宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究及其應(yīng)用

何桂霞 胡文運(yùn)

摘要 利用氣象資料、地理信息數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，從致災(zāi)因子、承災(zāi)體方面，研究探討宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及區(qū)劃方法，繪制宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃分布圖，為宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)情調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 雷電災(zāi)害;風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃;GIS技術(shù);應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào) S429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）13-0215-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.13.065

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study and Application of Lightning Disaster Risk Zoning in Xuancheng City

Abstract The risk assessment and zoning methods of lightning disasters were studied from the hazard factors and disasterbearing bodies，based on meteorological data， geographic information data， and socioeconomic data in Xuancheng City.At the same time a layout map of Xuancheng lightning disaster risk comprehensive area was drawn. This research will provide scientific basis for lightning disaster risk assessment， disaster investigation， disaster prevention and mitigation.

Key words Lightning disaster; Risk zoning; GIS technology; Application

作者簡(jiǎn)介 何桂霞（1972—），女，安徽黃山人，工程師，從事氣象災(zāi)害業(yè)務(wù)研究與防御工作。

收稿日期 2019-02-15;修回日期 2019-03-20

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科技水平的不斷提高，雷電帶來(lái)的危害也日益嚴(yán)重[1]。如何科學(xué)防雷、經(jīng)濟(jì)防雷顯得越來(lái)越重要，因此對(duì)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行深入研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

宣城市屬南北氣候過(guò)渡帶，是冷暖空氣頻繁交匯的地區(qū)，同時(shí)，境內(nèi)襟山帶水，地形呈南高北低型，且多為山區(qū)和丘陵地帶。特殊的地理位置、復(fù)雜的氣候條件和地形特點(diǎn)，導(dǎo)致境內(nèi)雷暴活動(dòng)頻繁，雷電災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全。為有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，為防災(zāi)減災(zāi)提供理論支持，開(kāi)展雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究非常必要。筆者利用GIS技術(shù)對(duì)宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃進(jìn)行研究，大大提高了區(qū)劃研究的精度。

1 資料來(lái)源與處理方法

1.1 資料來(lái)源 利用GIS技術(shù)，從致災(zāi)因子、承災(zāi)體方面研究雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，主要用到氣象資料、地理信息數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等[2-5]。氣象資料為宣城市7個(gè)氣象站1961—2010年共50年雷暴日資料及2006—2011年共6年宣城市LD-Ⅱ型閃電定位儀所獲取的雷電密度和雷電強(qiáng)度資料，社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)為宣城市2017年各縣市區(qū)的行政面積、人口、國(guó)民生產(chǎn)總值（GDP）。

1.2 原理與方法

首先對(duì)用到的各指標(biāo)進(jìn)行分析、處理，得到每一個(gè)指標(biāo)的強(qiáng)弱分布圖，然后對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)綜合，為了消除各指標(biāo)的量綱差異，對(duì)每一指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理，各指標(biāo)歸一化計(jì)算公式為：

式（1）中，i表示雷暴日、雷電密度、經(jīng)濟(jì)、人口、雷電強(qiáng)度中的任意一項(xiàng)指標(biāo)，j表示具體區(qū)域，Aij表示各個(gè)區(qū)域的對(duì)應(yīng)項(xiàng)目指標(biāo)值。對(duì)以上區(qū)域的各個(gè)指標(biāo)值按照項(xiàng)目的重要性進(jìn)行加權(quán)疊加，計(jì)算公式為：

式（2）中，Vj為評(píng)價(jià)因子的總值，Wi是指標(biāo)i的權(quán)重，Dij是對(duì)于因子j的指標(biāo)i的歸一化值，n是評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量，最后根據(jù)加權(quán)出來(lái)的值將雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域按不同等級(jí)進(jìn)行劃分。

1.2.1 宣城市雷電資料分析方法。通過(guò)Arcgis軟件對(duì)宣城市2006—2011年閃電資料進(jìn)行分析，最后依據(jù)不同的危害程度，對(duì)閃電密度圖和電流強(qiáng)度圖進(jìn)行加權(quán)得到宣城市雷電致災(zāi)因子的區(qū)劃圖。

1.2.2 宣城市承災(zāi)體易損度分析方法。分行政縣市區(qū)輸入經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，分等級(jí)用不同色標(biāo)表示不同的經(jīng)濟(jì)密度（GDP/行政面積）;分行政縣市區(qū)輸入人口數(shù)據(jù)，分等級(jí)用不同色標(biāo)表示不同的人口密度（人口/行政面積），并綜合人口、經(jīng)濟(jì)因子，得到宣城市承災(zāi)體易損度區(qū)劃圖。

1.2.3 宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究方法。將宣城市的雷電密度、雷電強(qiáng)度、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度4要素進(jìn)行多種權(quán)重組合并繪出相應(yīng)的宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃分布圖。

2 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

2.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分析

致災(zāi)因子危險(xiǎn)性主要考慮雷電密度和雷電強(qiáng)度兩方面因素，雷電強(qiáng)度越大，密度越高，風(fēng)險(xiǎn)就越大[6]。雷電密度是指單位面積內(nèi)所發(fā)生的雷擊大地的年平均次數(shù)，反映雷電活動(dòng)的自然規(guī)律。該區(qū)域的雷電密度大，說(shuō)明該區(qū)域致災(zāi)因子活躍，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性大。其計(jì)算公式為[7]：

式（3）中，Ng表示雷電密度[次/（km2·a）]，Td為雷暴日數(shù)，根據(jù)各氣象臺(tái)站的觀測(cè)資料確定。雷暴日數(shù)多的區(qū)域，致災(zāi)因子活躍，發(fā)生雷災(zāi)的可能性較大。

采用宣城市7個(gè)氣象站1961—2010年50年雷暴日資料，利用克里金插值方法計(jì)算出各縣市區(qū)的雷電密度，得到雷電密度分布圖（圖1）。

采用2006—2011年宣城市LD-Ⅱ型閃電定位儀獲取的6年地閃資料，按照資料的年限將6年的所有地閃資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照地閃頻次的高低將其分為10級(jí)，得到雷電密度分布圖（圖2）。

考慮到人工觀測(cè)的雷暴日，觀測(cè)范圍具有局限性，但有50年的資料，時(shí)間長(zhǎng)，具有一定的代表性;閃電定位資料在一定程度上會(huì)有誤差和干擾，其觀測(cè)資料只有6年，時(shí)間比較短，不具備一定的代表性。因此，將2種方法所得的雷電密度權(quán)重取為50∶6，進(jìn)行加權(quán)分析，得到加權(quán)后的雷電密度分布圖（圖3）。

47卷13期 何桂霞等 宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究及其應(yīng)用

由于不同強(qiáng)度的雷電流對(duì)建筑物危害程度不同，利用2006—2011年宣城市LD-Ⅱ型閃電定位儀獲取的雷電強(qiáng)度資料，將6年的所有雷電強(qiáng)度樣本匯總進(jìn)行插值分析，得到雷電強(qiáng)度分布圖（圖4）。

由于雷電強(qiáng)度所用資料僅為2006—2011年6年宣城市LD-Ⅱ型閃電定位儀的資料，雷電密度為50年雷暴日資料和6年閃電定位儀的資料計(jì)算而得，考慮到計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，雷電密度和雷電強(qiáng)度權(quán)重取為2∶1，將其歸一化再加權(quán)綜合，得到雷電災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分布圖

（圖5）。

2.2 承災(zāi)體易損性分析

災(zāi)害的發(fā)生是由環(huán)境的危害性和承災(zāi)體的脆弱性共同決定的[8-10]。宣城市雷電災(zāi)害易損性反映了該地區(qū)面對(duì)雷電發(fā)生的敏感度，其既與各縣自然雷暴的氣候背景有關(guān)，也與遭受雷電災(zāi)害縣市區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口密度特征等有關(guān)。承災(zāi)體易損性評(píng)估重點(diǎn)考慮地方人口、地方經(jīng)濟(jì)兩方面因素，上述2項(xiàng)指標(biāo)均以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為行政單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，等權(quán)重相加得到各縣市區(qū)的承災(zāi)體易損度。

宣城市人口密度（L）表示區(qū)域內(nèi)發(fā)生災(zāi)害時(shí)單位面積上受危害的人口數(shù)量，該指標(biāo)可以反映區(qū)域生命對(duì)災(zāi)害的敏感性。

式（4）中，L為人口密度（人/km2），LS為各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口，S為各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政面積（km2）。宣城市各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密度分布見(jiàn)圖6。

宣城市經(jīng)濟(jì)密度（D）表示區(qū)域內(nèi)發(fā)生災(zāi)害時(shí)單位面積上的經(jīng)濟(jì)損失。

式（5）中，D為經(jīng)濟(jì)密度（萬(wàn)元/km2），DS用各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的GDP生產(chǎn)總值代替（萬(wàn)元），S為各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的行政面積（km2）。宣城市各縣市區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)密度分布情況見(jiàn)圖7。

將人口密度、經(jīng)濟(jì)密度2項(xiàng)指標(biāo)等權(quán)重相加得到宣城市各縣市區(qū)的承災(zāi)體易損度分布情況，具體見(jiàn)圖8。

2.3 綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃 將宣城市的雷電密度、雷電強(qiáng)度、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度4因素進(jìn)行多種權(quán)重組合并繪出相應(yīng)的宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃分布圖（圖9）。

2.4 區(qū)劃結(jié)果驗(yàn)證

為檢驗(yàn)區(qū)劃結(jié)果的優(yōu)劣，將區(qū)劃結(jié)果與宣城市2005—2017年實(shí)際雷電災(zāi)情作對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果顯示，綜合區(qū)劃結(jié)果與雷電歷史災(zāi)情對(duì)應(yīng)較好。

3 結(jié)論與討論

（1）從雷電災(zāi)害致災(zāi)因子、承災(zāi)體易損性與災(zāi)害形成的關(guān)系，將宣城市的雷電密度、雷電強(qiáng)度、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度4因素進(jìn)行多種權(quán)重組合，利用GIS技術(shù)繪出宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃分布圖。

（2）區(qū)劃圖顯示，宣城市的北部為雷電災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，即宣州區(qū)城區(qū)、水陽(yáng)、貍橋、朱橋、沈村、五星，寧國(guó)的港口、梅林和郎溪的大部分地區(qū);宣城市中部、東北部、西北部為雷電災(zāi)害次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，即宣州區(qū)的孫埠、水東、洪林、新田，涇縣的云嶺、黃村、丁家橋、蔡村，廣德、寧國(guó)的大部分地區(qū);宣州區(qū)的古泉、文昌、楊柳、黃渡，廣德、寧國(guó)、涇縣的大部分地區(qū)，績(jī)溪、旌德的部分地區(qū)為雷電災(zāi)害中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū);其他地區(qū)為雷電災(zāi)害低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

（3）利用宣城市歷史雷電災(zāi)害數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明綜合區(qū)劃與歷史雷電災(zāi)情對(duì)應(yīng)較好，表明該區(qū)劃研究方法比較可靠。

（4）開(kāi)展宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究，為宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷工程設(shè)計(jì)、雷電災(zāi)情調(diào)查、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等提供重要的科學(xué)依據(jù)，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（5）由于雷電災(zāi)害的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，影響因素眾多，要完全定量準(zhǔn)確地分析宣城市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃還存在一定的難度。今后在指標(biāo)選取、權(quán)重確定、評(píng)估模型等方面還需要進(jìn)一步研究、優(yōu)化，使區(qū)劃結(jié)果與實(shí)際更加吻合。

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