重庆地区森林雷电灾害风险评价和防护方法探析

高荣生　曾武　许成　黎明　何静

摘要 雷击火是引发森林火灾的主要原因，但是由于森林自身的特殊性和传统防雷工程的局限性，目前对森林雷击火的防护还处于起步阶段，成效不高。科学合理的雷电灾害风险评估能有效指导防雷减灾工作，有针对性地分析森林雷电活动规律、雷击高风险点和雷暴路径，根据评价结果，可以有针对性地开展森林防雷保护工作，该方法具有较好的适用性，既能更好地为森林防雷减灾服务，也能完善雷电防护技术体系。

关键词 雷电灾害;风险评估;森林防雷;雷击火

中图分类号：S761.5 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2021）11–0081–02

雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的10种自然灾害之一。重庆位于青藏高原与长江中下游平原之间的过渡地带，由于特殊的地理位置，重庆的气候具有纬向和经向过渡性的特点，是雷电天气相对活跃区和高发区[1]。重慶每年因雷击造成的经济损失达数亿元，人员伤亡达数十人，加强防雷减灾工作刻不容缓[2]。

随着社会经济的发展，防雷措施逐渐得到完善，雷电造成人员伤亡的事故在逐渐下降，城市中雷电防护更多聚焦在电子信息系统的防护方面，但是雷电对农业、林业的危害依然很大，尤其是近年来雷击森林大火造成的人身伤亡和财产损失事故频发，森林防雷亟待得到重视，森林防雷措施也亟待得到完善[3]。

对森林来说，火灾是最为严重的风险，与此同时，雷击是造成林火最主要的原因。大量研究表明，雷击火造成的森林火灾占比最高，大兴安岭地区森林火灾有约40%为雷击火导致，该比例受气候变化影响，在夏季更高[4]。仅在重庆古剑山脉森林保护区，近5年就发生3起雷击森林起火事故，森林火灾不仅造成了严重的直接损失，还会产生极其不良的社会影响[5]。

1 雷电对森林的影响

雷电主要通过以下3种效应危害树木。

1.1 热效应

闪电击中地面物体，闪电电流产生热效应，强大的雷电流通过被雷击物体时会产生很高的温度，从而发生熔化、汽化、燃烧现象，可以使较小体积的金属熔化。当雷电直接击中落叶、树桩、树冠、朽木等，且这些物体体积小、含水量少，就很容易起火，并引燃周围可燃物，造成森林火灾。如果雷电直接击中树木，被击中的树木瞬间将产生大量的热量，并且来不及散发，导致树木内部的大量水分变成蒸汽，迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，破坏树木[6]。

1.2 冲击波效应

由于雷电通道中空气受热急剧膨胀，并以超声波速度向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩成激波。一般可能对传播路径上的树木产生外表损害，目前该效应对树木造成的损害较小，也很少被发现。

1.3 趋肤效应

当雷电击中树木时，雷电流沿树体对地泄放时，由于雷击电流很强，通过的时间又短，而雷电具有热效应和趋肤效应，被雷击树木瞬间产生大量的热量，来不及散发，导致树木表皮内部的大量水分蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大爆炸力，雷电流经过的地方，树木表皮呈条状剥落。部分树木由于燃点高，木质密度大，雷电直接击中后很难燃烧起来，更可能出现劈开和表层脱落的情况。林场中的落叶、草堆、苔藓等遭遇雷击后，更容易燃烧起来，从而造成森林火灾。

目前，通用的防雷技术方法大多针对建构筑物，有明确的保护对象和范围，适用于独立生长的古树，可以按照传统防雷技术手段进行保护，但是森林不适用于该技术体系。由于森林面积大，内部地形复杂，常规的直击雷保护措施从成本和可行性上都不能满足要求。森林防雷还是要尽早发现火情，如架设森林防火瞭望塔，利用视频监测火灾，或者建设防火隔离区，或者在雷击火发生位置建设避雷塔等。有条件的森林保护区利用气象雷达和雷电监测数据，实时监测雷电活动情况，加强监控可能发生雷电的区域和时段，尽可能降低森林火灾风险。目前，针对森林防雷的措施效果都不太理想，且针对性不足[7-8]。

2 森林雷电灾害风险评价

对防雷减灾而言，应先分析和评价雷电灾害，合理的风险评价对雷电防护工作具有指导意义。目前，常用的雷电风险评估并不适用于森林，但可以从3个方向综合评判森林保护区的雷电灾害风险，分别为雷电活动规律、雷击高风险点和雷暴路径。

结合森林所在区域的雷电监测历史数据，以10年为1个时间单位进行统计，可以掌握该区域雷电活动的年际变化、月变化、日变化，以及空间上密度和强度的分布规律，可以了解该区域雷电活动时空上的分布特征。

然后结合地貌信息和雷电监测数据，分析森林保护区雷电活跃位置，并绘制到地理信息地图上，同时结合雷击选择性，筛选出所在区域内雷电容易击中的位置，同时叠加到地理信息地图上，某森林保护区雷击高风险点分布见图1。

通过统计所在区域历史雷达、卫星等气象数据，分析得到区域强对流天气过程的方向和路径，一般以10年为1个时间单位，可以得到区域内雷电移动路径的分布概率。某森林保护区雷电路径分布概率见图2，该区域雷电活动路径集中在北面进入林区。

3 森林雷电防护方法

根据森林雷电灾害风险评价的结果，可以由面到点开展森林雷电防护。

首先，对于区域内有明显雷电路径的情况，结合地理信息，如重庆某森林保护区雷暴路径是由北往南（图3），与保护区内山脊走向相近，可以在保护区的北面山脊高耸处架设避雷塔，有条件的情况下可以沿山脊线装架设，条件不允许时可在保护区北面上方高点集中架设避雷塔，塔顶装设提前放电式引雷装置提前释放电荷，主动将雷电流引入此装置并泄流入大地，以达到保护后方大范围林场的目的。

其次，在保护区雷击高风险点架设避雷塔或避雷针，此时保护半径可以按堆场100 m计算，尽量选择高风险点相对位置更高的地方架设。

最后，因为森林保护区内建有很多防火瞭望塔，瞭望塔材料为金属，相对高度高于树木，自身更容易遭受雷击，且瞭望塔上安装了很多电子设备，如摄像头等，对雷电十分敏感，建议为瞭望塔的接地装置和电涌保护器安装防雷安全性能智能监测系统，便于管理方实时了解林区瞭望塔的安全情况。对需要投入大量精力进行安全检测的林业而言，有着相当可观的现实应用价值和经济价值，为森林火灾的监测和预警提供安全保障。

4 結论

（1）目前，常用的雷电风险评估并不适用于森林，但可以从雷电活动规律、雷击高风险点和雷暴路径方向3个方面综合评判一个森林保护区的雷电灾害风险，并从中准确掌握森林雷电灾害的高风险点和易发点，为制订合理的防雷措施提供技术支持和指导。

（2）在雷击高风险点、易发点和雷电主要路径的上方架设避雷塔是现代森林防雷的关键，这些措施不仅能保证防雷的效率，也能合理控制成本，在实际工程中具有较高的推广价值，也为现代森林防雷提供了新思路。

参考文献

[1] 余蜀豫.雷电风险评估方法和参数研究及实践[D].南京：南京信息工程大学，2012.

[2] 陆昕，黄滨，杨素芝，等.大兴安岭地区森林火灾发生的原因和扑救特征[J].东北林业大学学报，2019，47（11）：77-80，85.

[3] 刘柯珍.大兴安岭地区夏季火环境及林火发生预报模型研究[D].北京：中国林业科学研究院，2018.

[4] 王明玉.气候变化背景下中国林火响应特征及趋势[D].北京：中国林业科学研究院，2009.

[5] 倪长虹.大兴安岭雷击火发生规律及预防对策的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2008.

[6] 王海帆.现代林业理论与管理[M].成都：电子科技大学出版社，2018.

[7] 马福.森林——生命之源[M].北京：中国林业出版社，2005.

[8] 舒立福，刘晓东.森林防火学概论[M].北京：中国林业出版社，2016.

责任编辑：黄艳飞

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

作者简介 高荣生（1988—），男，山东泰安人，助理工程师，主要从事气象服务与应用气象研究。

收稿日期 2021-08-16