大同-陽(yáng)高3次地震的快速評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析

王躍杰，牛艷杰，焦晶淼，于 潼

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

1989年大同-陽(yáng)高6.1級(jí)地震后，為爭(zhēng)取世界銀行貸款，在地震區(qū)進(jìn)行了與國(guó)際接軌的我國(guó)防震減災(zāi)史上第一次震害評(píng)估工作[1]。30年來(lái)，我國(guó)的震害評(píng)估工作已日臻成熟。2013年，甘肅省地震局對(duì)岷縣、漳縣6.6級(jí)地震進(jìn)行準(zhǔn)確的快速評(píng)估；2019年，四川省地震局對(duì)長(zhǎng)寧6.0級(jí)地震的快速評(píng)估結(jié)果得到中國(guó)地震局的認(rèn)可。

山西省地震應(yīng)急評(píng)估系統(tǒng)建成較早，目前采用的是基于公里格網(wǎng)的快速評(píng)估系統(tǒng)。近幾年來(lái)，大同市作為重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)，開展了大同陽(yáng)高震區(qū)房屋、經(jīng)濟(jì)、人口等方面的調(diào)查，并更新數(shù)據(jù)資料。該文通過(guò)對(duì)大同-陽(yáng)高3次地震進(jìn)行地震快速評(píng)估計(jì)算，得出與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果的差異，分析差異產(chǎn)生的主要原因，提出改進(jìn)建議，為今后同類地震的快速評(píng)估提供參考。

1 3次地震現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果分析

1989年6.1級(jí)、1991年5.8級(jí)和1999年5.6級(jí)地震均發(fā)生在大同盆地東部的冊(cè)田凹陷內(nèi)，3 次地震相距2 km左右(見圖1)。震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，位于近EW向六棱山北麓斷裂、NW向秋林-金山斷裂和NNE向的大王斷裂3條斷裂相交的三角地帶，發(fā)震構(gòu)造既有一致性，又有不確定性，其烈度分區(qū)及災(zāi)害情況也有較大不同。3次地震的震害評(píng)估報(bào)告主要結(jié)果如表1所示。

圖1 地震及斷層分布圖

表1 震害評(píng)估報(bào)告主要結(jié)果[2-4]

1.1 烈度等震線對(duì)比

將3次地震的等震線圖矢量化后，同一烈度分區(qū)放在同一層中，其分布如圖2所示。

圖2 地震現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估烈度分布圖

1989年6.1級(jí)地震最高烈度為Ⅷ度，涉及1個(gè)村莊點(diǎn)。Ⅶ度、Ⅵ度展布方向呈北東-南北，Ⅴ度區(qū)近圓形。該地震受多次5級(jí)以上地震重疊破壞影響，發(fā)震構(gòu)造難以確定，綜合認(rèn)為是大王斷裂、秋林-金山斷裂和六棱山北麓斷裂綜合影響的結(jié)果，使得該地震等震線長(zhǎng)短軸方向?yàn)椴灰?guī)則的北東-南北向。

1991年5.8級(jí)地震的各級(jí)烈度圈長(zhǎng)軸方向一致，皆為北東向，與大王斷裂走向吻合，推測(cè)大王斷裂是此次地震的發(fā)震構(gòu)造。該地震是1989年大同-陽(yáng)高6.1級(jí)地震的余震，其長(zhǎng)軸方向與6.1級(jí)地震等震線長(zhǎng)軸方向基本一致，Ⅶ度、Ⅵ度區(qū)位于老震區(qū)的重建區(qū)，破壞相對(duì)較輕。

1999年5.6級(jí)地震的各級(jí)烈度圈長(zhǎng)軸方向不一致。Ⅶ度圈長(zhǎng)軸方向?yàn)楸蔽飨颍龆热﹂L(zhǎng)軸方向近東西向，Ⅴ度圈近似圓形。根據(jù)調(diào)查報(bào)告，該地震的發(fā)震構(gòu)造為秋林-金山斷裂，走向與Ⅶ度圈長(zhǎng)軸方向基本一致。但Ⅵ度圈展布方向與六棱山北麓斷裂走向一致。除居民地沿山前平行分布外，說(shuō)明地震動(dòng)衰減明顯受該斷裂及地貌的影響。

由圖2看出，3次地震震級(jí)相差不大，但其等震線面積及長(zhǎng)軸方向相差較大。其中，1991年5.8級(jí)地震Ⅶ度圈是1999年5.6級(jí)Ⅶ度圈的四分之一，Ⅵ度圈是1999年5.6級(jí)Ⅵ度圈的三分之一，Ⅵ度、Ⅶ度區(qū)范圍明顯異于其他兩次地震。這是因?yàn)?989年地震后，災(zāi)區(qū)重建的房屋具有一定的抗震性能，但隨著時(shí)間加長(zhǎng)和1991年5.8級(jí)地震的影響，使房屋的抗震性能逐漸下降。因此，通過(guò)房屋破壞程度來(lái)確定地震烈度時(shí)，應(yīng)加大房屋建造年代的權(quán)重，并考慮震區(qū)近年來(lái)的震例。另外，雖然六棱山北麓斷裂明顯為3次地震的控震構(gòu)造，但破壞方向卻各不相同，說(shuō)明對(duì)于6級(jí)及以下地震，用區(qū)域大斷裂來(lái)確定其影響場(chǎng)方向存在明顯不足，還必須依靠次級(jí)隱伏斷裂和歷史震例來(lái)輔助確定其長(zhǎng)軸走向。

1.2 人員傷亡及直接經(jīng)濟(jì)損失對(duì)比

1989年6.1級(jí)地震造成15人死亡，1991年5.8級(jí)地震未直接造成人員死亡(逃跑避震不當(dāng)間接死亡1人)，1999年5.6級(jí)地震有10人重傷，未造成人員死亡。

從表1可以看出，死亡人數(shù)、重傷人數(shù)與房屋倒塌數(shù)量相關(guān)，但死亡人數(shù)，尤其個(gè)位數(shù)的預(yù)測(cè)則具有較大隨機(jī)性。1989年地震造成重傷與死亡的比例約5，1991年為1，1999年為無(wú)窮大。因此，建立一套合理的推算死亡與重傷比的模型難度較大。

直接經(jīng)濟(jì)損失與房屋的破壞程度密切相關(guān)。同樣地區(qū)，并不是震級(jí)越大房屋破壞越重大，但單位面積的破壞導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失是逐年增加的。這既反映了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也反映了物價(jià)和人力成本的上漲?；诜课萁ㄖ拐鹦阅芎徒ㄔ靻蝺r(jià)確定的經(jīng)濟(jì)損失模型，要注意建造單價(jià)數(shù)據(jù)的及時(shí)更新。

2 快速評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果的對(duì)比分析

根據(jù)3個(gè)震害評(píng)估報(bào)告的經(jīng)緯度及震級(jí)，采用基于公里格網(wǎng)的地震應(yīng)急快速評(píng)估系統(tǒng)對(duì)這3次地震進(jìn)行快速評(píng)估計(jì)算。結(jié)果顯示，3次地震計(jì)算得到的影響場(chǎng)地方向、面積，人員傷亡、直接經(jīng)濟(jì)損失均與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果相差較大。

2.1 影響場(chǎng)與烈度等震線分區(qū)比較

將影響場(chǎng)與地震現(xiàn)場(chǎng)烈度等震線圖放在同一圖中(見圖3)，其主軸方向與各級(jí)面積如表2所示。

表2 快速評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估影響場(chǎng)結(jié)果對(duì)比

圖3 快速評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估烈度分布對(duì)比圖

可以看出，影響場(chǎng)與烈度等震線圖方向完全一致的是1999年Ⅵ度圈，基本一致的是1991年的Ⅵ度圈和Ⅶ度圈，相差較大的是1989年，Ⅵ、Ⅶ度烈度圈方向均不一致。方向的差異主要顯示了發(fā)震構(gòu)造的判別。1991年的影響場(chǎng)與烈度等震圖發(fā)震構(gòu)造均為大王斷裂，1989與1999年則均受多條構(gòu)造影響。1989年的烈度等震線圖是幾次5級(jí)以上地震疊加的結(jié)果，其發(fā)震構(gòu)造受EW向六棱山北麓斷裂、NNE大王斷裂和NNW秋林-金山斷裂共同控制。1999年極震區(qū)受秋林-金山斷裂控制，Ⅵ度區(qū)則受EW向六棱山北麓斷裂及山脈地貌控制。由此可見，實(shí)際地震災(zāi)害往往受多條斷裂控制，而目前系統(tǒng)模型是受單條斷裂方向控制，未考慮震中附近其他方向的斷裂控制。因此，未來(lái)的研究應(yīng)考慮多條斷裂影響下的影響場(chǎng)。

從各級(jí)烈度破壞面積來(lái)看，影響場(chǎng)計(jì)算面積普遍大于實(shí)際烈度等震線圖的面積。其中，1991年的各級(jí)面積比接近5倍。主要原因?yàn)橛?jì)算未考慮房屋建筑、人員分布和地貌的影響；所用的衰減關(guān)系未考慮震源深度的影響；衰減關(guān)系不一定適合局部地區(qū)的衰減規(guī)矩。因此，對(duì)于震例較豐富的地區(qū)，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行烈度衰減關(guān)系回歸。

2.2 人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失比較

目前，快速評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估方法是一致的，均是基于各類房屋的破壞來(lái)計(jì)算。不同的是，現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估是根據(jù)實(shí)際調(diào)查的破壞面積來(lái)計(jì)算，快速評(píng)估系統(tǒng)采用的是全省統(tǒng)一的震害矩陣來(lái)計(jì)算?，F(xiàn)場(chǎng)評(píng)估的人員傷亡來(lái)自實(shí)際調(diào)查，快速評(píng)估的人員傷亡是在基于倒塌和嚴(yán)重破壞房屋的基礎(chǔ)上運(yùn)用統(tǒng)計(jì)模型得到?？焖僭u(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估直接經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 快速評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估直接經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡對(duì)比表

可以看出，在人員傷亡方面，3次地震的快速評(píng)估結(jié)果均接近實(shí)際評(píng)估結(jié)果；經(jīng)濟(jì)損失方面， 1989年和1991年2次地震的預(yù)測(cè)結(jié)果均比較準(zhǔn)確，1999年5.6級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果比值達(dá)4。而快速評(píng)估系統(tǒng)并未考慮多次地震疊加造成震害成倍加大的情況。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)以上對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 地震現(xiàn)場(chǎng)破壞復(fù)雜，相距2 km的3次地震的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果在影響場(chǎng)地方向、面積、人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失方面都毫無(wú)規(guī)律可言。

(2) 影響場(chǎng)與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估得到的各級(jí)烈度分區(qū)面積相差較大，主要是因?yàn)槟壳暗乃p關(guān)系未考慮震源深度；另外，全國(guó)尺度的衰減關(guān)系不一定適合山西局部地區(qū)，建議增加多個(gè)當(dāng)?shù)厮p關(guān)系以供選擇。對(duì)于大同這樣震例豐富的地區(qū)應(yīng)該結(jié)合周邊一些中強(qiáng)破壞性地震震例進(jìn)行衰減關(guān)系回歸，得到適合該區(qū)域的中強(qiáng)地震衰減關(guān)系。

(3) 影響場(chǎng)方向相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估烈度圈而言，方向單一，不符合實(shí)際情況。建議對(duì)于發(fā)震構(gòu)造豐富的地點(diǎn)，影響場(chǎng)方向除考慮主方向外，還要充分考慮其他方向的構(gòu)造及居民分布、人員分布和地形地貌等影響因素。

(4) 系統(tǒng)計(jì)算得到1999年地震造成的直接經(jīng)濟(jì)損失相差較大，其影響場(chǎng)總面積比為2，直接經(jīng)濟(jì)損失結(jié)果比為4，單位面積直接經(jīng)濟(jì)損失的最終快速評(píng)估與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估結(jié)果相差8倍以上?？焖僭u(píng)估系統(tǒng)的房屋建筑數(shù)據(jù)庫(kù)是最近幾年的房屋建筑數(shù)據(jù)，其抗震能力應(yīng)該比20年前提高許多，直接經(jīng)濟(jì)損失適當(dāng)降低是合理的，但相差8倍以上主要還是因?yàn)橄到y(tǒng)缺乏歷史震害疊加的考慮。另外，歷史震害的疊加還會(huì)影響到影響場(chǎng)的方向和范圍，受災(zāi)房屋和人員數(shù)量都復(fù)雜許多。建議在系統(tǒng)中增加多震疊加模型，便于在多震情況下評(píng)估系統(tǒng)依然能完成疊加計(jì)算。

(5) 系統(tǒng)計(jì)算得到人員死亡數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估數(shù)據(jù)基本一致，受災(zāi)面積則相差較大。死亡人口相差不大的原因主要是導(dǎo)致死亡的老舊土木房屋和窯洞在災(zāi)區(qū)已經(jīng)全部改建為磚木結(jié)構(gòu)，其抗震性能有較大提高。同時(shí)，建議在系統(tǒng)模型內(nèi)考慮老震區(qū)受災(zāi)群眾的震后主觀自救能力的影響。

(6) 一些斷裂在局部轉(zhuǎn)折、交叉、端部地段發(fā)生地震后，影響場(chǎng)地方向難以判斷。因此，要根據(jù)震中地形地貌、人員分布等綜合判斷，這時(shí)應(yīng)增加人為干預(yù)過(guò)程。同時(shí)，要加快建設(shè)震例數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于發(fā)生歷史地震的老震區(qū)，借鑒前人的工作成果，對(duì)新發(fā)生地震的快速評(píng)估結(jié)果實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行干預(yù)。

(7) 從3次地震的快速評(píng)估結(jié)果來(lái)看，其損失主要受震級(jí)影響。這是因?yàn)槟壳暗目焖僭u(píng)估系統(tǒng)中采用的是統(tǒng)一的衰減關(guān)系和建筑破壞矩陣。對(duì)于同一地區(qū)，主要結(jié)果變化不大，但如果是不同地區(qū)，則會(huì)與實(shí)際結(jié)果有較大出入。建議根據(jù)山西省已有的建筑物抗震性能分析結(jié)果數(shù)據(jù)，建立不同分區(qū)的建筑破壞矩陣。