河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究*

陳柳彤，龍 爽，俞海洋，李 倩，陳笑娟，王 瑛,4，許映軍,4

(1.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室，北京100875; 2. 北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京100875; 3.河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊050021; 4. 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京100875)

雷電災(zāi)害是指雷雨云中電能釋放，擊中物體或形成強烈電磁輻射而造成損失的災(zāi)害現(xiàn)象[1]。雷電災(zāi)害是“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一[2]。雷電與全球氣候系統(tǒng)有著內(nèi)在聯(lián)系。全球變暖及干燥將導(dǎo)致雷電活動增加[3-6]。雷電災(zāi)害涉及面廣，突發(fā)性強，危害范圍大，影響深遠。隨著中國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市化進程的積極推進以及現(xiàn)代化水平的不斷提高, 雷電災(zāi)害的危害程度和造成的經(jīng)濟損失及社會影響越來越大[7]。

風(fēng)險區(qū)劃作為風(fēng)險管理的重要手段之一，對于區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作以及發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。近年來雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃相關(guān)研究備受關(guān)注[8-11]。劉垚等人將地閃密度與最大地閃強度作為主要評價指標(biāo)，形成杭州市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃[12]。程向陽等人選用致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體等因子對安徽省雷電災(zāi)害進行風(fēng)險區(qū)劃分析[13]。層次分析法在雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究中也較為常見，趙偉等人通過雷災(zāi)承災(zāi)體易損性分析及對雷電致災(zāi)危險性評估，采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，得到浙江省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖[14]。于東海等人選取雷電災(zāi)害頻數(shù)、地閃密度、人口密度、單位面積上的工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值作為評估指標(biāo)，基于層次分析模型完成了江門市新會區(qū)的雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃[15]。程萌等綜合考慮了致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和防災(zāi)減災(zāi)能力4個評價指標(biāo)，采用層次分析法以及加權(quán)綜合評價法得出菏澤市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖[16]。有一部分學(xué)者基于雷電災(zāi)害承災(zāi)體易損性分析進行了區(qū)劃研究[17-21]。另外，也有部分外國學(xué)者也展開了雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的相關(guān)研究[22-25]。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，Arcgis空間分析為雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃提供了更為精細化的表達工具。

河北省位于華北平原，處于內(nèi)陸與沿海的交匯地帶，其地勢呈西北高、東南低的態(tài)勢，地貌類型復(fù)雜多樣，這就使得河北省各地雷電分布不均一，加劇了河北省雷電災(zāi)害時空分布的復(fù)雜性。在區(qū)位上河北省地處環(huán)京津、環(huán)渤海經(jīng)濟圈，其經(jīng)濟區(qū)位十分重要[26]。河北省2003-2009年間雷電災(zāi)害造成經(jīng)濟損失6,000多萬元，傷亡人數(shù)將近300人，2013年經(jīng)濟損失達到了1 260萬元[27]?！秶揖C合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃(2016-2020年)》[28]將加強區(qū)域和城鄉(xiāng)基層的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力建設(shè)作為任務(wù)之一。《中共中央國務(wù)院關(guān)于推進防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)體制機制改革的意見》[29]中將開展以縣為單位的全國自然災(zāi)害綜合風(fēng)險與減災(zāi)能力調(diào)查，提升災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警能力，加強災(zāi)害風(fēng)險評估、隱患排查治理作為改革事項的重要舉措之一。2018年10月10日中央財經(jīng)委員會第三次會議專門研究全面提升我國自然災(zāi)害防治能力問題，強調(diào)“要實施災(zāi)害風(fēng)險調(diào)查和重點隱患排查工程，掌握風(fēng)險隱患底數(shù)”。這就對河北省防雷減災(zāi)工作提出了更高要求。目前河北省雷電災(zāi)害區(qū)劃分析的相關(guān)研究較為鮮見。本文基于災(zāi)害區(qū)劃角度，開展河北省雷電災(zāi)害分布規(guī)律研究，期以能為相關(guān)部門防雷減災(zāi)工作提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文在選取數(shù)據(jù)指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理方法時主要借鑒2017年中國氣象局頒布的雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)指南[30]。

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的河北省數(shù)據(jù)資料包括：(1)地閃數(shù)據(jù)源于2010-2016中國氣象局閃電監(jiān)測網(wǎng)ADTD資料；(2)地理信息數(shù)據(jù)包括數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)(DEM)、行政區(qū)劃、土壤電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)；(3)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)包括2015年統(tǒng)計年鑒中各縣市的人口、GDP、城鎮(zhèn)化率及面積數(shù)據(jù)[31]。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

在對各指標(biāo)進行計算時，為消除指標(biāo)間的量綱差異將其進行歸一化處理，計算公式為：

(1)

式中：Dij指j站(格)點第i格指標(biāo)的歸一化值；Aij指j站(格)點第i格指標(biāo)值； maxi、mini指分別是第i個指標(biāo)中的最小值和最大值。

1.2.2 等級劃分方法

本文中各項評價指標(biāo)均選用自然斷點法進行等級劃分。自然斷點法是一種地圖分級算法，該算法認(rèn)為數(shù)據(jù)本身有斷點，可利用數(shù)據(jù)這一特征進行分級。

(2)

式中：SSD指方差；i、j指第i、j個元素；A指長度為N的數(shù)組；K指i、j中間的數(shù)表示A組中的第K個元素。

1.2.3雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)

根據(jù)雷電災(zāi)害分析原理及雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)指南，選擇雷電災(zāi)害風(fēng)險分析的指標(biāo)，形成評價指標(biāo)體系[30](表1)。

表1 雷電災(zāi)害風(fēng)險概念框架及評價指標(biāo)

(1)地閃密度。地閃密度指單位面積上年平均地閃次數(shù)，通過統(tǒng)計各縣域地閃頻次，除以統(tǒng)計資料年限，最終得到各縣域的地閃密度。

(2)地閃強度。地閃強度指按百分位數(shù)法將地閃放電的雷電流幅值分級后加權(quán)平均的強度。其計算公式為：

(3)

式中：Ln指地閃強度；i指雷電流幅值等級；Fi指雷電流幅值為i等級的地閃頻次歸一化。

根據(jù)雷電流幅值等級[30](表2)對雷電流幅值進行等級劃分，將劃分結(jié)果代入地閃強度公式(3)中進行計算。

表2 雷電流幅值等級

(3)致災(zāi)因子危險性。將致災(zāi)因子中的各項指標(biāo)進行歸一化處理，代入致災(zāi)因子危險性計算公式(式4)，為形成致災(zāi)因子危險性區(qū)劃，結(jié)合自然斷點法將致災(zāi)因子危險性劃分為5個等級。

(4)

式中:RH指致災(zāi)因子危險性；Ld指地閃密度；wd指地閃密度權(quán)重；Ln指地閃強度；wn指地閃強度權(quán)重；Sc指土壤導(dǎo)電率；ws指土壤導(dǎo)電率權(quán)重；Eh指海拔高程；we指海拔高度權(quán)重；Tr指地形起伏；wt指地形起伏權(quán)重。

(4)承災(zāi)體暴露度。承災(zāi)體暴露度以人口密度和GDP密度作為主要評價指標(biāo)。將兩個指標(biāo)數(shù)據(jù)進行歸一化后，通過式(5)進行暴露度計算，運用自然斷點法將暴露度劃分為5個等級。等級越高說明承災(zāi)體受到影響的數(shù)量和價值量越大。

(5)

式中：RE指承災(zāi)體暴露度；Pd指人口密度；wp指人口密度權(quán)重；Gd指GDP密度；wg指GDP密度權(quán)重。

(5)承災(zāi)體脆弱性。通過地區(qū)城鎮(zhèn)化率及防護能力來分析承災(zāi)體脆弱性。運用遙感影像解譯將河北省土地利用類型劃分為農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用地3大類，根據(jù)防護能力指數(shù)賦值標(biāo)準(zhǔn)[30](表3)對不同土地利用類型進行賦值，用于表示地區(qū)防護能力的差異。

表3 防護能力指數(shù)賦值標(biāo)準(zhǔn)

將河北省防護能力和城鎮(zhèn)化率數(shù)據(jù)進行歸一化處理，代入公式(6)，運用自然斷點法進行脆弱性等級劃分，承災(zāi)體受到的不利影響或趨勢越大，其脆弱性等級越高。

(6)

式中：RF指脆弱性；Ur指城鎮(zhèn)化率；wu指城鎮(zhèn)化率權(quán)重；Pt指防護能力指數(shù)；wp指防護能力指數(shù)。

基于雷電災(zāi)害指數(shù)(LDRI)，結(jié)合自然斷點法將風(fēng)險等級分為極高風(fēng)險、高風(fēng)險、一般風(fēng)險三個等級，形成河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。根據(jù)致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)體易損性得到的雷電災(zāi)害指數(shù)，是對雷電災(zāi)害風(fēng)險進行量化標(biāo)準(zhǔn)的評定。

LDRI= (RHwh)×(REwe×RFwf) 。

1.1.1 診斷標(biāo)準(zhǔn) 西醫(yī)診斷標(biāo)準(zhǔn)參照《婦產(chǎn)科學(xué)》[14]復(fù)發(fā)性流產(chǎn)診斷標(biāo)準(zhǔn)。黃體功能不全的診斷標(biāo)準(zhǔn)：①月經(jīng)周期縮短(≤21 d)；②基礎(chǔ)體溫雙相型，但高溫相<11 d；③子宮內(nèi)膜活檢顯示分泌反應(yīng)至少落后2 d；④排卵后6 d血清孕酮<10 ng/ml。

(7)

式中：LDRI指雷電災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)；RH指致災(zāi)因子危險性；wh指致災(zāi)因子危險性權(quán)重；RE指承災(zāi)體暴露度；we指承災(zāi)體暴露度權(quán)重；RF指承災(zāi)體脆弱性；wf指承災(zāi)體脆弱性權(quán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 致災(zāi)因子危險性區(qū)劃與分析

由河北省地閃密度分布圖(圖1)可知，秦皇島市與唐山市交界處的盧龍縣、遷安市、灤縣年平均地閃次數(shù)較多且集中于唐山市，張家口市萬全縣為該地區(qū)地閃次數(shù)的高值中心，保定市與石家莊市交界也存在著地閃次數(shù)的高值區(qū)。承德市、廊坊市及邯鄲市地閃次數(shù)較低。從地閃密度分布區(qū)域看，河北省雷暴多發(fā)區(qū)主要集中于平原地區(qū)。

從地閃強度(圖2)可以看出，承德市豐寧滿族自治縣及圍場滿族蒙古自治縣地閃強度較強，張家口市宣化縣與蔚縣，以及保定市阜縣存在著高值中心，石家莊東北部地閃強度也較強。除承德市外，都存在著地閃強度較低值的分布。從地閃強度分布區(qū)域看，河北省地閃強度高值區(qū)主要分布于地形較高區(qū)域，低值區(qū)主要分布在東部平原地區(qū)。

河北省高程變化如圖3所示，河北省的各地高程變化較大，西北部地形起伏較大，由西北部向東南部遞減，唐山市和秦皇島市位于地勢過渡地區(qū)，衡水市、滄州市、廊坊市大部分屬于地勢平坦區(qū)。海拔高度和地形起伏的差異使得各地所面臨的雷電災(zāi)害風(fēng)險不同。

土壤電導(dǎo)率是表征土壤導(dǎo)電能力強弱的指標(biāo)，它是孕育雷電災(zāi)害的另一要素[32-34]。河北省土壤電導(dǎo)率(圖4)高值出現(xiàn)在了地形起伏大，地勢較高的地區(qū)，如張家口市西北部，唐山市東南部，滄州市東部。而中部大部分地區(qū)屬于土壤導(dǎo)電率較低值區(qū)。

圖1 河北省地閃密度分布圖

圖2 河北省地閃強度分布圖

圖3 河北省地形高程變化

圖4 河北省土壤導(dǎo)電率分布狀況

圖5 致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖

圖6 人口密度分布圖

圖7 GDP密度分布圖

圖8 承災(zāi)體暴露度區(qū)劃圖

圖9 河北省防護能力狀況分布圖

圖10 河北省城鎮(zhèn)化率分布圖

從致災(zāi)因子危險性區(qū)劃圖(圖5)中可以看出，較高危險等級區(qū)分布在張家口市西北部，秦皇島市南部，唐山市南部，保定市西南部，衡水市中部以及滄州市東部和北部。其中在張家口市及唐山市有極高危險等級區(qū)分布。在唐山市東南部有少部分的較低危險性分布。從致災(zāi)因子看，河北省除上述地區(qū)外，大部分屬于中度危險區(qū)，如邯鄲、邢臺、承德等。

2.2 承災(zāi)體暴露度區(qū)劃與分析

從人口密度分布圖(圖6)中可以看出，河北省人口大多數(shù)分布于地勢平坦地區(qū)，集中于東部及東南部地區(qū)。每個地級市中都存在人口密度的高值中心，如石家莊市裕華區(qū)、滄州市運河區(qū)以及張家口市橋東區(qū)等。河北省西北部城市的人口較少，人口主要集中在張家口市的西南部、承德市的東部和南部。從GDP密度分布圖(圖7)中可以發(fā)現(xiàn)，GDP密度的分布與人口密度具有一定的相似性，人口密度越大的地區(qū)其GDP密度越高，如石家莊市、唐山市和廊坊市。

承災(zāi)體暴露度區(qū)劃圖(圖8)中，每一個地級市中都存在著一個高值中心，這些區(qū)域都分布在中心城區(qū)，符合于一般認(rèn)知規(guī)律。石家莊市危險等級極高，如若發(fā)生雷電災(zāi)害，石家莊會面臨極大的損失，唐山市、廊坊市的暴露度等級為中至高等級。河北省西北部城市人口較少，人口主要集中于承德市雙橋區(qū)，以及張家口市萬全縣與橋西區(qū)，同時GDP高值也在此處集中。如若發(fā)生雷電災(zāi)害，會給上述地區(qū)帶來極大損失。總體上來看，河北省西北部地區(qū)的暴露度等級比東北部的暴露度等級低。

2.3 承災(zāi)體脆弱性區(qū)劃與分析

在地區(qū)防護能力狀況分布圖(圖9)中可以看到，每個地級市中都存在著防護能力的高值中心，防護能力都達到了1，這些地區(qū)都屬于城鎮(zhèn)建設(shè)用地密集區(qū)，如石家莊市裕華區(qū)，唐山市的高值區(qū)分布于東南部的曹妃甸區(qū)，黃驊市的東部也有高值區(qū)的分布。圖9中還存在著大部分的碎片區(qū)域，這些區(qū)域都屬于農(nóng)業(yè)用地。西北部地區(qū)地勢較高存在著大面積的未利用地，防護能力多為0.5。

從河北省脆弱性區(qū)劃圖(圖11)中可以看出，在每個地級市中都存在著極高風(fēng)險區(qū)的分布。而這些極高風(fēng)險區(qū)主要分布于城鎮(zhèn)中心，雷電災(zāi)害給這些區(qū)域帶去不利影響的傾向極大，較為明顯的是石家莊市，唐山市，廊坊市，承德市東部和南部，滄州市等。因此需要加強對這些地區(qū)的有效防護。河北省東部的大部分地區(qū)脆弱性在中至高危險等級，說明雷電災(zāi)害對其影響相對較大。

圖11 河北省脆弱性區(qū)劃圖

2.4 綜合風(fēng)險區(qū)劃

從河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖(圖12a)可以看出，每個地級市中都存在著極高風(fēng)險區(qū)，而這些區(qū)域位于地級市的中心城區(qū)，如石家莊市的裕華區(qū)、新華區(qū)，唐山市的路南區(qū)、路北區(qū)，承德市的雙橋區(qū)，保定市的南、北市區(qū)等。河北省東部地勢較低地區(qū)存在著大范圍的高風(fēng)險區(qū)，石家莊市作為河北省省會其風(fēng)險系數(shù)較高，因此其雷電災(zāi)害防治需要加強。西北部城市有少部分高風(fēng)險區(qū)分布，張家口市西南部和西部存在著極高風(fēng)險區(qū)，其他大部分地區(qū)屬于一般風(fēng)險區(qū)。廊坊市大部分位于高風(fēng)險區(qū)。處于極高風(fēng)險區(qū)和高風(fēng)險的地區(qū)是我們在進行雷電災(zāi)害防治過程中需要重點關(guān)注的對象。

圖12 雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖

年份石家莊邯鄲衡水保定滄州廊坊唐山秦皇島承德張家口20152.104.2023.727.388.513.213.22016005.17004.07000020170.13.80006.301.20.214總和2.23.89.370214.0727.389.713.427.2

為疏散北京的非首都功能，調(diào)整優(yōu)化京津冀城市的布局，2017年4月國家設(shè)立雄安新區(qū)。本文基于河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃，分析了雷電災(zāi)害對雄安新區(qū)發(fā)展的可能影響(圖12b)?？梢园l(fā)現(xiàn)，容城縣高風(fēng)險分布范圍最為廣泛，雄縣西南部存在著高風(fēng)險區(qū)，安新縣大部分為一般風(fēng)險區(qū)。因此，容城縣是雄安新區(qū)在進行雷電災(zāi)害防治過程中需重點關(guān)注的地區(qū)。

為了驗證本文區(qū)劃效果，將區(qū)劃圖與河北省2015-2017年雷電災(zāi)害直接經(jīng)濟損失[27](表4)進行了對比。從直接經(jīng)濟損失統(tǒng)計看，唐山市三年經(jīng)濟損失最大，其主要在2015年受到雷電災(zāi)害影響，經(jīng)濟損失達27萬元。張家口市次之，其在2015年和2017年都受到了雷電災(zāi)害的影響，經(jīng)濟損失達27.2萬元。廊坊市三年經(jīng)濟損失達14萬元，衡水市9萬元，石家莊市2.2萬元，滄州市2萬元。保定市三年雷電災(zāi)害經(jīng)濟損失為0，說明其受到雷電災(zāi)害的影響很小。由此可知本文區(qū)劃結(jié)果與河北省2015-2017年雷電災(zāi)害直接經(jīng)濟損失較為吻合。

3 討論

本文參照雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃技術(shù)指南，構(gòu)建河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指標(biāo)體系，完成了河北省雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃。

(1)致災(zāi)因子危險性較高的地區(qū)分布于張家口市的西北部、中部、及東南部地區(qū)。其中還存在兩個極高風(fēng)險的分布區(qū)，分別是張家口中部和唐山市東南部。唐山市東部地區(qū)存在著極低風(fēng)險分布區(qū)。河北省危險性處于中至高等級的地區(qū)分布較為廣泛。

(2)承災(zāi)體暴露度在每個市中都存在一個高值中心。石家莊市中心暴露度值屬于極高風(fēng)險等級，唐山市暴露度風(fēng)險處于中至高等級，西北部暴露度較高的位于張家口市萬全縣及承德市雙橋區(qū)。

(3)承災(zāi)體脆弱性呈現(xiàn)出規(guī)律性的分布。雖然城鎮(zhèn)防護能力高，但其經(jīng)濟量大，所以雷電災(zāi)害給城鎮(zhèn)帶來的潛在不利影響較高。而鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化率低，大部分屬于農(nóng)用地，與城鎮(zhèn)相比其受到的不利影響較低。

(4)河北省雷電災(zāi)害區(qū)劃結(jié)果表明高風(fēng)險區(qū)分布于石家莊市、唐山市東南部、滄州市中東部、承德市東南部、張家口市西南部等地區(qū)。高風(fēng)險區(qū)大多數(shù)分布于河北省東部地區(qū)，同時各個地級市中心存在著極高風(fēng)險區(qū)，尤其石家莊市、唐山市極高風(fēng)險分布區(qū)較為廣泛，為雷電災(zāi)害防治的重點區(qū)域。

(5)雄安新區(qū)容城縣雷電災(zāi)害風(fēng)險等級最高，雄縣次之，安新縣大部分為一般風(fēng)險區(qū)。雄安新區(qū)在進行發(fā)展規(guī)劃時應(yīng)考慮雷電災(zāi)害對上述地區(qū)可能造成的影響，以減少不必要的損失。

雷電災(zāi)害形成受到了眾多因素的影響。本文指標(biāo)體系清晰，同時各指標(biāo)數(shù)據(jù)較為完整，可以為極高風(fēng)險區(qū)域的雷電災(zāi)害防治提供參考。本文承災(zāi)體脆弱性分析缺少生命及經(jīng)濟損失數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致分析不夠深入，后續(xù)研究需要考慮相應(yīng)數(shù)據(jù)的使用?；趯嶋H災(zāi)情數(shù)據(jù)的完備，本文區(qū)劃效果驗證可以改進。