鄭 宏

（黑龍江省森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)信息中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

大興安嶺林區(qū)應(yīng)用“外移式防雷保護(hù)技術(shù)”預(yù)防森林火災(zāi)的設(shè)想

鄭 宏

（黑龍江省森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)信息中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

為研究預(yù)防雷擊引發(fā)的森林火災(zāi)，分析了大興安嶺重點(diǎn)林區(qū)建立防雷保護(hù)技術(shù)的必要性。采取“外移式防雷保護(hù)技術(shù)”，該技術(shù)是運(yùn)用由導(dǎo)閃系統(tǒng)、入射釋放系統(tǒng)、絕緣配合系統(tǒng)和接地阻抗匹配系統(tǒng)等構(gòu)成防雷保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)外移式防雷保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，從而解決大區(qū)域防雷難的問題。從設(shè)想原則、總體思路、結(jié)構(gòu)組成、布局設(shè)想等方面對(duì)預(yù)防雷擊森林火災(zāi)可行性進(jìn)行研究。

大興安嶺林區(qū)；外移式防雷保護(hù)技術(shù)；預(yù)防火災(zāi)設(shè)想

森林火險(xiǎn)主要來自人為火和自然火（雷云放電），由于人為火險(xiǎn)的管理和控制措施不斷加強(qiáng)和完善，人為火險(xiǎn)已得到有效治理，雷電火險(xiǎn)占據(jù)比例亦相應(yīng)增大。黑龍江省北部重點(diǎn)林區(qū)的雷擊森林火災(zāi)較多，由于近年來受到溫室效應(yīng)的影響，累計(jì)次數(shù)在增多[1-2]，2015、2016年兩年大興安嶺地區(qū)累計(jì)發(fā)生雷擊森林火災(zāi)105起，出動(dòng)44 527人次撲火。特別是夏季雷擊火引發(fā)的森林火災(zāi)對(duì)森林的危害較大，撲救困難。雷電是在全球范圍內(nèi)普遍存在的自然現(xiàn)象，其最重要的危害之一就是引發(fā)雷擊火[3]。世界各地均有雷擊引起的森林火災(zāi)發(fā)生。由于大興安嶺呼中地區(qū)具備雷擊森林火災(zāi)發(fā)生的基本條件，雷電活動(dòng)在逐步增強(qiáng)，未來的雷電火險(xiǎn)亦可能越來越多，已有多個(gè)少雷區(qū)變?yōu)槎嗬讌^(qū)[4]。

以呼中區(qū)呼源林場(chǎng)雷電火災(zāi)較密集的小白山區(qū)域?yàn)樵O(shè)想保護(hù)區(qū)，為其配置外移式防雷保護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)想的基本原則

1.1 實(shí)用性和高效性原則

保護(hù)范圍大，外移式防雷保護(hù)技術(shù)本身即為長(zhǎng)距離大范圍保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)范圍根據(jù)氣象、植被、地理等條件，一般設(shè)計(jì)為數(shù)十至數(shù)百平方公里，若達(dá)到數(shù)千平方公里時(shí)，可延續(xù)配置。

1.2 安全性和可靠性原則

實(shí)施外移式防雷保護(hù)之后，雷電強(qiáng)繞擊、強(qiáng)直擊、強(qiáng)感應(yīng)、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)反擊等侵害將不再發(fā)生，被保護(hù)區(qū)的所有設(shè)備、設(shè)施、植被等均可處于長(zhǎng)期安全狀態(tài)。

1.3 經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)原則

根據(jù)外移式防雷保護(hù)技術(shù)原理和在部分企業(yè)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，有效保護(hù)率可達(dá)99%以上。用于大面積保護(hù)時(shí)，常規(guī)防雷保護(hù)系統(tǒng)投資造價(jià)約100萬元/km2，外移式防雷保護(hù)系統(tǒng)投資造價(jià)小于6萬元/km2。

1.4 環(huán)保無污染性原則

外移式防雷保護(hù)系統(tǒng)配置導(dǎo)閃塔數(shù)量少，約每50 km2一基塔，對(duì)森林環(huán)境影響小。另一方面外移式防雷保護(hù)使用的接地材料為專用物理型材料，埋入地下后地面可照常種植花草樹木。

1.5 系統(tǒng)性和先進(jìn)性原則

外移式防雷保護(hù)技術(shù)適用于大范圍林區(qū)雷電火災(zāi)預(yù)防，從防雷技術(shù)效果、適用性、工程造價(jià)與環(huán)境保護(hù)等方面綜合論證，大興安嶺林區(qū)雷電火災(zāi)預(yù)防適用外移式防雷保護(hù)技術(shù)，可使林區(qū)雷電得到較全面徹底的抑制。

2 系統(tǒng)設(shè)想的總體思路

防雷保護(hù)是相對(duì)于國(guó)家規(guī)程規(guī)定的近距離保護(hù)而言，國(guó)際技術(shù)規(guī)范規(guī)定的也是近距離保護(hù)方式，如避雷線與避雷針的45°或30°近距離保護(hù)角和線路避雷器的幾百米保護(hù)半徑等。外移式防雷保護(hù)技術(shù)是遠(yuǎn)距離、大面積保護(hù)方式。

外移式防雷保護(hù)主要由導(dǎo)閃系統(tǒng)、入射釋放系統(tǒng)、絕緣配合系統(tǒng)和接地阻抗匹配系統(tǒng)構(gòu)成。是以接地阻抗匹配為核心，以削弱雷云先導(dǎo)電位和人為建立低阻抗通道方式，阻止雷電強(qiáng)繞擊、強(qiáng)直擊、強(qiáng)感應(yīng)、強(qiáng)沖擊和強(qiáng)反擊，改變雷擊自由選擇，人為控制雷云放電。

若用于保護(hù)大面積林區(qū)可實(shí)施系統(tǒng)接地阻抗匹配，大幅度削弱雷云先導(dǎo)電位，降低雷電強(qiáng)度，并人為改變雷擊選擇點(diǎn)等措施，從而達(dá)到對(duì)大面積區(qū)域有效保護(hù)的目的。

設(shè)想以大興安嶺呼中區(qū)呼源林場(chǎng)雷電火災(zāi)較密集的小白山區(qū)域?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)。配置外移式防雷保護(hù)系統(tǒng)，以阻抗匹配方式實(shí)現(xiàn)早期預(yù)放電，削弱雷電強(qiáng)度并改變雷擊選擇，最終實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的森林安全。

3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

外移式防雷技術(shù)是根據(jù)雷電的多種侵害形式和雷云放電的諸多特點(diǎn)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)形式由阻抗匹配系統(tǒng)和導(dǎo)閃系統(tǒng)組成。保護(hù)范圍超過50 km2時(shí)增加子系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以接地阻抗匹配為核心，以適應(yīng)并利用雷云放電特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)方式，破壞強(qiáng)雷電生成條件，最終達(dá)到有效預(yù)防雷擊的目的。雷云放電亦有隨機(jī)性、選擇性、入射疊加、主流注放電、分支流注放電、沿面放電和預(yù)放電等諸多特點(diǎn)，因此，技術(shù)措施和技術(shù)原理同樣應(yīng)具有多元性，針對(duì)雷電的多種侵害形式和雷云放電的諸多特點(diǎn)，由阻抗匹配系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)整。當(dāng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)波阻抗、接地阻抗等諸多因素進(jìn)行系統(tǒng)匹配后，可降低先導(dǎo)電位強(qiáng)度，改變雷擊選擇，使被保護(hù)區(qū)不發(fā)生雷電繞擊、強(qiáng)直擊、強(qiáng)感應(yīng)、入射沖擊疊加等侵害。

4 系統(tǒng)的布局設(shè)想

大興安嶺林區(qū)雷電引發(fā)森林火災(zāi)頻繁發(fā)生，呼中區(qū)2012-2016年5年內(nèi)共發(fā)生雷電火災(zāi)31次，直接經(jīng)濟(jì)損失巨大，生態(tài)環(huán)境破壞慘重。防止雷擊引起的森林火災(zāi)是森林防火工作中重要難題之一。

雷擊森林火災(zāi)發(fā)生主要具備以下幾個(gè)方面條件：空氣對(duì)流、大氣放電、多風(fēng)少雨、溫度偏高、干旱、可燃物干燥易燃。大興安嶺是國(guó)家一級(jí)自然生態(tài)保護(hù)區(qū)，大興安嶺位于東亞季風(fēng)區(qū)，受貝加爾湖冷空氣和太平洋、印度洋等暖濕空氣影響較大。當(dāng)冷熱空氣溫差較大時(shí)，強(qiáng)對(duì)流必然產(chǎn)生，為大氣放電提供了條件。特別是6～7月最多，晴好天氣雷暴比例大，加之這個(gè)季節(jié)少雨干旱，地面可燃物干燥易燃，雷擊任何一點(diǎn)都可能引發(fā)火災(zāi)。上述生成條件均與氣象、氣候和自然的地理及地質(zhì)因素有關(guān)，大興安嶺呼中林區(qū)頻發(fā)雷電火災(zāi)的原因就是具備了上述全部條件。

在大興安嶺呼中區(qū)呼源林場(chǎng)小白山區(qū)域周圍602 km2范圍內(nèi)，將雷電火災(zāi)較嚴(yán)重的小白山大部分區(qū)域置于保護(hù)范圍內(nèi)，每50 km2設(shè)置1處防雷保護(hù)站，共計(jì)12處，構(gòu)成完整的外移式防雷保護(hù)系統(tǒng)，以達(dá)到降低雷電強(qiáng)度、改變雷擊選擇的目的。保護(hù)區(qū)域邊界坐標(biāo)見圖1。

每處防雷保護(hù)站為一個(gè)獨(dú)立的外移式防雷保護(hù)子系統(tǒng)，主要建設(shè)內(nèi)容包括：4個(gè)接地網(wǎng)；4座導(dǎo)閃塔（塔高為39.4 m、18 m、51 m不等）；4套導(dǎo)閃器和阻抗匹配單元。

材料選擇：導(dǎo)閃器選用外移式防雷保護(hù)專用導(dǎo)閃器（裝置性材料；降阻劑選用TWS型（物理型），配套外移式防雷保護(hù)工程。

雷擊選擇：全部集中在雷電保護(hù)區(qū)各導(dǎo)閃塔上。

雷電閃擊：被保護(hù)區(qū)地面無閃擊點(diǎn)，空間40 m內(nèi)無閃擊點(diǎn)。

圖1 保護(hù)范圍示意

5 結(jié)論

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家和研究機(jī)構(gòu)為此進(jìn)行了大量的技術(shù)研究、試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)，成就了諸多技術(shù)成果。在日常生活、生產(chǎn)活動(dòng)中發(fā)揮了重要作用，這也為預(yù)防雷擊引發(fā)森林火災(zāi)奠定了基礎(chǔ)，解決了制約森林防火工作發(fā)展的瓶頸問題。

外移式防雷保護(hù)技術(shù)是在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究出了問題的關(guān)鍵是雷電的能量釋放渠道、球雷的生成條件兩大問題，采取了阻抗匹配方式，利用雷電預(yù)放電和雷擊選擇性疏導(dǎo)雷電，實(shí)現(xiàn)了大面積的有效防護(hù)。技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明該技術(shù)是成功的大范圍保護(hù)系統(tǒng)，適用于森林區(qū)等重要區(qū)域雷電預(yù)防。

林區(qū)特點(diǎn)是范圍廣、面積大，晴好天氣雷暴和雨前雷暴引發(fā)火災(zāi)概率大，雨中雷暴火災(zāi)概率小。外移式防雷保護(hù)技術(shù)攻克了長(zhǎng)距離、大范圍防雷難題。大面積保護(hù)全覆蓋、無死角，不影響樹木生長(zhǎng)，不影響野生動(dòng)植物生存環(huán)境，不污染土地和自然環(huán)境，減少占地面積。

森林防雷，被保護(hù)物主體是樹木和地面干燥落葉、干燥植被等所有易燃物。在雷擊森林火災(zāi)頻發(fā)的大興安嶺呼中林區(qū)，選擇雷擊頻繁的區(qū)域布設(shè)防雷保護(hù)設(shè)施，防止雷電擊中地被物，最大限度地減少因雷擊引發(fā)的森林火災(zāi)。

實(shí)施外移式防雷保護(hù)之后，保護(hù)區(qū)內(nèi)的雷擊可降低99%以上，雷電直擊和感應(yīng)強(qiáng)度將減弱。不發(fā)生雷電繞擊、強(qiáng)直擊和強(qiáng)感應(yīng)。整個(gè)區(qū)域?qū)⑻幱陂L(zhǎng)期較安全狀態(tài)。

常規(guī)防雷保護(hù)是近距離、小范圍保護(hù)方式，避雷針?biāo)鶖?shù)量大，排列密集，其接地網(wǎng)較多，不利于樹木等植物生長(zhǎng)。用于大范圍保護(hù)時(shí)，為解決繞擊球雷，必須高密度配置防雷裝置且單位成本造價(jià)高昂。外移式防雷保護(hù)是以阻抗匹配為核心，配置導(dǎo)閃塔數(shù)量少，約每50 km2一基塔，面積越大基塔數(shù)量越少，對(duì)森林環(huán)境影響小，可實(shí)現(xiàn)大范圍、大面積保護(hù)，效果顯著；另一方面工程造價(jià)只是常規(guī)防雷保護(hù)的6%左右，使用的接地材料為專用物理型材料，埋入地下后地面可照常種植花草樹木。因此，外移式防雷保護(hù)技術(shù)從經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益都非常適用于大面積林區(qū)保護(hù)。

[1]杜春英，李帥，劉丹，等.大興安嶺地區(qū)森林雷擊火發(fā)生的時(shí)空分布[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2010,19(3):72-76.

[2]田曉瑞，舒立福，王明玉，等.林火與氣候變化研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究,2006,19(5):38-42.

[3]武文杰，孫福琴.內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)雷擊火成因初探[J].內(nèi)蒙古林業(yè),2008(6):18-19.

[4]舒立福，王明玉，李忠琦，等.我國(guó)大興安嶺呼中林區(qū)雷擊火發(fā)生火環(huán)境研究[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(6):94-99.

（責(zé)任編輯：韓煥金）

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2017-03-10