷設(shè)施設(shè)計、施工提供科學(xué)，也為雷電災(zāi)害事故應(yīng)急預(yù)案評價方法提供建設(shè)性意見。

雷擊損失風(fēng)險內(nèi)容共分為人員生命損失風(fēng)險、公眾服務(wù)損失風(fēng)險、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險、經(jīng)濟損失風(fēng)險4類。雷擊損失風(fēng)險的計算結(jié)果主要取決于風(fēng)險相關(guān)參數(shù)(表1)，參數(shù)值的選取正確與否決定風(fēng)險的計算結(jié)果［2］。

2 雷擊風(fēng)險分量計算

2.1 按風(fēng)險管理要求進行雷擊風(fēng)險評估

2.1.1 雷擊導(dǎo)致建筑物的各種損失對應(yīng)的風(fēng)險分量(Rx)。其計算公式為Rx=Nx×Px×Lx，式中，Nx為年平均雷擊危險事件次數(shù);Px為每次雷擊損害概率;Lx為每次雷擊損失率。

2.1.2 建筑物的雷擊損害風(fēng)險(R)。其計算公式為R=∑Rx，式中，Rx為建筑物的雷擊損害風(fēng)險涉及的風(fēng)險分量。

2.2 建筑物及入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算

2.2.1 建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)(N)。其計算公式為N=N1+N2，式中，N1為建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a);N2為建筑物入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a)。

2.2.2 建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)(N1)。其計算公式為N1=K×Ng×Ae，式中，K為校正系數(shù);Ng為建筑物所處地區(qū)雷擊大地密度［次/(km2·a)］，Ng≈0.1 × Td，其中，Td為建筑物所在地年平均雷暴日數(shù)(d/a);Ae為建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積(km2)。

2.2.3 建筑物等效面積(Ae)。當(dāng)建筑物高度H＜100 m時，其每邊的擴大寬度D(m)和等效面積Ae(km2)按公式D=、Ae=［Lw+2(L+W)×D+πH(200－H)］×10－6計算確定。當(dāng)建筑物高度H≥100 m時，其每邊的擴大寬度應(yīng)按等于建筑物的高H計算，建筑物等效面積按公式Ae= ［Lw+2H(L+W)+πH2］×10－6計算確定，式中，Lw 為建筑物a端到服務(wù)設(shè)施的距離;L、W、H分別為建筑物的長、寬、高(m)。

2.2.4 入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)(N2)。按照公式N2=Ng×Ae'=Ng×(Ae1'+Ae2')計算，式中，N2為入戶服務(wù)設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a);Ae1'為電源線入戶設(shè)施截收面積(km2);Ae2'為信號線纜入戶設(shè)施截收面積(km2)。

表1 雷擊損失風(fēng)險參數(shù)

2.3 可接受最大年平均雷擊次數(shù)(Nc)的計算 其計算公式為Nc=5.8×10－1/C，式中，C為各類因子C1(材料結(jié)構(gòu)因子)、C2(信息系統(tǒng)程度因子)、C3(信息系統(tǒng)耐壓因子)、C4(信息系統(tǒng)防護因子)、C5(信息系統(tǒng)雷擊因子)、C6(區(qū)域雷暴等級因子)之和，按照文獻［2］中的規(guī)定取值。

2.4 人身傷亡損失率(Lx) 其計算公式為Lx=(np/nt)×(tp/8 760)，式中，np為可能受到危害的人員數(shù)量;nt為預(yù)期的建筑物內(nèi)總?cè)藬?shù);tp為以小時計算的可能受害人員每年處于危險場所的時間。

2.5 公眾服務(wù)中斷損失率(Lx) 其計算公式為Lx=(np/nt)×(t/8 760)，式中，np為可能失效服務(wù)的年平均用戶數(shù)量;nt為接受服務(wù)的用戶總數(shù);t為用小時表示的年平均服務(wù)中斷時間。

3 雷擊風(fēng)險分量計算流程

各類雷擊風(fēng)險分量Rx按以上運算公式計算，計算結(jié)果與雷擊風(fēng)險容許值Rt(其中人生傷亡損失風(fēng)險Rt≤10－3，公眾服務(wù)損失風(fēng)險、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險、文化遺產(chǎn)損失風(fēng)險Rt≤10－3)［3］進行對比分析，綜合考慮各種防護措施的技術(shù)可行性和施工成本，選擇最有效的綜合防護措施，雷擊風(fēng)險分量計算流程如圖1所示。

4 編制雷擊風(fēng)險分析評估平臺

建立氣象要素歷史數(shù)據(jù)庫、閃電定位數(shù)據(jù)庫、各類風(fēng)險容許值數(shù)據(jù)庫，運用C#計算機編制風(fēng)險雷擊計算進行風(fēng)險雷擊參數(shù)計算和綜合分析，得出風(fēng)險雷擊評估數(shù)據(jù)。雷擊風(fēng)險計算分析評估系統(tǒng)計算機平臺界面如圖2所示。

通過雷擊風(fēng)險分析評估平臺的計算結(jié)果(圖3)，結(jié)合工程項目的建筑設(shè)計參數(shù)、使用性質(zhì)、地理環(huán)境、總體布局、功能等因素綜合分析論證，提供科學(xué)合理的雷擊風(fēng)險評估結(jié)論。

圖1 雷擊風(fēng)險分量計算流程

5 結(jié)論

雷擊風(fēng)險評估是近年來才開展的一項針對新建、在建建設(shè)項目可能受到雷電破壞的可行性評價論證工作。由于開展的時間不長，雷擊災(zāi)害造成損失的各類風(fēng)險分量的計算仍停留在手工計算上，各項參數(shù)的選擇存在不確定性。手工計算不僅費工費時，且容易出現(xiàn)計算誤差。

風(fēng)險評估系統(tǒng)工作經(jīng)過近一年的應(yīng)用，通過對63個建設(shè)工程項目的風(fēng)險評估分析計算驗證，系統(tǒng)計算和分析結(jié)果與實際情況出入不大，基本能滿足風(fēng)險評估工作需要。該系統(tǒng)的特點是界面清晰、操作簡單;參數(shù)選擇實現(xiàn)定量化;數(shù)據(jù)篩選、計算、統(tǒng)計實現(xiàn)自動化;參評對象選擇模式分類;可根據(jù)工作需求調(diào)整、增添模塊;實現(xiàn)人機對話功能。該系統(tǒng)雖然解決了雷擊風(fēng)險評估中的一部分實際問題，隨著新項目的開展和新技術(shù)的開發(fā)運用，還需要逐步改進和完善，以適應(yīng)雷擊風(fēng)評估工作的需要。

圖2 雷擊風(fēng)險計算評估系統(tǒng)計算機平臺界面

圖3 雷擊風(fēng)險分量計算結(jié)果輸出圖

［1］徐丹.基于surferr平臺的雷擊風(fēng)險評估系統(tǒng)設(shè)計［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013.

［2］中國機械工業(yè)聯(lián)合會.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范:GB50057－2010［S］.北京:中國計劃出版社，2011.

［3］四川中光高科產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團.雷電防護:GB/T 21714［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［4］陳阿仲，王興國，周興瑤.雷擊風(fēng)險評估的流程優(yōu)化分析研究［C］//第26屆中國氣象學(xué)會年會氣象災(zāi)害與社會和諧分會場論文集.中國氣象學(xué)會，2009.