試點(diǎn)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法與應(yīng)用

方文海，黃凱敏，尤金，羅顯星

（珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東珠海 519000）

雷電是伴有閃電和雷鳴的一種放電現(xiàn)象。近年來，隨著電子信息系統(tǒng)的快速發(fā)展，雷電災(zāi)害的受災(zāi)行業(yè)從傳統(tǒng)的電力、建筑等領(lǐng)域拓展到了幾乎所有的行業(yè)。雷電災(zāi)害為人類帶來了嚴(yán)重的傷亡事故和經(jīng)濟(jì)損失，中國(guó)電工委員會(huì)稱其為“電子時(shí)代的一大公害”［1-2］。廣東省屬于雷電高發(fā)區(qū)域，雷電活動(dòng)十分頻繁［3-4］。近年來國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者對(duì)于區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的方法和應(yīng)用進(jìn)行研究，為區(qū)域雷電防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)［5-9］。

本研究以2020年珠海市首批開展試點(diǎn)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的珠海高新區(qū)為例，利用層次分析法、灰色定權(quán)聚類方法建立風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)計(jì)算模型，運(yùn)用定量和定性的方法，針對(duì)該區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局特點(diǎn)，考慮人口、經(jīng)濟(jì)、雷電活動(dòng)特征等因素，對(duì)雷電可能造成社會(huì)生產(chǎn)和人民生活的致災(zāi)影響做出綜合性、區(qū)域化的評(píng)估，為評(píng)估區(qū)域的項(xiàng)目選址、功能分區(qū)布局、防雷類別（等級(jí)）與防雷措施確定、雷災(zāi)事故應(yīng)急方案制定等提供科學(xué)依據(jù)，并將作為后續(xù)全面開展區(qū)域評(píng)估工作的重要技術(shù)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1）閃電定位數(shù)據(jù)：雷電監(jiān)測(cè)資料來源于廣東省閃電定位系統(tǒng)1999—2019年共計(jì)21年的地閃數(shù)據(jù)，用于分析評(píng)估區(qū)域的大氣雷電環(huán)境。

2）雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)：珠海市氣象局檔案室提供的2004—2019年珠海市雷電災(zāi)情共計(jì)16年雷電災(zāi)情數(shù)據(jù)。

3）區(qū)域規(guī)劃及統(tǒng)計(jì)資料：用地性質(zhì)、規(guī)劃建設(shè)規(guī)模、人口規(guī)模等數(shù)據(jù)取自珠海市自然資源局高新分局；高新區(qū)園區(qū)的土地面積、常住人口及地區(qū)生產(chǎn)總值等數(shù)據(jù)取自珠海市統(tǒng)計(jì)局。

1.2 評(píng)估方法

本研究開展的依據(jù)是2018年經(jīng)珠海市氣象學(xué)會(huì)評(píng)審?fù)ㄟ^的《珠海市區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)指南》［10］。項(xiàng)目根據(jù)災(zāi)害學(xué)原理，從雷電危險(xiǎn)性、孕災(zāi)背景環(huán)境及承災(zāi)體易損性3個(gè)方面構(gòu)造多層次評(píng)估指標(biāo)系統(tǒng)；利用層次分析法（AHP）確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重；利用灰類白化權(quán)函數(shù)分析法確定評(píng)估指標(biāo)的影響程度；將兩者綜合分析從而計(jì)算得到最終的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。

采用灰類白化權(quán)函數(shù)分析方法，是因?yàn)榛疑到y(tǒng)在經(jīng)濟(jì)管理和工程技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，灰類白化權(quán)函數(shù)是根據(jù)已知信息，對(duì)一個(gè)灰類（模糊、不確定性）在其取值范圍內(nèi)不同數(shù)值的“偏愛”程度的主觀判斷，并以定量描述的方式刻畫為各數(shù)據(jù)點(diǎn)隸屬于該灰類的程度。而采用將風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成1～10的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)后（包括定量指標(biāo)），再代入灰類白化權(quán)函數(shù)計(jì)算，既統(tǒng)一了各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的計(jì)算方法，同時(shí)也考慮了定性指標(biāo)不唯一性的問題。

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分為定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩大類共計(jì)21個(gè)底層指標(biāo)。為了滿足區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需要，將21個(gè)底層指標(biāo)劃分為4層的層次結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。

2）AHP計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重向量。

（1）構(gòu)造判斷矩陣。

根據(jù)層次分析法的基本原理，通過相互比較確定各指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)的權(quán)重，即構(gòu)造判斷矩陣A，從而自上而下得到各層各指標(biāo)的權(quán)重，以及底層指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層總合成權(quán)重（絕對(duì)權(quán)重）。為使矩陣中的各要素的重要性能夠進(jìn)行定量顯示，引進(jìn)了矩陣判斷標(biāo)度aij對(duì)本層指標(biāo)的“相對(duì)重要性”原則進(jìn)行重要性賦值（表1）。由此可得出指向同一上層指標(biāo)的各子指標(biāo)的判斷矩陣A為

標(biāo)度 含義 標(biāo)度 含義aij＝1 兩個(gè)因素（各子指標(biāo)，余同）相比，兩者同等重要 aij＝9 兩個(gè)因素相比，前者比后者極度重要aij＝3 兩個(gè)因素相比，前者比后者稍微重要 aij＝2、4、6、8 介于相鄰結(jié)果的中間值aaiijj＝＝57兩 兩個(gè) 個(gè)因 因素 素相 相比 比，，前前者 者比 比后 后者 者明 強(qiáng)顯 烈重 重要要 特殊情況aajiii＝＝11／aij

（2）計(jì)算相對(duì)權(quán)重及絕對(duì)權(quán)重。

通過求解判斷矩陣A的最大特征值λmax及最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量W，得出各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重和絕對(duì)權(quán)重，最終求出21個(gè)底層指標(biāo)的絕對(duì)權(quán)重矩陣C＝［C1，C2，C3，…，C21］，其中Ci表示第i個(gè)底層指標(biāo)在所有21個(gè)底層指標(biāo)中的權(quán)重，

（3）一致性檢驗(yàn)。

當(dāng)成對(duì)比較得出的判斷矩陣的階數(shù)≥3時(shí)，則需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。未通過檢驗(yàn)的，需要對(duì)判斷矩陣A的兩兩比較值作調(diào)整，直至通過檢驗(yàn)。

（4）灰類白化權(quán)函數(shù)分析法。

將區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)為低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)及極高風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)，采用10分制原則，各等級(jí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)區(qū)間為［0，4］、［4，6］、［6，8］、［8，10］，對(duì)應(yīng)的區(qū)間灰數(shù)為3、5、7、9。根據(jù)影響程度的不同，給各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)賦予1到10分的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)ui（i＝1，2，…，n，n為指標(biāo)數(shù)目），分值越高，該指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)越高，分值越低，該指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)越低。

灰類白化權(quán)分析法直接根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)向量B，求出b1、b2、b3、b4中的最大值，即可判斷區(qū)域雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)屬于哪一危險(xiǎn)等級(jí)（分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2）。

表2 區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 評(píng)估實(shí)例

2.1 劃分評(píng)估子區(qū)域及各子區(qū)域差異風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

試點(diǎn)區(qū)域位于珠海高新區(qū)，占地面積約7.15 km2。根據(jù)區(qū)域控制性詳細(xì)規(guī)劃文件，結(jié)合各規(guī)劃區(qū)域在承災(zāi)體易損性指標(biāo)（使用性質(zhì)、等效高度）存在著明顯差異（表3），故該次評(píng)估區(qū)域共劃分為居住生活區(qū)、先進(jìn)制造業(yè)區(qū)、新型產(chǎn)業(yè)區(qū)及物流運(yùn)輸區(qū)共4個(gè)子區(qū)域。

表3 評(píng)估子區(qū)域差異風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

2.2 確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重矩陣

根據(jù)AHP（層次分析法），通過集合本行業(yè)多名專家對(duì)各級(jí)指標(biāo)重要性打分結(jié)果，并根據(jù)重要性分值建立判斷矩陣，進(jìn)而求出矩陣的特征值、特征向量。經(jīng)過計(jì)算，階數(shù)≥3的判斷矩陣均通過一致性檢驗(yàn)，最終得出絕對(duì)權(quán)重矩陣：

2.3 計(jì)算灰色評(píng)價(jià)系數(shù)權(quán)重矩陣

通過多名專家評(píng)分并代入灰類白化權(quán)函數(shù)計(jì)算，居住生活區(qū)（R1）、先進(jìn)制造業(yè)區(qū)（R2）、新型產(chǎn)業(yè)區(qū)（R3）及物流運(yùn)輸區(qū)（R4）等4個(gè)子區(qū)域最終灰色評(píng)價(jià)系數(shù)權(quán)重矩陣（圖略）。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)向量

計(jì)算得到4個(gè)評(píng)估子區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)向量如下：

2.5 評(píng)估結(jié)果與分析

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估子區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)分布見圖2，其中居住生活區(qū)、先進(jìn)制造業(yè)區(qū)和新型產(chǎn)業(yè)區(qū)為高風(fēng)險(xiǎn)，物流運(yùn)輸區(qū)為中等風(fēng)險(xiǎn)。主要原因除了試點(diǎn)區(qū)域雷電頻次較高的客觀因素，各子區(qū)域的等效高度、相對(duì)高度、人口密度、使用性質(zhì)等因素影響也較大。

圖2 評(píng)估子區(qū)域雷電風(fēng)險(xiǎn)分布圖

此外4個(gè)子區(qū)域高風(fēng)險(xiǎn)或極高風(fēng)險(xiǎn)的影響指標(biāo)集中在地形地貌、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度、工程建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)管理等方面，除了地形地貌、人口密度等客觀因素之外，其他指標(biāo)可根據(jù)評(píng)估結(jié)果針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，適當(dāng)提高防雷措施的等級(jí)，能有效降低存在的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究以層次分析法和灰類白化權(quán)函數(shù)分析法為原理，綜合考慮閃電密度、人口密度、使用性質(zhì)等21項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，通過建立區(qū)域雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)計(jì)算模型，分析該區(qū)域存在的各類雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估方法實(shí)用，實(shí)施性較強(qiáng)，符合本區(qū)域產(chǎn)業(yè)分區(qū)特點(diǎn)。評(píng)估結(jié)果能夠?qū)^(qū)域產(chǎn)業(yè)規(guī)劃建設(shè)起到積極作用，提出的防御措施與建議具有針對(duì)性，對(duì)相關(guān)工作開展具有指導(dǎo)意義。區(qū)域性雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，環(huán)境改變、人員活動(dòng)變化及區(qū)域規(guī)劃發(fā)展的調(diào)整都可能影響雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)論。因此在開展區(qū)域評(píng)估之前應(yīng)盡可能準(zhǔn)確獲取相關(guān)基礎(chǔ)信息，掌握更詳盡的影響因素，能夠提高評(píng)估結(jié)論的準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性。