基于耦合因子的廣東地區(qū)地震災(zāi)害 人員傷亡評估方法

何萍 俞崗

摘要：從地震災(zāi)害人員傷亡影響因素的角度進行震害傷亡人數(shù)快速評估方法的研究，建立基于耦合因子的傷亡人數(shù)評估模型，并以廣東地區(qū)為例，分析評估模型中地震災(zāi)害人員傷亡耦合因子的空間化及定量化過程。以ARC Engine 10.1為平臺進行地震快速評估與動態(tài)出圖系統(tǒng)的研發(fā)，并將其應(yīng)用于廣東地區(qū)歷史強震的震害評估。結(jié)果表明：該系統(tǒng)對同一震例可以用不同算法（基于耦合因子的算法模型及常規(guī)算法模型）進行傷亡人數(shù)評估計算，基于耦合因子的算法模型所計算出的人員傷亡數(shù)量具有明顯的地區(qū)差異性，比較貼合實際情況。

關(guān)鍵詞：地震災(zāi)害;人員傷亡評估;耦合因子;廣東地區(qū)

中圖分類號：P315.94 ??文獻標識碼：A ??文章編號：1000-0666（2019）02-0280-08

0 引言

地震是對人類最具威脅的自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性和難以預(yù)測性。在強地震動作用下，可導(dǎo)致建筑物倒毀，構(gòu)筑物或基礎(chǔ)設(shè)施破壞，往往還伴隨著次生和衍生災(zāi)害。地震帶來的直接與間接災(zāi)害經(jīng)常會造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。近年來，隨著我國城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，人口愈加集中，城鎮(zhèn)化進程加快，地震成災(zāi)事件越來越多，地震對人們的生命財產(chǎn)安全的威脅也越來越大。根據(jù)以往多震省份的地震應(yīng)急實踐經(jīng)驗，地震發(fā)生后，專業(yè)技術(shù)人員必須快速回應(yīng)指揮部提出的關(guān)鍵問題，如災(zāi)區(qū)社會經(jīng)濟與自然地理特點，地震災(zāi)區(qū)范圍及分布情況，人員傷亡的數(shù)量及分布情況，經(jīng)濟損失的大概規(guī)模，次生地震災(zāi)害風(fēng)險及空間分布，應(yīng)急響應(yīng)的啟動級別等。在這些問題中最核心的問題是人員傷亡規(guī)模以及災(zāi)區(qū)空間分布位置，這也是應(yīng)急響應(yīng)啟動、救災(zāi)部署的關(guān)鍵指標之一。為了能快速準確地回答這個問題，近年來國內(nèi)外許多專家學(xué)者都對地震災(zāi)害中的人員傷亡評估進行了深入的分析與研究。本文從地震災(zāi)害傷亡人數(shù)影響因素的角度進行分析，建立地震傷亡人數(shù)估算參數(shù)，并以廣東地區(qū)為例，分析基于地震災(zāi)害人員傷亡耦合因子的評估方法，進行比較分析。

1 地震災(zāi)害人員傷亡耦合因子分析

地震造成的人員傷亡有直接和間接2種：直接人員傷亡主要是建構(gòu)筑物損毀造成的人員被砸、被埋、被壓或兼而有之導(dǎo)致的死亡、致傷、致殘;間接人員傷亡是地震引發(fā)的次生災(zāi)害造成的，如房屋倒塌、生命線工程及設(shè)施破壞等引起的爆炸、火災(zāi)、水災(zāi)、環(huán)境污染、瘟疫流行等以及地震地質(zhì)災(zāi)害崩塌、滑坡、泥石流等。地震造成的人員傷亡與災(zāi)區(qū)的自然環(huán)境和人文環(huán)境有關(guān)，同等震級的地震，由于災(zāi)區(qū)地理環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展不同造成的災(zāi)情也各不相同。在前人研究的基礎(chǔ)上（肖光先，1991;尹之潛，1991;馬玉宏，謝禮立，2000;傅征祥，1993;程家喻，楊喆，1993;王曉青等，2009;李永強等，2007;陳洪富等，2011），何萍（2018）分析了2001—2016年中國大陸地區(qū)發(fā)生的184次成災(zāi)地震事件（中國地震局震災(zāi)應(yīng)急救援司，2010，2015;鄭通彥，鄭毅，2012，2014，2015;陳通，鄭通彥，2016;文鑫濤，鄭通彥，2018），分別從震區(qū)烈度、發(fā)震時刻、人口密度、建筑物破壞程度、次生災(zāi)害等方面對地震中造成人員傷亡的主要因素進行了定性及定量的分析。分析結(jié)果表明，建構(gòu)筑物抗震性能、人口密度、城市發(fā)展程度及地震引發(fā)的次生災(zāi)害是地震中影響人員傷亡關(guān)鍵的耦合因子。因此，本文所研究的人員傷亡快速評估方法主要是基于5個耦合因子來進行。

1.1 建筑物抗震性能

建筑物的抗震性能是地震時影響人員傷亡最顯著的因子。地震會造成房屋建筑物的倒塌、破壞和使用功能的喪失，還會導(dǎo)致嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失，何萍（2018）對2001—2016年中國大陸發(fā)生的184次成災(zāi)地震事件中的房屋中等以上破壞面積與該地震造成的人員傷亡人數(shù)進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明這2個變量之間的相關(guān)系數(shù)達到0.999，顯著相關(guān)。

1.2 人口密度及城市化程度

從歷史地震災(zāi)害可以看出，災(zāi)區(qū)的人口密度及城市發(fā)展程度同樣也是地震災(zāi)害中影響人員傷亡的重要原因之一。城市化的進程，使地震災(zāi)害的社會影響越來越呈現(xiàn)多樣性的特點，并深刻影響地震災(zāi)害中的人員傷亡及經(jīng)濟損失（伍國春，2012）。1964年的日本新瀉7.5級地震是城市化災(zāi)害的典型震例，地震導(dǎo)致石油儲油罐群發(fā)生火災(zāi)，并引發(fā)了地震海嘯致使災(zāi)害更為嚴重，眾多建筑因為場地發(fā)生液化傾倒毀壞。1995年日本阪神7.2級地震則是典型的城市直下型震例，大阪是日本第二大都市，地震造成5 438人死亡，直接經(jīng)濟損失約1 000億美元。引發(fā)震害最主要的原因一是發(fā)震斷層穿城而過，地震導(dǎo)致房屋倒塌、交通中斷、城市癱瘓;二是地震引發(fā)了非常嚴重的次生火災(zāi)，主要由城市管道煤氣的爆炸引發(fā)，加劇了震害和傷亡（中國赴日地震考察團，1995）。2011年3月11日，日本9.0級特大地震是日本近年來人員傷亡及損失最為慘重的一次地震，地震誘發(fā)海嘯不僅摧毀了沿岸的村落，更影響到東京等地的城市生活，并且由于福島核電站的處理問題演變?yōu)楹税踩C。

1.3 地形地貌特征

震中的地形地貌特征很大程度決定了震后地震地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻度及強度，而地震地質(zhì)災(zāi)害的大小同樣影響到災(zāi)后人員傷亡的數(shù)量。如我國的西南地區(qū)，自然地理環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造多變，巖石破碎，山地面積大，山高谷深，地勢高差大。近年來西南地區(qū)發(fā)生的大部分破壞性地震都誘發(fā)滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，從而加重了災(zāi)情。汶川8.0級地震引發(fā)地震地質(zhì)災(zāi)害點達5 094處，其中滑坡1 701處、崩塌1 866處、泥石流304處、不穩(wěn)定斜坡1 093處、地面塌陷21處、地裂縫123處，造成了大量人員傷亡（國土資源部地震救災(zāi)前線指揮部，2008）。在云南昭通地區(qū)，5.0級以上地震通常都會產(chǎn)生較大規(guī)模的崩滑次生災(zāi)害，并造成嚴重人畜傷亡，如2006年“7·22”鹽津5.1級地震死亡22人，其中因地震崩滑致死占死亡總數(shù)的81.82%;2006年“8·25”鹽津5.1級地震死亡2人，均系地震崩滑而死，占總數(shù)的100.00%;2012年“9·7”彝良5.7、5.6級地震死亡81人，因地震崩滑死亡60人，占死亡總數(shù)的74.07%（白仙富等，2013）。

4.2 人口密度及城市化發(fā)展程度影響因子P

為了更好地定量化表達廣東地區(qū)的人口密度及城市發(fā)展程度，將其按城市人口、經(jīng)濟及城市化的發(fā)展程度分為4類地區(qū)（圖2b）：一線城市中心城區(qū);以各地市中心城區(qū)以及一線城市非中心區(qū)為主;區(qū)縣中心城區(qū)及城鎮(zhèn)中心區(qū);鄉(xiāng)鎮(zhèn)及農(nóng)村地區(qū)。在對184個震例研究的基礎(chǔ)上（中國地震局震災(zāi)應(yīng)急救援，2010，2015;鄭通彥，鄭毅，2012，2014，2015;文鑫濤，鄭通彥，2018;陳通，陳通彥，2016;何萍，2018），將人口密度及城市發(fā)展程度對地震災(zāi)害大小影響定量化，計算人員傷亡損失時將這4類地區(qū)賦以不同的權(quán)重（分別為3.0，2.0，1.0，0.6），以區(qū)別地震發(fā)生在該類地區(qū)時所造成的不同程度的影響。

4.3 場地條件影響因子S

廣東地區(qū)陸地地勢北高南低，眾多河川總體上均向南流入海域。由于溫濕氣候影響，陸殼巖屑的風(fēng)化作用強烈，兼臺風(fēng)暴雨頻頻，更加強了地表剝蝕、侵蝕作用，也增強了流水的搬運作用，在沿海地區(qū)形成了深厚的泥砂堆積。這種地下水位較高的軟弱地基是加劇震害的不利因素。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010），參考廣東省地震局以往的研究成果，將現(xiàn)有場地粗略劃分為4類（圖2c），將場地類型對地震災(zāi)害大小影響定量化，計算人員傷亡損失時將不同的場地類型賦以不同的權(quán)重，影響因子S在不同場地條件下的取值分別為：0.5，1.0，1.2，1.5。

4.4 地形影響因子T

廣東山丘臺地多為厚層風(fēng)化殼，雖然海拔不高，但若震中在山區(qū)，也會引發(fā)小型的滑坡、塌方。如1962年河源6.1級地震后曾出現(xiàn)“山剝皮”現(xiàn)象，也可能加重山區(qū)地震的災(zāi)情，因此有必要對現(xiàn)有的廣東地區(qū)地形影響因子進行分區(qū)（圖2d）。根據(jù)廣東地區(qū)的數(shù)字高程圖提取廣東山地與平地的分區(qū)，以供在計算中應(yīng)用。但是廣東地區(qū)的地震滑坡大多是小型或小區(qū)域滑坡，不會發(fā)生像西南地區(qū)那樣具有一定規(guī)模、影響巨大的滑坡，而且震后的滑坡受天氣影響更大，因此還要考慮強降雨時滑坡可能性問題。結(jié)合何萍（2018）對184個震例的研究，T在山區(qū)取值為1.1（強降雨時增加至1.5），平地取值為1.0。

4.5 天氣影響因子C

氣象災(zāi)害是廣東最常見的自然災(zāi)害，發(fā)生災(zāi)害的時限較長，每年遭受的損失占全部損失的90%以上。歷史震例表明，地震的發(fā)生往往伴隨著極端的天氣，惡劣天氣會使地震災(zāi)害擴大化，增加誘發(fā)地震次生災(zāi)害的風(fēng)險，致使人員傷亡、經(jīng)濟損失成倍增長，因此災(zāi)害發(fā)生時還要隨時關(guān)注災(zāi)區(qū)的天氣情況。但根據(jù)目前掌握的地震事件資料，很難收集到因天氣條件不同，遭受相同震級地震受災(zāi)情況的定量對比震例，很難將天氣影響取值定量化。因此在新研發(fā)評估軟件時，天氣影響因子僅作為額外輸入變量來體現(xiàn)，并不作為常態(tài)參量。

5 算法實現(xiàn)

本文系統(tǒng)開發(fā)采用Microsoft的集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2010，該系統(tǒng)提供了一個高效率的集成化的開發(fā)環(huán)境，可以在一個統(tǒng)一的環(huán)境中進行設(shè)計、編碼、調(diào)試和測試工作。開發(fā)語言采用C#，界面開發(fā)采用Microsoft的WPF+Ribbon，該控件可使界面功能有組織的存放，豐富的命令布局更容易幫助用戶找到所需功能（何萍等，2017）。GIS平臺采用ESRI的ArcEngine 10.1，ArcEngine 10.1是一個完全組件化的GIS平臺，提供了功能豐富、強大的底層開發(fā)接口，如數(shù)據(jù)處理、空間分析、地圖瀏覽和制圖等接口。

在實際計算中，將上述5個耦合因子的空間及屬性數(shù)據(jù)保存成參數(shù)數(shù)據(jù)庫，以便在應(yīng)用中能直接調(diào)用賦值，實現(xiàn)算法的實際應(yīng)用。在軟件設(shè)計中了考慮了震害的預(yù)評估計算以及相關(guān)報告的產(chǎn)出，同時也給出了目前應(yīng)用較多的專題圖件自動產(chǎn)出模塊，方便用戶使用，圖3給出了系統(tǒng)總體架構(gòu)。

為了更好地對比預(yù)評估結(jié)果，在輸入地震參數(shù)窗口中給出了是否采用基于人員耦合因素傷亡算法的選擇勾選，一般默認為基于建筑物易損性的算法模型，建筑物的易損性矩陣全省應(yīng)用統(tǒng)一值;勾選后則可以按照基于耦合因子的人員傷亡算法進行預(yù)評估（圖4）。2種算法均可得到評估報告，方便用戶的比對。本文基于建筑物易損性算法（算法1）及使用基于人員耦合因素傷亡算法（算法2）分別對廣東地區(qū)歷史上的5次中強地震進行了震害評估計算，計算結(jié)果如表1所示。從表中可看出，基于算法2的人員傷亡評估數(shù)帶有明顯的地區(qū)差異性，震級相似的地震，由于災(zāi)區(qū)背景不同，造成的人員傷亡量有較大區(qū)別。

6 結(jié)論與討論

本文以地震中影響人員傷亡的5個耦合因子作為重要參數(shù)，建立了基于多耦合因子的地震災(zāi)害人員傷亡評估模型，并以廣東歷史上發(fā)生的5次地震為例，進行地震傷亡人數(shù)的估算。通過算例實踐，證明這種評估模型計算出的人員傷亡數(shù)量具有明顯的地區(qū)差異性，計算結(jié)果和實際情況比較吻合。但在實際算法實踐中，同樣也存在以下問題，筆者也將在以后研究中進一步細化完善：

（1）由于技術(shù)限制，目前在軟件中選擇耦合因子的定量值，是根據(jù)地震烈度影響場與耦合因子空間分布的疊加分析確定的，所占比重的大小決定了耦合因子的具體參量。因此很難避免同一烈度下存在不同耦合因子值的誤差。

（2）從算例的對比結(jié)果來看，利用本文模型評估的人員傷亡數(shù)帶有明顯的地區(qū)差異性，同一震級的地震，由于災(zāi)區(qū)的背景不同，造成的人員傷亡有顯著區(qū)別。但是由于廣東地區(qū)歷史地震發(fā)生年代久遠，很多歷史地震的定位不太準確，難以用歷史震害的特征與當前的孕災(zāi)環(huán)境進行對比，因此很難驗證算法的精度及可靠性。今后設(shè)計算法模型時應(yīng)以多震區(qū)為例進行示范算例研究，更為科學(xué)。

（3）耦合因子的取值合理性還有待于深入的分析研究。雖然從歷史震例中，宏觀上可以得出影響人員傷亡的具體耦合因子，但是耦合因子具體取值的準確度要求震例的精準分析，受限于目前的資料缺乏，很難達到精準的要求，只有不斷調(diào)試，才能給出一個較為合理化的取值。

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