基于层次分析法的广西雷灾风险区划

郭 媛，吴 量，何 宽，阳宏声

（1.广西区防雷中心，南宁 530022；2.广西河池市气象局，广西 河池 547000）

前言

广西是全国雷电高发区之一。年平均雷暴日在沿海地带一般为90d，桂西北内陆地区60d，最多的东兴市为105d，最少的天峨县也有54.5d。广西同时也是雷电灾害最严重的省区之一。据不完全统计，自1998－2017年，广西全区发生雷电灾害847起，造成严重经济损失和人员伤亡。自1998年至今，广西全区共发生405起雷击人员伤亡事件，造成人员伤亡753人（死亡376人、伤377人）。

近些年来，雷电灾害的科学防护越来越受到重视，许多地区纷纷开展雷电易发区域划分和雷电灾害风险区划，国内的气象科技工作者，诸如广东、浙江、江西、江苏、河北、河南、陕西、山东、吉林、四川、贵州、湖北在区域雷电灾害易损性评估与风险区划方面已经做了相关的研究。《国务院关于优化建设工程防雷许可的决定》（国发〔2016〕39号），明确要求“气象部门要加强对雷电灾害防御工作的组织管理，做好雷电监测、预报预警、雷电灾害调查鉴定和防雷科普宣传，划分雷电易发区域及其防范等级并及时向社会公布”。经过相当长一段时间对资料的收集、统计、分析，在前期工作基础上，充分考虑雷电灾害的外动力作用以及广西各地市的社会经济指标，初探广西雷电易发区域及危险防范等级划分，以期为进一步广西区市县三级雷电防护及防雷监管业务提供必要性参考。

1 雷灾风险区划流程（图1）

图1 雷灾风险区划流程

2 资料收集

（1）广西区气象信息中心提供广西1960年～2013年的地面观测雷暴资料；

（2）广西区防雷中心提供2009年～2016年二维雷电监测定位资料；

（3）广西区统计局 2005－2016年年鉴。

3 采用方法

3.1 层次分析法

在对广西全区雷电灾害风险的计算过程中，选取了雷暴日（T）、地闪密度（N）、人口密度（L）、GDP生产均值（D）4个指标描述了雷电灾害的外动力和承灾体特征。其分析步骤如下：

（1）建立层次结构模型。根据实际情况，在雷电灾害风险评估过程中，将层次分析模型分为3层：第1层是雷电灾害危险度的目标层；第2层是雷电灾害形成条件的准则层；第3层是影响因素的指标层。

（2）建立雷电灾害风险评估指标权重的成对比较矩阵。从层次结构模型的第2层开始，对于从属于（或影响）上一层每个因素的同一层诸因素，构造成对比较矩阵，直到最下层。依据选用的评估指标和层次模型，建立判断矩阵T：

矩阵中各项Bij表示该项所对应的Bi相对于Bj的重要程度，常采用Saaty标度法，如表1所示。

表1 成对比较矩阵标度含义

（3）成对比较矩阵的一致性检验。对于每一个成对比较矩阵计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。一致性指标 Ic＝（rmax－n）／（n－1），其中 n 为成对比较矩阵的阶数，然后查找平均随机一致性指标 Ir，最后计算一致性比例 Rc，Rc＝Ic／Ir，当 Rc＜0.1时，一般认为成对比较矩阵的一致性是可以接受的，否则，就要对成对比较矩阵做适当的修正。

（4）计算出各指标的权重值。对于构造出的成对比较矩阵用Matlab软件求出最大特征根rmax和特征向量W，对特征向量进行归一化后即为各指标的权重。

（5）雷电灾害风险值计算。通过层次结构分析法，计算出各指标的权重系数，得到权重矩阵（R），结合风险评估归一化指数X，得到风险评估的数学模型为W＝∑R·X。依据此公式，可计算出各市的雷电灾害风险值。

3.2 自然断点法

自然断点法是一种地图分级算法。该算法认为数据本身有断点，可利用数据这一特点进行分级。算法原理是一个小聚类，聚类结束条件是组间方差最大，组内方差最小。计算方法见下式：

式中：SSD—方差；i，j—第 i，j个元素； 长度为 N的数组；k—i，j中间的数，表示A组中的第k个元素。

4 雷电灾害风险评估指标分析

4.1 雷暴日指标

以各个气象观测站的记录为依据，统计近50a（1960—2013年）的雷暴日观测资料，得到各市多年平均雷暴日（表2）。

表2 广西各市多年平均雷暴日

4.2 地闪密度指标

利用2009—2016年观测到的闪电资料，根据广西各市的行政区划边界，统计得到地闪密度值，地闪密度的空间分布如表3和图2（见彩页）所示。

表3 广西各市地闪密度

4.3 人口密度指标

人口密度（L，单位：万人／km2）能够反映区域发生雷电灾害时，单位面积上受危害的人数。统计广西2005－2016年各市平均人口密度，如表4所示。

表4 广西各市人口密度

4.4 单位面积的GDP指标

单位面积的GDP，可反映区域遭受雷击后单位面积上可能的经济损失，也可以间接反映各市抵御雷电灾害的能力及灾后恢复能力。其计算公式为D＝Ds／S，其中Ds为各市的GDP生产总值，S为各区县的土地面积，统计得到广西各市的GDP指标如表5所示。

表5 广西各市GDP生产均值

5 雷电灾害风险评估与区划

5.1 建立风险评估模型

选取了雷暴日（T）、地闪密度（N）、人口密度（L）、GDP 生产均值（D）作为评估指标，按照 Saaty标度方法，建立雷电灾害风险评估的成对比较矩阵及权重分布。

图3 层次结构模型图示

a为决策目标，b1为中间层要素，即雷灾危险性；雷灾造成的经济影响b2、雷灾造成的社会影响b3、二维闪电数据c1、雷暴日观测数据c2为备选方案

考虑b1与b3比，十分重要，与b2比，比较重要；b3与b2比，稍微重要；c1与c2比，十分重要，采用层次分析法：

a判断矩阵一致性比例为0.0825。

表6 决策目标a判断矩阵

b1判断矩阵一致性比例为0。

表7 中间层要素b1判断矩阵

判断矩阵一致性比例均＜0.1，说明成对比较矩阵具有较为满意的一致性，由此得到最终权重，见表8。

表8 雷电灾害风险评估参数最终权重

综上所述，雷电灾害风险评估模型为W＝0.1123T+0.5615N+0.2255L+0.1007D

5.2 雷灾风险值计算

为了使各指标值取统一量纲，对指标进行归一化处理，将值统一转化到［0，1］范围.本文采用归一化函数对各指标进行无量纲化：

其中Ri是归一化后的值，xi是各项指标的实际值，ximax是各项指标的最大值。利用指标归一化结果及推算出的风险评估方程，计算出各市的风险值，如表9所示。

表9 广西各市雷灾风险值

5.3 雷灾风险等级划分

依据广西雷电气候分析，采用自然断点法，将全区雷灾风险划分为极高风险等级 （雷电易发危险Ⅰ级）、高风险等级（雷电易发危险Ⅱ级）、中等风险等级（雷电易发危险Ⅲ级），表10和图4（见彩页）。

表10 广西区级雷灾风险等级区划表

6 防雷安全防范等级及措施

6.1 防雷安全防范等级

根据所处区域的雷灾风险区划结果，将防雷安全防范等级对应划分为一级、二级和三级（表11）。

表11 防雷安全防范等级

6.2 措施

防雷安全防范措施是被防范对象按照相关防雷标准，结合其所处雷电风险等级和雷电防范等级，应采取的工程性、非工程性措施（表12、表13）。

6.2.1 工程性措施

建（构）筑物的防雷措施应符合GB50057－2010的规定，电子信息系统防雷措施应符合GB50343－2012的规定。

表12 工程性措施附加措施

6.2.2 非工程性措施

（1）建立雷电安全管理制度，制定雷电灾害应急预案，开展雷电防御知识培训。

（2）按法律法规规定委托具有防雷检测资质的机构进行定期检测，并对防雷安全隐患及时整改。

（3）设立专门雷电安全管理员，组织防雷装置自查，确保防雷装置正常运行。

（4）设立警示标志，并在可触及的部位采取隔离措施或做绝缘处理。

（5）遇雷雨天气时必须停止户外作业，提醒及时进入安全地带，切断重要设备的电源，防止雷击损坏。

（6）根据雷电预警信息，做好相应防范措施，及时上报雷电灾情。

表13 非工程性措施附加措施

［1］Elsom D M.Deaths caused by lightning in England and Wales［J］.Weather，1993，48：83－90.

［2］Coates L，Blong R，Siciliano F.Lightning fatalities in Australia［J］.Natural Hazards，1993，8：217－233.

［3］Curran E B，Holle R L，LOPEZ R E.Lightning casualties and damages in the United States from 1959 to 1994［J］.Climate，2000，13：3448－3464.

［4］陈渭民.电学原理［M］.北京：气象出版社，2006：1－2.

［5］高邁，蒙小亮，劳小青.基于聚类分析的海南岛雷电灾害易损度风险区划［J］.自然灾害学报，2013（1）：175－182.

［6］丁旻，甘文强，邵莉丽.贵州省雷电灾害易损性分析及区域划分［J］.成都信息工程学院学报，2011，26（2）：189－193.

［7］郭虎，熊亚军.北京市雷电灾害易损性分析、评估及易损度区划［J］.应用气象学报，2008，19（1）：35－40.

［8］袁湘玲，王振会，肖稳安，等.雷电灾害潜在与现实易损性分析及区划研究—以黑龙江省为例［J］.灾害学，2011，26（1）：20－25.

［9］殷娴，肖稳安，冯民学，等.区域雷灾分布特征及易损度区划［J］.气象科技，2009，37（2）：216－219.

［10］郭虎，熊亚军.北京市雷电灾害易损性分析、评估及易损度区划［J］.应用气象学报，2008，19（1）：35－36.

［11］严春银.江西省雷电灾害易损性分析及其区划［J］.江西科学，2006，24（2）：131－132

［12］刘三梅，吕海勇，陈绍东，等.广东省雷电风险区划研究［J］.资源科学，2014，36（11）：2337－2344.

［13］阳宏声，林为东，杨召绪，等.浅谈雷灾调查鉴定方法［J］.气象研究与应用，2012，33（2）：118－121.

［14］黄建林，张勇，刘丁维.近10a信宜市雷击灾害分析［J］.气象研究与应用，2012，33（S1）：316－317.

［15］张月红，劳红福.一次雷击事故的浅析［J］.气象研究与应用，2011，32（4）：173－176.

［16］李传龙，高皴，蒙小亮.万宁市区雷暴特征初步分析与雷电防扩［J］.气象研究与应用，2011，32（1）：104－107.

［17］李远辉，李建勇.江门雷电活动特征及其对防雷减灾的意义［J］.气象研究与应用，2010，31（S2）：188－190.

［18］朱明，潘杰丽，李会玲.一次雷击事故成因分析及其预防措施［J］.气象研究与应用，2007，28（4）：67－68.