京津唐地區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性變化研究＊

蘇桂武,馬宗晉,朱 林,齊文華,鄧 硯,李 曼

(1.中國地震局地質研究所,北京 100029;2.國家煤礦安全監(jiān)察局,北京 100713)

0 引言

近年來,脆弱性(vulnerability)問題在災害研究中的核心和基礎地位已成為學術界的廣泛共識[1-10]。關于地震災害中的脆弱性,以往主要從工程抗災角度研究各類結構物的抗震性能、易損性程度及與此密切相關的人員傷亡可能程度問題。但是,任何一次地震災害的承災體均不僅限于結構物和人員等有限方面,而總是多種類和多層面的,且可粗略地分為承災體單體、承災體群體和承災體系統(tǒng)三類[11-12]。目前,相比于結構物和人員等承災單體與群體而言,對不同形式承災體系統(tǒng)的災害脆弱性問題的討論在地震災害研究領域尚較落后。

為此,我們將在已有研究基礎上[12-13],以京津唐地區(qū)為例,繼續(xù)深化對區(qū)域性人類社會承災體系統(tǒng)地震災害綜合整體脆弱性——地震災害區(qū)域宏觀脆弱性特點和描述分析手段、時空變化規(guī)律和變化驅動機制等問題的分析與討論,以期從區(qū)域尺度、綜合整體層次和動態(tài)變化視角不斷增進對地震災害脆弱性問題的理解。

1 地震災害區(qū)域宏觀脆弱性描述分析手段的再認識

1.1 人類社會承災體系統(tǒng)地震災害脆弱性的分析層次和描述角度

一個遭受地震災害打擊的區(qū)域是一個復雜的承災體系統(tǒng)。前期研究指出,該承災體系統(tǒng)的地震災害宏觀綜合脆弱性——地震災害區(qū)域宏觀脆弱性是相對于該區(qū)域人類社會經濟體系中的各種承災單體、群體和各種次級承災體系統(tǒng)的微觀、具體或特定層次/側面的災害脆弱性狀況而言的;其概念內涵可大體表述為:區(qū)域人類社會經濟體系因遭受地震事件影響以及在與地震事件相互作用過程中,所體現出來的破壞損失機會/幾率的多少、破壞損失潛力的大小和破壞后恢復能力的強弱等方面的整體性質;且這種整體性質是特定區(qū)域人類社會經濟系統(tǒng)自身的固有屬性,具有明確的空間范圍和空間尺度性質,是對特定區(qū)域人類社會經濟體系中的各種微觀、具體和特定層面/側面上的脆弱性,在區(qū)域尺度上的宏觀概括和系統(tǒng)整體上的綜合[12]。目前,隨著研究的深入,關于這些層次、側面和角度的認識亦得到了進一步的深化,因此有必要對其進行補充和完善。

如何描述和分析人類社會承災體系統(tǒng)的地震災害脆弱性,例如一個區(qū)域人類社會經濟體系的地震災害綜合脆弱性,目前國內外尚無象分析具體結構物地震災害脆弱性(或易損性)的ATC-X系列(特別是ATC-13及后續(xù)版本)或EMS98[14-16]等那樣較為成熟和大體統(tǒng)一的方法。根據地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的概念內涵和基本特點可知,要對該類脆弱性進行描述和分析,顯然需要“承災體與自然災變(Hazard)間相互作用的過程分析理念”和“一般系統(tǒng)論理念”予以支持?；谶@些理念,同時結合對國內外相關認識的綜合分析來看,依照如圖1所示框架,從不同分析層次和描述角度先逐步地加以系統(tǒng)解析,然后再予以某種形式的概括和綜合,可能是分析該類宏觀綜合脆弱性的必由之路。其中,分析層次大體有結構和(生物)物理的(Structural and Physical/Biophysical)、功能(包括資源環(huán)境功能)和經濟的(Functional and Economical)、社會和組織的(Social and Organizational),以及(社會)心理和文化的(Psychological/Social psychological and Cultural)4個;概括地講,分別與特定區(qū)域人類社會經濟體系是由什么樣的組份組成和組成特點如何,發(fā)揮著什么樣的社會經濟或資源環(huán)境功能,具有什么樣的社會組織形式和社會運行機制,以及擁有什么樣的社會心理和社會文化傳承等方面的相關性質相對應,體現了從有形的物質實體脆弱性到無形的“精神意識”脆弱性(例如災害心理與災害行為的偏差、災害的文化響應與文化適應的局限等)間的漸進與擴散。描述角度大體有暴露(Exposure)、敏感性(Sensitivity)、彈性(Resilience)和恢復潛力(Recovery Potential)4個,是相對于區(qū)域人類社會經濟體系因遭受地震打擊或面臨地震危險而顯現出來的一系列狀態(tài)和性質而言的。當前,關于暴露、敏感性等的概念內涵,災害研究中尚無統(tǒng)一界定,常常需要在具體問題中加以具體化。例如,暴露一般指承災體與特定自然災變間相互接近的程度,暴露的大小與災變的頻率/概率、強度、歷時和災變與承災體間的空間鄰近程度有關。由于本研究關于京津唐地區(qū)的地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化的討論是基于設定地震(Scenario earthquake)理念進行的,即假設全研究區(qū)均同時遭受了某同一地震烈度的作用,此時描述研究區(qū)人類社會經濟體系暴露于該地震影響的程度的概率是100%,災變強度也是定值,因此此時研究區(qū)相對于該設定地震而具有的暴露就得到了很大程度的簡化,且可概括性地理解成該區(qū)域內承災體數量的多少,承災體數量越多,暴露程度越大,脆弱性越大,也就是說區(qū)域內承災體數量越多則該區(qū)域一旦遭受地震打擊,產生的損失一般越多,因此脆弱性一般越大。敏感性、彈性和恢復潛力的含義有時有所交叉,但一般來說,敏感性通常與承災體的類型有關,即不同種類的承災體易受特定種類和強度災變影響而產生損失的程度不同,易受影響而產生損失的程度高則敏感性強,脆弱性大。例如,相比于農田、農作物和農業(yè)生產系統(tǒng)而言,廠房、設備和工業(yè)生產系統(tǒng)更易受地震影響而產生損失,因此一個區(qū)域內工業(yè)成份越多則對地震影響越敏感,脆弱性越大。彈性一般指承災體在受到地震等災變事件作用造成損失/負面影響(或造成超過某域值的損失/負面影響)前,所表現出來的抵御不良影響和對不良影響進行自我適應的能力。例如房屋建筑的結構類型和建筑質量不同,抗震性能不同,亦即它們相對地震而具有的彈性不同;對于一個區(qū)域而言,如果當地社會及民眾的應急反應和自救互救能力較強,則在遭受同等強度和相似特點的地震作用時,應對災害事件和適應不良影響的能力較強,災害損失和影響通常整體較小,亦即彈性較大,脆弱性較小?；謴蜐摿t主要指某種人類社會經濟系統(tǒng)遭受地震打擊形成災害后,在恢復到震前狀態(tài)或發(fā)展到其他某種狀態(tài)的過程中所體現出來的自我修復和自我調整能力,自我修復和調整的能力越強,恢復能力越強,災害帶來的不良影響就越容易盡快消除,進一步的損失風險越小,因此脆弱性越小。例如發(fā)達地區(qū)的自我恢復能力通常較貧困地區(qū)強,因此災害脆弱性亦較小等。

圖1 人類社會承災體系統(tǒng)災害脆弱性的分析層次和描述角度

1.2 地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的影響因素和描述指標

分析承災體災害脆弱性的具體方法,常用的歸納起來大致有3類:①定性分析;②基于災害成災機理和成災過程的物理化或機理化的定量分析方法,如實驗法、模擬仿真法和災害實況調查與歸納法等;③基于不同脆弱性評價指標的半定性半定量分析方法,如多指標綜合評價方法等。對于一個區(qū)域的地震災害綜合宏觀脆弱性而言,假如能夠基于第2類方法所指示的技術思路,按照前述分析提出的描述該類脆弱性的不同層次和角度,類似建立具體結構物的損失率曲線或破壞概率矩陣那樣,從地震致災的過程與機理出發(fā),厘定出整個區(qū)域的宏觀綜合脆弱性的數理表達式或數理模型,那自然是最好。但是,對于十分復雜的區(qū)域災害脆弱性問題而言,這樣做目前尚缺乏基礎理論、基本數理方法和基礎震害資料的有力支持,更難以借助實驗予以歸納或驗證,同時亦缺少前人的典型研究經驗以茲借鑒。因此,基于災害脆弱性研究的現有進展,從前述地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的不同分析層次和不同描述角度,在定性分析基礎上,提取與這些層次和角度相對應的和與區(qū)域尺度相適合的各種可量化的宏觀脆弱性指標,然后再以這些指標為基礎進行某種形式的數理概括和綜合,可能是目前定量分析地震災害區(qū)域宏觀脆弱性現實的和主要的途徑。

為此,我們在分析地震事件致災成害,特別是區(qū)域尺度和區(qū)域綜合水平上如何致災成害,以及相應的應急救援與恢復重建過程的特點及其各類影響因素[17-20]的基礎上,從描述地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的不同層次,特別是不同角度出發(fā),對影響該類脆弱性大小的因素及其宏觀指標,進行了示范性的歸納(圖2)。例如,區(qū)域社會經濟系統(tǒng)中的人口和經濟要素,從暴露角度講,人口和經濟密度可用來描述該區(qū)域的宏觀脆弱性水平,即某地區(qū)的人口和經濟密度越大,則該地區(qū)受到地震威脅或地震發(fā)生時受到影響的人口和財產數量就可能越多,災前的災害風險或災后的災害損失可能越大,因此脆弱性越大;而從敏感性或彈性角度講,特定地區(qū)產業(yè)結構中的農業(yè)比重越大、人口構成中的老幼人口比例越小和人們受教育的年限越長,地震時受到的影響就可能越小(前者),而人們應對災害的能力一般越強(后者),因此脆弱性較低;再來看恢復潛力,一個地區(qū)地方財政收入較多、人們較富裕,那么該地區(qū)通常具有較強的自我恢復能力,因此脆弱性較小。值得說明的是:

(1)本研究討論的地震災害脆弱性是區(qū)域尺度上的宏觀綜合脆弱性,因此其描述指標也往往是宏觀而概括性的,那些僅反映各因素細節(jié)、局部特點的和僅適合于描述次級尺度承災體系統(tǒng)(如社區(qū)等)的指標,不在這種區(qū)域尺度脆弱性分析所要討論的范疇之列。

(2)有些因素對地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的影響可同時表現為正反兩個方面,故需從中提取脆弱性含義不同的兩類指標來同時刻畫這同一因素對區(qū)域整體產生的不同的脆弱性效應。例如經濟要素,一個地區(qū)的經濟發(fā)達程度與該地區(qū)的災害暴露程度有關,經濟發(fā)達、財產數量多,則暴露程度大、脆弱性大,經濟因素的這種脆弱性效應可用GDP密度和財產密度等加以刻畫;另一方面,經濟發(fā)達程度還與一個地區(qū)的自救互救能力和恢復潛力有關,經濟發(fā)達,則災時自救互救能力強、災后恢復潛力大,脆弱性小,經濟因素的這種脆弱性效應則可用地方財政收入密度、當地居民的收入和儲蓄水平等加以反應。

(3)還有一些因素,如社會基礎性救災資源中的醫(yī)療、消防和軍警隊伍等,討論其脆弱性效應時,我們主要關注這些因素承擔的社會職能或職責所反應的脆弱性意義。顯然,一個地區(qū)的醫(yī)療和消防事業(yè)越發(fā)達,則地震時該地區(qū)應急救災和抑制災害蔓延的能力越強,因此災害脆弱性越小;至于這些因素自身也作為承災體的一部分而具有的脆弱性增大效應(暴露增多),與其脆弱性減小效應相比要次要得多,且這種增大效應可以通過區(qū)域內的總人口密度和財產密度加以反應,因此,在討論這些因素的脆弱性意義時,應以其脆弱性減少效應為代表。

(4)專業(yè)領域(機構/部門等)的地震災害及防震減災科學認識水平、政府層面上的法律法規(guī)完備程度、政府及其有關部門的災害應急指揮能力、民眾及地方社會層面的災害緊急應對能力等,對一個地區(qū)災害脆弱性大小的重大和基礎性的影響毋庸質疑。例如,地震科學和防震減災理論與技術發(fā)達、防震減災體制和法律法規(guī)體系健全的國家/地區(qū),應對地震災害的辦法更多、更有效,減輕地震災害的能力更強等已被國內外很多地震災害實例所證實。但是,在我們關于京津唐地區(qū)地震災害脆弱性時空變化的具體分析中,由于研究區(qū)是同處我國首都圈地區(qū)的一個相對較小的范圍,因此從空間維度來看,這些因素的很多部分在研究區(qū)不同部分之間不大可能有本質的或顯著的差別(民眾和地方社會層面的災害應對能力除外);時間維度上雖有很大變革,但目前對其災害脆弱性意義進行量化尚較困難?；谶@些考慮,本文在具體討論研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時空變化時,暫未對這些因素做系統(tǒng)而深入的考慮。

(5)近年來的災害實例(例如2008年汶川8.0級大地震)表明:區(qū)域內各減災行為主體間的綜合聯(lián)動與協(xié)調能力/水平,包括各級政府及部門間的聯(lián)動與協(xié)調能力、社會各單位/組織間的協(xié)作能力/水平、政府與地方社會及民眾間的互動能力與效果等等是影響一個地區(qū)災害脆弱性高低的重大因素。但是,關于這些能力和水平的科學診斷尚需進一步的科學探索,加之與“專業(yè)領域的地震災害及防震減災科學認識水平等”一樣,這些因素/指標中的多數在本文所關注的那個較小空間范圍內,也不大可能有本質差別,時間維度上的差別雖然是可以想象的,但具體刻畫尚需探索和開發(fā)專門的手段與方法。因此,本研究關于研究區(qū)的具體分析計算中也未對這些因素展開十分具體的討論。

(6)近年來的災害實例還表明:地方社會和普通民眾的防震減災觀念與震災認知水平、社會民眾的災害應激態(tài)勢及自我調適能力、地域性文化影響人們響應/適應災害的形式和特點等也是特定地區(qū)地震災害脆弱性大小的基礎性影響因素。對這些因素災害脆弱性意義及其時空差異性的分析需要借助專門領域的知識,包括行為科學、社會和環(huán)境心理學,以及人類生態(tài)學或生態(tài)人類學等相關學科的知識。關于這些方面,我們雖然也做了一些初步的探索與實證[19-20],但取得的認識尚是很局部和有限的,目前尚不足以在研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化的具體定量分析中加以系統(tǒng)應用。因此,本文關于研究區(qū)的實際分析中對這些因素/指標的考慮也是很有限的。

圖2 地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的影響因素和描述指標

以上關于人類社會承災體系統(tǒng)災害脆弱性的分析層次與描述角度和地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的影響因素與描述指標的分析與歸納,仍是比較初步和示范性的,尚需在今后的工作中結合具體形式的承災體系統(tǒng)而予以不斷完善。

1.3 地震災害區(qū)域宏觀脆弱性定量分析的數理方法

前述分析表明,地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的影響因素多且相互關聯(lián)復雜,各因素脆弱性意義上的描述指標也多種多樣,即使是同一因素的脆弱性意義,有的也需要同時提取代表脆弱性增大和脆弱性減小兩種不同含義的指標予以刻畫。因此,要對這種復雜問題進行定量分析,除提取有代表性的指標外,還必須尋找合適的數理方法予以有效概括和恰當綜合。從學術界目前的進展來看,涉及該類問題的定量分析時,層次分析方法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)是被運用較多的方法。但是,總體而言,該方法在“人為主觀性甚至隨意性的控制”和“定量結果的實際問題解釋能力”方面尚顯不足。

為此,本文在前期研究的基礎上,進一步發(fā)展和完善了一套以主成分分析(Principal Component Analysis)[21]為主,以自然函數正交分解(Empirical Orthogonal Function,簡稱EOF)、因子分析(Factor Analysis)[21]和立體數據時空全局分析部分原理與分析問題理念為輔的數理分析方法,來定量分析研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時空變化及其驅動機制問題。這套方法中,指標體系確定后的所有分析計算過程都是客觀的,從而就在一定程度上彌補了AHP方法中人為主觀性較難控制的不足,更重要的是計算結果的脆弱性(變化)內涵解釋能力也得到了明顯提高。

2 京津唐地區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時空變化及其驅動機制

2.1 數據、指標體系和數理分析過程

2.1.1 研究區(qū)范圍和數據來源

研究區(qū)范圍與前期研究一致,仍由全部或大部分位于1976年唐山7.8級地震實際烈度Ⅵ度外包線以內的縣級行政區(qū)組成,共含64個縣市[12]。

數據主要來源:①京、津、冀三省(市)相關年份的社會經濟統(tǒng)計年鑒和有關的地方志資料;②“十年尺度中國地震災害損失預測研究組”于1995年發(fā)表的部分成果[22];③由遙感影像解譯而來的研究區(qū)部分土地利用/土地覆蓋資料。

2.1.2 指標體系的建立

基于對地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的描述分析層次、角度及指標的上述分析和目前的認識水平,同時考慮各指標之于討論問題的實際意義、代表性和相應數據的當前可獲得性等,首先以2000年為代表,選取25個指標(S1～S25)來分析研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間變化(表1)。

表1 研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化分析的指標體系

然后基于1985、1995、2000和2004年4個時期間的對比,討論脆弱性的時間變化。因上述25個指標中一些指標所代表的意義不能適用于所有時期,例如,由文獻[22]計算而來的預測建筑物地震損失密度(S1)和預測經濟生產能力地震損失密度(S2)僅適用于2000和2004年,加之部分指標在某些時期的基礎數據難以獲取等原因,為保證不同時期間計算結果的可比性,這里統(tǒng)一確定基于14個指標(T1～T14)(表1)討論脆弱性的時間變化。

確定該指標體系時,主要考慮兩條原則:①凡在以2000年為代表的脆弱性空間變化分析中被證實較重要或脆弱性解釋意義較顯著的指標,都盡可能地予以保留;②新確定的指標體系要能充分反映脆弱性變化的主要特征。經不斷驗證和對比可知,2000年時,新確定的14個指標和原25個指標,兩者揭示的脆弱性空間變化的主要特征具有良好的一致性[13],表明用14個指標分析脆弱性的時間變化是可靠的。

兩套指標中,指標均分兩類:第1類與研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的變化總體正相關,即指標值越大一般意味著脆弱性越大,反之越小;第2類與脆弱性變化總體反相關。各指標的含義及其所代表的脆弱性內涵前期研究已有闡述[12-13]。

2.1.3 數理分析方法和分析過程

本研究部分詳細而具體的數據處理和分析計算步驟、計算表達式和相應的原理及其脆弱性分析意義,前期研究已有一些闡述[12-13],這里將其中的關鍵點和本文進一步深入分析所涉及的計算表達式、相關原理和相應的數據處理方法概括如下:

(1)數據處理

為消除量綱影響和考慮分析問題的實際意義,先分別對各時期各指標的原始數據進行標準差標準化,后將與脆弱性變化總體呈負相關的第2類指標的標準化值的“+/-”號對調,以保證參與分析的數據矩陣與研究區(qū)脆弱性的變化總體上具有統(tǒng)一的相關性。

在對比研究區(qū)各地自身脆弱與否的程度在不同時期間的縱向變化時,為保證各時期間計算結果的可比性,對1985、1995、2000和2004年共4個年份14個指標的原始數據進行了“時空全局特殊標準差標準化”處理,即:首先將每個指標共4個時期(縣市)=256個樣本組成的時空全局綜合變量進行標準差標準化,然后再將第2類指標的標準化值的“+/-”號對調。這種時空全局標準差標準化與同一時期內的一般標準差標準化相比,兩者得到的數據系列的均值(為0)意義不同,前者是全區(qū)全時段(1985-2004年)的綜合平均,因此,若某時期某縣市某一指標的得值為正,則表明該時期該縣市在該方面的狀況比全區(qū)全時段的綜合平均大,否則比全區(qū)全時段的綜合平均小,從而就有了明確的時間變化對比意義,而后者只是一個時期的全區(qū)平均,沒有時間變化方面的含義。

(2)分析過程

首先基于2000年25個指標和設定地震烈度Ⅰ=Ⅷ度時的數據矩陣,進行脆弱性空間變化的典型分析;然后依據設定地震烈度Ⅰ=Ⅵ、Ⅶ和Ⅸ度時的數據矩陣,進行有關計算結果的對比;最后以1985、1995,2000和2004年共4個時期為代表,基于14個指標分析脆弱性的時間變化。

(3)計算表達式

①對各時期標準差標準化后的數據矩陣,進行主成分分析,依據如下主成分表達式,計算相應的系數向量li1,li2,…,lip和主成分yi。

式中:xk(k=1,2,…,P)為原變量;yi(i=1,2,…,m)為主成分;li1,li2,…,lip為第i個主成分的系數向量;P、m分別為原變量和選定主成分的個數(以下各式同),且m≤P。

②用下式計算各主成分(以下簡稱PC)在各原變量上的載荷aik。

式中:aik為第i個PC在第k個原變量上的載荷;lik為第i個PC的系數向量中與第k個原變量相對應的值;λi為第i個PC的方差。

③用下式計算各變量在不同地震烈度條件下(空間變化研究中)或在不同代表時期(時間變化研究中)的權重?；诟髦笜碎g權重大小的相互對比關系及這種對比關系在不同代表時間斷面間的變化,綜合分析研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化的主要驅動因素。

式中:W為第k個原變量的權

k選定PC在第k個原變量上的共同度。

④用下式計算研究區(qū)各縣市的PC綜合得分。

式中:Fj為第j個縣市的PC綜合得分;yji為第j個縣市在第i個PC上的值。

⑤用下式計算研究區(qū)各縣市的脆弱性綜合評價指數。

式中:vj為第j個縣市的脆弱性綜合評價指數;x0jk為第j個縣市第k個指標的標準差標準化值(第2類指標要經過“+/-”號對調);wk為第k個指標的權重(式(3))。

⑥為對比研究區(qū)各縣市自身脆弱與否的程度在不同時期間的縱向變化,用下式計算研究區(qū)各縣市在1985、1995、2000和2004年等不同時期的脆弱性程度指數。由于該值是經由各指標的時空全局特殊標準差標準化值計算而來的,因此若某時期某分析單元的脆弱性程度指數為正,則表明該時期該分析單元較全區(qū)全時段(1985-2004年)的脆弱性平均狀況更脆弱,反之較全區(qū)全時段平均的脆弱程度小。

式中:t為1985、1995、2000和2004年等不同代表時期;wtk為14個指標中第k個指標在第t年份的權重(式(3),且某指標在某時期的權重值由且僅由各指標在該時期的值確定,而與在其它時期的值無關);x＊tjk為第t年、第j縣市的第k個指標的時空全局特殊標準差標準化值(第2類指標同樣需要經過“+/-”號對調)。

2.2 結果分析

2.2.1 脆弱性空間變化模式及其時間變化和意義

分別對2000年25個指標在設定地震烈度Ⅰ=Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ及Ⅸ度條件下的數據矩陣進行主成分分析,結果表明:不同烈度條件下,研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間變化均可分解成少數幾種脆弱性空間差異模式(簡稱脆弱性模式,下同),且每一模式的特點,包括方差貢獻(表2)、載荷分布和該模式反映的脆弱性空間分異格局等都基本不隨設定地震烈度的變化而變化[12],這些一致性符合本研究關于“一個區(qū)域的地震災害脆弱性是該區(qū)域人類社會經濟體系自身固有屬性”的認識前提。

脆弱性模式中,前3種模式最為重要,規(guī)律也最明顯、穩(wěn)定。表2顯示,前3種模式的累積方差貢獻達65%～67%,表明研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間變化中,有2/3左右的信息可被前3種模式所代表。其中,模式Ⅰ占總方差的43%～44%,最為主要;前期研究表明,該模式主要是由研究區(qū)城市化、人口和經濟特別是工商業(yè)經濟發(fā)展水平(因這些因素更主要地與城市和城市經濟有關,故本文稱其為“城市和城市經濟類”因素)的區(qū)域差異造成的,且集中反映了研究區(qū)“GDP密度等1類指標的值增大脆弱性就隨之增大和財政收入等2類指標的值增大脆弱性則隨之減小”的一般性質。該模式反映的脆弱性呈現以各大中城市為中心向四周遞減的總體分異趨勢。模式Ⅱ和模式Ⅲ的方差貢獻分別為13.1%和9.3%上下(表2),兩者都與研究區(qū)農業(yè)和農村問題(本文稱其為“農業(yè)和農村類”因素)的區(qū)域差異密切相關,但相關關系大體相反,因此兩模式反映的脆弱性區(qū)域分異格局也大致相反,前者反映的脆弱性南高北低,后者北高南低[12]。

表2 2000年25個指標和設定地震烈度Ⅰ=Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度條件下各PC的方差貢獻和相應的累積方差貢獻

表2還顯示,模式Ⅰ的方差貢獻大概是模式Ⅱ和模式Ⅲ兩者方差貢獻之和的2倍左右,表明研究區(qū)脆弱性的空間變化中,來自城市和城市經濟類因素的影響大概是農業(yè)和農村類因素影響的2倍左右。這就從宏觀概括層面說明:對于研究區(qū)的防震減災而言,處理好城市和城市經濟方面的相關問題更顯關鍵。

對1985、1995、2000和2004年由14個指標組成的各數據矩陣進行的主成分分析表明:1985年以來,研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性空間分異的變化主要體現為上述3種脆弱性模式的變化。其中,模式Ⅰ的變化主要體現在方差貢獻上,近20年來其方差貢獻增加了接近13個百分點[13];表明1985年以來,城市和城市經濟類因素對研究區(qū)脆弱性空間分異的影響越來越顯著。模式Ⅱ和模式Ⅲ的變化以載荷分布的變化和各模式代表的脆弱性空間分異格局的變化較明顯,且兩模式的變化還具有相當程度的反向特點[13]。以上3種主要脆弱性模式的變化交織在一起,使得研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的整體空間分異在不同時期而具有不同的特點。

2.2.2 脆弱性空間變化格局及其時間變化和意義

依據式(4)和式(5),分別計算了2000年時25個指標和設定烈度Ⅰ=Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ及Ⅸ度條件下,研究區(qū)各縣市的PC綜合得分和脆弱性綜合評價指數。結果表明,各烈度條件下,兩種結果反映的脆弱性空間分異格局基本一致,且這種格局也基本不隨設定地震烈度的變化而變化,這種一致性同樣符合本研究關于“一個區(qū)域的地震災害脆弱性是該區(qū)域人類社會經濟體系自身固有屬性”的認識前提。分異格局的基本特點是[12]:①京、津、唐和秦皇島等大中城市市區(qū)的脆弱程度異常高,這主要與這里的人口和經濟過于密集有關;②較全區(qū)平均脆弱程度明顯小的地區(qū)集中在京、津兩地諸郊縣,這主要與這些縣的人口和經濟密度雖然通常比較大,但同時卻具有較高的財政收入、居民收入和較好的醫(yī)療救護等防災減災資源與能力有關;③研究區(qū)東北和西南兩局部的脆弱程度比全區(qū)平均普遍略偏高,這主要與這些地區(qū)的社會經濟發(fā)展相對較落后,防災減災能力不足有關;④除上述地區(qū)外,其他地區(qū)的脆弱性狀況大體圍繞全區(qū)平均水平小幅波動。

依據式(4)和式(5),基于14個指標,分別計算了研究區(qū)在1985、1995、2000和2004年等4個不同時期的PC綜合得分和脆弱性綜合評價指數,依此分析了脆弱性空間分異格局的時間變化。結果顯示:1985年以來,研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間分異雖然也發(fā)生了一些這樣或那樣的變化,但是以“大中城市市區(qū)的脆弱程度異常高”等等上述特點為代表的脆弱性整體空間分異格局,20年來并未發(fā)生根本性改變[13]。研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間分異格局在不同時期間的整體穩(wěn)定性,與研究區(qū)不同縣市間的社會經濟狀況在同一時期內的橫向對比關系,近20年來未發(fā)生本質變革的事實是吻合的。

值得進一步說明的是,1985年以來,各大中城市市區(qū)始終是研究區(qū)最脆弱的部位這一重要事實,進一步說明降低大中城市的地震災害脆弱性始終應該是研究區(qū)防震減災工作的重中之重;而研究區(qū)東北和西南兩局部的脆弱程度始終比全區(qū)平均普遍偏高則表明,加強這些地區(qū)的防震減災能力建設同樣具有突出而緊迫的現實意義。

2.2.3 脆弱性程度的時間變化及其意義

以上討論的研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性空間分異格局的時間變化,實際上揭示的只是研究區(qū)各縣市之間脆弱性高低的橫向對比關系(用式(4)——PC綜合得分和/或式(5)——脆弱性綜合評價指數來刻畫)在不同時期間的差異,這顯然不能反映研究區(qū)各縣市自身脆弱與否的程度在不同時期間的縱向變化,換句話說,不能揭示“研究區(qū)各地的地震災害宏觀脆弱程度,近20年來到底是增強了還是減弱了”。

為此,本文在對研究區(qū)從1985-2004年共4個時期14個指標的所有數據,進行時空全局特殊標準差標準化處理的基礎上,利用式(6)計算得到了不同時期研究區(qū)各縣市自身的脆弱性程度指數,借此揭示了研究區(qū)各縣市自身脆弱與否的程度在不同時期間的縱向變化。結果顯示(圖3),1985-2004年,整個研究區(qū)的地震災害區(qū)域宏觀脆弱程度發(fā)生了非常顯著的差異性變化,整體特點是:①京、津、唐、秦皇島和承德等大中城市市區(qū)的脆弱程度近20年來顯著增強,且除承德市市區(qū)外,脆弱程度趨勢性增長的幅度都很大(圖3e);結合對原始資料的進一步分析可知,這主要與這些地區(qū)的人口和經濟近20年來的持續(xù)快速增長和持續(xù)高度集中有關。②研究區(qū)其它地區(qū)的脆弱程度整體減弱,其中以各大中城市周邊諸縣特別是京、津兩地多數郊縣的減小幅度最明顯,但總體而言,減小的幅度明顯小于上述大中城市市區(qū)脆弱程度增大的幅度(圖3e);這種狀況主要與這些地區(qū)的人口和經濟近20年來雖然也有不小的增加,但增加幅度遠不如上述城市市區(qū)有關,而另一方面,也與這些地區(qū)的財政收入、居民收入和醫(yī)療救護等救災及災后重建的條件與能力等卻也得到了較大幅度的改善有關。

本研究的這一結論就從宏觀概括的層面和“城”“鄉(xiāng)”兩類地區(qū)直接對比的途徑,佐證了1990年代末期以來國內外減災界的一個普遍論點,即:“城市的災害脆弱性越來越大”。這一結論也更進一步強調了降低城市的地震災害脆弱性之于研究區(qū)防震減災工作的現實和緊迫意義。

圖3 研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性程度的時間變化

2.2.4 脆弱性時空變化的主要驅動因素

依據式(3),分別計算2000年時25個指標和取地震烈度Ⅰ=Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ與Ⅸ度條件下各原始指標的權重。結果表明:GDP密度S3、二產密度S5、人口密度S8、城鎮(zhèn)建成區(qū)面積比S12、固定資產投資S17、消費品密度S18、財政收入密度S19和人均存款S22等幾個指標的權重一直較大(圖4);而這些指標基本可歸納成“人口和經濟特別是工商業(yè)經濟”、“城市化”和“產業(yè)結構”等3個大的方面。由此可見,研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間變化,主要是由該地區(qū)各縣市之間在人口和經濟特別是工商業(yè)經濟發(fā)展狀況、城市化水平和產業(yè)結構特點等3方面的空間差異造成的。

圖4 2000年時25個脆弱性分析指標在不同烈度下的權重

依據式(3),分別計算1985、1995、2000和2004年4個不同時期14個指標的權重,結果顯示(圖5):工農業(yè)總產值T1、工業(yè)產值T3、人口密度T5、城鎮(zhèn)建成區(qū)面積比T6、消費品密度T8和財政收入密度T9等指標一直都是不同時期的重要指標。指標較重要,且不同時期權重值大小變動較頻繁的則以農業(yè)產值T2和固定資產投資T7兩項為主。而所有這些指標,絕大多數仍可歸納成人口和經濟特別是工商業(yè)經濟的增長、城市化的發(fā)展和產業(yè)結構的調整等3個大的方面。由此可見,研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時間變化則主要是由研究區(qū)各縣市人口和經濟特別是工商業(yè)經濟的增長、城市化的發(fā)展和產業(yè)結構的調整等3方面動力所驅動的。

圖5 14個脆弱性分析指標的權重在不同時期間的變化

3 結論和討論

3.1 結論

本文在進一步討論人類社會承災體系統(tǒng)災害脆弱性的分析層次和描述角度、地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的影響因素和描述指標的基礎上,完善了以主成分分析為主,以自然函數正交分解(EOF)、因子分析和立體數據時空全局分析部分原理及分析問題理念為輔的地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化分析的數理方法;然后以1985、1995、2000和2004年為代表,對京津唐地區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性近20年來的時空變化及其驅動機制進行了較系統(tǒng)的分析和總結。

(1)研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間變化主要體現為少數幾種脆弱性空間差異模式。其中,前3種模式最為重要,可占脆弱性空間變化總信息的2/3左右,規(guī)律也最明顯、穩(wěn)定:模式Ⅰ主要是由研究區(qū)“城市和城市經濟類”因素的區(qū)域差異造成的,反映的脆弱性呈現以各大中城市市區(qū)為中心向四周遞減的總體分異趨勢,這種分異特點占全區(qū)脆弱性空間變化總信息的43%～44%,最為主要。模式Ⅱ和模式Ⅲ分別占脆弱性空間變化總信息的13.1%和9.3%左右,且都與“農業(yè)和農村類”因素的空間差異密切相關。

因模式Ⅰ的方差貢獻是模式Ⅱ和模式Ⅲ兩者方差貢獻之和的2倍左右,表明研究區(qū)脆弱性的空間變化中,來自“城市和城市經濟類”因素的影響大概是“農業(yè)和農村類”因素影響的2倍左右;加之模式Ⅰ的方差貢獻近20年來持續(xù)增大了接近13個百分點;這就從宏觀概括的層次說明,對于研究區(qū)的防震減災而言,處理好城市和城市經濟方面的相關問題更顯關鍵。

(2)1985年以來,研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的空間分異雖然也發(fā)生了一些這樣或那樣的變化,但其整體分異格局并未發(fā)生根本性改變:京、津、唐等大中城市市區(qū)的脆弱程度各時期均異常高,較全區(qū)脆弱性平均明顯小的地區(qū)各時期大都集中在京、津兩地諸郊縣,研究區(qū)東北和西南兩局部的脆弱性各時期比全區(qū)平均普遍略偏高。各大中城市市區(qū)始終是研究區(qū)最脆弱的部位這一重要事實,就從另一個側面進一步說明,降低大中城市的地震災害脆弱性始終應該是研究區(qū)防震減災工作的重中之重。

(3)1985年以來,整個研究區(qū)的脆弱程度發(fā)生了非常顯著的差異性變化:京、津、唐等大中城市市區(qū)的脆弱程度近20年來顯著增強,且趨勢性增強的幅度普遍很大,這主要與這些地區(qū)的人口和經濟近20年來的持續(xù)快速增長和持續(xù)高度集中有關;研究區(qū)其它地區(qū)的脆弱程度整體減弱,但減小的幅度明顯小于大中城市市區(qū)脆弱程度增大的幅度。這一研究結論就從宏觀概括的層面和“城”“鄉(xiāng)”兩類地區(qū)直接對比的途徑,佐證了目前國內外減災界的一個普遍論點,即“城市的災害脆弱性越來越大”;同時也進一步強調了降低城市的地震災害脆弱性之于研究區(qū)防震減災工作的現實和緊迫意義。

(4)研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時空變化,主要是由各縣市之間在人口和經濟特別是工商業(yè)經濟的發(fā)展狀況、城市化的水平和產業(yè)結構的特點等3方面因素上的空間差異及其時間變化所驅動的。

3.2 討論

(1)應該指出的是,討論研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化時所采用的2套指標體系,都有不小進一步補充或完善的空間,基本分析單元也可以細化。目前,之所以采用這2套指標和以縣級行政區(qū)為基本分析單元,除受現有認識水平限制外,主要是因為與有些指標(如財產數量/密度等)和更小分析單元(如鄉(xiāng)一級行政區(qū)等)相對應的基礎數據,目前尚較難獲取。今后,隨著認識水平的提高、基礎數據的挖掘和積累、指標體系的完善和基本分析單元的細化,應用本研究提出的脆弱性時空變化分析方法,可對研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時空變化及其驅動機制做進一步的詳細分析,所得結果也會進一步細化和深化對研究區(qū)這種宏觀脆弱性時空變化規(guī)律的認識。

盡管如此,基于現有認識水平、現有基礎數據和現有指標體系,仍然揭示出了研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性時空變化方面的一些基本規(guī)律,如,各大中城市的脆弱程度異常高,且20年來脆弱程度持續(xù)增高的過程顯著;20年來研究區(qū)脆弱性的區(qū)域分異格局整體穩(wěn)定,但各地自身脆弱與否的程度卻發(fā)生了非常顯著的差異性變化;脆弱性時空變化總信息中,有接近50%的信息與研究區(qū)的“城市和城市經濟類”因素相關,而只有不足25%的信息與“農業(yè)和農村類”因素有關;等等。而且,幾乎可以肯定的是,上述這些基本規(guī)律,不大可能隨著指標體系的完善和評價單元的細化而發(fā)生根本性改變。

(2)特別指出的是,近年來的重大災害實例(如2008年中國南方的冰凍雨雪災害和汶川8.0級地震災害等)表明,普通民眾和地方社會的災害認知水平、災害響應能力和災害應激態(tài)勢,區(qū)域內各減災行為主體的綜合聯(lián)動/協(xié)調能力與水平,地域文化對當地人們響應/適應災害的影響等等都是一個地區(qū)災害脆弱性高低的重大影響因素,甚至是決定性因素。但是由于現有認識水平的不足、研究和基礎數據積累的限制,加之考慮到其中的不少方面(例如各級政府及相關部門間的聯(lián)動/協(xié)調能力、政府與社會及民眾間的互動水平等)在同一個時間斷面上和在本研究涉及的那個較小空間范圍內,不大可能有本質或顯著差異等原因,本研究對這些因素的考慮尚不系統(tǒng)不充分,只是通過“老幼人口比重、居民平均受教育年限、萬人均病床數和醫(yī)護人員數、地方財政收入和居民收入”等幾個指標,對這些因素的有限方面(主要是民眾的災害認知方面和民眾及地方社會的災害響應方面)作了一些很初步的和很間接的反映。這顯然是本研究的一個不足。未來時期,借助相關學科的知識,通過對這些因素的災害脆弱性意義進行專門的分析與提煉,提取更加直接而具體的指標,并將其納入到本研究發(fā)展的方法體系中,有望對研究區(qū)地震災害脆弱性及其時空變化機制的分析和理解產生重要改進。而這一點恰是我們目前所著重關注的一個方面。

(3)就研究區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性的時空變化及其驅動機制,雖然得出了一些有益結論和規(guī)律,且這些結論和規(guī)律也有一定的實際防震減災指導意義,如指導區(qū)域性的防震減災規(guī)劃與部署、制訂宏觀性的防震減災方針政策、編制區(qū)域性的地震應急預案等。但總體而言,這些規(guī)律還只是一些統(tǒng)計意義上的相互對比概念,同物理含義明確的具體結構物“破壞概率矩陣”或“損失率曲線”相比,其解釋地震災害成災機理的能力和具體的防震減災指導意義,還具有不小的距離。

但是,從災害研究的實際進展來看,要想就復雜的區(qū)域人類社會經濟體系建立起這樣的“矩陣”、“曲線”或含義類似的脆弱性機理模型,短時間內尚缺乏可行性,這可能是目前限制這一尺度上的災害脆弱性及其時空變化機制研究難以取得更大突破的關鍵。今后時期,在繼續(xù)深化和細化區(qū)域尺度地震災害脆弱性研究的同時,應加強地方或社區(qū)等小尺度的和家庭或企業(yè)等微觀層次的承災體系統(tǒng)地震災害脆弱性及其時空變化方面的研究。首先,這樣的研究有利于深入挖掘人類社會承災體系統(tǒng)災害脆弱性的產生根源和變化機制。與區(qū)域復雜系統(tǒng)相比,這些小尺度或小型系統(tǒng)的組成和結構相對較簡單具體,功能和過程脈絡較明確清晰,因此有利于從成災機理水平上,建立起物理和過程含義較明確的脆弱性機理模型,從而支持深入分析這些系統(tǒng)災害脆弱性的根源和發(fā)展變化動力機制。第二,這樣的研究還具有重要的尺度轉換意義,小尺度或小型人類社會承災體系統(tǒng)的災害脆弱性研究,向下,可以更加充分地吸收和應用材料科學、建筑工程學、地震工程和工程地震學,以及社會科學和經濟學等領域,長期研究積累的具體結構物等“微觀”含義上的災害脆弱性研究成果和相應的有用技術方法;向上,可以為區(qū)域、城市等較大空間尺度的災害脆弱性深入分析提供細節(jié)和基礎。而這一方向恰是目前地震災害研究領域的最薄弱環(huán)節(jié)之一,同時也是我們當前所關注的另一個重點。

[1] Cutter S L,Mitchell J T,ScottM S.Revealing the vulnerability of people and places:a case study of Georgetown county,South Carolina[J].Annals of the Association of American Geographers,2000,90(4):713-737.

[2] White G F,Katers R W,Burton I.Knowing better and losing even more:the use of knowledge in hazards management[J].Environmental Hazards,2001,3(3/4):81-92.

[3] Fothergill A,Peek L A.Poverty and disasters in the United States:A review of recent sociological findings[J].Natural Hazards,2004,32(1):89-110.

[4] Thomalla F,Downing T,Spanger-siegfried E,et al.Reducing hazard vulnerability:towards a common approach between disaster risk reduction and climate adaptation[J].Disasters,2006,30(1):39-48.

[5] W isner B,Blakie P,Cannon T,et al.At risk:natural hazards,people's vulnerability and disaster[M].2nd ed.Routledge,London,2004.

[6] 陳颙,陳棋福,陳凌.地震損失預測評估中的易損性分析[J].中國地震,1999,15(2):97-105.

[7] 史培軍.三論災害研究的理論與實踐[J].自然災害學報,2002,11(3):1-9.

[8] Inter-Agency Secretariat of the International Strategy for Disaster Reduction(UN/ISDR).Living with risk:A global review of disaster reductioninitiatives(2004 version)[M/OL].Geneva,Switzerland:United Nations Publications,2004[2009-12-08].http://www.unisdr.org/eng/about_isdr/bd-lwr-2004-eng.htm.

[9] UN/ISDR.Hyogo framework for action 2005-2015:building the resilience of nations and communities to disasters(HFA)[R/OL].Kobe,Japan,2005[2009-12-08].http://www.unisdr.org/eng/hfa/hfa.htm.

[10] International Panel on Climate Change(IPCC).Climate change 2007:the physical science basis summary for policymakers,contribution ofworking group I to the Fourth Assess ment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[R].Paris,France,2007.

[11] SU GW,WANG GQ,MA Z J.Some preliminary discussion on natural disaster risk and its assessment[C]//Beijing Normal University,Society for Risk Analysis,Japan Section,Department of Earth Science,National Natural Science Foundation of China,ed,Risk research and management in Asian perspective:proceedings of the first China-Japan conference on risk assess ment and management.Beijing:International Academic Publishers,1998:224-231.

[12] 蘇桂武,朱林,馬宗晉,等.京津唐地區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性變化的初步研究——空間變化[J].地震地質,2007,29(1):15-33.

[13] 蘇桂武,馬宗晉,朱林,等.京津唐地區(qū)地震災害區(qū)域宏觀脆弱性空間分異的變化[J].地質科技情報,2008,27(2):1-11.

[14] 美國應用技術委員會.加利福尼亞未來地震的損失估計[M].曹新玲,毛國敏,金學申,等譯.北京:地震出版社,1991.

[15] Fah D,Kind F,Lang K,et al.Earthquake scenarios for the city of Basel[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2001,21(5):405-413.

[16] Mouroux P,Brun B L.Presentation of R ISK-UE project[J].Bull Earthquake Eng,2006,4(4):323-339.

[17] 鄧硯,蘇桂武,聶高眾.地震應急的影響因素分析[J].災害學,2005,20(2):7-33

[18] 蘇桂武,鄧硯,聶高眾.中國地震應急宏觀分區(qū)的初步研究[J].地震地質,2005,27(3):382-395.

[19] 蘇桂武,馬宗晉,王若嘉,等.汶川地震災區(qū)民眾認知與響應地震災害的特點及其減災宣教意義:以四川省德陽市為例[J].地震地質,2008,30(4):877-894.

[20] 王若嘉,蘇桂武,張書維,等.云南普洱地區(qū)中學生認知與響應地震災害特點的初步研究:以2007年寧洱6.4級地震災害為例[J].災害學,2009,24(1):133-138.

[21] 黃嘉佑.氣象統(tǒng)計分析與預報方法[M].2版.北京:氣象出版社,2000.

[22] 十年尺度中國地震災害損失預測研究組.中國地震災害損失預測圖集[M].北京:科學出版社,1995.