河北省鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究*

龍 爽，俞海洋，李 婷，李 倩，鄒芷瀟，王 瑛，許映軍※

(1.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875；4.北京師范大學(xué)統(tǒng)計學(xué)院，北京 100875；5.河北省氣象災(zāi)害防御中心，石家莊 050021)

0 引言

雷電災(zāi)害泛指雷擊或雷電電磁脈沖入侵造成人員傷亡或財產(chǎn)受損、電子設(shè)備部分或全部功能喪失，釀成不良的社會和經(jīng)濟(jì)后果的事件，也稱雷災(zāi)[1]。全球氣候變暖背景下，極端氣候事件的頻率變化將對人類和自然系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響[2，3]。雷電與全球氣候系統(tǒng)有著內(nèi)在聯(lián)系，預(yù)計全球變暖及干燥將導(dǎo)致雷電活動增加[4，5]。雷災(zāi)發(fā)生的頻度高、范圍廣、突發(fā)性強(qiáng)、損失大，是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一[6]。

風(fēng)險區(qū)劃作為風(fēng)險管理的重要手段，對防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。長期以來，國內(nèi)許多學(xué)者從雷電災(zāi)害易損性的角度對雷電災(zāi)害進(jìn)行區(qū)劃研究[7-11]。近年來，從自然災(zāi)害系統(tǒng)理論出發(fā)對雷電災(zāi)害進(jìn)行區(qū)劃研究的成果越來越多，朱涯等和程向陽等分別從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體方面對安徽省和云南省玉溪市雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃進(jìn)行了研究[6，11]；殷嫻等從地震高發(fā)區(qū)判別、致災(zāi)因子、受災(zāi)敏感度、承災(zāi)體4個方面對云南省地震高發(fā)區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行分析與區(qū)劃[12]；吳安坤從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和防雷減災(zāi)能力方面對貴州省雷電災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行了評價與區(qū)劃研究[13]。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，GIS空間分析技術(shù)被應(yīng)用于雷災(zāi)區(qū)劃研究中，使雷災(zāi)區(qū)劃制圖走向精細(xì)化。

河北省位于中緯度沿海與內(nèi)陸交接地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地形地貌復(fù)雜多樣，加劇了雷災(zāi)的時空分布的復(fù)雜性。在區(qū)位上，地處環(huán)京津、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈，經(jīng)濟(jì)區(qū)位作用重要。由于現(xiàn)代化及信息化程度低、生產(chǎn)方式相對落后、防御雷擊設(shè)施薄弱及防御意識淡薄，中國廣袤的農(nóng)村成為雷電災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)，眾多的農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)村設(shè)施、家用電器成為重要的承災(zāi)體。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國90%以上的雷擊傷亡人員集中在農(nóng)村[14-16]。河北省是農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诘?5%。十九大報告中明確指示堅(jiān)決遏制特大安全事故，提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，《國家綜合防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃(2016—2020年)》將加強(qiáng)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(jìn)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)體制機(jī)制改革的意見》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(qiáng)災(zāi)害風(fēng)險評估、隱患排查治理作為改革事項(xiàng)的重要舉措之一。目前針對鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害開展風(fēng)險區(qū)劃工作的研究鮮見，文章以縣域?yàn)閱卧_展河北省鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究，從而為鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害風(fēng)險評估、防雷減災(zāi)制定對策及監(jiān)測預(yù)警提供參考。

1 資料來源與研究方法

1.1 資料來源

文中使用資料包括：(1)地閃數(shù)據(jù)來源于2010—2016年中國氣象局閃電監(jiān)測網(wǎng)ADTD資料，該系統(tǒng)采用定向時差聯(lián)合法對閃電進(jìn)行定位，能及時獲取閃擊點(diǎn)的閃擊時間、經(jīng)度、緯度、極性、強(qiáng)度等參數(shù)；(2)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)包含鄉(xiāng)村用電量、鄉(xiāng)村家電擁有量來源于《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》《河北統(tǒng)計年鑒》及河北省各市統(tǒng)計年鑒；(3)災(zāi)情數(shù)據(jù)來源于2014—2016年《全國雷電災(zāi)害匯編》[17]，其記載了河北省11個市縣上報的雷電災(zāi)害事例及數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 風(fēng)險等級評估方法

區(qū)域氣象災(zāi)害風(fēng)險等級評估，指特定各區(qū)域與未來某時段內(nèi)的氣象災(zāi)害造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失與生態(tài)環(huán)境損毀的相對期望損失高低進(jìn)行評估。依據(jù)區(qū)域氣象災(zāi)害致災(zāi)因子的相對強(qiáng)度，各類脆弱性承災(zāi)體的性質(zhì)，即脆弱承災(zāi)體的暴露程度或暴露承災(zāi)體的價值。再根據(jù)氣象致災(zāi)因子相對強(qiáng)度與承災(zāi)體損失等級之間的矩陣關(guān)系(表1)，求得區(qū)域因?yàn)?zāi)造成的相對期望損失等級。通用計算公式為：

RL=f(Hg·Eg)

(1)

式(1)中，RL表示風(fēng)險等級(Risk Level)；Hg表示致災(zāi)因子的相對強(qiáng)度(Hazard Grade)；Eg表示脆弱承災(zāi)體的暴露程度(Exposure magnitude)。

雷電災(zāi)害風(fēng)險由致災(zāi)因子危險性和承災(zāi)體的脆弱性共同決定[18]。該文雷災(zāi)危險性由地閃密度和最大地閃強(qiáng)度組成，脆弱性由鄉(xiāng)村電器擁有量和鄉(xiāng)村用電量組成(表2)。利用ArcGIS的自然斷點(diǎn)分類方法及重分類技術(shù)將雷災(zāi)危險性及脆弱性的分布劃分為極低、低、中、高、極高5個等級并重分類賦值為1～5，兩者相乘結(jié)果按照極高(16～25)、高(10～15)、中(6～9)、低(3～5)、極低(1～2)分為5級(表1)，可得到最終的風(fēng)險區(qū)劃圖。

表1 雷電災(zāi)害風(fēng)險分級矩陣

表2 雷電災(zāi)害風(fēng)險概念框架及評價指標(biāo)

1.2.2 等級劃分方法

該文采用自然斷點(diǎn)法對各評價指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行等級劃分。自然斷點(diǎn)法基于數(shù)據(jù)中固有的自然分組，可在數(shù)據(jù)值差異大的位置處設(shè)置其分類邊界，使各個類別之間差異最大化。

1.2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

計算雷災(zāi)危險性、脆弱性時，均采用(2)式對各項(xiàng)數(shù)據(jù)作歸一化處理，將各個量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為無量綱數(shù)，使各因子間存在可比較性：

(2)

式(2)中，xi、Xi為數(shù)據(jù)預(yù)處理前后的值；xmax和xmin為樣本數(shù)據(jù)最大值和最小值。

2 結(jié)果分析

2.1 地閃密度年際分布分析

圖1為2010—2016年河北省地閃密度年際分布情況，由圖1可知，地閃密度年際間存在差異，但在空間分布上存在一定的規(guī)律。地閃密度高值區(qū)主要集中在4個區(qū)域：唐山東部與秦皇島西南部交界各縣(簡稱高值1區(qū))，2014年地閃密度高值特征明顯，2010年秦皇島相對較弱，而2016年唐山相對較弱。石家莊東北部與保定西北部交界各縣(簡稱高值2區(qū))，該區(qū)地閃密度高值特征在2010年最為明顯。張家口的中部各縣和南部蔚縣(簡稱高值3區(qū))和邢臺市西部地區(qū)(簡稱高值4區(qū))地閃密度高值特征在2014年與2016年分布一致，2010年相對較弱。

高值1區(qū)為燕山山脈迎風(fēng)坡，森林密集，水源豐富，易形成對流性天氣，境內(nèi)礦區(qū)聚集，且礦區(qū)與山區(qū)地形結(jié)合，更易于發(fā)生雷電活動[19]；高值2區(qū)為太行山脈迎風(fēng)坡，丘陵地形起伏大，且距海較近，受東南風(fēng)影響大，便于形成雷暴云；高值3區(qū)及高值4區(qū)同樣受地形、礦區(qū)、森林、河流等因素影響，地閃密度較高。

2.2 危險性區(qū)劃與分析

雷災(zāi)與地閃活動密切相關(guān)，氣象部門自2014起取消雷暴日觀察，地閃活動成為雷電災(zāi)害風(fēng)險評估中不可忽略的要素[10]。雷災(zāi)事件通常由直雷擊中承災(zāi)體而造成，因而承災(zāi)體接受雷云對地放電的頻度和強(qiáng)度大小是雷電災(zāi)害危險性最直觀的表現(xiàn)[11]。地閃密度為每平方公里的年平均地閃次數(shù)，單位為次/(km2·年)。地閃密度越大，說明雷電災(zāi)害致災(zāi)因子活躍，孕災(zāi)環(huán)境復(fù)雜。最大地閃強(qiáng)度為各縣域的最大雷電流值，單位為kA/a，表達(dá)雷電災(zāi)害發(fā)生的可能性和破壞性，是雷電防護(hù)中考慮的重要參數(shù)之一[20]。從風(fēng)險的角度，運(yùn)用地閃密度和最大地閃強(qiáng)度作為致災(zāi)因子可以刻畫特定區(qū)域內(nèi)對承災(zāi)體可能造成威脅的事件的強(qiáng)度—概率關(guān)系。利用GIS技術(shù)，以河北省各縣域?yàn)閱卧y(tǒng)計出河北省地閃密度和最大地閃強(qiáng)度，地閃(could-to-ground，CG)分極性，電流小于10kA的正地閃在研究中常作為云閃，在所有統(tǒng)計正地閃相關(guān)特征時不予考慮[21]，因此該研究剔除所有小于10kA的正地閃數(shù)據(jù)。河北省雷電災(zāi)害危險性為地閃密度和最大地閃強(qiáng)度歸一化之后的乘積，再依據(jù)自然斷點(diǎn)法將結(jié)果分為極高至極低5個等級，結(jié)果見圖2(c)所示。

圖2 鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害危險性區(qū)劃圖

圖3 鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害承災(zāi)性脆弱性區(qū)劃 圖4 鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖

圖5 2014年鄉(xiāng)村雷災(zāi)頻次分布

圖2中顯示的2010—2016年地閃密度分布與上述年際地閃密度分布具有相似規(guī)律，高值4區(qū)多年地閃密度和地閃強(qiáng)度值相較于其他3個高值區(qū)偏低，因而危險性低。最大地閃強(qiáng)度整體呈現(xiàn)西北部強(qiáng)，東南部低的趨勢。地閃密度和最大地閃強(qiáng)度疊加后的危險性等級顯示秦皇島西南部的昌黎縣和盧龍縣，唐山東部遷安縣和灤縣，保定南部的定州市為危險性等級極高區(qū)。

2.3 脆弱性區(qū)劃與分析

脆弱性選取鄉(xiāng)村用電量和鄉(xiāng)村家電擁有量的暴露程度表征，脆弱性指標(biāo)由兩者歸一化后相加獲得。張家口和承德的脆弱性相對較低，廊坊南部霸州市、保定南部定州市和邯鄲北部武安市為脆弱性最高的區(qū)縣單元(圖3)。霸州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及民營經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，帶動了鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展；定州市鄉(xiāng)村人口數(shù)量位居河北省第一，為農(nóng)業(yè)和工業(yè)大縣；武安市是河北省工業(yè)新興城市，鐵、煤等礦產(chǎn)資源豐富。電力設(shè)備的投入以及能源消耗加大了3地的雷災(zāi)脆弱性。

2.4 風(fēng)險區(qū)劃與效果分析

2.4.1 風(fēng)險等級區(qū)劃

雷電災(zāi)害風(fēng)險依據(jù)風(fēng)險矩陣法獲得(表2)，得到最終的風(fēng)險區(qū)劃圖(圖4)。由圖可見，極高和高風(fēng)險區(qū)主要分布在以唐山、秦皇島和承德為主的高值1區(qū)以及張家口南部至石家莊東部的高值2區(qū)，該分布格局是危險性區(qū)劃、脆弱性區(qū)劃綜合作用的效果，例如張家口中部地區(qū)雖然危險性等級較高，但脆弱性等級低，故最終風(fēng)險等級較低，而邯鄲北部、滄州中西部，雖脆弱性等級極高，但危險性等級偏低，導(dǎo)致最終風(fēng)險等級降低。

2.4.2 風(fēng)險區(qū)劃效果分析

為了檢驗(yàn)該文的風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果，將區(qū)劃圖與雷災(zāi)發(fā)生頻次進(jìn)行對比。如圖5為發(fā)生雷災(zāi)頻次較多的2014年河北省雷災(zāi)頻次分布圖，圖5雷災(zāi)頻次較高的區(qū)縣均為圖4中的極高和高風(fēng)險區(qū)，包括唐山北部遵化市和遷西縣，中部灤縣。具體來看，遵化市為極高風(fēng)險等級，2014年18起雷災(zāi)事件中共3起明確記錄的鄉(xiāng)村雷災(zāi)事件，4起城鎮(zhèn)雷災(zāi)事件，11起未明確記錄地點(diǎn)的雷災(zāi)，除家電被擊之外，遵化市雷災(zāi)發(fā)生地多為電力、鋼鐵等工業(yè)企業(yè)。灤縣也為極高風(fēng)險等級，共8起鄉(xiāng)村雷災(zāi)事件，受災(zāi)對象多為鄉(xiāng)村家電。遷西縣為高風(fēng)險等級，37起雷災(zāi)事件中共27起鄉(xiāng)村雷災(zāi)事件，擊毀家電較多，說明遷西縣鄉(xiāng)村防災(zāi)系統(tǒng)尚不完善。

另有承德中部雙橋區(qū)、石家莊西南部井陘縣雷災(zāi)頻次較多。雙橋區(qū)位于承德市中心位置，無鄉(xiāng)村雷災(zāi)，因而為低風(fēng)險等級，雷災(zāi)發(fā)生地主要為旅游景點(diǎn)、管理局、公司、高度公路等。井陘縣為中風(fēng)險區(qū)，4起雷災(zāi)事故中鄉(xiāng)村雷災(zāi)共2起，均為家電遭雷擊，其余兩起發(fā)生于天長鎮(zhèn)，其中一名女子在澆地時遭雷擊身亡，這說明井陘縣整體防災(zāi)設(shè)施薄弱而且村民的防災(zāi)意識較差。

3 結(jié)論與討論

(1)該文根據(jù)鄉(xiāng)村雷災(zāi)受災(zāi)情況，構(gòu)建了鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃指標(biāo)體系，并利用風(fēng)險矩陣方法來完成風(fēng)險指數(shù)的計算。該方法避免了權(quán)重設(shè)置的主觀性，且方法可操作性強(qiáng)。

(2)河北省地閃密度的地域分布具有一定的規(guī)律：山地迎風(fēng)坡、水域、礦區(qū)、森林等地易遭受雷擊；最大地閃強(qiáng)度空間分布整體呈西北部強(qiáng)，東南部低的格局；雷電災(zāi)害的高危險區(qū)域主要分布在3個地區(qū)：唐山東部與秦皇島西南部交界各縣、石家莊東北部與保定西北部交界各縣及張家口中部各縣和南部蔚縣。

(3)河北省鄉(xiāng)村雷災(zāi)風(fēng)險高值區(qū)為：秦皇島南部昌黎縣、唐山東北部遷安市以及保定南部定州市，這些區(qū)域或者高危險性、或者高脆弱性、或者兩者兼?zhèn)?，是河北省雷?zāi)防范的重點(diǎn)對象。

此研究對高風(fēng)險地區(qū)雷災(zāi)監(jiān)測預(yù)警及綜合防御具有一定意義，可為決策部門提供參考。由于資料獲取難度大，此研究還存在許多不足之處，后續(xù)研究可以基于更長時間序列的地閃數(shù)據(jù)進(jìn)一步統(tǒng)計劃分鄉(xiāng)村與城市雷電災(zāi)害危險性，而不是用整個河北省的地閃數(shù)據(jù)評估鄉(xiāng)村雷電災(zāi)害危險性，進(jìn)而可以獲得更好的區(qū)域風(fēng)險評估結(jié)果。此外，后續(xù)將優(yōu)化評價指標(biāo)，考慮加入氣候、地形等孕災(zāi)環(huán)境因子，完善鄉(xiāng)村雷災(zāi)風(fēng)險評估模型。