地震人員傷亡評估方法概述

王 野 （地震工程與工程振動重點實驗室中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080）

我國是一個人口密度相對較大，部分地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能較差，震源深度較淺，且大震頻發(fā)的國家，在過去50年中，唐山大地震、汶川大地震以及青海玉樹大地震等都造成了大量的人員傷亡，因此地震在我國是造成人員傷亡的主要自然災(zāi)害之一。近幾十年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口迅速增長，在目前地震準(zhǔn)確預(yù)報依舊是世界難題的情況下，為減少地震造成的人員傷亡，地震預(yù)防和震后應(yīng)急工作尤為重要。而強(qiáng)烈破壞性地震所造成的人員傷亡情況，又是一個地區(qū)制定合理準(zhǔn)確的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等地震預(yù)防工作的標(biāo)準(zhǔn)和參考，也是政府有關(guān)部門開展震后應(yīng)急工作的重要依據(jù)。因此對于破壞性地震所造成的震區(qū)的人員傷亡評估工作尤為重要。

本文以地震人員傷亡評估方法、評估結(jié)果表達(dá)方式為依據(jù)，對國內(nèi)外地震人員傷亡評估方法和模型進(jìn)行了總結(jié)和概括，并對地震人員傷亡評估方法的發(fā)展方向作出了展望。

1 地震人員傷亡評估方法

對于地震人員傷亡的評估方法，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究與分析，目前對于地震人員傷亡的評估方法以其評估結(jié)果表達(dá)方式來劃分，則主要分為兩類，其一是給出地震造成人員傷亡的期望值；其二是給出地震造成人員傷亡數(shù)在某一范圍內(nèi)的概率。兩種地震人員傷亡評估方法各有利弊，適用范圍有一定的差異。

1.1 地震人員傷亡期望值評估方法

給出地震造成人員傷亡期望值結(jié)果的評估方法，是基于地震參數(shù)或建筑結(jié)構(gòu)易損性，給出地震造成人員期望值的一類評估方法。

國外的Samardjieva等學(xué)者根據(jù)20世紀(jì)全球范圍內(nèi)的地震震害人員傷亡統(tǒng)計數(shù)據(jù)，總結(jié)分析得到人員傷亡經(jīng)驗公式，見式(1)。此評估方法適用于地震人員傷亡的快速評估，但其未考慮建筑結(jié)構(gòu)易損性的影響，且評估精度相對較差。

式中:D是傷亡人數(shù)；M是地震震級；ρ是受影響區(qū)域的人口密度；b和c是回歸參數(shù)，取決于受影響區(qū)域的平均人口密度ρ。

美國推出的HAZUS模型，是通過運用事故樹的理論來進(jìn)行人員傷亡的期望值評估；但該模型是基于美國實際情況給出的評估模型，僅適用于美國地區(qū)，對于其他國家地區(qū)需進(jìn)行模塊的調(diào)整。我國的李媛媛、陳建國等在HAZUS方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的改動，給出符合我國實際情況的近似人員傷亡評估方法。

國內(nèi)的肖光先在1987年根據(jù)能收集到的震害數(shù)據(jù)資料，將房屋的破壞數(shù)作為影響人員傷亡的主要參數(shù)，同時考慮相對人口密度對其的影響，分析總結(jié)給出烈度大于等于Ⅶ時，近似的傷亡人數(shù)期望值經(jīng)驗公式，如式（2）所示。根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計的資料，傷殘人數(shù)取為死亡人數(shù)的3倍。該評估方法同樣存在評估精度相對較低的問題。

式中：N為死亡人數(shù)；I為地震烈度；SB為(倒塌+1/2嚴(yán)重破壞)房屋間數(shù),且以萬間計；ρ為相對人口密度，即為計算單元人口密度/城市平均的人口密度。

肖光先在1991年又針對地震發(fā)生地區(qū)的差異，給出3種人員傷亡期望值估算方法。分別是針對城市中范圍相對較小的行政區(qū)域、農(nóng)村地區(qū)及震害波及范圍較大的區(qū)域的傷亡人數(shù)期望值經(jīng)驗評估模型，如式（3）～（6）所示，其中式（3）、式（4）為針對城市中范圍相對較小的行政區(qū)域的估算公式，式（5）為農(nóng)村地區(qū)的人員傷亡估算公式，式（6）為針對震害波及范圍較大的區(qū)域的估算方式。

式中：I為地震烈度；μ為地震烈度為I時的死亡率；ρ為人員密度；D為死亡人數(shù)；q為b村人口總數(shù)。A為烈度大于等于I的面積；I為遭受到的最大烈度；I為開始出現(xiàn)破壞的烈度為6度。

劉金龍等對地震人員傷亡因素綜合分析，給出了以震中烈度為主要參數(shù)的人員傷亡期望值評估模型，同時考慮到震級差異和人口密度的影響，給出了震級差異和人口密度的修正系數(shù)。劉吉夫、陳颙等通過收集大量中國大陸破壞性震害數(shù)據(jù),采用符合實際地震影響場的人口分配方法,同時考慮了生命損失率為0時的情況,擬合給出了更加符合實際地震情況的人員傷亡期望值評估模型。

鄭山鎖、張睿明等考慮了人員密度、建筑結(jié)構(gòu)類型及其功能、不同時段人員在室率和建筑結(jié)構(gòu)在不同破壞狀態(tài)下的傷亡率等因素，給出了傷亡人數(shù)期望值評估模型，見下式（8）～（10）所示。該評估方法雖然考慮到了建筑結(jié)構(gòu)易損性對人員傷亡的影響，但其僅能給人員傷亡期望值的評估結(jié)果，然而由于實際的震害表現(xiàn)具有非常強(qiáng)的不確定性，因此單一的期望值評估結(jié)果是很難滿足對傷亡不確定性的描述的。

式中：N、N和N依次為傷亡評估區(qū)域的死亡人數(shù)、重傷人數(shù)和輕傷人數(shù)，其中死亡人數(shù)是指因地震而導(dǎo)致的直接死亡或受重傷3日內(nèi)死亡的人數(shù)；重傷人數(shù)是指因地震而導(dǎo)致的需依靠住院來治療傷病的受傷人員；輕傷人數(shù)則為只需要提供簡單的醫(yī)療治療的受傷人員；α為建筑結(jié)構(gòu)分布區(qū)域調(diào)整系數(shù)，文中建議取值為農(nóng)村區(qū)域取值為0.6，城郊結(jié)合區(qū)域取值為0.8，城市區(qū)域取值為；η為單棟建筑結(jié)構(gòu)在不同發(fā)震時間的人員在室率，文中通過問卷調(diào)查和網(wǎng)絡(luò)上的抽樣調(diào)查，給出了適用于全國的人員在室率數(shù)據(jù)；ρ為單棟建筑結(jié)構(gòu)的人員密度；A為單棟建筑物的使用面積；DS為建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生不同破壞狀態(tài)的概率，x=1～5分別對應(yīng)基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞及倒塌狀態(tài)；d、s和m分別為不同破壞狀態(tài)下的死亡概率、重傷概率及輕傷概率；i、j、k=1～5。

1.2 地震人員傷亡基于概率的評估方法

地震人員傷亡基于概率的評估方法是指將人員傷亡的評估結(jié)果用概率的形式表達(dá)出來。國內(nèi)的李帆等同時考慮了人口密度、人員在室率和結(jié)構(gòu)在不同破壞狀態(tài)下的傷亡率，通過運用中心極限定理，給出了在給定預(yù)測概率下的傷亡人數(shù)上限，如式（10）所示。

式中：P為地震發(fā)生在不同時間段個體的平均傷亡率；R為給定預(yù)測概率；Z為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量，φ（Z）=R ；n為震區(qū)的居民總數(shù)；Y為給定預(yù)測概率下的傷亡人數(shù)上限值，即在預(yù)測概率R下，最大的傷亡人數(shù)為Y人。

國外的USGS于2007年發(fā)布的全球地震快速評估系統(tǒng)PAGER，在人員傷亡評估方面，給出基于歷史震害數(shù)據(jù)擬合分析得到的人員傷亡經(jīng)驗評估模型，得到傷亡人數(shù)落在某兩個閾值區(qū)間的概率，見式（11）。此種方法能給出傷亡人數(shù)在死亡人數(shù)閾值區(qū)間的概率結(jié)果，但其未考慮建筑結(jié)構(gòu)易損性的影響，不能反映出人員傷亡與建筑物易損性的聯(lián)系。

式中：s為實際人員傷亡數(shù)；a,b為傷亡人數(shù)閾值點；E為地震可能造成的死亡數(shù)；ξ為累計殘差值。

2 人員傷亡評估方法展望

總結(jié)地震人員傷亡評估方法現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)，無論是給出地震造成人員傷亡期望值的評估方法，還是給出地震造成人員傷亡數(shù)在某一范圍內(nèi)的概率的評估方法，在結(jié)果表達(dá)上都不能充分描述評估震害損失的不確定性。前者僅僅能給出地震造成傷亡人數(shù)期望值的評估結(jié)果，然而由于實際的房屋建筑的震害表現(xiàn)具有非常強(qiáng)的不確定性，因此單一的期望值評估結(jié)果是很難滿足對傷亡不確定性描述的。而后者雖然對于地震人員傷亡能給出一定的不確定性概率評估結(jié)果，但其往往未考慮建筑結(jié)構(gòu)易損性，不能反映出人員傷亡與建筑物易損性的聯(lián)系。

因此，基于目前地震人員傷亡評估方法的現(xiàn)狀，對地震人員傷亡評估方法作出展望，即在考慮建筑易損性的前提下，可給出人員傷亡的函數(shù)曲線，給出更多人員傷亡基于概率的表達(dá)結(jié)果，如何給出某個數(shù)量級的傷亡人數(shù)、某個范圍內(nèi)的傷亡人數(shù)或超過某個關(guān)心閾值的可能性有多大等。

3 總結(jié)

本文按照地震人員傷亡評估結(jié)果表達(dá)方式的不同，系統(tǒng)地回顧了地震人員傷亡評估方法，并對評估方法的優(yōu)缺點作出評價。最后基于地震人員傷亡評估方法的現(xiàn)狀，對地震人員傷亡評估方法的發(fā)展方向作出了展望，即在考慮建筑結(jié)構(gòu)易損性的前提下，給出人員傷亡函數(shù)曲線及更多基于概率的人員傷亡結(jié)果表達(dá)。