雷电灾害泛指雷击或雷电电磁脉冲入侵和影响造成人员伤亡或物体受损,其部分或全部功能丧失,酿成不良的社会和经济后果的事件。雷电灾害的损失包括直接的人员伤亡和经济损失,以及由此衍生的经济损失和不良影响。雷电作为自然界中影响人类活动的严重灾害之一,不仅造成了人员伤亡,也给航空航天、国防、通讯、计算机、电子工业、石油化工、邮电、交通、森林等行业造成了严重的经济损失。
什么是雷电灾害
雷电的成灾是由以下三方面基本因子相互作用而成的。一是致灾因子,包括灾种和致灾强度;二是承灾体,包括承灾体的环境时空条件和承灾力;三是雷电灾情,包括灾情和灾度。从这三种因子的互动过程,可以看出,雷电成灾过程就是致灾因子通过承灾体的中介而产生雷电灾情的过程。雷电灾情的大小既取决于灾种、致灾强度的大小,又取决于承灾体的环境时空条件和承灾力大小。而雷电灾情的大小又反过来影响承灾体即人类社会的生存和发展。作为承灾体,人类社会既受到致灾因子的影响,又影响着致灾因子的生成和发展,有时往往会构成或引发社会灾害或人为灾害。
社会灾害也通过承灾体的中介作用产生新的灾情。这是一种互馈式互动模式或过程。
1.致灾因子
致灾因子也称为灾象或灾源,是指自然界物质运动过程中一种或数种有破坏力的自然或自然现象,它往往是造成自然灾害的直接原因。
雷电灾害的致灾因子是雷电,但是雷电危害的方式对雷电灾情的大小具有很大的作用。在充满图腾和禁忌的蒙昧时代,先人们对自然、社会和人类自身缺乏了解,往往把雷电灾害根源归结为超自然的“上帝”、“神”或“魔”的力量。因此有“雷公”、“电母”之称。随着社会生产力的发展和科学技术的进步,人们逐渐对雷电灾害成因有了比较正确的认识,比较重视对致灾因子的研究。
但是不可否认,人类活动也形成了社会灾害或人为的一些灾种,如酸雨、沙尘暴、火灾等。人为的致灾因子所产生的灾情,以世界上若干公害事件为例,如比利时的马斯河谷事件,美国多诺拉烟雾事件,洛杉矶光化学烟雾事件,阿拉斯加的溢油事件,英国伦敦烟雾事件,日本的四日市哮喘事件、水俣事件、骨痛病事件、米糖油事件,瑞士桑多化学公司仓库爆炸、污染莱茵河事件等等。所以,原联合国人口基金会总干事萨拉斯把人类无限膨胀的欲望称作“欲望炸弹”。这种“欲望炸弹”的气浪引发了灾难。人们无节制地向自然索取,而遭到了“大自然的报复”,这种报复就是社会——自然灾害。
任何致灾因子中的灾种自身都有一个运动过程,这个过程可分为孕育期、潜伏期、预兆期、爆发期、持续期、衰减期、平息期,这对雷电灾害也一样。雷电灾害的致灾因子可以用三个参数来表示,即时、空、强。
时:雷电出现或发生作用的时间。
空:雷电所在地理位置。
强:雷电强度。
2.雷电灾情
雷电灾情是雷电作用于承灾体所造成的人员伤亡、社会财产损失、灾害救助损失以及恢复其正常社会秩序投入的总和。
雷电灾情用雷电灾害事件和雷电灾害损失来表示。雷电灾害损失由三方面要素构成,一是雷电灾害对人的影响,包括受灾人数、成灾人数和伤亡人数;二是雷电灾害受灾范围,包括受灾面积和成灾面积;三是直接经济损失。
为了使各种灾情有个可比较的测度,马宗晋等学者曾提出“灾度”
这一概念。灾度是自然灾害损失绝对量度的分级标准,以人员伤亡和直接经济损失两个指标把灾情分为巨灾(A级)、大灾(B级)、中灾(C级)、小灾(D级)、微灾(E级)。后来,刘燕华又提出了“灾情等级的绝对指标”与“灾情等级的相对指标”。
3.承灾体
雷电在造福人类(产生臭氧、增加氮肥、清新空气)的同时,也带来了雷电灾害。雷电灾害总是损害人类的利益,威胁人类的生存,无情地毁坏人类的生存环境,贪婪地吞噬着人们的生命财产,是人类生存和社会发展的大敌。所以人类社会及其生存环境是雷电灾害的承灾体。灾害影响社会,造成人员伤亡、迁移、暴乱和异族的入侵。在封建社会,国家的重大事件和政权更替又常与严重的自然灾害相关。尽管灾情的大小是同致灾因子的灾种、致灾强度相关,但承灾体的时空条件和承灾力对灾情大小也有着极大影响。
相同强度雷电作用于承灾体,由于时空条件不同,雷电灾情条件不同,雷电灾情也有很大的不同。
不同的社会条件即使同样的雷电强度,其雷电灾情也不同。在沙漠和人烟稀少地区,与在繁华的人口密集区发生同样等级的雷电灾害,灾情就大不相同。可见,某一灾种作用于承灾体,具有区域性的冲击力和破坏力分布差异。在不同的时间,如在农业生产的不同季节,致灾因子的某一种所造成的损失也不同。
雷电灾害承灾体的承灾能力更是影响着雷电灾情大小的重要因素。
有致灾因子存在总会造成灾情。人类社会至今还无能力来消灭致灾因子,但是灾害承灾体对灾情起到制约作用,即具有减轻自然灾害的能力。从历史上来看,影响承灾体抵御能力的社会因素,有三个方面:(1)缺乏减灾意识、忧患意识,对致灾因子形成、发展不能及时认识和适应;(2)虽然对致灾因子所造成灾害的危害性有所认识,但由于缺乏科学技术知识和经济实力,没有完善的对策,或虽有对策也无法实现;(3)由于群众的不响应。
因此,我们不难由上述灾害成因分析中看出,尽管作为造成灾害的直接原因的致灾因子,总是一种自然现象,但另一方面,产生灾害的前提又往往和人类的生产方式和生活方式及其抵御自然力的能力有关,也就是说,产生灾害的结构原因又往往在于人类社会本身的弱点和人类活动中的失误。这种弱点和失误或表现为不合理地盲目开发自然资源,或表现为人类不自觉地日益污染生态环境,从而降低人类生存环境的空间质量;或表现为人类科技发展的阶段性和局限性带来的危害,或表现为因人类自身生理或心理的固有弱点造成的危害等等。
比如防雷装置不安装或安装不规范导致雷击事故。
总之,灾害或自然灾害归根到底是一种社会事件,在本质上它是对人类社会特定环境和秩序的破坏。
雷电灾害的特性
雷电灾害是一种过程,也是一种现象,具有其自己的特性。它同任何自然灾害一样,有以下几个方面的基本特性。
1.普遍性和恒久性
全球每年约有12亿个闪电,即每秒平均30多个。因此,就某一时间段而言,雷电灾害时时刻刻、无处不在。
2.多样性和差异性
由于雷电在时间和空间分布上的差异,以及强度的不同,这就导致雷电灾害的多样性。此外,由于雷电危害方式不同,也使其具有一定的差异性。
3.全球性和区域性
一方面,雷电灾害在全球每一个角落都有可能发生;另一方面,雷电灾害的发生和影响范围都是有限的。因此具有全球性和区域性。
4.随机性和可预测性
雷电灾害的发生及其要素(发生的时间、地点、强度等因子)似乎是不能确定的,这就是雷电灾害的随机性。不过,雷电灾害本身的发生、发展过程是具有规律性的,是可以预测的。只是由于人类目前对雷电还不完全了解,不能准确预测一切时刻、一切地区雷电灾害的形成与发生过程,雷电灾害发生对人类而言具有随机性。因此,雷电灾害的随机性和可预测性是相对于人类的认识水平而言的。
5.突发性
雷电灾害的发生通常在人们尚未意识到的时候就突然降临,使人们猝不及防,往往带来惨重的后果。
易被雷电袭击的对象
雷电“喜爱”在尖端放电,所以在雷雨交加时,人在旷野上行走,或扛着带铁的金属农具,或骑在摩托车上,或恰恰举起高尔夫球杆,或在电线杆、大树下躲雨,人或物体容易成为放电的对象而招来雷击。
建筑物的顶端或棱角处,也很容易遭受雷击;此外,金属物体和管线都可能成为雷电的最好通路。
1.易遭雷击的地点
土壤电阻率较小的地方,如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方;山坡与稻田接壤处;具有不同电阻率土壤的交界地段。
2.易遭受雷击的建筑物
高耸突出的建筑物,如水塔、电视塔、高楼等;排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等;内部有大量金属设备的厂房;地下水位高或有金属矿床等地区的建筑物;孤立、突出在旷野的建筑物。
3.同一建筑物易遭受雷击的部位
平屋面和坡度≤1/10的屋面、檐角、里墙和屋檐;坡屋度>1/10且<1/2的屋面、屋角、屋脊、檐角和屋檐;坡度>1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角;建筑物屋面突出部位,如烟囱、管道、广告牌等。
据统计,不同的树受到雷击的可能性也不同。据调查,在100次雷击树木中,击中橡树的次数最多,为54次;杨树为24次,云杉为10次,松树为6次,梨树和樱桃树为4次。
但它从来不会击中茂密树林中的桦树和槭树(而不是指空旷地区的孤树)。
观察表明,建筑物越高,遭受雷击的可能性越大。在整整400年间,意大利威尼斯着名的圣马可教堂的钟楼,被雷击12次,使得好端端一座建筑物遭到严重破坏。美国纽约市的帝国大厦,每年平均遭到3次雷击;瑞士卢加诺山上的一个塔顶仅一年时间受到雷击就有100次之多!在雷电出现频率属中等水平的中等平坦地区,各种高度的建筑物每年遭到雷击的平均值为:一般高度100年1次;15米高,5年1次;180米高,每年3次;40米高,每年5次;05米高,每年10次;66米高,每年20次。
雷击物体的过程和危害
1.地闪接地过程和击距
绝大部分云地闪电先导启动于云内,向下传播并接近地面时,在其强大电磁场作用下地面突出物尖端启动向上行进的先导,两者相向行进,直至相互连接,形成正或负地闪。
闪电击地点与云内启动点的水平距离在零千米到大约25千米范围内变化,雷击点既可能正处于闪电启动点的正下方,也可能处于其远处,即出现所谓的“晴空霹雳”现象;当然距雷电启动源区越远,出现雷击点的可能性越小。云地闪电的下行先导的传播和接地行为以及接地点位置决定于雷暴云电荷结构和电场强度分布的总体形势,即取决于在雷暴云尺度(10千米量级)相当的三维空间范围内云体的电荷结构及下垫面地形和土壤电导率分布特点。某个地面构建物的几何尺寸远小于云体尺度,这种小尺度的结构特征不均匀性对下行先导行为的影响只会在下行先导运行到离构建物一倍至几倍击距以内时才有明显的表现。闪电下行先导和构建物之间相互作用的方式和强度,或雷击危害形式和程度由三个主要因素决定,(1)先导位势或电荷量;(2)物体距下行先导的水平距离;(3)物体的结构特性,如突出尖端,边缘,高度等。
2.建筑物的雷击危害形式
这里,建筑物泛指简易民房,古建筑物,高层楼房,装备有各种电子和电器设备的现代化智能大楼,高塔,烟囱以及各种用途的地面仓储构建物等。雷击危害建筑物形式主要是直接雷击和雷电电磁感应两种。
雷电直接击中建筑物可能造成结构损坏,着火燃烧以及人员伤亡事故。例如,1957年7月6日明十三陵长陵棱恩殿遭受雷击,劈掉西部吻兽,劈裂两根直径1.17m,高14.3m的高大楠木柱子,死1人,伤3人。这类雷击危害形式源于雷电流的热效应和机械效应。当强大的雷电流流过击中物体时,热效应导致物体内的水分或其他可挥发成分急剧蒸发或气化,产生局部气体压力突增,膨胀和爆裂,可使树木劈裂、房屋破坏、器物爆裂等,有些闪电的时间较长,则容易造成木结构物或其他可燃物的高温燃烧起火。
雷电电磁脉冲危害是建筑物内部雷击灾害的重要形式,这一形式或效应过去称之为雷电二次效应,还有人称之为“感应雷”,是指雷电电磁场在电子和电气设备的线路上或在其接地线上,耦合产生的电压波形成的一种危害电子设备或电力线路正常功能的形式。有多种途径可能导致雷电电磁脉冲危害:(1)附近自然雷电的电磁辐射对建筑物内的电力线路和电子设备的电磁干扰;(2)建筑物的防雷装置接闪时,强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路和电子设备的干扰;(3)由外部各种强弱电架空线路、电缆传来的雷电电磁脉冲对建筑物内的电子和电器设备的干扰破坏。例如,1957年7月8日中山公园的一棵大树落雷,雷电流感应至附近的配电线路,然后传至中山公园音乐堂内,烧毁了配电室,舞台和观众厅的大顶棚。现代建筑物内几乎都有复杂程度不同的家用电器和微电子设备以及铺设供水、供气、供电和通信等金属管线,民用建筑也不例外。
据研究:实际建筑物内的电磁环境很复杂,通常钢筋框架结构的屏蔽效能只有3~15,现浇密网钢筋混凝土的为32分贝,而电子设备要求的有效屏蔽性能应该为98分贝以上。近年来,雷电电磁脉冲对建筑物内部电子和电器设备的干扰,损伤和破坏的事故频发,危害增多,损失增大,日益成为建筑物防雷设计关注的重点。必须重视实际钢筋混凝土建筑物的屏蔽能力不足的问题,对于现代电子和电气设备密集的智能型大楼的雷电防护,更要严格按照国家防雷规章做好外部和内部的防雷设计和施工,对重点设施和大楼的(电源线,通信线,及各种管线等)进出线还要加强屏蔽和合理安装浪涌保护器等防雷设施。
3.电力设备的雷击危害形式
雷击架空的输电、配电线路可能引起绝缘闪络的三种危害形式:
(1)绕击(SF)形式:雷电直击于相导线,对金属杆塔,地面或屏蔽线,中性线,或其他相导线发生闪络。对于架空配电线,视阻抗典型值500Ω(每边),遭到典型的30千安回击电流直击将产生7.5毫安的过电压,而配电线的绝缘水平通常只有100~500千伏,所以这种直击雷防护是困难的。有效的防护方法是在其上方架设接地良好的屏蔽线。即使不完备的屏蔽线也能够拦截大部分直接雷,而设计良好的屏蔽线也不可能对直击雷实现100%的拦截。在这种屏蔽失败的情况下,发生绕击的雷电流也比较弱,只要采取足够高的绝缘防护措施,可以避免或大大减少闪络的发生。
(2)反击形式:雷击于避雷线及其支持架构,对相导线产生闪络。
设计良好的屏蔽线可以把雷电直击后产生反击事件数降低到很少,进一步采取绝缘防护和其他避雷措施能够避免或大大减少输配电线路的中断事故。