重慶地區(qū)森林雷電災害風險評價和防護方法探析

高榮生　曾武　許成　黎明　何靜

摘要 雷擊火是引發(fā)森林火災的主要原因，但是由于森林自身的特殊性和傳統(tǒng)防雷工程的局限性，目前對森林雷擊火的防護還處于起步階段，成效不高?？茖W合理的雷電災害風險評估能有效指導防雷減災工作，有針對性地分析森林雷電活動規(guī)律、雷擊高風險點和雷暴路徑，根據(jù)評價結果，可以有針對性地開展森林防雷保護工作，該方法具有較好的適用性，既能更好地為森林防雷減災服務，也能完善雷電防護技術體系。

關鍵詞 雷電災害;風險評估;森林防雷;雷擊火

中圖分類號：S761.5 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0081–02

雷電災害是聯(lián)合國“國際減災十年”公布的最嚴重的10種自然災害之一。重慶位于青藏高原與長江中下游平原之間的過渡地帶，由于特殊的地理位置，重慶的氣候具有緯向和經(jīng)向過渡性的特點，是雷電天氣相對活躍區(qū)和高發(fā)區(qū)[1]。重慶每年因雷擊造成的經(jīng)濟損失達數(shù)億元，人員傷亡達數(shù)十人，加強防雷減災工作刻不容緩[2]。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，防雷措施逐漸得到完善，雷電造成人員傷亡的事故在逐漸下降，城市中雷電防護更多聚焦在電子信息系統(tǒng)的防護方面，但是雷電對農(nóng)業(yè)、林業(yè)的危害依然很大，尤其是近年來雷擊森林大火造成的人身傷亡和財產(chǎn)損失事故頻發(fā)，森林防雷亟待得到重視，森林防雷措施也亟待得到完善[3]。

對森林來說，火災是最為嚴重的風險，與此同時，雷擊是造成林火最主要的原因。大量研究表明，雷擊火造成的森林火災占比最高，大興安嶺地區(qū)森林火災有約40%為雷擊火導致，該比例受氣候變化影響，在夏季更高[4]。僅在重慶古劍山脈森林保護區(qū)，近5年就發(fā)生3起雷擊森林起火事故，森林火災不僅造成了嚴重的直接損失，還會產(chǎn)生極其不良的社會影響[5]。

1 雷電對森林的影響

雷電主要通過以下3種效應危害樹木。

1.1 熱效應

閃電擊中地面物體，閃電電流產(chǎn)生熱效應，強大的雷電流通過被雷擊物體時會產(chǎn)生很高的溫度，從而發(fā)生熔化、汽化、燃燒現(xiàn)象，可以使較小體積的金屬熔化。當雷電直接擊中落葉、樹樁、樹冠、朽木等，且這些物體體積小、含水量少，就很容易起火，并引燃周圍可燃物，造成森林火災。如果雷電直接擊中樹木，被擊中的樹木瞬間將產(chǎn)生大量的熱量，并且來不及散發(fā)，導致樹木內部的大量水分變成蒸汽，迅速膨脹，產(chǎn)生巨大的爆炸力，破壞樹木[6]。

1.2 沖擊波效應

由于雷電通道中空氣受熱急劇膨脹，并以超聲波速度向四周擴散，其外圍附近的冷空氣被強烈壓縮成激波。一般可能對傳播路徑上的樹木產(chǎn)生外表損害，目前該效應對樹木造成的損害較小，也很少被發(fā)現(xiàn)。

1.3 趨膚效應

當雷電擊中樹木時，雷電流沿樹體對地泄放時，由于雷擊電流很強，通過的時間又短，而雷電具有熱效應和趨膚效應，被雷擊樹木瞬間產(chǎn)生大量的熱量，來不及散發(fā)，導致樹木表皮內部的大量水分蒸發(fā)成水蒸氣，并迅速膨脹，產(chǎn)生巨大爆炸力，雷電流經(jīng)過的地方，樹木表皮呈條狀剝落。部分樹木由于燃點高，木質密度大，雷電直接擊中后很難燃燒起來，更可能出現(xiàn)劈開和表層脫落的情況。林場中的落葉、草堆、苔蘚等遭遇雷擊后，更容易燃燒起來，從而造成森林火災。

目前，通用的防雷技術方法大多針對建構筑物，有明確的保護對象和范圍，適用于獨立生長的古樹，可以按照傳統(tǒng)防雷技術手段進行保護，但是森林不適用于該技術體系。由于森林面積大，內部地形復雜，常規(guī)的直擊雷保護措施從成本和可行性上都不能滿足要求。森林防雷還是要盡早發(fā)現(xiàn)火情，如架設森林防火瞭望塔，利用視頻監(jiān)測火災，或者建設防火隔離區(qū)，或者在雷擊火發(fā)生位置建設避雷塔等。有條件的森林保護區(qū)利用氣象雷達和雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測雷電活動情況，加強監(jiān)控可能發(fā)生雷電的區(qū)域和時段，盡可能降低森林火災風險。目前，針對森林防雷的措施效果都不太理想，且針對性不足[7-8]。

2 森林雷電災害風險評價

對防雷減災而言，應先分析和評價雷電災害，合理的風險評價對雷電防護工作具有指導意義。目前，常用的雷電風險評估并不適用于森林，但可以從3個方向綜合評判森林保護區(qū)的雷電災害風險，分別為雷電活動規(guī)律、雷擊高風險點和雷暴路徑。

結合森林所在區(qū)域的雷電監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)，以10年為1個時間單位進行統(tǒng)計，可以掌握該區(qū)域雷電活動的年際變化、月變化、日變化，以及空間上密度和強度的分布規(guī)律，可以了解該區(qū)域雷電活動時空上的分布特征。

然后結合地貌信息和雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析森林保護區(qū)雷電活躍位置，并繪制到地理信息地圖上，同時結合雷擊選擇性，篩選出所在區(qū)域內雷電容易擊中的位置，同時疊加到地理信息地圖上，某森林保護區(qū)雷擊高風險點分布見圖1。

通過統(tǒng)計所在區(qū)域歷史雷達、衛(wèi)星等氣象數(shù)據(jù)，分析得到區(qū)域強對流天氣過程的方向和路徑，一般以10年為1個時間單位，可以得到區(qū)域內雷電移動路徑的分布概率。某森林保護區(qū)雷電路徑分布概率見圖2，該區(qū)域雷電活動路徑集中在北面進入林區(qū)。

3 森林雷電防護方法

根據(jù)森林雷電災害風險評價的結果，可以由面到點開展森林雷電防護。

首先，對于區(qū)域內有明顯雷電路徑的情況，結合地理信息，如重慶某森林保護區(qū)雷暴路徑是由北往南（圖3），與保護區(qū)內山脊走向相近，可以在保護區(qū)的北面山脊高聳處架設避雷塔，有條件的情況下可以沿山脊線裝架設，條件不允許時可在保護區(qū)北面上方高點集中架設避雷塔，塔頂裝設提前放電式引雷裝置提前釋放電荷，主動將雷電流引入此裝置并泄流入大地，以達到保護后方大范圍林場的目的。

其次，在保護區(qū)雷擊高風險點架設避雷塔或避雷針，此時保護半徑可以按堆場100 m計算，盡量選擇高風險點相對位置更高的地方架設。

最后，因為森林保護區(qū)內建有很多防火瞭望塔，瞭望塔材料為金屬，相對高度高于樹木，自身更容易遭受雷擊，且瞭望塔上安裝了很多電子設備，如攝像頭等，對雷電十分敏感，建議為瞭望塔的接地裝置和電涌保護器安裝防雷安全性能智能監(jiān)測系統(tǒng)，便于管理方實時了解林區(qū)瞭望塔的安全情況。對需要投入大量精力進行安全檢測的林業(yè)而言，有著相當可觀的現(xiàn)實應用價值和經(jīng)濟價值，為森林火災的監(jiān)測和預警提供安全保障。

4 結論

（1）目前，常用的雷電風險評估并不適用于森林，但可以從雷電活動規(guī)律、雷擊高風險點和雷暴路徑方向3個方面綜合評判一個森林保護區(qū)的雷電災害風險，并從中準確掌握森林雷電災害的高風險點和易發(fā)點，為制訂合理的防雷措施提供技術支持和指導。

（2）在雷擊高風險點、易發(fā)點和雷電主要路徑的上方架設避雷塔是現(xiàn)代森林防雷的關鍵，這些措施不僅能保證防雷的效率，也能合理控制成本，在實際工程中具有較高的推廣價值，也為現(xiàn)代森林防雷提供了新思路。

參考文獻

[1] 余蜀豫.雷電風險評估方法和參數(shù)研究及實踐[D].南京：南京信息工程大學，2012.

[2] 陸昕，黃濱，楊素芝，等.大興安嶺地區(qū)森林火災發(fā)生的原因和撲救特征[J].東北林業(yè)大學學報，2019，47（11）：77-80，85.

[3] 劉柯珍.大興安嶺地區(qū)夏季火環(huán)境及林火發(fā)生預報模型研究[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2018.

[4] 王明玉.氣候變化背景下中國林火響應特征及趨勢[D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2009.

[5] 倪長虹.大興安嶺雷擊火發(fā)生規(guī)律及預防對策的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2008.

[6] 王海帆.現(xiàn)代林業(yè)理論與管理[M].成都：電子科技大學出版社，2018.

[7] 馬福.森林——生命之源[M].北京：中國林業(yè)出版社，2005.

[8] 舒立福，劉曉東.森林防火學概論[M].北京：中國林業(yè)出版社，2016.

責任編輯：黃艷飛

Risk Assessment and Protection Methods of Forest Lightning Disaster in Chongqing

GAO Rong-sheng et al（Chongqing Laiting Lightning Protection Technology Co.， Ltd.， Chongqing 400000）

Abstract Lightning fire is the main cause of forest fire， but due to the particularity of forest itself and the limitation of traditional lightning protection engineering， the protection of forest lightning fire is still in the initial stage， the effect is not high. Lightning disaster risk assessment of the scientific and reasonable guide lightning protection and disaster mitigation work effectively， targeted analysis of forest high-risk point moving regularity of thunder and lightning， lightning and thunderstorms path， according to the evaluation results can be targeted forest lightning protection work， the method has good applicability and can provide better service for forest lightning protection and disaster mitigation， also can improve the lightning protection technology system.

Key words Lightning disaster; Risk assessment; Forest lightning protection; Lightning fire

作者簡介 高榮生（1988—），男，山東泰安人，助理工程師，主要從事氣象服務與應用氣象研究。

收稿日期 2021-08-16