肇慶市伴月湖社區(qū)體育公園雷擊風(fēng)險的分析與計算

麥冠華，陳 強(qiáng)

（廣東省肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526060）

1 引言

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程加快，人口高度密集，城市追求的生態(tài)、景觀、藝術(shù)、功能的品質(zhì)和城市居民的生活質(zhì)量都越來越高，城市體育公園的出現(xiàn)，是城市居民追求更高層次的生活質(zhì)量的必然趨勢。城市體育公園可實現(xiàn)生態(tài)、景觀、游憩、文化、運(yùn)動5大功能。肇慶市伴月湖社區(qū)體育公園作為肇慶市新興建的社區(qū)體育公園，集豐富的自然景觀、體育活動和生態(tài)健身為一體的主題公園，既突出體育公園的特色，又將運(yùn)動休閑融于獨特的環(huán)境景觀之中［1］。然而，該公園位于空曠、山水相接地帶，很容易受到雷電的侵害［2，3］，直接危害游人的人身安全。美國國家氣候數(shù)據(jù)中心“雷暴資料”統(tǒng)計了1959—1996年美國不同場所的雷擊受傷和死亡人數(shù)，其中曠野、棒球場、公園受傷和死亡人數(shù)各占28%；大樹底下受傷和死亡人數(shù)分別占13%和18%；劃船、釣魚、水域等場合受傷和死亡人數(shù)分別占5%和12%［4］。以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明城市公園雷擊人身傷亡風(fēng)險防護(hù)的重要性和迫切性。

2 肇慶市伴月湖社區(qū)體育公園雷擊風(fēng)險的分析與計算

2.1 資料與方法

伴月湖社區(qū)體育公園位處肇慶市區(qū)中心，占地面積42hm2，其湖水面積4hm2，園內(nèi)山水相依、林泉交錯，自然環(huán)境優(yōu)越。本文選取伴月湖社區(qū)公園所在區(qū)域（23°19′4″N，112°23′53″E），利用肇慶市 1957~2008年雷暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料、2001~2011年廣東省雷電風(fēng)險評價閃電定位資料，分析該區(qū)域雷暴強(qiáng)度、雷電密度、雷電閃擊頻數(shù)等雷暴特征參數(shù)。通過現(xiàn)場勘測土壤特性參數(shù)、建筑物參數(shù)，結(jié)合雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方程式 Rx＝Nx×Px×Lx［5］，Rx 為雷擊風(fēng)險，Nx 為雷擊次數(shù)，Px為雷擊概率，Lx為雷擊損失。計算未采取雷電防御措施和采取防雷措施后雷擊對人員可能造成的人身傷亡風(fēng)險，進(jìn)而提出相關(guān)防雷措施。

2.2 伴月湖社區(qū)體育公園雷電活動特征

本項目中雷電資料取自廣東省雷電監(jiān)測網(wǎng)，以伴月湖社區(qū)體育公園的地理參數(shù)為基準(zhǔn)點，以3km為半徑，提取近10年地閃資料，進(jìn)行統(tǒng)計分析得出如下結(jié)論，作為雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的基礎(chǔ)參數(shù)之一。下面對廣東省雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測到的伴月湖社區(qū)體育公園所在區(qū)域（3km范圍內(nèi)）地閃活動近10a數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［1，2］。

2.2.1 地閃密度

圖1 伴月湖社區(qū)體育公園（3km）區(qū)域地閃密度分布圖

根據(jù)圖1得出伴月湖社區(qū)體育公園所在點及其周圍10個格點的近10a平均地閃密度，乘以校正系數(shù)后的平均值為 14.84 次／a／km2，作為本評估項目所采用的地閃密度。

2.2.2 項目區(qū)域雷電流幅值累計概率分布圖（10a資料）及分析

根據(jù)伴月湖社區(qū)體育公園工程中心位置地理參數(shù)，以該點為圓心，以3km為半徑作圓，統(tǒng)計廣東省雷電監(jiān)測網(wǎng)近10a地閃數(shù)據(jù)，分別計算出雷擊電流平均值和最大值，以及99%、98%、95%、90%雷電流累積概率分布情況。可以得出伴月湖社區(qū)體育公園（3km 半徑）區(qū)域范圍內(nèi)近 10a 雷電流幅值［1，2］：

1%→117.5kA；2%→89.1kA；5%→63.2kA；10%→46.8kA

99%→117.5kA，即雷電流幅值大于 117.5kA 的地閃概率為1%；

98%→89.1kA，即雷電流幅值大于80kA的地閃概率為2%；

95%→63.2kA，即雷電流幅值大于 62.5kA 的地閃概率為5%；

90%→49.4kA，即雷電流幅值大于 49.2kA 的地閃概率為10%。

1%：≥117.5kA，

雷電流幅值的平均值：21.4kA。

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，大部分雷電流幅值都在117.5kA以下，只有極少數(shù)的雷電流幅值超過117.5kA，且概率極低。對于伴月湖社區(qū)體育公園防雷保護(hù)而言，從經(jīng)濟(jì)合理且方便選擇參數(shù)的角度考慮，選擇最大雷電流幅值為117.5kA是可行的。

綜合以上氣象雷暴數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對于伴月湖社區(qū)體育公園雷電災(zāi)害風(fēng)險評估和防雷保護(hù)而言，取以下氣象雷暴參數(shù)值是科學(xué)合理的：

Ng ＝14.84 次／a／km2；最大雷電流幅值I0＝117.5kA。

2.2.3 伴月湖社區(qū)體育公園（3KM半徑）區(qū)域地閃月均分布規(guī)律

圖2是根據(jù)伴月湖社區(qū)體育公園所在區(qū)域3km半徑范圍內(nèi)近10a地閃雷電數(shù)據(jù)繪制的月均分布圖，依據(jù)該圖得出地閃月均活動規(guī)律：該區(qū)域7月份雷電活動最為強(qiáng)烈，10月份至次年3月份基本上沒有地閃發(fā)生；4月份開始進(jìn)入雷暴期，5月份雷電活動明顯加強(qiáng)，進(jìn)入 9月份雷電活動明顯減弱［1，2］。

圖2 伴月湖社區(qū)體育公園工程（3km半徑）區(qū)域地閃活動月均分布圖

2.2.4 區(qū)域地閃時段分布

伴月湖社區(qū)體育公園（3km半徑）區(qū)域地閃時段分布規(guī)律地閃數(shù)據(jù)繪制的時分布圖（圖3），依據(jù)該圖得出地閃日均活動規(guī)律：該地域地閃主要活躍在14時-24時，80%以上的地閃發(fā)生在這個時段；午后15時-20時為地閃高發(fā)時段，70%以上的地閃發(fā)生在這個時段，其中19時段雷電活動最為強(qiáng)烈；凌晨1時-次日13時段地閃相對較少，約15%的地閃發(fā)生在這個時段［1，2］。

圖3 伴月湖社區(qū)體育公園工程（3km半徑）區(qū)域地閃活動時段分布圖

2.3 伴月湖社區(qū)公園雷擊風(fēng)險分析

雷電致公園內(nèi)人身傷亡的發(fā)生主要由以下4方面引起［4］：

（1）游人對雷電防護(hù)知識的缺乏或不及時關(guān)注天氣預(yù)警信息，雷雨天氣時仍在公園內(nèi)停留遭受直接雷擊，或者防護(hù)方法不正確，受到接觸電壓、跨步電壓、旁側(cè)閃絡(luò)的危害；

（2）公園面積大，進(jìn)行綜合防雷設(shè)計和施工的成本較大，因此極少對整個園區(qū)進(jìn)行綜合防雷考慮；

（3）公園選址時，重點考慮的是自然環(huán)境、人口密度因素及城市規(guī)劃需求，強(qiáng)調(diào)擁山濱水，為此，從規(guī)劃設(shè)計開始就是跟高概率的雷擊掛上了鉤；

（4）公園屬于松散型管理模式，沒有對雷電等自然災(zāi)害預(yù)警信息及時接收和傳遞的系統(tǒng)，也缺乏雷雨來臨之際提前對人員疏散、臨時封閉、呼吁進(jìn)入雷電避災(zāi)場所等應(yīng)急措施。

直接雷擊包括雷電直擊公園內(nèi)建（構(gòu)）筑物、大樹和人體。該公園位于空曠地帶，人員多為鄰里型休憩活動的居民，第1個游人高峰期為06：00左右，第 2個高峰期為 19：30以后［4］，而肇慶市各個時次都有雷暴發(fā)生［5］。當(dāng)雷電來臨時，因公園內(nèi)無建筑物或建筑物較少，人員無法在較短時間內(nèi)到達(dá)安全的場所，從而引發(fā)直接雷擊人身傷亡事故。雷電直擊建（構(gòu)）筑物主要由接觸電壓、跨步電壓引起的人身傷亡。旁側(cè)閃絡(luò)是指雷電直接擊中公園內(nèi)的大樹，大樹帶高電位，從而向它附近的人閃擊放電，造成人身傷亡，當(dāng)人在距被雷擊中的大樹很近時，閃電擊穿空氣間隙對人體進(jìn)行放電，假設(shè)雷電先導(dǎo)對大樹的分布電容C1＝0.15F，大樹對地的分布電容C2＝1.5F，雷電先導(dǎo)對地電壓U1＝1000KV，利用公式U2＝U1.C1／（C1+C2）計算旁側(cè)閃絡(luò)電壓 U2 ＝90KV。

接觸電壓是指雷電直接擊中公園內(nèi)的大樹，人員會由于接觸大樹而受到接觸雷擊。假設(shè)人手扶樹干在大樹下避雨，雷電擊中大樹，雷電流i＝40KA，人手接觸點離地高度h＝1.5m，樹干電阻R＝500Ω，單位長度電感L0＝2μH／m，利用公式U＝UR+UL＝iR+L0·h·di／dt計算人手接觸樹干后可能的接觸電壓為20012KV。

跨步電壓是指雷電直接擊中公園內(nèi)的大樹，由于土壤散流電阻的存在，雷電流將在周圍土壤中產(chǎn)生壓降，如果人站在這塊具有不均勻電位分布的地面上，則在人的兩腳之間就存在著一定的電位差，這個電位差稱為跨步電壓。當(dāng)跨步電壓大到超過人體的承受能力時，便足以使人受到電擊甚至死亡。假設(shè)雷電流幅值 i＝40KA，土壤電阻率 ρ＝150Ωm，跨步長度s＝0.8m，雷擊點與靠近一腳的距離d＝2m，利用公式 u ＝ i.ρ／2π × s／d（ d+s）計算出來的跨步電壓為133.7kV［6，7］。

2.4 伴月湖社區(qū)體育公園雷擊風(fēng)險計算

把伴月湖社區(qū)公園分為4個區(qū)，分別為Z1區(qū)（封閉建筑物）、Z2區(qū)（敞開構(gòu)筑物）、Z3區(qū)（大樹底下）和Z4區(qū)（露天場所）。采用雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方程式 Rx ＝ Nx× Px × Lx［3］，選取好相關(guān)的參數(shù)，如NX、PX、LX和 Cd，（見表 1、表 2、表 3、表 4）計算各區(qū)域未采取雷電防御措施的風(fēng)險分量（如表5），再計算采取防御措施后的風(fēng)險分量（如表6），并對前后風(fēng)險分量進(jìn)行比較分析［8-10］。

2.4.1 未采取雷電防御措施產(chǎn)生的風(fēng)險分量

Z1區(qū)主要考慮的風(fēng)險分量為雷電直擊建筑物通過接觸電壓、跨步電壓產(chǎn)生的風(fēng)險分量RA。公園內(nèi)有一封閉建筑物長33 m、寬13 m、高15.6m，實測土壤電阻率ρ＝120Ωm，3 km范圍內(nèi)地閃密度值Ng＝ 14.84 次／（km2·年），Ad＝LW+6H（L+W）+9π（H）2＝11093.1m2，Cd＝1 得出危險事件次數(shù) ND＝NgAdCd10-6＝0.16 次／年，PA＝ 1，LA＝ra×Lt＝10-2×10-4＝10-6，RA＝ND×PA×LA＝0.016×10-5。 經(jīng)計算，該建筑物為三類防雷建筑物［6，7］。

Z2區(qū)位于LPZ0B區(qū)，主要考慮的風(fēng)險分量為雷電直擊構(gòu)筑物通過接觸電壓、跨步電壓產(chǎn)生的風(fēng)險分量RA、人員可能遭到小于滾球半徑所對應(yīng)的雷電流的直接雷擊產(chǎn)生的風(fēng)險分量RD，概率為11.23%。公園內(nèi)有一敞開構(gòu)筑物長5m、寬5m、高4.3m，構(gòu)筑物危險事件次數(shù) ND＝0.01 次／年。PA＝1，LA＝10-6，RA＝0.001 ×10-5；PD＝1，LD＝10-4，RD＝0.1 ×10-5×11.23% ＝0.011×10-5。經(jīng)計算，該建筑物為三類防雷建筑物。

Z3區(qū)主要考慮的風(fēng)險分量為雷電直擊大樹通過接觸電壓、跨步電壓引起的風(fēng)險分量RA、因旁側(cè)閃絡(luò)引起的風(fēng)險分量RB［9］。公園內(nèi)一大樹長10m、寬10 m、高 15 m，危險事件次數(shù) ND＝0.12 次／a。 PA＝1，LA＝10-4，RA＝1.2×10-5；PB＝1，LB＝10-5，RB＝0.12×10-5。

Z4區(qū)主要考慮的風(fēng)險分量為直接雷擊人體引起的風(fēng)險分量RD。該公園占地面積為4.2×105㎡，可能受到危害的人員數(shù)量為100人，正常情況下暴露人口數(shù)為10000人，可能受害人員每年處于危險場所的時間為 6120 h。Lt＝np／nt×tp／8760＝（100／10000）×（6120／8760）＝0.007，Ng＝14.84 次／（ km2·年 ），Ad＝4.2×105㎡，Cd＝0.5，危險事件次數(shù) ND＝NgAdCd10-6＝3.12次／年。 PD＝1，LD＝ra×Lt＝0.007×10-2，RD＝ 21.8×10-5。類防雷建筑物采取防雷措施，風(fēng)險分量RA降低了99%；人員及時進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，風(fēng)險分量RD可降為0。Z3、Z4區(qū)，人員及時進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，風(fēng)險分量RA、RB、RD可降為0。

表1 雷擊產(chǎn)生的接觸和跨步電壓導(dǎo)致生物觸電的根率PA的數(shù)值

表2 取決于減少物理損害的保護(hù)措施的PB的數(shù)值

表3 Lt，Lf和 Lo 的典型平均值

表4 土壤或地板表面類型與縮減因子ra和ru的數(shù)值關(guān)系

3 結(jié)論

表5 未采取雷電防御措施各區(qū)域風(fēng)險值×10-5

從表5可知，人員處于無雷電防御設(shè)施的封閉建筑物、敞開構(gòu)筑物內(nèi)，風(fēng)險分量總和低于風(fēng)險容許值1×10－5；大樹底下、露天場所風(fēng)險分量總值高于風(fēng)險容許值1×10－5，是公園雷擊人身傷亡的主要區(qū)域。

2.4.2 采取雷電防御措施后產(chǎn)生的風(fēng)險分量

Z1區(qū)按照第3類防雷建筑物采取防雷措施，PA值由 1 減小為 10－2，RA＝ 0.00111×10－5； Z2區(qū)按照第3類防雷建筑物采取防雷措施，PA值由1減小為10－2，RA＝0.00002×10－5；人員及時進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，PD值由 1 減小為 0，RD＝ 0。Z3、Z4區(qū)，雷電來臨時，公園內(nèi)人員如果能及時進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物，受到雷電直擊、旁側(cè)閃絡(luò)、跨步電壓、接觸電壓的可能性可降為0。

由表2可知，Z1區(qū)按照第3類防雷建筑物采取防雷措施，風(fēng)險分量RA降低了99%。Z2區(qū)按照第3

（1）伴月湖社區(qū)公園區(qū)域雷暴的發(fā)生主要集中在4~9月，7月雷電閃擊的概率最多，達(dá)到28.2%。閃電活動主要集中在 14：00—24：00，其中 19：00 出現(xiàn)的頻數(shù)最高。雷電流最大值為117.5KA，平均值為21.4KA。3km 范圍內(nèi)地閃密度值 Ng為 14.84次／（km2·a）。

（2）人員處于無雷電防御設(shè)施的封閉建筑物、敞開構(gòu)筑物內(nèi)，風(fēng)險分量總和低于風(fēng)險容許值1×10－5；大樹底下、露天場所風(fēng)險分量總值高于風(fēng)險容許值1×10－5，是公園雷擊人身傷亡的主要區(qū)域，為此雷電來臨時應(yīng)遠(yuǎn)離大樹和不要在露天場所停留。

（3）按照相應(yīng)類別采取防雷措施后，封閉建筑物區(qū)和敞開構(gòu)筑物區(qū)風(fēng)險分量RA各降低了99%，人員及時進(jìn)入防雷設(shè)施合格的建筑物內(nèi)，風(fēng)險分量可降為0。

表6 采取雷電防御措施后各區(qū)域風(fēng)險值×10-5

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