地震災(zāi)區(qū)分級和災(zāi)害程度排序方法研究＊——以汶川8.0級地震為例

胡偉華,宋立軍,苗崇剛,侯建盛,袁志祥

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆烏魯木齊 830011;2.中國地震局應(yīng)急救援司,北京 100036;3.陜西省地震局,陜西西安 710068)

破壞性地震發(fā)生后,國家和各級政府第一需求就是要快速掌握災(zāi)害影響范圍、救災(zāi)重點(diǎn)區(qū)域等信息,以滿足救災(zāi)應(yīng)急的需要[1-6]。汶川8.0級地震發(fā)生后,政府有關(guān)部門甚至需要對災(zāi)區(qū)縣(市)進(jìn)行受災(zāi)程度的排序,以便于確定救災(zāi)和恢復(fù)重建投入重點(diǎn)。我們知道受災(zāi)程度主要由地震震級、建(構(gòu))筑物破壞程度、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、地震地質(zhì)災(zāi)害等因素來表述,這些因素彼此關(guān)聯(lián),單獨(dú)考慮其中一種或兩種因素并不能夠全面反映一個(gè)區(qū)域的受災(zāi)程度,如何綜合考慮各方面的因素,全面、定量地給出各災(zāi)區(qū)縣(市)的受災(zāi)程度,是值得探討的問題。我們根據(jù)汶川8.0級地震震害評估工作的實(shí)踐,通過進(jìn)一步研究,提出了確定災(zāi)區(qū)分級和災(zāi)害程度排序的方法。

1 受災(zāi)程度的影響因素

根據(jù)地震震級、災(zāi)區(qū)遭受的破壞程度和人員傷亡情況,我們將地震災(zāi)區(qū)由輕至重劃分為4個(gè)等級:一般災(zāi)區(qū)、較重災(zāi)區(qū)、嚴(yán)重災(zāi)區(qū)和極重災(zāi)區(qū)。災(zāi)區(qū)等級的劃分與地震災(zāi)害事件分級相對應(yīng),對于一般地震災(zāi)害和較大地震災(zāi)害事件,災(zāi)區(qū)往往劃分為1至2級,即一般災(zāi)區(qū)和較重災(zāi)區(qū);對于重大地震災(zāi)害和特別重大地震災(zāi)害事件,災(zāi)區(qū)可劃分1至3級或者1至4級,即包括嚴(yán)重災(zāi)區(qū)和極重災(zāi)區(qū)。災(zāi)區(qū)等級的劃分需要考慮以下幾個(gè)主要方面的因素。

1.1 房屋震害系數(shù)

震害指數(shù)是表征房屋和基礎(chǔ)設(shè)施破壞程度的重要參數(shù),也是定量確定烈度值的主要依據(jù)[4]。在地震現(xiàn)場工作中需要耗費(fèi)大量的人力和物力通過現(xiàn)場抽樣調(diào)查才能得到的,是地震災(zāi)害損失評估工作的根本[7-8]。為此從評估規(guī)范中引入一標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)稱之為房屋震害系數(shù),能夠表示出受災(zāi)區(qū)域內(nèi)不同結(jié)構(gòu)類型房屋震害指數(shù)的綜合特征,按下列公式計(jì)算抽樣調(diào)查點(diǎn)房屋震害系數(shù)D Ih。

式中:Rh為該抽樣調(diào)查點(diǎn)同類房屋某種破壞等級的破壞比;Dh為該抽樣調(diào)查點(diǎn)同類房屋某種破壞等級的損失比;Kh為該抽樣調(diào)查點(diǎn)內(nèi)該類房屋在所有類型房屋中所占比例。

1.2 強(qiáng)震加速度觀測記錄

強(qiáng)震記錄是體現(xiàn)地震動(dòng)地面運(yùn)動(dòng)特征和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)最重要的物理參數(shù),也是烈度表中的主要定量參數(shù),可根據(jù)水平向地面峰值加速度值(或峰值速度值)的記錄可直接確定烈度[8]?！笆濉逼陂g強(qiáng)震臺網(wǎng)建設(shè)在全國范圍內(nèi)全面完成,強(qiáng)震臺網(wǎng)覆蓋范圍和監(jiān)測能力有了很大提高,為地震烈度評定和災(zāi)區(qū)分級的定量化提供了條件,甚至在強(qiáng)震臺網(wǎng)密集區(qū)域我們可以直接勾勒出烈度等值線。

1.3 發(fā)震構(gòu)造

高地震動(dòng)強(qiáng)度區(qū)明顯呈條帶狀分布,條帶方向與斷層走向一致。隨著地震強(qiáng)度向外圍衰減,較低烈度區(qū)呈橢圓狀分布,其中長軸走向與斷裂延伸方向一致。發(fā)震斷層性質(zhì)也影響著烈度衰減,例如四川汶川特大地震和臺灣集集地震中,逆沖發(fā)震斷層兩側(cè)(上、下盤)地震動(dòng)存在明顯的差別,上盤地震動(dòng)強(qiáng)度明顯較大且隨斷層距加大衰減較慢,而下盤地震動(dòng)強(qiáng)度較小且衰減較快[9]。而且發(fā)震構(gòu)造對所穿越的建筑物結(jié)構(gòu)和工程設(shè)施產(chǎn)生毀滅性的破壞。

因此,在評估工作的開始階段由于時(shí)間有限,難以準(zhǔn)確判定哪一條是發(fā)震構(gòu)造,但我們通過震區(qū)余震序列分布、活動(dòng)構(gòu)造格局、現(xiàn)代應(yīng)力場、震源機(jī)制解等,結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查房屋和地震地質(zhì)災(zāi)害破壞現(xiàn)象,可快速判斷出發(fā)震構(gòu)造帶,發(fā)震構(gòu)造帶的幾何和運(yùn)動(dòng)特征也是評判烈度分布和災(zāi)區(qū)范圍的重要依據(jù)。

1.4 地震地質(zhì)災(zāi)害和場地條件

地震地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)體在短時(shí)間內(nèi)外營力作用失衡所造成的,地震力作為內(nèi)動(dòng)力打破了震前地質(zhì)體重力平衡,外動(dòng)力(風(fēng)化作用)則尋求新的平衡,地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象則隨之出現(xiàn),表現(xiàn)為在地形高差劇烈的山區(qū)峽谷地帶產(chǎn)生滑坡、崩塌、泥石流和堰塞湖等,而在開闊的平原地帶產(chǎn)生砂土液化和震陷等。內(nèi)動(dòng)力越強(qiáng),則引發(fā)的外動(dòng)力越強(qiáng),地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度與地震強(qiáng)度存在正相關(guān)性,地震強(qiáng)度越大,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育也越重,即烈度愈高愈發(fā)育。

而地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育條件又與場地條件息息相關(guān)。在山區(qū)相對高差越大,邊坡越陡,巖土體力學(xué)強(qiáng)度越差,滑坡、崩塌、泥石流和衍生堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度越重;在平原區(qū)新近沉積的砂土、粉土、淤泥質(zhì)及淤泥土層,越松軟、厚度越大,產(chǎn)生的砂土液化和震陷程度就越重。此外,在外圍災(zāi)區(qū)大震的遠(yuǎn)場長周期地震動(dòng)作用于厚層中軟土層上的長周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的共振效應(yīng)也不容忽視,例如1985年墨西哥地震造成遠(yuǎn)在400 km以外的墨西哥城湖積區(qū)軟弱場地上的高層建筑出現(xiàn)較重程度的破壞;臺灣集集地震中,地震記錄資料也表明在臺北地區(qū)場地盆地效應(yīng)較為明顯,最明顯的特征是使地震動(dòng)強(qiáng)度增大;汶川8.0級地震造成陜西省許多孤立細(xì)高的建(構(gòu))筑物破壞和倒塌;甘肅、陜西等外圍災(zāi)區(qū)都分布有地形突變造成災(zāi)害加重的烈度異常區(qū)。

1.5 人口分布及傷亡情況

1.5.1 人口地理分布

人類活動(dòng)決定經(jīng)濟(jì)發(fā)展,沒有人類活動(dòng)的地區(qū)就沒有地震造成的財(cái)產(chǎn)損失。人口越密集、經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá),越容易遭受損失,這也正是在我國相同震級的破壞性地震在人口較稠密地區(qū)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于較稀少地區(qū)[10-11]。沒有人煙地區(qū)除生態(tài)遭受破壞外可以認(rèn)為是無災(zāi)區(qū)。如2001年昆侖山口西8.1級地震造成的經(jīng)濟(jì)損失僅4 793萬元,而汶川8.0級地震總損失高達(dá)8 451億元。

1.5.2 人員傷亡分布

同一地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r相近,農(nóng)村非設(shè)防房屋結(jié)構(gòu)類型和抗震水平類似,人員傷亡與建筑物震害密切相關(guān)?？傮w而言,人員傷亡主要集中在Ⅷ度以上的高烈度區(qū)內(nèi),中強(qiáng)震、人口稀少的災(zāi)區(qū)人員傷亡與烈度相關(guān)不明顯[12],但對于發(fā)生在人口稠密區(qū)7級以上的大震,人員傷亡與災(zāi)區(qū)烈度相關(guān)性則凸現(xiàn)出來,例如海城、唐山、汶川等地震,在受災(zāi)區(qū)的邊緣往往還有人員傷亡的事例。

人員傷亡統(tǒng)計(jì)與災(zāi)區(qū)范圍確定恰恰相反,越是極重災(zāi)區(qū),統(tǒng)計(jì)越困難,數(shù)據(jù)到最后清查幸存者之后才能確定下來;而較輕的一般災(zāi)區(qū),統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)又快又準(zhǔn)。更為重要的是,人員傷亡是評價(jià)受災(zāi)程度的重要指標(biāo)。

2 災(zāi)區(qū)等級的確定和受災(zāi)程度排序方法

2.1 以烈度區(qū)確定災(zāi)區(qū)等級

烈度是地震影響程度的綜合量度,烈度區(qū)作為災(zāi)區(qū)等級的劃分依據(jù),是通常的做法。以汶川8.0級地震為例,災(zāi)區(qū)依照烈度分布共劃分為4個(gè)等級(圖1、圖2和表1)。

表1 汶川地震縣級行政區(qū)受災(zāi)等級劃分表(由圖2直接判讀得到)

圖1 汶川8.0級地震烈度分布圖

圖2 汶川8.0級地震災(zāi)害分區(qū)圖

(1)極重災(zāi)區(qū)(Ⅸ～Ⅺ度高烈度區(qū)) 以汶川縣映秀鎮(zhèn)和北川縣縣城為兩個(gè)中心。Ⅸ度以上地區(qū)破壞極其嚴(yán)重,其分布區(qū)域緊靠發(fā)震斷層,沿?cái)鄬幼呦虺砷L條形狀;Ⅹ度和Ⅸ度邊界受龍門山前山斷裂錯(cuò)動(dòng)的影響,向盆地方向略有突出,呈長條狀展布?；?、崩塌、泥石流和堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度嚴(yán)重[13-15],死亡人數(shù)占總數(shù)的94.5%,面積僅占災(zāi)區(qū)總面積的3%,共涉及6個(gè)縣市。

(2)嚴(yán)重災(zāi)區(qū)(Ⅷ度區(qū)) 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育比較嚴(yán)重,死亡人數(shù)占總數(shù)的3.4%,面積僅占總面積的6%,共涉及8個(gè)縣市區(qū)。

(3)較重災(zāi)區(qū)(Ⅶ度區(qū)) 少量地質(zhì)災(zāi)害呈零星分布,死亡人數(shù)占總數(shù)的1.3%,面積占總面積的19%,共涉及47個(gè)縣市區(qū)。

(4)一般災(zāi)區(qū)(Ⅵ度區(qū)) 地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育,死亡人數(shù)占總數(shù)的0.8%,面積占總面積的72%,共涉及6個(gè)省180個(gè)縣市區(qū)。

以烈度區(qū)對災(zāi)區(qū)進(jìn)行分級能夠確保宏觀把握、科學(xué)合理。但存在兩方面的不足:首先是時(shí)間滯后,災(zāi)區(qū)分級只有等到烈度確定后才能完成;其次是統(tǒng)計(jì)困難,等烈度線多為平滑(均勻)曲線,縣區(qū)市較大的行政區(qū)域多被分級界線所切割,分屬不同的災(zāi)區(qū)級別的行政區(qū)統(tǒng)計(jì)災(zāi)害損失時(shí)需要進(jìn)行整合歸并。

2.2 以統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定災(zāi)區(qū)等級

以行政單元作為災(zāi)區(qū)等級劃分的基礎(chǔ)單元,即災(zāi)區(qū)分級界線是以基礎(chǔ)行政單元為界?；A(chǔ)行政單元是指鄉(xiāng)鎮(zhèn)以上級別的政府行政區(qū)域,具有統(tǒng)一的政府統(tǒng)計(jì)報(bào)表。在此基礎(chǔ)上易于災(zāi)害評估工作的快速展開,同時(shí)有利于政府救災(zāi)和災(zāi)后重建?；A(chǔ)行政單元可根據(jù)災(zāi)情大小進(jìn)行調(diào)整,例如對于一般地震災(zāi)害和較大地震災(zāi)害事件,行政單元可確定為鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、蘇木、街道);對于重大地震災(zāi)害和特別重大地震災(zāi)害事件,單元可擴(kuò)大到縣(市、旗、區(qū))?？紤]到災(zāi)區(qū)各行政區(qū)可能遭受到不同破壞程度(同一行政單元分屬不同烈度區(qū)),我們首先定義行政單元的綜合烈度SIi如下:

式中:Ii為該行政單元所遭受到的不同烈度值;Ki為該行政單元內(nèi)不同烈度區(qū)內(nèi)人口占總?cè)丝诘谋壤?我們將其作為第1組樣本;另外,選取表示房屋震害指數(shù)綜合特征的房屋震害系數(shù)D Ii作為第2組樣本,由式(1)確定。

各行政單元采用聚類分析方法進(jìn)行合并[16],歸類成不同等級的災(zāi)區(qū)。具體方法如下:

設(shè)有n個(gè)樣品X1,X2,…,Xn,每個(gè)樣品有m個(gè)變量,用矩陣形式表示:

考慮到各類變量值數(shù)量級和測量單位的不同,對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化法處理,即:

在正交坐標(biāo)系中,第j、k兩個(gè)樣品的歐式距離函數(shù)為

得到一個(gè)與變量無關(guān)的樣品間相對距離矩陣,Djk越小,則j,k兩樣品間越相似,把最相似的對象歸為一類,再把次相似的歸為新類,依次逐漸由分枝向根部移動(dòng),最終以譜系圖形式表現(xiàn)出來各樣品之間的關(guān)系。

以汶川8.0級地震為例(表2),將綜合烈度SIi和房屋震害系數(shù)D Ii作為樣本,依照此方法得出譜系圖(圖3)。

表2 汶川8.0級地震受災(zāi)較重的縣(市、區(qū))綜合烈度和震害指數(shù)

圖3顯示,最右側(cè)一組北川縣、汶川縣、茂縣、綿竹市、青川縣和平武縣可歸為一類,損失慘重,可作為極重災(zāi)區(qū)。若再細(xì)分,汶川縣與北川縣破壞最重,其它四縣市相當(dāng);中間一組什邡市、都江堰市、安縣、文縣、寧強(qiáng)縣、江油市、廣元市朝天區(qū)和理縣,可作為嚴(yán)重災(zāi)區(qū);左側(cè)一組縣市區(qū)作為較重災(zāi)區(qū)(受篇幅限制,評價(jià)的縣(市、區(qū))不全)。表1中只是兩組簡單的樣本數(shù)據(jù),我們不能直接確定分級界限,而通過聚類分析,我們清晰地看出數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系,不同受災(zāi)行政區(qū)有大致的分類,這也與從烈度圖中簡單判讀得到的災(zāi)害分級結(jié)果(表1)大體一致,因此從另一個(gè)角度證明了按照烈度區(qū)對災(zāi)區(qū)分級是科學(xué)合理的。

圖3 汶川8.0級地震受災(zāi)較重的縣(市、區(qū))受災(zāi)譜系圖

2.3 以速報(bào)災(zāi)情確定災(zāi)區(qū)行政單元災(zāi)害分級

為幫助政府對局部災(zāi)區(qū)部署抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建工作提供決策依據(jù),在評估工作中尤其是初期采用速報(bào)災(zāi)情確定災(zāi)區(qū)各行政單元的災(zāi)害等級是十分必要的。我們可按照速報(bào)災(zāi)情的人員死亡(或失蹤)、房屋震害系數(shù)和地質(zhì)災(zāi)害破壞程度三要素對災(zāi)區(qū)行政單元進(jìn)行分級評估。

人口是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體,人員死亡即主體的死亡意味著經(jīng)濟(jì)的永久性損失,而受傷人員所代表的經(jīng)濟(jì)是可恢復(fù)的。在此以震區(qū)政府統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用死亡失蹤人數(shù)的絕對值DLi和相對值RDLi(每平方公里死亡失蹤人數(shù))作為災(zāi)區(qū)行政單元受災(zāi)的主要指標(biāo)。

式中:Di為該行政單元內(nèi)死亡人數(shù);Li為該行政單元內(nèi)失蹤人數(shù);Si為該行政單元總面積(km2)。

房屋震害系數(shù)D Ii在行政單元內(nèi)通過普查或隨機(jī)抽查的方法統(tǒng)計(jì)確定,見式(1)。生命線工程通常歸屬于行業(yè)部門,其災(zāi)害損失在行政單元內(nèi)一般不做統(tǒng)計(jì),因此對行政單元的災(zāi)害分級不考慮生命線工程。

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度與地震強(qiáng)度存在正相關(guān)性,對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行定性化調(diào)查,定量化處理,采用地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)度(GHi)作為評價(jià)指標(biāo)如下:按照崩塌、滑坡、泥石流、砂土液化和震陷等造成的危害居民地(處)、危害公路(處)、威脅堵塞河流(處)、威脅橋梁(座)、威脅水庫(座)、損毀土地(km2)等,進(jìn)行權(quán)重處理后,得到各行政單元指標(biāo)值,并以烈度作為參數(shù)進(jìn)行系數(shù)修正。

采用綜合災(zāi)害指數(shù)SHi,按下式確定。

式中:DL′i、RDL′i、D I′i、GH′i為按照式(4)對DLi、RDLi、D Ii、GHi進(jìn)行歸一化法處理;k1、k2、k3、k4為分屬DLi、RDLi、D Ii、GHi所占權(quán)重,可取0.2、0.2、0.4、0.2。

以汶川8.0級地震為例,表3和圖4顯示各縣級行政單元以綜合災(zāi)害指數(shù)表征的受災(zāi)程度,及由重至輕的排名。排序分類結(jié)果雖然與按烈度劃分災(zāi)區(qū)(表1)基本一致,但在局部范圍內(nèi)有所出入,例如平武縣與什邡市之間、理縣與彭州市和廣元市朝天區(qū)之間等受災(zāi)排順發(fā)生了變化,這也是說明了地震災(zāi)害的復(fù)雜性和不確定性,很難以單一的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。

表3 汶川8.0級地震受災(zāi)較重的縣(市、區(qū))按綜合災(zāi)害指數(shù)排序

續(xù)表3

圖4 汶川8.0級地震受災(zāi)較重的縣(市、區(qū))排序圖

3 結(jié)論

地震災(zāi)區(qū)分級和受災(zāi)程度排序是抗震救災(zāi)的重要依據(jù),災(zāi)區(qū)分級對象以基礎(chǔ)行政單元為界,易于災(zāi)害評估工作的快速展開,同時(shí)有利于政府救災(zāi)和災(zāi)后重建。本文提出了災(zāi)區(qū)災(zāi)害程度影響因素,并以汶川8.0級地震為例探討了確定災(zāi)區(qū)分級和受災(zāi)程度排序的方法,對今后地震現(xiàn)場應(yīng)急救援和災(zāi)后重建工作具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 鄧硯,蘇桂武,聶高眾.中國地震應(yīng)急地區(qū)系數(shù)的初步研究[J].災(zāi)害學(xué),2008,23(1):140-144.

[2] 曹刻,王鋒,李永強(qiáng),等.云南寧洱6.4級地震災(zāi)區(qū)范圍的快速判斷[J].災(zāi)害學(xué),2008,23(2):76-79.

[3] 都吉夔,張勤,宋立軍,等.四川汶川8.0級地震間接經(jīng)濟(jì)損失評估方法[J].災(zāi)害學(xué),2008,23(4):130-133.

[4] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 18208.4-2005地震現(xiàn)場工作第4部分:災(zāi)害直接損失評估[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[5] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T18028.3-2000地震現(xiàn)場工作第三部分:調(diào)查規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[6] 段鋒,袁志祥.對汶川8級地震后群眾咨詢信息的分析及探討[J].華南地震,2009,29(2):105-110.

[7] 尹之潛.地震災(zāi)害及損失預(yù)測方法[M].北京:地震出版社,1995.

[8] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T17742-2008中國地震烈度表[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[9] 俞言祥,高孟潭.臺灣集集地震近場地的上盤效應(yīng)[J].地震學(xué)報(bào),2001,23(6):615-621.

[10] 王瑛,王陽.城鄉(xiāng)承災(zāi)體差異對地震災(zāi)情的影響[J].災(zāi)害學(xué),2009,4(1):122-126.

[11] 羅杰.九江瑞昌5.7級地震主要結(jié)構(gòu)類型房屋破壞成因分析[J].華南地震,2009,29(1):113-121.

[12] 中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司.中國大陸地震災(zāi)害損失評估匯編(1996-2000)[M].北京:地震出版社,2001.

[13] 陳國興,景立平,周新貴,等.汶川8.0級地震后中江縣水庫震害調(diào)查與分析[J].災(zāi)害學(xué),2009,24(3):69-74.

[14] 崔鵬,韋方強(qiáng),何思明,等.5.12汶川地震誘發(fā)的山地災(zāi)害及減災(zāi)措施[J].山地學(xué)報(bào),2008,26(3):280-282.

[15] 姜慧,黃劍濤,王立新.汶川8.0級地震發(fā)震和災(zāi)害的特點(diǎn)及啟示[J].華南地震,2009,29(S0):1-9.

[16] 現(xiàn)代工程數(shù)學(xué)手冊編委會.現(xiàn)代工程數(shù)學(xué)手冊:第Ⅳ卷[M].武漢:華中工學(xué)院出版社,1987.

Research on Methods for Classification of Earthquake Stricken Areas and Sequencing of Disaster Degrees——Taking M 8.0 Wenchuan Earthquake as an Example