引言

雷电灾害作为全世界公认的十大自然灾害之一，其发生发展具有很强的随机性和瞬时性，其危险性评估具有一定难度，为不断满足实际需要，业务上对其评估方法也在不断改进。1995年国际电工委员会(IEC)出台了技术标准IEC61662，将雷电灾害风险评估定义为雷电对建筑物和服务设施造成的可能年度损失。2006年IEC提出了IEC62305系列标准，充实和调整了单体建筑物和服务设施的雷电灾害风险评估技术思路和整体步骤，形成了较为完善的评估体系和结构。2008年我国借鉴IEC62305系列标准，推出GB/ T21714，雷电风险评估工作逐渐业务化^[1]，科研及业务人员也在住宅小区^[2]、机场^[3]、化工企业^[4]等多个不同场所探索及尝试雷电风险评估方法。

科学的雷电灾害风险评估是提出切实有效的防雷措施的重要前提。自然风景区通常面积大、地形环境复杂、雷电防护困难，存在较大的雷电灾害风险，目前尚无适用的雷电灾害风险评估技术规范。IEC 62305和GB/T21714仅适用于单体建筑物，计算过程中还需要了解建筑物的建筑尺寸，不适用于空旷的自然风景区，而且这一方法无法应用历史雷灾、雷电强度等重要参数，也不能全面客观的反应自然风景区的孕灾环境和致灾因子特征。将模糊理论与层次分析法的优势相结合的模糊层次分析法（FAHP）已应用在在许多领域中应用，例如评估方案优劣、系统可信度、系统效能、安全等级、风险等级等。扈海波等^[5]以行政区域为评估单元，利用层次分析模型评估各区县的雷电灾害风险。丁旻等^[6]应用模糊综合模型评估某国际会展中心雷电灾害风险。袁湘玲等^[7]选取黑龙江省雷暴日数、雷电灾害频数、生命易损模数及经济易损模数作为雷电灾害风险评估指标，对该省雷电灾害风险综合评估。王羽飞^[8]以层次分析法为主，结合加权综合法，提出了铁路综合交通换乘枢纽的雷电灾害风险评估方法。罗骕翾等^[9]利用层次分析法确定雷灾风险影响因素权重，对既有普通建筑进行雷电灾害风险评估。以上层次分析法应用实例说明了这一理论适用于雷电灾害风险评估。本文根据模糊层次分析法，考虑自然风景区的孕灾环境、致灾因子、承灾体易损度等特征，讨论自然风景区的雷电灾害风险评估方法，并应用该方法对三峡某自然风景区进行雷电灾害风险评估。

1 评估方法及原理 1.1 模糊理论

模糊综合评判^[10]是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，对包括定量和非定量模糊因素及多个决策参与者的多目标复杂决策问题，建立一套有条理的、能利用这些模糊信息并加以形式化评判的方法，以帮助决策者做出合理决策。定量地对其造成损害的严重程度进行科学的评价，从而为正确的指挥决策提供条件。

雷电灾害风险正是这样一类模糊事物，受周围环境、雷电活动特性、防护措施完善程度、受灾体特征等多种因素影响，其风险的大小难以用定量的数据描述，需要考虑与被评价事物相关的各个因素，在定性分析影响雷电灾害风险的各种因素的基础上，才能对雷电灾害风险进行科学的评价。

1.2 层次分析法

在模糊综合决策中，权重是至关重要的，它反映了各个因素在综合决策过程中所占的地位或所起的作用，它直接影响到综合决策的结果。目前常用确定权重的确方法有很多，如特尔菲法、环比法和区间估计法、PC-LINMAP祸合法、层次分析法等。其中层次分析法(The Analytic Hierarchy Process，简称AHP)^[11]是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，它特别适用于解决难以完全定量分析的问题。运用层次分析法确定绩效评估指标权重，较好的实现了定性与定量的结合，确保各绩效指标之间相对重要性得到合理、公平的体现，从而为客观公正地进行绩效评估奠定基础。

1.3 评估步骤

使用层次分析法分析决策问题时，主要是通过建立递阶层次结构，把人们的判断转化为若干因素两两之间重要度的比较上面，从而把难以量化的定性判断转化为可操作的重要度的比较并逐层进行判断评分，利用计算判断矩阵的特征向量确定下层指标对上层指标的贡献程度或权重，从而得到最基层指标对于总体目标的重要性权重排序。主要分为以下几个步骤：

(1) 建立递阶层次。根据统计资料分析结果和现场实际勘测情况，按照层次分析法原理，将递阶层次分为三层：第一层为目标层，即雷电灾害风险等级；第二层为准则层，即影响雷电灾害风险的多方面因素；第三层为方案层，即隶属于上一层的各因素的子因素，方案层的子因素相对容易量化。

(2) 构建判断矩阵。判断矩阵表示针对上一层次某指标，本层次与之有关的各因素之间的重要性比较。构建的判断矩阵需要通过一致性检验。

(3) 形成雷电灾害风险评估模型。雷电灾害风险指数可用以下公式表示：

$R = \sum\nolimits_{j = 1}^n {w\left( j \right)C\left( {i, j} \right)} $

(1)

式(1)中，R为雷灾风险指数，n为变量总数，w (j)为各因子的权重，C(i, j)通过相关因子历史资料统计分析、模糊赋值等方式得出。

(4) 求评估矩阵。利用矩阵计算得出准则层各因子的评估矩阵，从而进一步得到目标层雷电灾害风险评估矩阵。

(5) 确定雷电灾害风险等级。确定因子风险评分及风险等级判定标准，求得风景区雷电灾害风险总得分，从而确定风险等级。

(6) 计算各因子对雷电风险影响程度。由判断矩阵确定的因子权重，可以计算评价体系中底层各因子对目标层雷电灾害风险的影响程度及排名。

(7) 给出评估意见和建议。根据评估结果和现场勘测情况，提出可行的减小雷电灾害风险的意见和建议。

2 三峡某景区雷电灾害风险评估 2.1 危险性分析

三峡某景区是国家5A级景区，总面积约2×10⁵ km²，景区内以绿化为主，是观赏三峡工程全景的最佳位置，吸引着大量游客。分析中国气象局大气探测中心2007—2013年闪电定位数据可知：景区1 km范围内闪电密度(C1)最大值为8.43次·a^-1·km^-2，主要景点附近闪电密度分别为4.91次·a^-1·km^-2、4.51次·a^-1·km^-2、4.62次·a^-1·km^-2和3.85次·a^-1·km^-2。雷电流强度(C2)最大值为97.80 kA，主要景点附近雷电流强度分别为32.70 kA、34.43 kA、31.81 kA和29.28 kA。平均闪电密度与雷电流强度均大于附近地区。由宜昌市气象局提供的气象资料可知，全年7、8月的雷暴日数最多，平均每月约8~9 d，约占全年雷暴日数的48.67%。雷电灾害主要集中分布在4—8月，其中7—8月尤为严重。由长江三峡旅游发展有限责任公司提供的旅游区管理资料中的历史雷灾(C3)资料可知，2005年至今，4—10月发生过3次雷电灾害事故，造成一棵大树遭雷击、2名游客身亡、5名游客受伤。

该自然风景区地形广阔、地形地貌复杂、地表土壤泄流能力差(表层为回填土，底层为岩石，由于回填土的厚度和土质不一，不同区域土壤电阻率相差较大，测得的数值均在几百到一千Ω·m之间)，加之要求安装的防雷设施不能影响景区景观，致使安装完善的直击雷防护措施(C4)较困难。由近两年的检测结果和现场勘测情况可知，景区内部分防雷设施已老化或保护范围不能满足。例如服务用房接闪带及引下线锈蚀严重，接地引下线外露，存在因接触电压造成的风险，且接地电阻值大于10 Ω。景区二级平台上设有一灯塔(其顶上装有接闪杆)，接地良好，但不能为该景点提供足够的直击雷防护范围。新建的旅游大巴候车区和张拉膜的接地系统为网状接地体，其余服务用房和路灯等均为单点或多点接地，无防接触和跨步电压措施(C5)。景区无完善的雷电预警与响应系统(C6)。雷电多发季节正是该景区旅游旺季，考虑到经济效益，若出发前无剧烈天气过程，导游仍会组织游客上山。景区内无大型建筑物，服务用房不能同时容纳所有游客避雷。景区面积较大，按海拔高度分为三级，雷暴发生时，短时间内游客不可能从山顶撤下。雷雨天气，游客存在因直接雷击和接触、跨步电压受伤害的风险。

该景区最高点海拔高度(C7)为262.48 m，景区主体外观为一隆起的山地，毗邻长江，因为特殊的环境位置(C8)，较周围地区更容易遭受雷击：长江江面丰富的水汽、两岸山脉地形高低落差大、崎岖不平等有利于雷暴天气的因素导致雷云对地闪击的频率比周围地区的多。

各个景点游客逗留时间(C9)约20 min，在制高点和江边平台逗留时间稍长(这两处闪电密度均在4次·a^-1·km^-2以上)，由于景区较大，游客在整个景区时长约为三个小时。近三年的游客数量(C10)资料统计结果显示，园区每天平均接待游客4 500人。1—3月游客数量较少，4月份以后游客数量剧增，10月游客数量最大，4—10月平均游客人数达194 853人/月。由以上分析可知，4—10月正是雷暴活动频繁，增加了游客遭雷击风险。

本次评估主要考虑景区人员伤亡损失风险，由直接雷击造成的风险和因接触和跨步电压造成的风险两部分构成。以下将利用模糊层次分析法评估该自然风景区的人员伤亡损失风险。

2.2 建立递阶层次

根据门福录阐述的灾害学的内容及归纳的自然灾害的研究方法^[12]，结合金菊良等给出的层次分析法用于自然灾害风险识别系统的具体途径^[13]以及当地雷电灾害的特点，建立该自然风景区雷电灾害风险评估模型。图 1给出三峡某自然风景区雷电灾害风险评估模型，模型的目标层为雷电灾害风险等级，准则层分为雷电活动、雷电预警及防护、自然环境和人员活动情况，方案层主要包括闪电密度、雷电流强度、历史雷灾、直击雷防护措施、防接触和跨步电压措施、雷电预警和响应系统、海拔高度、环境位置、游客逗留时间和游客数量这些相对容易量化的因素。

2.3 构建判断矩阵

对同一层次的各个元素关于上一层次中某一准则的重要性进行两两比较，文中采用Saaty标度方法^[14]量化各因素的相对重要性，构造出判断矩阵。即每次取两个因子C_i和C_j，比较结果用矩阵A=(C_ij)_n×n表示，即为判断矩阵。根据闪电定位资料、雷灾统计资料、旅游区管理资料和现场勘测结果，确定S-V判断矩阵，对每一层次各因素的相对重要性给出判断^[5]。计算各因子权重并作归一化处理，结果见表 1。

同理确定V-C判断矩阵，详见表 2~5：

表 1~5中的判断矩阵均通过一致性检验，具有满意的一致性。

2.4 形成雷电灾害风险评估初步模型

由以上判断矩阵分析可知：

雷灾等级评估指数(R)

$R = 0.4915V1 + 0.3059V2 + 0.0777V3 + 0.1249V4; $

(2)

雷电活动评估指数(V1)

$V1 = 0.5695C1 + 0.3331C2 + 0.0974C3; $

(3)

雷电防护措施评估指数(V2)

$V2 = 0.25C4 + 0.25C5 + 0.5C6; $

(4)

自然环境评估指数(V3)

$V3 = 0.25C7 + 0.75C8; $

(5)

人员活动评估指数(V4)

$V4 = 0.5C9 + 0.5C10。$

(6)

2.5 求准则层各因素评估矩阵

根据该风景区的雷电活动特征、防雷措施、地理位置、地质地貌特征、游客统计资料等信息，由专家组对C1~C10进行模糊评价，评价结果如表 6所示：

由矩阵相乘的定义和性质可知，代表各子因素权重的矩阵与其赋值矩阵的乘积即为评估所需的各指数矩阵V1~V4:

$\begin{array}{l} V1 = \left( {0.5695{\rm{\;\;0}}{\rm{.3331\;\;0}}{\rm{.0974}}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.6}&{0.3}&{0.1}&0&0\\ {0.4}&{0.4}&{0.1}&{0.1}&0\\ {0.3}&{0.4}&{0.2}&{0.1}&0 \end{array}} \right)\\ {\rm{\;\;\;\; = }}\left( {0.5042{\rm{\;\;0}}{\rm{.3431\;\;0}}{\rm{.1094\;\;0}}{\rm{.0431\;\;0}}} \right) \end{array} $

(7)

$\begin{array}{l} V2 = \left( {0.2500{\rm{\;\;0}}{\rm{.2500\;\;0}}{\rm{.5000}}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.7}&{0.3}&{0}&0&0\\ {0.6}&{0.3}&{0.1}&{0}&0\\ {0.7}&{0.3}&{0}&{0}&0 \end{array}} \right)\\ {\rm{\;\;\;\; = }}\left( {0.6750{\rm{\;\;0}}{\rm{.3000\;\;0}}{\rm{.0250\;\;}}{\rm{0\;\;0}}} \right) \end{array} $

(8)

$\begin{array}{l} V3 = \left( {0.2500{\rm{\;\;0}}{\rm{.7500}}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.4}&{0.3}&{0.3}&0&0\\ {0.6}&{0.4}&0&0&0 \end{array}} \right)\\ {\rm{\;\;\;\;}} = \left( {0.5500{\rm{\;\;}}0.3750{\rm{\;\;}}0.0750{\rm{\;\;}}0{\rm{\;\;}}0} \right) \end{array} $

(9)

$\begin{array}{l} V4 = \left( {0.5000{\rm{\;\;0}}{\rm{.5000}}} \right)\left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.4}&{0.2}&{0.3}&{0.1}&0\\ {0.3}&{0.3}&{0.3}&{0.1}&0 \end{array}} \right)\\ {\rm{\;\;\;\;}} = \left( {0.3500{\rm{\;\;}}0.2500{\rm{\;\;}}0.3000{\rm{\;\;}}0.1000{\rm{\;\;}}0} \right) \end{array} $

(10)

由以上计算可知，准则层的评估矩阵V为：

$V = \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.5042}&{0.3431}&{0.1097}&{0.0431}&0\\ {0.6750}&{0.3000}&{0.0250}&0&0\\ {0.5500}&{0.3750}&{0.0750}&0&0\\ {0.3500}&{0.2500}&{0.3000}&{0.1000}&0 \end{array}} \right) $

(11)

2.6 求系统总评估矩阵

代表准则层各因素权重的矩阵与其评估矩阵V的乘积即为雷灾等级评估指数矩阵R:

$\begin{array}{l} {\rm{\;\;\;\;\;\;\;\;}}R = \left( {0.4915{\rm{\;\;0}}{\rm{.3059\;\;}}0.0777{\rm{\;\;}}0.1249} \right)\\ \left( {\begin{array}{*{20}{c}} {0.5042}&{0.3431}&{0.1097}&{0.0431}&0\\ {0.6750}&{0.3000}&{0.0250}&0&0\\ {0.5500}&{0.3750}&{0.0750}&0&0\\ {0.3500}&{0.2500}&{0.3000}&{0.1000}&0 \end{array}} \right) \end{array} $

(12)

经归一化处理后，

$R = \left( {0.5407{\rm{\;\;0}}{\rm{.3207\;\;}}0.1049{\rm{\;\;}}0.0336{\rm{\;\;}}0} \right) $

(13)

2.7 总得分

如果对方案层各因素风险评价等级按百分制给分，则可求雷电灾害风险的总得分F，由风险总得分F所在的区域判断风险等级。各风险等级百分制评分情况及风险等级判定标准如表 7所示。

经计算可知，雷电灾害风险的总得分F=RS^T= 85.36。参照表 7，可确定三峡某自然风景区雷电灾害风险较高。

2.8 计算各因子对风险影响程度

由表 6中的权重集计算方案层中各影响因子对三峡某自然风景区雷电灾害风险的影响程度，并给出影响程度排名，详见表 8：

从以上结果可知，各影响因子的影响程度排名为C1闪电密度、C2雷电流强度、C6雷电预警和响应系统、C4直击雷防护措施、C5防接触和跨步电压措施、C9游客逗留时间、C10游客数量、C8环境位置、C3历史雷灾、C7海拔高度。其中C1闪电密度、C2雷电流强度以及C6雷电预警和响应系统对该自然风景区雷电灾害风险影响尤其显著。

2.9 针对以上分析的改进措施

从影响雷电灾害风险的因子权重可知，除了闪电密度和雷电流强度这两项自然因素外，雷电预警和响应系统、直击雷防护措施和防接触和跨步电压措施对自然风景区雷电灾害影响最大。结合实际情况和评估结果，提出以下几条意见和建议：

(1) 防雷装置安全性能常规检测是防雷安全工作的基础，与游客活动有关联的设施、场所都必须进行防雷装置安全性能常规检测。凡属游客活动区域，具有接闪功能的金属构件必须有合格的防雷接地。不符合现行技术规范要求的防雷装置要及时整改。

(2) 设置临时避雷场所，完善其直击雷防护措施和防接触和跨步电压措施。图 2给出三峡某自然风景区示意图，从中可见，停车场西侧山包（位置①所在处）在风景区边缘，不属于景区景观，游客一般不会靠近。建议在山上设置独立避雷塔(灯塔)，为山下的停车场提供直击雷防护，在避雷塔周围种植矮杆密植植物或设置防护栏，将游客隔离在安全距离以外，山下的停车场作为紧急防雷场所。另一处停车场建设两个独立避雷塔(树形)（位置②、位置③所在处），采用环形接地体或网格型接地体，表面做好绝缘和排水措施，避雷塔周围设置障碍物，使游客与避雷塔保持一定的安全距离，以保障停车场内游客安全上车避险。供游客等候观光车的张拉膜（位置④所在处）应做好防直击雷和地面电位均衡措施。所有具有接闪功能的标识牌、高杆灯等，均应采用环形接地体或网格型接地体，并使其与游客保持一定的安全距离。

(3) 建立雷电预警和响应系统。实践证明，仅仅靠实施防雷工程技术，不能完全控制风险。长江三峡旅游发展有限责任公司应建立与湖北省三峡气象服务中心、三峡水资源部气象中心联动的预警机制，争取做到0.5~1.0 h的雷电临近预报，并健全应急机制，完善应急程序。在雷电来临之际应暂停游客上山，利用应急广播系统、电话、短信等手段及时通知景区工作人员，疏导游客下山，或到已建立并符合要求的避雷场所中躲避。定期开展应急演练，在实践中掌握和完善应急方案和程序。掌握基本的防雷知识，是分散在各个服务区的工作人员执行防雷避险引导工作的前提，应加强对导游和现场管理人员的防雷安全教育、防雷知识培训，提高其雷击事故处理能力和急救技能。利用风景区内的科普宣传橱窗、电子屏等，对游客进行防雷安全知识普及教育。在高风险区和紧急避险场所设置标识。对景区内的防雷应急预案、应急路线图和警示标识等每年进行一次检查，并结合实际不断充实和完善。

3 结论与讨论

本文利用模糊理论、结合层次分析法，探索空旷的自然风景区的雷电灾害风险评估方法。以三峡某自然风景区为例，建立多层次雷电灾害评估模型，确定该风景区雷电灾害风险等级，计算各因子对雷电灾害风险的影响程度，并给出减小风险的意见和建议。评估结论及整改意见主要有以下几点：

(1) 该自然风景区雷电灾害风险的总得分为85.36，风险较高。

(2) 从评估结果可知，各影响因子的影响程度排名为C1闪电密度、C2雷电流强度、C6雷电预警和响应系统、C4直击雷防护措施、C5防接触和跨步电压措施、C9游客逗留时间、C10游客数量、C8环境位置、C3历史雷灾、C7海拔高度。其中C1闪电密度、C2雷电流强度以及C6雷电预警和响应系统对该自然风景区雷电灾害风险影响尤其显著。

(3) 在自然环境无法改变和不能影响景区运营的前提下，通过提升“C6雷电预警和响应系统”、“C4直击雷防护措施”和“C5防接触和跨步电压措施”的防护能力，可有效降低该自然风景区雷电灾害风险，比如建立雷电预警和响应系统，并定期开展应急演练，设置临时避雷场所，完善直击雷防护措施以及防接触和跨步电压措施，定期进行防雷装置安全性能检测。

本例中采用模糊层次分析理论，结合雷电活动、雷电防护措施、自然环境和人员活动情况等特点评估该自然风景区雷电灾害风险，与其它评估方法相比，更符合景区实际情况，提出的整改意见也更为合理、有效。该评估方法及结果已获景区管理部门的认可，提出的整改措施也在逐步落实。然而雷电灾害的发生、发展是一个非常复杂的过程，不仅取决于自然环境、雷电防护体系，还和评价区域的经济发展水平和对雷电灾害的承受能力相关。由于各自然风景区的特性不尽相同，因此在利用层次分析法评估自然风景区雷电灾害风险时，需要针对不同被评估对象的特性，因地制宜地选取准则层和方案层，确定各因素的权重，进一步优化评估模型，使评估结果更符合实际。此外，若自然风景区内存在建(构)筑物，可以结合IEC62305和GB/T21714等现行标准评估区域雷电风险。

南京信息工程大学副教授肖稳安、湖北省防雷中心张科杰、安徽省防雷中心朱浩、南京市防雷中心刘佼、大连市防雷中心王洪祥等对各因子权重的选取和评分提供了宝贵的意见。同时，三峡枢纽管理局及长江三峡旅游发展有限责任公司相关工作人员为勘测工作提供帮助，并为防雷措施的可实施性提供意见，谨致谢忱。