地震預(yù)警系統(tǒng)的效能評(píng)估和社會(huì)效益分析

郭 凱 溫瑞智 楊大克 彭克銀

1) 中國(guó)北京100045中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心 2) 中國(guó)哈爾濱150080中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所3) 中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

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地震預(yù)警系統(tǒng)的效能評(píng)估和社會(huì)效益分析

1) 中國(guó)北京100045中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心 2) 中國(guó)哈爾濱150080中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所3) 中國(guó)北京100081中國(guó)地震局地球物理研究所

本文從地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡和可挽回的經(jīng)濟(jì)損失兩個(gè)角度出發(fā)， 研究了地震預(yù)警系統(tǒng)的效能和社會(huì)效益． 通過(guò)對(duì)蘭州市及周邊地區(qū)潛在震源各個(gè)震級(jí)檔的年平均發(fā)生概率進(jìn)行計(jì)算， 并結(jié)合以蘭州市為中心布設(shè)的80個(gè)強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站信息， 計(jì)算了有效的預(yù)警時(shí)間及地震烈度． 基于生命易損性模型方法， 計(jì)算了地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡系數(shù)； 采用基于宏觀GDP的損失評(píng)估方法， 計(jì)算了地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的經(jīng)濟(jì)損失， 分析了地震預(yù)警系統(tǒng)的社會(huì)效益． 計(jì)算結(jié)果表明： 減小地震預(yù)警盲區(qū)范圍對(duì)提高地震預(yù)警系統(tǒng)的效能非常關(guān)鍵； 地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)和臺(tái)網(wǎng)布局應(yīng)重點(diǎn)考慮布設(shè)區(qū)域的人口密度、 經(jīng)濟(jì)情況及地震發(fā)生概率．

地震預(yù)警 效能評(píng)估 社會(huì)效益

引言

目前國(guó)際上已經(jīng)運(yùn)行或者試運(yùn)行的地震預(yù)警系統(tǒng)， 基本都是受災(zāi)難驅(qū)動(dòng)所建立， 如日本、 墨西哥、 美國(guó)加州、 土耳其伊斯坦布爾等建設(shè)了地震預(yù)警系統(tǒng)的國(guó)家和地區(qū)均屬于地震高發(fā)區(qū)域， 這些區(qū)域歷史上曾發(fā)生過(guò)多次破壞性地震并導(dǎo)致了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失(Allen， Kanamori， 2003； Erdiketal， 2003； Brownetal， 2009， 2011； Suárezetal， 2009)． 地震預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)密集分布的臺(tái)站可以數(shù)秒實(shí)現(xiàn)地震三要素的自動(dòng)測(cè)定和發(fā)布、 發(fā)電廠關(guān)閉、 對(duì)正在運(yùn)行的地鐵和列車進(jìn)行減速以及通知人們采取緊急避險(xiǎn)措施等． 當(dāng)然， 地震預(yù)警系統(tǒng)也存在一定局限性， 存在地震漏報(bào)和誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)； 同時(shí)需要投入巨大資金， 如在預(yù)警區(qū)域周圍建設(shè)一定密度的地震臺(tái)網(wǎng)、 高速有效的通信線路以及覆蓋人口密集區(qū)域的警報(bào)發(fā)布系統(tǒng)等(郭凱， 2012)． 巨額投入以及地震預(yù)警系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)是導(dǎo)致許多國(guó)家仍在猶豫是否建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)的主要原因．

圖1 蘭州市及其周邊地區(qū)地震臺(tái)站(綠色三角形)和背景場(chǎng)預(yù)警臺(tái)站(紅色三角形)分布 Fig.1 Distribution of seismic stations (green triangles) and early warning stations of background field (red triangles) in Lanzhou city and its surrounding areas

目前我國(guó)正在積極推進(jìn)地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)， 建立了首都圈和蘭州地震預(yù)警示范區(qū)， 以蘭州市和首都圈為中心, 分別布設(shè)了80個(gè)強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站， 同時(shí)周邊也布設(shè)了一些地震臺(tái)站．

本文從評(píng)估地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮效能的角度出發(fā)， 對(duì)地震預(yù)警時(shí)間、 地震烈度和損失評(píng)估等方面進(jìn)行研究， 并結(jié)合蘭州及周邊地區(qū)地震臺(tái)站和背景場(chǎng)預(yù)警臺(tái)站(圖1)及經(jīng)濟(jì)、 人口等方面的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 從地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡和可挽回的經(jīng)濟(jì)損失的角度出發(fā)， 對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)的效能和社會(huì)效益進(jìn)行分析和研究．

1 地震預(yù)警系統(tǒng)的效能評(píng)估方法

地震預(yù)警系統(tǒng)的有效性受諸多因素影響， 主要分為兩類： ① 地震預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性； ② 地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡和可挽回的經(jīng)濟(jì)損失(郭凱， 2012)． 本文僅對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡和可挽回的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行分析． 地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)發(fā)生在預(yù)警盲區(qū)的地震或者地震動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到發(fā)布強(qiáng)度而未發(fā)布警報(bào)的地震， 即漏報(bào)地震， 是無(wú)法發(fā)揮作用的； 有效預(yù)警時(shí)間的長(zhǎng)短很大程度上決定了地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡比例以及次生災(zāi)害(如火災(zāi)、 煤氣爆炸等)所造成的損失．

一定區(qū)域內(nèi)地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡主要由以下因素決定： ① 該區(qū)域一定半徑范圍內(nèi)發(fā)生破壞性地震的概率及其對(duì)該區(qū)域的影響程度； ② 地震預(yù)警系統(tǒng)在破壞性地震波到達(dá)該地區(qū)前的有效預(yù)警時(shí)間．

1.1 地震發(fā)生概率及其對(duì)設(shè)防區(qū)域的影響程度

我國(guó)在地震危險(xiǎn)性評(píng)估方面已經(jīng)開展了諸多研究工作(胡聿賢， 2007)， 例如： 黃瑋瓊和吳宣(2006)對(duì)地震統(tǒng)計(jì)區(qū)劃分、 潛在震源區(qū)劃分與地震活動(dòng)性參數(shù)確定三者的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了相關(guān)研究； 高孟潭(1993)采用與目前地震危險(xiǎn)性分析方法相同的概率分析法， 建立了潛在震源區(qū)內(nèi)地震烈度超過(guò)給定地震烈度情況下的震級(jí)與空間聯(lián)合概率分布函數(shù)， 并據(jù)此給出了計(jì)算潛在震源區(qū)期望震級(jí)和期望距離的基本公式． 本文基于地震危險(xiǎn)性分析方法， 利用分布在蘭州地區(qū)附近的潛在震源地震數(shù)據(jù)(圖2)， 將地震分為不同震級(jí)檔Mj， 分別計(jì)算其年平均發(fā)生概率PMj．

圖2 蘭州市及周邊地區(qū)潛在震源分布

震害經(jīng)驗(yàn)表明， 地震動(dòng)在不同方向上的衰減特征不同， 地震高級(jí)別等震線多呈橢圓形， 因此在地震危險(xiǎn)性分析中地震動(dòng)衰減模型多采用橢圓衰減模型(肖亮， 俞言祥， 2011). 本文采用汪素云等(2000)提出的西部烈度衰減關(guān)系進(jìn)行地震烈度的計(jì)算． 從圖1可以看出， 蘭州市的邊界分布并不規(guī)則， 東西向較長(zhǎng)， 如果將整個(gè)蘭州市作為一個(gè)點(diǎn)源來(lái)進(jìn)行地震烈度及預(yù)警時(shí)間的計(jì)算， 則所得結(jié)果的偏差會(huì)較大． 于是本文將蘭州市以1 km×1 km進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 以每個(gè)潛在震源中心為地震點(diǎn)， 按照不同震級(jí)檔、 發(fā)震概率PMj以及潛在震源的破裂方向，分別計(jì)算蘭州市遭遇地震烈度為Ⅴ--Ⅷ度時(shí)的年平均發(fā)生概率PI， 部分計(jì)算結(jié)果如圖3所示．

1.2 有效預(yù)警時(shí)間計(jì)算

地震預(yù)警是爭(zhēng)分奪秒的， 所以應(yīng)盡可能減少一切造成預(yù)警時(shí)延的因素． 根據(jù)蘭州地震預(yù)警示范區(qū)的地理位置， 本文對(duì)甘肅、 寧夏、 青海和陜西等4個(gè)省148個(gè)地震臺(tái)站以及160個(gè)強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站實(shí)時(shí)匯集到中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延進(jìn)行了計(jì)算， 結(jié)果分別如圖4a， b所示． 可以看出， 強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站的傳輸時(shí)延要大大低于地震臺(tái)站的傳輸時(shí)延． 強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站時(shí)延主要為1—2 s， 而地震臺(tái)站時(shí)延主要為5—8 s． 這是由于強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行了修改， 減少了數(shù)據(jù)打包的等待時(shí)間； 而地震臺(tái)站則是在傳輸時(shí)延和帶寬壓力方面作了權(quán)衡， 一般一個(gè)數(shù)據(jù)包包含300—450 ms的數(shù)據(jù)． 綜合圖1臺(tái)站分布及臺(tái)站傳輸時(shí)延， 本文對(duì)預(yù)警效能評(píng)估時(shí)僅選用分布在蘭州及周邊地區(qū)的80個(gè)強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站．

圖3 蘭州市遭遇地震烈度為Ⅵ度(a)和Ⅶ度(b)時(shí)的年平均發(fā)生概率

Fig.3 Annual average occurrence probability of earthquakes with intensity degree Ⅵ (a) and Ⅶ (b) encountered in Lanzhou city

圖4 地震臺(tái)站(a)和強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站(b)的傳輸時(shí)延

目前地震預(yù)警主要在日本、 美國(guó)和墨西哥等國(guó)家運(yùn)行， 在地震預(yù)警計(jì)算方法和觸發(fā)設(shè)定上各國(guó)存在一定差別： 如美國(guó)Elarms系統(tǒng)一般采用3個(gè)或3個(gè)以上臺(tái)站進(jìn)行觸發(fā)判定； 而日本緊急地震速報(bào)系統(tǒng)無(wú)論幾個(gè)臺(tái)站觸發(fā)， 只要計(jì)算得到的烈度達(dá)到設(shè)定的閾值， 就會(huì)立刻對(duì)震中一定范圍內(nèi)的區(qū)域發(fā)布警報(bào)， 這樣雖然大大提高了有效預(yù)警時(shí)間， 但也增加了地震誤報(bào)事件發(fā)生的概率． 本文在計(jì)算預(yù)警時(shí)間時(shí)采用3臺(tái)觸發(fā)的混合預(yù)警模式， 即當(dāng)?shù)卣饎?dòng)強(qiáng)度超過(guò)設(shè)定閾值并且有3個(gè)或3個(gè)以上臺(tái)站觸發(fā)時(shí)， 開始發(fā)布地震警報(bào)(郭凱， 2012). 用于計(jì)算有效預(yù)警時(shí)間的公式為

(1)

式中：Twar為地震預(yù)警系統(tǒng)在地震到達(dá)目標(biāo)區(qū)域前的有效預(yù)警時(shí)間；Lepi為震源與目標(biāo)區(qū)域的距離；Lsta為震源與第3個(gè)臺(tái)站的距離；vS為S波速度， 設(shè)定為3.5 km/s；vP為P波速度， 設(shè)定為6 km/s；Tdat為計(jì)算所需的P波數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)， 這里取P波前3 s的數(shù)據(jù)；Tcen為數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行牡臅r(shí)延和系統(tǒng)計(jì)算的時(shí)間之和， 取為2 s；Tiss為預(yù)警信息的發(fā)布時(shí)延， 設(shè)定為1 s．

圖5 蘭州地區(qū)潛在震源地震發(fā)生概率分布 Fig.5 Probability distribution of potential earthquakes occurred in Lanzhou area

根據(jù)式(1)計(jì)算設(shè)定的潛在震源地震發(fā)生時(shí)的有效預(yù)警時(shí)間以及前面計(jì)算得出的潛在震源地震發(fā)震概率和蘭州市各網(wǎng)格點(diǎn)的烈度， 可以對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮的效能進(jìn)行初步分析． 以蘭州市中心點(diǎn)所在網(wǎng)格單元(36°N， 103°40′E)為例， 計(jì)算得到蘭州地區(qū)潛在震源地震發(fā)生概率分布， 如圖5所示． 可以看出， 預(yù)警系統(tǒng)可提供10—110 s的預(yù)警時(shí)間． 若預(yù)警時(shí)間超過(guò)60 s， 說(shuō)明該地震震中較遠(yuǎn)， 烈度一般低于Ⅴ度， 不會(huì)造成人員傷亡．

1.3 地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡

夏玉勝和楊麗萍(2000)研究指出： 如果預(yù)警時(shí)間為3 s， 則可使人員傷亡減少14%； 如果預(yù)警時(shí)間為10 s， 則可使人員傷亡減少39%； 如果預(yù)警時(shí)間達(dá)到60 s， 則可使人員傷亡減少95%． 對(duì)大地震后災(zāi)區(qū)的人員傷亡評(píng)估方法， 主要基于當(dāng)?shù)亟ㄖ闆r的震害矩陣來(lái)進(jìn)行人員傷亡等損失的評(píng)估(尹之潛， 1991； 孫柏濤， 胡少卿， 2005)， 以及通過(guò)對(duì)地震烈度與人員傷亡關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析得到的生命易損性模型． 本文采用生命易損性模型來(lái)確定地震發(fā)生時(shí)的人員傷亡系數(shù)(劉吉夫等，2009)， 某個(gè)單元網(wǎng)格內(nèi)地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡系數(shù)Sper可表示為

圖6 地震預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警能力系數(shù)分布 Fig.6 Distribution of capability coefficientof early warning system

(2)

式中，z為潛在震源地震個(gè)數(shù)，ε(Twar)為預(yù)警時(shí)間為Twar時(shí)地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡比例，DI為烈度為I時(shí)該區(qū)域的人員傷亡系數(shù)(劉吉夫等， 2009)． 采用式(2)計(jì)算了地震預(yù)警系統(tǒng)在單位網(wǎng)格內(nèi)可減少的人員傷亡系數(shù)， 結(jié)果如圖6所示． 可以看出： 預(yù)警能力系數(shù)越大的區(qū)域， 預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮的效能就越高， 人員傷亡比例越低； 東部區(qū)域的預(yù)警能力系數(shù)遠(yuǎn)大于西部和中部區(qū)域， 其主要原因?yàn)闁|部區(qū)域分布的強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)密度較高， 有效預(yù)警時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)．

本文利用2009年蘭州市各區(qū)的人口數(shù)據(jù)(表1)， 將預(yù)警能力系數(shù)乘以單元網(wǎng)格的人口數(shù)(單位： 萬(wàn)人)， 得到了地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡數(shù)據(jù). 當(dāng)不考慮預(yù)警盲區(qū)內(nèi)發(fā)生的地震時(shí)， 減少的人員傷亡比例為46.75%； 當(dāng)考慮預(yù)警盲區(qū)內(nèi)地震造成的人員傷亡時(shí)， 該比例僅為0.79%， 因此如何有效地減少預(yù)警盲區(qū)是非常必要的. 由于該數(shù)據(jù)未考慮強(qiáng)震后次生災(zāi)害所引發(fā)的人員傷亡以及地震預(yù)警發(fā)揮的作用， 故本文得出的預(yù)警能力系數(shù)應(yīng)該低于實(shí)際情況．

表1 2009年蘭州市各區(qū)面積、 人口和生產(chǎn)總值

2 地震預(yù)警系統(tǒng)的社會(huì)效益評(píng)估

2.1 地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失

地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)建筑物構(gòu)造性損失無(wú)法起到作用， 但對(duì)減少間接經(jīng)濟(jì)損失以及人員傷亡卻可以起到很大作用． 一般情況下間接經(jīng)濟(jì)損失為直接經(jīng)濟(jì)損失的0.4—2.0倍(尹之潛， 1991)； 且烈度越大， 間接經(jīng)濟(jì)損失比例相對(duì)于直接經(jīng)濟(jì)損失的比例也就越高． 其原因在于目標(biāo)區(qū)域遭遇到的烈度越大， 建(構(gòu))筑物的毀壞程度越高， 火災(zāi)、 爆炸等次生災(zāi)害發(fā)生的概率也越高． 鑒于間接經(jīng)濟(jì)損失的不確定性， 地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失很難進(jìn)行精確的評(píng)估． 通過(guò)對(duì)我國(guó)震害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析(林均岐， 鐘江榮， 2003； 鐘江榮等， 2011)， 并結(jié)合國(guó)外地震經(jīng)驗(yàn)， 得到了按分區(qū)的地震間接經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估系數(shù)， 如表2所示． 陳棋福等(1997)利用全球大地震的震害資料， 采用宏觀易損性分析中的地震震中烈度分配法， 結(jié)合當(dāng)?shù)谿DP和人口數(shù)據(jù)， 按照世界銀行所劃分的高、 中和低收入國(guó)家的經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 得到了3種針對(duì)不同等級(jí)收入地區(qū)的地震損失與地震烈度的關(guān)系. 李俊(2009)采用該方法對(duì)汶川地震造成的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了評(píng)估， 得出GDP損失值為1721—2152億元， 約占全年GDP總額0.69%—0．86%． 這與公布的損失約6000億元相比稍偏小， 但均在千億這個(gè)量級(jí)， 能大體反映出汶川地震的破壞程度．

表2 間接經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估系數(shù)EI

本文也采用宏觀易損性分析中的地震震中烈度分配法， 對(duì)2002年甘肅玉門MS5.9地震所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了計(jì)算． 甘肅省玉門市2001年GDP為28.1億元， 面積為1.35萬(wàn)km2． 此次地震受災(zāi)面積達(dá)8910 km2， 受災(zāi)人口為7.5萬(wàn)余人， 地震震中烈度為Ⅶ度， Ⅶ度區(qū)面積為410 km2， Ⅵ度區(qū)面積為2890 km2， 直接經(jīng)濟(jì)損失約為7000萬(wàn)元． 將GDP按照玉門市面積進(jìn)行平均分配， 則每平方千米分配到的GDP約為31.5萬(wàn)元. 根據(jù)中低收入破壞區(qū)間范圍， 將Ⅵ度和Ⅶ度區(qū)域面積乘以相應(yīng)的損失系數(shù)和單位GDP， 最終得到的財(cái)產(chǎn)損失為2618—3990萬(wàn)元． 該結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相比偏小， 這是由于該方法并未考慮Ⅴ度區(qū)所造成的損失， 僅考慮Ⅵ度以上受地震影響較嚴(yán)重區(qū)域的損失， 所以該評(píng)估結(jié)果在一定程度上反應(yīng)了災(zāi)區(qū)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)損失情況．

本文從比較保守的角度提出了地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估方法， 認(rèn)為地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的間接經(jīng)濟(jì)損失范圍為10%—30%， 計(jì)算公式為

(3)

式中，m為第m個(gè)網(wǎng)格單元，Sben為地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失，Ppre為對(duì)地震災(zāi)害正確預(yù)警的概率，IMj為選取的潛在震源對(duì)第m個(gè)網(wǎng)格單元所造成的烈度，CI為烈度為I時(shí)的間接經(jīng)濟(jì)損失，EI為烈度為I時(shí)可挽回的間接經(jīng)濟(jì)損失系數(shù)， 其取值范圍為0.1—0.3．

結(jié)合前面蘭州市預(yù)警能力評(píng)估結(jié)果， 采用式(3)分別計(jì)算蘭州市每個(gè)網(wǎng)格地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的經(jīng)濟(jì)損失， 計(jì)算得出地震預(yù)警系統(tǒng)每年可挽回的經(jīng)濟(jì)損失為9660萬(wàn)—4億4千萬(wàn)元， 結(jié)果如圖7所示. 可以看出， 計(jì)算結(jié)果浮動(dòng)范圍與系數(shù)EI取值范圍有關(guān)．

圖7 EI最小(a)和EI最大(b)時(shí)地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失分布

2.2 保護(hù)策略實(shí)施的成本

由于地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息后， 預(yù)警范圍內(nèi)的企業(yè)和個(gè)人均會(huì)采取一定的應(yīng)急保護(hù)措施， 如工廠停止機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)， 商場(chǎng)往往也會(huì)暫時(shí)停止?fàn)I業(yè)， 使得第二、 第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生一定的停、 減產(chǎn)損失， 尤其是在地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)生誤報(bào)后， 導(dǎo)致的損失會(huì)更加明顯． 本文主要考慮由于地震預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)地震誤報(bào)后所產(chǎn)生的損失(郭凱， 2012)， 其計(jì)算公式為

(4)

式中，Cpro為地震預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)策略的成本，Nfal為地震誤報(bào)發(fā)生的年平均次數(shù)，Efal為地震誤報(bào)造成經(jīng)濟(jì)損失的影響系數(shù)， 該系數(shù)與預(yù)警誤報(bào)區(qū)域恢復(fù)正常運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，Esec和Ethi分別為第二、 第三產(chǎn)業(yè)在預(yù)警區(qū)域國(guó)民生產(chǎn)總值中的比例系數(shù)，G為預(yù)警區(qū)域的國(guó)民生產(chǎn)總值．

2.3 地震預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行成本

地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)需要很大的資金投入， 如高密度預(yù)警臺(tái)站的建設(shè)， 關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)以及系統(tǒng)的運(yùn)維和人員培訓(xùn)等． 地震預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行成本計(jì)算公式為

(5)

式中，Csys為地震預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行所需要的成本，Cinv為地震預(yù)警系統(tǒng)的投資費(fèi)用，Ctra為系統(tǒng)管理人員的培訓(xùn)費(fèi)用，Cmai為系統(tǒng)每年維護(hù)的費(fèi)用，Ccom為每年系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警信息的通信費(fèi)用，Wper為系統(tǒng)工作人員的工資收入，n為系統(tǒng)工作人員數(shù)目．

2.4 地震預(yù)警系統(tǒng)的有形經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估

根據(jù)上述分析， 在不考慮地震預(yù)警系統(tǒng)的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值(如提高公眾的安全感)的情況下， 綜合考慮地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失、 保護(hù)策略實(shí)施的成本和系統(tǒng)的運(yùn)行成本(郭凱， 2012)， 對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)有形的經(jīng)濟(jì)價(jià)值Sval進(jìn)行了評(píng)估， 其計(jì)算公式為

(6)

地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的成本非常高昂， 故選擇在何地建立以及確定合理的臺(tái)網(wǎng)密度時(shí)， 應(yīng)重點(diǎn)考慮地震預(yù)警系統(tǒng)可以發(fā)揮的效能． 由于地震預(yù)警系統(tǒng)的有形經(jīng)濟(jì)價(jià)值主要由其可挽回的經(jīng)濟(jì)損失來(lái)決定， 這主要與預(yù)警設(shè)防區(qū)域的強(qiáng)震發(fā)生頻率以及經(jīng)濟(jì)情況等相關(guān)．

3 討論與結(jié)論

本文首先采用分布在蘭州及其周邊區(qū)域的潛在震源數(shù)據(jù)， 將蘭州市區(qū)網(wǎng)格化后， 對(duì)該市區(qū)可能遭受的地震烈度概率分布進(jìn)行了計(jì)算； 然后對(duì)預(yù)警時(shí)間計(jì)算進(jìn)行了分析， 對(duì)現(xiàn)有地震臺(tái)站和預(yù)警臺(tái)站的傳輸時(shí)延進(jìn)行了測(cè)算， 對(duì)蘭州市及周邊地區(qū)分布的80個(gè)強(qiáng)震預(yù)警臺(tái)站對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡系數(shù)進(jìn)行了評(píng)估； 最后對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了評(píng)估， 采用宏觀易損性分析中的地震震中烈度分配法， 以蘭州市區(qū)為例, 計(jì)算了地震預(yù)警系統(tǒng)可挽回的經(jīng)濟(jì)損失， 并就地震預(yù)警系統(tǒng)的有形經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行了初步探討．

地震預(yù)警系統(tǒng)的效能發(fā)揮很大程度上取決于地震預(yù)警臺(tái)站的布局和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延． 地震臺(tái)網(wǎng)密度較高的區(qū)域， 地震預(yù)警系統(tǒng)可減少的人員傷亡和可挽回的經(jīng)濟(jì)損失就越高， 同時(shí)地震預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮效能的高低與每個(gè)區(qū)域的人口密度和經(jīng)濟(jì)情況也有很大關(guān)聯(lián)． 從減小人員傷亡比例來(lái)看， 減小預(yù)警盲區(qū)范圍， 可以提高地震預(yù)警系統(tǒng)效能． 科學(xué)合理地布局預(yù)警臺(tái)網(wǎng)， 減小預(yù)警盲區(qū)范圍， 降低預(yù)警系統(tǒng)漏報(bào)和誤報(bào)概率， 對(duì)于提高預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮的作用及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值非常重要．

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Effectiveness evaluation and social benefits analyses on earthquake early warning system

1)ChinaEarthquakeNetworksCenter，Beijing100045，China2)InstituteofEngineeringMechanics，ChinaEarthquakeAdministration，Harbin150080，China3)InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China

This paper focuses on the study on the effectiveness of earthquake early warning system and social benefits from the perspective of earthquake early warning system’s reducing the casualties and the economic losses. Based on the calculation results of the annual average occurrence probability of potential earthquakes in each magnitude grade in Lanzhou city and its surrounding areas， we calculated the effective warning time and seismic intensity by using the data from 80 earthquake early warning stations in Lanzhou region. Based on the life-vulnerability model， we calculated the casualties coefficient by the early warning system， and then calculated the economic losses by the macro GDP loss assessment method. The results show that it is crucial for improving the efficiency of earthquake early warning to minimize the scope of blind areas. The construction of earthquake early warning system and the layout of station network should focus on the population density， the economic situation and the probability of earthquake occurrence of the layout areas.

earthquake early warning; effectiveness evaluation; social benefits

地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201508007)、 國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)項(xiàng)目(503130113)和國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2009BAK55B05)聯(lián)合資助.

2015-04-10收到初稿， 2015-09-20決定采用修改稿.

e-mail: guokai@seis.ac.cn

10.11939/jass.2016.01.015

P315.61

A

郭凱, 溫瑞智, 楊大克, 彭克銀. 2016. 地震預(yù)警系統(tǒng)的效能評(píng)估和社會(huì)效益分析. 地震學(xué)報(bào), 38(1): 146--154. doi:10.11939/jass.2016.01.015.

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