基于層次分析法的廣西雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

郭 媛，吳 量，何 寬，陽(yáng)宏聲

（1.廣西區(qū)防雷中心，南寧 530022；2.廣西河池市氣象局，廣西 河池 547000）

前言

廣西是全國(guó)雷電高發(fā)區(qū)之一。年平均雷暴日在沿海地帶一般為90d，桂西北內(nèi)陸地區(qū)60d，最多的東興市為105d，最少的天峨縣也有54.5d。廣西同時(shí)也是雷電災(zāi)害最嚴(yán)重的省區(qū)之一。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1998－2017年，廣西全區(qū)發(fā)生雷電災(zāi)害847起，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。自1998年至今，廣西全區(qū)共發(fā)生405起雷擊人員傷亡事件，造成人員傷亡753人（死亡376人、傷377人）。

近些年來(lái)，雷電災(zāi)害的科學(xué)防護(hù)越來(lái)越受到重視，許多地區(qū)紛紛開(kāi)展雷電易發(fā)區(qū)域劃分和雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，國(guó)內(nèi)的氣象科技工作者，諸如廣東、浙江、江西、江蘇、河北、河南、陜西、山東、吉林、四川、貴州、湖北在區(qū)域雷電災(zāi)害易損性評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃方面已經(jīng)做了相關(guān)的研究?！秶?guó)務(wù)院關(guān)于優(yōu)化建設(shè)工程防雷許可的決定》（國(guó)發(fā)〔2016〕39號(hào)），明確要求“氣象部門要加強(qiáng)對(duì)雷電災(zāi)害防御工作的組織管理，做好雷電監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警、雷電災(zāi)害調(diào)查鑒定和防雷科普宣傳，劃分雷電易發(fā)區(qū)域及其防范等級(jí)并及時(shí)向社會(huì)公布”。經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間對(duì)資料的收集、統(tǒng)計(jì)、分析，在前期工作基礎(chǔ)上，充分考慮雷電災(zāi)害的外動(dòng)力作用以及廣西各地市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，初探廣西雷電易發(fā)區(qū)域及危險(xiǎn)防范等級(jí)劃分，以期為進(jìn)一步廣西區(qū)市縣三級(jí)雷電防護(hù)及防雷監(jiān)管業(yè)務(wù)提供必要性參考。

1 雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃流程（圖1）

圖1 雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃流程

2 資料收集

（1）廣西區(qū)氣象信息中心提供廣西1960年～2013年的地面觀測(cè)雷暴資料；

（2）廣西區(qū)防雷中心提供2009年～2016年二維雷電監(jiān)測(cè)定位資料；

（3）廣西區(qū)統(tǒng)計(jì)局 2005－2016年年鑒。

3 采用方法

3.1 層次分析法

在對(duì)廣西全區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算過(guò)程中，選取了雷暴日（T）、地閃密度（N）、人口密度（L）、GDP生產(chǎn)均值（D）4個(gè)指標(biāo)描述了雷電災(zāi)害的外動(dòng)力和承災(zāi)體特征。其分析步驟如下：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)實(shí)際情況，在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中，將層次分析模型分為3層：第1層是雷電災(zāi)害危險(xiǎn)度的目標(biāo)層；第2層是雷電災(zāi)害形成條件的準(zhǔn)則層；第3層是影響因素的指標(biāo)層。

（2）建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的成對(duì)比較矩陣。從層次結(jié)構(gòu)模型的第2層開(kāi)始，對(duì)于從屬于（或影響）上一層每個(gè)因素的同一層諸因素，構(gòu)造成對(duì)比較矩陣，直到最下層。依據(jù)選用的評(píng)估指標(biāo)和層次模型，建立判斷矩陣T：

矩陣中各項(xiàng)Bij表示該項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的Bi相對(duì)于Bj的重要程度，常采用Saaty標(biāo)度法，如表1所示。

表1 成對(duì)比較矩陣標(biāo)度含義

（3）成對(duì)比較矩陣的一致性檢驗(yàn)。對(duì)于每一個(gè)成對(duì)比較矩陣計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機(jī)一致性指標(biāo)和一致性比率做一致性檢驗(yàn)。一致性指標(biāo) Ic＝（rmax－n）／（n－1），其中 n 為成對(duì)比較矩陣的階數(shù)，然后查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo) Ir，最后計(jì)算一致性比例 Rc，Rc＝Ic／Ir，當(dāng) Rc＜0.1時(shí)，一般認(rèn)為成對(duì)比較矩陣的一致性是可以接受的，否則，就要對(duì)成對(duì)比較矩陣做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

（4）計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重值。對(duì)于構(gòu)造出的成對(duì)比較矩陣用Matlab軟件求出最大特征根rmax和特征向量W，對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化后即為各指標(biāo)的權(quán)重。

（5）雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算。通過(guò)層次結(jié)構(gòu)分析法，計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，得到權(quán)重矩陣（R），結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估歸一化指數(shù)X，得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的數(shù)學(xué)模型為W＝∑R·X。依據(jù)此公式，可計(jì)算出各市的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值。

3.2 自然斷點(diǎn)法

自然斷點(diǎn)法是一種地圖分級(jí)算法。該算法認(rèn)為數(shù)據(jù)本身有斷點(diǎn)，可利用數(shù)據(jù)這一特點(diǎn)進(jìn)行分級(jí)。算法原理是一個(gè)小聚類，聚類結(jié)束條件是組間方差最大，組內(nèi)方差最小。計(jì)算方法見(jiàn)下式：

式中：SSD—方差；i，j—第 i，j個(gè)元素； 長(zhǎng)度為 N的數(shù)組；k—i，j中間的數(shù)，表示A組中的第k個(gè)元素。

4 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分析

4.1 雷暴日指標(biāo)

以各個(gè)氣象觀測(cè)站的記錄為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)近50a（1960—2013年）的雷暴日觀測(cè)資料，得到各市多年平均雷暴日（表2）。

表2 廣西各市多年平均雷暴日

4.2 地閃密度指標(biāo)

利用2009—2016年觀測(cè)到的閃電資料，根據(jù)廣西各市的行政區(qū)劃邊界，統(tǒng)計(jì)得到地閃密度值，地閃密度的空間分布如表3和圖2（見(jiàn)彩頁(yè)）所示。

表3 廣西各市地閃密度

4.3 人口密度指標(biāo)

人口密度（L，單位：萬(wàn)人／km2）能夠反映區(qū)域發(fā)生雷電災(zāi)害時(shí)，單位面積上受危害的人數(shù)。統(tǒng)計(jì)廣西2005－2016年各市平均人口密度，如表4所示。

表4 廣西各市人口密度

4.4 單位面積的GDP指標(biāo)

單位面積的GDP，可反映區(qū)域遭受雷擊后單位面積上可能的經(jīng)濟(jì)損失，也可以間接反映各市抵御雷電災(zāi)害的能力及災(zāi)后恢復(fù)能力。其計(jì)算公式為D＝Ds／S，其中Ds為各市的GDP生產(chǎn)總值，S為各區(qū)縣的土地面積，統(tǒng)計(jì)得到廣西各市的GDP指標(biāo)如表5所示。

表5 廣西各市GDP生產(chǎn)均值

5 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃

5.1 建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

選取了雷暴日（T）、地閃密度（N）、人口密度（L）、GDP 生產(chǎn)均值（D）作為評(píng)估指標(biāo)，按照 Saaty標(biāo)度方法，建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的成對(duì)比較矩陣及權(quán)重分布。

圖3 層次結(jié)構(gòu)模型圖示

a為決策目標(biāo)，b1為中間層要素，即雷災(zāi)危險(xiǎn)性；雷災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)影響b2、雷災(zāi)造成的社會(huì)影響b3、二維閃電數(shù)據(jù)c1、雷暴日觀測(cè)數(shù)據(jù)c2為備選方案

考慮b1與b3比，十分重要，與b2比，比較重要；b3與b2比，稍微重要；c1與c2比，十分重要，采用層次分析法：

a判斷矩陣一致性比例為0.0825。

表6 決策目標(biāo)a判斷矩陣

b1判斷矩陣一致性比例為0。

表7 中間層要素b1判斷矩陣

判斷矩陣一致性比例均＜0.1，說(shuō)明成對(duì)比較矩陣具有較為滿意的一致性，由此得到最終權(quán)重，見(jiàn)表8。

表8 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)最終權(quán)重

綜上所述，雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型為W＝0.1123T+0.5615N+0.2255L+0.1007D

5.2 雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

為了使各指標(biāo)值取統(tǒng)一量綱，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，將值統(tǒng)一轉(zhuǎn)化到［0，1］范圍.本文采用歸一化函數(shù)對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化：

其中Ri是歸一化后的值，xi是各項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值，ximax是各項(xiàng)指標(biāo)的最大值。利用指標(biāo)歸一化結(jié)果及推算出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程，計(jì)算出各市的風(fēng)險(xiǎn)值，如表9所示。

表9 廣西各市雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)值

5.3 雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

依據(jù)廣西雷電氣候分析，采用自然斷點(diǎn)法，將全區(qū)雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) （雷電易發(fā)危險(xiǎn)Ⅰ級(jí)）、高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（雷電易發(fā)危險(xiǎn)Ⅱ級(jí)）、中等風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（雷電易發(fā)危險(xiǎn)Ⅲ級(jí)），表10和圖4（見(jiàn)彩頁(yè)）。

表10 廣西區(qū)級(jí)雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃表

6 防雷安全防范等級(jí)及措施

6.1 防雷安全防范等級(jí)

根據(jù)所處區(qū)域的雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果，將防雷安全防范等級(jí)對(duì)應(yīng)劃分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)（表11）。

表11 防雷安全防范等級(jí)

6.2 措施

防雷安全防范措施是被防范對(duì)象按照相關(guān)防雷標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合其所處雷電風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和雷電防范等級(jí)，應(yīng)采取的工程性、非工程性措施（表12、表13）。

6.2.1 工程性措施

建（構(gòu)）筑物的防雷措施應(yīng)符合GB50057－2010的規(guī)定，電子信息系統(tǒng)防雷措施應(yīng)符合GB50343－2012的規(guī)定。

表12 工程性措施附加措施

6.2.2 非工程性措施

（1）建立雷電安全管理制度，制定雷電災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，開(kāi)展雷電防御知識(shí)培訓(xùn)。

（2）按法律法規(guī)規(guī)定委托具有防雷檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期檢測(cè)，并對(duì)防雷安全隱患及時(shí)整改。

（3）設(shè)立專門雷電安全管理員，組織防雷裝置自查，確保防雷裝置正常運(yùn)行。

（4）設(shè)立警示標(biāo)志，并在可觸及的部位采取隔離措施或做絕緣處理。

（5）遇雷雨天氣時(shí)必須停止戶外作業(yè)，提醒及時(shí)進(jìn)入安全地帶，切斷重要設(shè)備的電源，防止雷擊損壞。

（6）根據(jù)雷電預(yù)警信息，做好相應(yīng)防范措施，及時(shí)上報(bào)雷電災(zāi)情。

表13 非工程性措施附加措施

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