基于ShakeMap_CNST的2017年精河6.6級地震災(zāi)害快速評估

劉軍 譚明 宋立軍 郝婧畢雪梅 王新剛 常想德

1）貴州省地震局，貴陽 520001

2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

3）江蘇省地震局，南京 210000

0 引言

地震發(fā)生后，快速確定災(zāi)害影響范圍、判斷災(zāi)害損失規(guī)模對政府迅速部署抗震救災(zāi)工作起著非常重要的作用。在新疆維吾爾自治區(qū)地震局應(yīng)急指揮中心部署的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程在破壞性地震發(fā)生后能快速產(chǎn)出烈度預(yù)測圖及輔助決策報(bào)告，在歷次破壞性地震應(yīng)急和快速評估中均發(fā)揮了重要的作用。然而，由于上述系統(tǒng)是面向全國地震系統(tǒng)配備的通用軟件，因此系統(tǒng)應(yīng)用于新疆地區(qū)的烈度估計(jì)和震害預(yù)測時(shí)仍不能滿足新疆地震應(yīng)急工作的需求，這主要體現(xiàn)在其未考慮新疆地震構(gòu)造特征，未充分利用新疆地區(qū)富民安居（抗震安居）房的破壞矩陣研究結(jié)果和千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)，忽視了新疆地區(qū)由于時(shí)差等因素引起的室內(nèi)人員的人口密度變化與其他省份的不同等。所以，震后現(xiàn)有系統(tǒng)給出的結(jié)果在烈度估計(jì)、人員傷亡、受災(zāi)人口及經(jīng)濟(jì)損失評估等方面一定程度上難以滿足社會(huì)發(fā)展的需求，不能科學(xué)地展示各類震害預(yù)測等關(guān)鍵信息。

本研究結(jié)合適用于新疆地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系，考慮了新疆地區(qū)不同場地效應(yīng)下的地震動(dòng)效應(yīng)及震中破裂尺度等因素，建立了一套適用于新疆地區(qū)的震動(dòng)圖系統(tǒng)；同時(shí)對新疆地區(qū)震害預(yù)測模型進(jìn)行研究，建立不同烈度下震害預(yù)測數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一套基于GIS平臺的震害預(yù)測系統(tǒng)對震后烈度圖進(jìn)行估計(jì)、對震害進(jìn)行預(yù)測，旨在為地方政府科學(xué)開展地震應(yīng)急救援工作提供依據(jù)。

1 基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)主要功能

震動(dòng)圖預(yù)測模塊主要用于震區(qū)地震動(dòng)參數(shù)的預(yù)測和烈度預(yù)測，系統(tǒng)需要根據(jù)震動(dòng)圖預(yù)測的烈度圖進(jìn)行震害快速預(yù)測和專題圖的繪制。所有計(jì)算均根據(jù)人工輸入的地震震級、經(jīng)緯度等參數(shù)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行。災(zāi)害快速評估模塊主要用于震后快速預(yù)測死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、壓埋人數(shù)、有經(jīng)濟(jì)損失的人數(shù)及需緊急安置的人數(shù)等數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)以千米格網(wǎng)進(jìn)行存儲，并以縣為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。系統(tǒng)設(shè)置模塊主要包括地震動(dòng)衰減關(guān)系參數(shù)設(shè)置、破裂尺度參數(shù)設(shè)置及場地系數(shù)、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等各類震害數(shù)據(jù)模型的配置。基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)主要包括如圖1所示的7個(gè)功能模塊構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)功能圖

1.2 烈度快速評估

震后快速估計(jì)震區(qū)烈度分布，可為災(zāi)情研判和評估提供理論依據(jù)。利用新疆地區(qū)歷史地震動(dòng)數(shù)據(jù)記錄和烈度衰減關(guān)系，建立新疆地區(qū)地震動(dòng)衰減關(guān)系，并根據(jù)不同場地條件下的地震動(dòng)放大效應(yīng)對地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行校正，以建立一套適用于新疆天山地區(qū)的震動(dòng)圖系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用霍俊榮等（1992）提出的模型

利用了559條新疆天山地區(qū)1985～2016年MS≥4.0歷史地震動(dòng)數(shù)據(jù)記錄，其中，MS≥7.0地震加速度記錄13條，6.0≤MS＜7.0地震88條，5.0≤MS＜6.0地震187條，4.0≤MS＜5.0地震271條，運(yùn)用兩步回歸法進(jìn)行回歸，得到天山地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系如下

為了客觀地反映震區(qū)地震動(dòng)特征分布，對震區(qū)土層的地震動(dòng)放大校正，ShakeMap_CNST系統(tǒng)應(yīng)用第五代區(qū)劃圖中不同場地條件下依賴于振幅和頻率的放大系數(shù)。

震源破裂尺度L與面波震級MS間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式選用耿冠世等（2015）建立的模型

1.3 震害預(yù)測模型

為了客觀、準(zhǔn)確地預(yù)測地震造成的人員傷亡情況和各類損失，本系統(tǒng)采用的模型主要包括：

（1）死亡人數(shù)預(yù)測模型

其中，ND為千米格網(wǎng)單元內(nèi)的死亡人數(shù)；ρ為室內(nèi)人員密度，即單位面積的平均人數(shù)，它隨地域（城市和農(nóng)村）和發(fā)震時(shí)間的不同而不同；A1為倒塌房屋的面積；RD1為塌房屋內(nèi)的人員死亡率；A2為嚴(yán)重破壞房屋的面積；RD2為嚴(yán)重破壞房屋內(nèi)的人員死亡率；A3為中等破壞房屋的面積；RD3為中等破壞房屋內(nèi)的人員死亡率（曹彥波等，2016）。

（2）受傷人數(shù)預(yù)測模型

其中，NH為千米格網(wǎng)單元內(nèi)的受傷人數(shù)；RH1為塌房屋內(nèi)的人員受傷率；RH2為嚴(yán)重破壞房屋內(nèi)的人員受傷率；RH3為中等破壞房屋內(nèi)的人員受傷率。

（3）需緊急安置人數(shù)模型

采用《地震現(xiàn)場工作第4部分：災(zāi)害直接損失評估》（GB／T 18208.4-2011）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2012）計(jì)算精河6.6級地震需緊急安置人數(shù)，計(jì)算方法如下

式（7）中b、c、d、e、f均為調(diào)查所得數(shù)據(jù)，其中，b為戶均人數(shù)；c為所有住宅房屋的毀壞建筑面積；d為所有住宅房屋的嚴(yán)重破壞建筑面積；e為所有住宅房屋的中等破壞建筑面積；f為死亡人數(shù)。

（4）經(jīng)濟(jì)損失模型

震后經(jīng)濟(jì)損失主要由房屋直接經(jīng)濟(jì)損失和其他直接經(jīng)濟(jì)損失組成，采用《地震現(xiàn)場工作第4部分：災(zāi)害直接損失評估》（GB／T 18208.4-2011）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2012）進(jìn)行地震經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算，算法如下

其中，L為總經(jīng)濟(jì)損失；Ra為其他經(jīng)濟(jì)損失與房屋直接經(jīng)濟(jì)損失的比例；Lh為房屋直接經(jīng)濟(jì)損失；Sh為災(zāi)區(qū)房屋總建筑面積；Rh為災(zāi)區(qū)房屋某種破壞等級的破壞比；Dh為災(zāi)區(qū)房屋某種破壞等級的損失比；Ph為災(zāi)區(qū)房屋重置單價(jià)。

1.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是震害預(yù)測的核心內(nèi)容，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)可為系統(tǒng)的預(yù)測提供可靠依據(jù)。本系統(tǒng)的場地條件分區(qū)數(shù)據(jù)，主要根據(jù)基于地形地貌、等高線等資料對新疆地區(qū)工程地質(zhì)場地條件進(jìn)行初步分類，并通過地震安評鉆孔資料的巖石的剪切波速（或土的等效剪切波速）和覆蓋層厚度雙參數(shù)法對局部場地條件分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，最后采用ArcGIS軟件對場地分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化工作及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制而劃分得到。對于人口千米格網(wǎng)、房屋數(shù)據(jù)采用由一種非均勻密度的算法建立的新疆地區(qū)千米格網(wǎng)人口、經(jīng)濟(jì)、各類結(jié)構(gòu)房屋面積數(shù)據(jù)庫，其中，對于人口千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過選取土地利用、道路分布、居民點(diǎn)分布以及坡度等4類數(shù)據(jù)（周光全，2006），共15個(gè)建模因子，作為人口分布影響因素進(jìn)行多元回歸擬合計(jì)算處理，并利用鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制得到；對于房屋數(shù)據(jù)采用基于房屋數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化模型，將千米網(wǎng)格的人口密度數(shù)據(jù)與調(diào)查得到的人均住房面積進(jìn)行處理得到千米格網(wǎng)房屋數(shù)據(jù)，并通過合并運(yùn)算得到區(qū)域房屋千米網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要采用了結(jié)構(gòu)化的方法進(jìn)行建設(shè)，集成采用積木式的組裝方法。集成的目的是提供給用戶一套友善的運(yùn)行環(huán)境，以更好地滿足用戶的要求。系統(tǒng)采用C#語言進(jìn)行開發(fā)，利用VS2010平臺實(shí)施，系統(tǒng)采用ArcGIS Engine控件進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)和空間數(shù)據(jù)提取，采用GDB對空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理和存儲。數(shù)據(jù)庫DBMS平臺采用GDB格式進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲，屬性數(shù)據(jù)采用表格進(jìn)行存儲；為了與社服工程系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫較好地融合，空間數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

為了對本系統(tǒng)的功能實(shí)用性和準(zhǔn)確性加以展示，以2017年新疆精河6.6級地震為例進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測。

3.1 2017年精河6.6級地震概況

2017年精河6.6級地震震中位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣城以南約40km的山區(qū)，震中海拔1300m。通過對災(zāi)區(qū)33個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)團(tuán)場355個(gè)調(diào)查點(diǎn)的實(shí)地調(diào)查，烈度圖等震線長軸呈NWW走向分布。此次地震震區(qū)位于博羅科努山西部的中低山區(qū)，附近山頂最高海拔1700m，區(qū)域地貌單元內(nèi)，山體整體走向近EW，局部受構(gòu)造作用走向呈NW向，震中南側(cè)山頂呈脊?fàn)?、梁狀，山體溝壑縱橫；震中北側(cè)，山體相對低矮，且在山間發(fā)育有山間谷地，走向近EW，以戈壁景觀地貌為主，地表覆蓋薄層沖、洪積相礫石層，局部第三系砂巖、泥巖裸露地表。根據(jù)對周圍地震安評鉆孔及相關(guān)地形地貌數(shù)據(jù)的收集整理，對該區(qū)域場地類別劃分為Ⅱ～Ⅲ類（劉軍等，2014）（圖2）。

3.2 地震烈度預(yù)測

通過本系統(tǒng)地震觸發(fā)，輸入此次地震的震源參數(shù)，因此次地震震中位于天山地區(qū)中段，故選用天山地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系；本系統(tǒng)在對MS≥6.5地震進(jìn)行計(jì)算時(shí)考慮到了震中破裂尺度，故選用線源衰減關(guān)系模型。通過預(yù)測，此次地震的地震動(dòng)空間分布及烈度圖如圖3所示。

由圖3可見，震區(qū)西北部的托里鎮(zhèn)直至達(dá)勒特鎮(zhèn)位于山前溢出帶，該區(qū)域地基土層軟弱、地下水位淺等場地條件對依賴于振幅和頻率的地震動(dòng)具有明顯的放大效應(yīng)，這與現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查結(jié)果一致。

3.3 不同系統(tǒng)預(yù)測的烈度圖比較

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)預(yù)測的準(zhǔn)確性，本文將其與當(dāng)前新疆地震局運(yùn)行的系統(tǒng)和現(xiàn)場調(diào)查的烈度圖進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

圖2 精河6.6級地震震區(qū)場地分布

圖3 精河6.6級地震烈度預(yù)測

表1 不同模型的各烈度區(qū)破壞特征

由表1可見，采用點(diǎn)源模型的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，在近場和遠(yuǎn)場地區(qū)，模擬出的災(zāi)區(qū)的各烈度區(qū)大小與實(shí)際間都有明顯的差距；USGS提供的ShakeMap烈度圖，在Ⅸ、Ⅷ度區(qū)的烈度衰減關(guān)系與實(shí)際較接近，在災(zāi)區(qū)的西北部，場地類別為Ⅱ～Ⅲ類，地下水位淺、地基土層軟弱等場地條件對地震動(dòng)有放大作用，故USGS發(fā)布的ShakeMap烈度圖對該地區(qū)的實(shí)際情況缺乏考量，Ⅶ、Ⅵ度區(qū)與實(shí)際的破裂尺度間有明顯的差距（劉軍等，2014）；中國地震局地球物理研究所采用的西部地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系在此次地震中明顯表現(xiàn)出不適用等特點(diǎn)，而ShakeMap_CNST系統(tǒng)考慮了該地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系和場地效應(yīng)的烈度預(yù)測圖無論是在近場還是在遠(yuǎn)場，與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果都較接近，能較客觀地反映震區(qū)地震動(dòng)衰減特征。

3.4 震害快速評估

對比上述4種烈度圖產(chǎn)出的震害預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2），新疆維吾爾自治區(qū)地震局自行開發(fā)的ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)結(jié)果，與新疆維吾爾自治區(qū)地震局公布的人員傷亡數(shù)、受災(zāi)人口數(shù)及直接經(jīng)濟(jì)損失均最為接近，因此前者在破壞性地震發(fā)生后能更科學(xué)、客觀地對震害進(jìn)行預(yù)測。

表2 不同系統(tǒng)震害預(yù)測結(jié)果對比

在震害快速評估工作中，對于人員傷亡情況，利用ShakeMap_CNST系統(tǒng)、“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程系統(tǒng)的結(jié)果均與實(shí)際結(jié)果較接近，這主要是由于本系統(tǒng)與“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程系統(tǒng)均采用千米格網(wǎng)的人口數(shù)據(jù)，而“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)是采用各區(qū)縣人口密度為均值的，這樣將極震區(qū)人口統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際相比較，誤差較大。

在需緊急安置人數(shù)方面，無論是“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)還是“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程系統(tǒng)的預(yù)測與實(shí)際相差都較大，應(yīng)用本系統(tǒng)預(yù)測的壓埋人數(shù)與實(shí)際結(jié)果更為接近；在受災(zāi)人口估計(jì)方面，本系統(tǒng)、“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)結(jié)果與實(shí)際都相差不大，但由于“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程系統(tǒng)采用的是中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的千米格網(wǎng)人口數(shù)據(jù)，未按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別統(tǒng)計(jì)人口進(jìn)行控制，故其結(jié)果與實(shí)際相差非常大。

根據(jù)災(zāi)區(qū)各類房屋的建筑面積，并結(jié)合此次地震災(zāi)區(qū)的房屋破壞比、房屋損失比及房屋重置單價(jià)，計(jì)算出災(zāi)區(qū)房屋建筑的經(jīng)濟(jì)損失。將由4種烈度圖產(chǎn)出的直接經(jīng)濟(jì)損失與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)（表2），本文作者自行研發(fā)的ShakeMap_CNST系統(tǒng)的結(jié)果為25.8億元人民幣，與現(xiàn)場調(diào)查的直接經(jīng)濟(jì)損失（20.5億元）最接近。這一方面是由于本系統(tǒng)的烈度預(yù)測圖與實(shí)際調(diào)查結(jié)果更接近；另一方面是由于本系統(tǒng)的各類房屋破壞矩陣均經(jīng)過本地化研究（葛鳴等，2014），在震區(qū)房屋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，房屋破壞面積與實(shí)際更為接近，且房屋造價(jià)數(shù)據(jù)均經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查后進(jìn)行了修正，所以預(yù)測的災(zāi)區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果更為相符。

4 結(jié)語

本文采用GIS技術(shù)嘗試開發(fā)了一套基于ShakeMap_CNST的震害快速評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)考慮了新疆地區(qū)的地震動(dòng)衰減關(guān)系、場地效應(yīng)及震中破裂等因素，并結(jié)合震害預(yù)測模型，將其應(yīng)用于2017年8月9日精河6.6級地震災(zāi)害快速評估中。結(jié)果表明，該系統(tǒng)快速產(chǎn)出的烈度圖一定程度上優(yōu)于中國地震局配備的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的點(diǎn)源衰減關(guān)系模型和“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程系統(tǒng)的等震線圖，能更好地為地震災(zāi)害損失評估服務(wù)，相對于“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、“十二·五”地震社會(huì)服務(wù)工程系統(tǒng)，基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)的人員傷亡數(shù)、緊急安置人口數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失等的快速評估結(jié)果更接近現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果。由此可見，采用ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)在一定程度上能提高快速震害損失評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，在地震應(yīng)急工作中能更好地發(fā)揮其實(shí)用價(jià)值。隨著“十三·五”地震預(yù)警工程的實(shí)施，新疆地區(qū)強(qiáng)震臺網(wǎng)密度和分布范圍不斷增大，今后將利用基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)并結(jié)合實(shí)時(shí)觀測的強(qiáng)震臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行震動(dòng)圖估計(jì)，屆時(shí)該系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值或許更加明顯。