1990?2015 年中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)的人口暴露研究1

馮思琦 吳 清 沈鎏澄 王惠鐸 溫家洪

1）上海師范大學(xué), 環(huán)境與地理科學(xué)學(xué)院, 上海 200234

2）中國地震局地球物理研究所, 北京 100081

引言

低海拔沿海地區(qū)也稱沿海低地，是指沿海地帶海拔高度低于10 m 的陸地連續(xù)區(qū)域（McGranahan 等，2007；Lichter 等，2011；Liu 等，2015；潘順等，2016）。全球沿海低地僅占土地面積的2%，卻擁有世界約10%的總?cè)丝诤?3%的城市人口（ McGranahan 等，2007；Vafeidis 等，2011）。沿海低地往往人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，而生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災(zāi)害多發(fā)，抵御風(fēng)險(xiǎn)能力不足（Nicholls 等，2010；Brown 等，2013）。中國沿海低地總面積為19.4×104km2，約占中國國土總面積的2.0%，沿海低地人口總數(shù)達(dá)1.64 億，約占中國人口總數(shù)的12.3%（Liu 等，2015），是全球沿海低地人口數(shù)量最大的國家。中國沿海低地分布著人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長三角、珠三角和環(huán)渤海城市群及上海、天津、深圳、廣州、寧波等大量大型城市。

中國近海及鄰區(qū)位于太平洋板塊與歐亞板塊之間的洋-陸過渡帶上，地理位置特殊，地震活動(dòng)頻繁，一旦發(fā)生地震，會造成沿海地區(qū)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會沖擊（劉光鼎，1992；彭艷菊等，2008；高戰(zhàn)武等，2021）。影響我國沿海低地的地震災(zāi)害主要來自于海域地震和近岸陸地地震，渤海、臺灣海峽、南海北部地震活動(dòng)性較強(qiáng)，黃海地震活動(dòng)性次之，東海地震活動(dòng)性最弱（彭艷菊等，2008）。中國許多沿海低地城市和地區(qū)遭受過嚴(yán)重的地震破壞，如1918 年廣東南澳7.3 級地震極震區(qū)為南澳、汕頭、詔安，南澳極震區(qū)絕大部分房屋倒塌為平地（潘建雄等，1994）；1975 年遼寧海城7.3 級地震極震區(qū)面積達(dá)769 km2；1976 年唐山大地震造成的死亡人數(shù)超過24 萬人（Shi，2016）；江蘇溧陽1974 年和1979 年地震造成10 多萬間房屋倒塌，3 000 多人傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失近3 億元（段光賢等，1980）；1990 年常熟太倉5.1 級地震造成1.3 億元的直接經(jīng)濟(jì)損失（趙琳等，1990）。近幾十年來，中國沿海低地經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，城市化進(jìn)程不斷加快，導(dǎo)致人口大規(guī)模向沿海低地遷移（Liu 等，2015；Neumann 等，2015；Yang 等，2019）。隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，海洋資源開發(fā)、利用及海域和濱海地區(qū)大規(guī)模工程建設(shè)，一旦發(fā)生地震，將對沿海低地及濱海建設(shè)工程造成巨大破壞和損失（梁亞婷等，2015；謝卓娟等，2020；李小軍等，2021）。在快速城市化背景下，沿海低地和沿海城市面臨的地震威脅越來越嚴(yán)重。然而，以往對沿海低地的研究主要關(guān)注氣候變化下臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪水和海平面上升的脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)與適應(yīng)性（溫家洪等，2018；Micheal 等，2019；Edmonds 等，2020），缺乏對地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研究。

承災(zāi)體的暴露是災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)決定性因素之一（Poljan?ek 等，2017）。對于許多災(zāi)害事件，尤其是致災(zāi)因子超過一定強(qiáng)度時(shí)，暴露是造成人員傷亡和損失的關(guān)鍵因素（UNISDR，2015；Lang 等，2019）。通過監(jiān)測和了解暴露隨時(shí)間的變化，有助于理解災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)并減少其帶來的損失（Yang 等，2019）。人口是重要的暴露要素，人口的時(shí)間變化和空間差異是其重要屬性（梁亞婷等，2015）。地震災(zāi)害的人口暴露及其時(shí)空變化得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注（Freire 等，2012；He 等，2016，2021；Pesaresi 等，2017；Dou 等，2018；Huang 等，2019），及時(shí)了解中國沿海低地地震的暴露人口時(shí)空變化，對沿海低地地震風(fēng)險(xiǎn)分析及城市減災(zāi)規(guī)劃等風(fēng)險(xiǎn)管理策略制定至關(guān)重要。因此，本文以我國沿海低地為研究區(qū)，探究1990 年以來快速城市化背景下，該地區(qū)地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口暴露時(shí)空變化，為沿海低地地震風(fēng)險(xiǎn)評估與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本文使用的主要數(shù)據(jù)包括CoastalDEM、人口數(shù)據(jù)、地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃數(shù)據(jù)、全球城市邊界數(shù)據(jù)。

1.1.1 CoastalDEM 數(shù)據(jù)

CoastalDEM 數(shù)據(jù)用于確定中國沿海低地范圍。該數(shù)據(jù)是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行23 維垂直誤差回歸分析，以減小航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)（SRTM）誤差，生成的最新數(shù)字高程模型（DEM），并實(shí)現(xiàn)全球覆蓋（Kulp 等，2018）。該數(shù)據(jù)的空間分辨率為100 m×100 m，可在Climate Central 網(wǎng)站2https://go.climatecentral.org/coastaldem/獲取。

1.1.2 人口分布數(shù)據(jù)

人口分布數(shù)據(jù)采用由Worldpop 發(fā)布的1990?2015 年人口柵格數(shù)據(jù)3http://www.worldpop.org，本文選用1990 年、2000 年、2010 年、2015 年數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)基于土地利用、路網(wǎng)等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，使用隨機(jī)森林方法生成，在赤道地區(qū)的空間分辨率為100 m（Stevens 等，2015）。該數(shù)據(jù)在國內(nèi)已得到廣泛使用，具有較高精度（Fang 等，2018；Lv 等，2021）。

1.1.3 地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃數(shù)據(jù)

地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃數(shù)據(jù)來源于《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2016）。該區(qū)劃圖標(biāo)示了50 年超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù)，包括地震動(dòng)峰值加速度和地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期，同時(shí)規(guī)定了不同場地四級地震作用及其具體參數(shù)，給出了全國4 萬余個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府和街道辦事處所在地的地震動(dòng)參數(shù)（李巧萍等，2020）。

1.1.4 全球城市邊界數(shù)據(jù)

1990?2015 年城市邊界數(shù)據(jù)包括1990 年、2000 年、2010 年和2015 年4 個(gè)年份，來源于清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系宮鵬團(tuán)隊(duì)對外發(fā)布的全球城市邊界數(shù)據(jù)（Li 等，2020）。該數(shù)據(jù)集使用30 m 人工不透水區(qū)域數(shù)據(jù)生成，通過填充城市內(nèi)部非城市區(qū)域劃定初始城市邊界，然后利用形態(tài)學(xué)方法，改進(jìn)城市邊緣區(qū)域周圍的城市邊界，該數(shù)據(jù)格式為shapefile。

1.2 研究方法

1.2.1 確定中國沿海低地

基于中國行政區(qū)劃數(shù)據(jù)及CoastalDEM 數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS 提取中國沿海高程≤10 m的區(qū)域，并剔除不連續(xù)的零散斑塊，得到中國沿海低地及其分布。本文利用最新的CoastalDEM 數(shù)據(jù)得出中國沿海低地的總面積為21.4×104km2，較Liu 等（2015）的研究結(jié)果大2×104km2。

1.2.2 確定沿海低地的地震高危險(xiǎn)性地區(qū)

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）說明文件，Ⅱ類場地地震動(dòng)峰值加速度0.1g相當(dāng)于地震烈度為Ⅶ度，在該地震動(dòng)峰值加速度劃分區(qū)域內(nèi)場址可能遭受Ⅶ度甚至Ⅶ度以上的地震影響，造成一定損失。因此，本文提取地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃數(shù)據(jù)中地震動(dòng)峰值加速度≥0.1g的區(qū)域，定義為地震高危險(xiǎn)性地區(qū)。地震動(dòng)峰值加速度與地震烈度的對比如表1 所示。

表1 地震動(dòng)峰值加速度與地震烈度的對比Table 1 Comparison table between peak acceleration of ground motion and seismic intensity

1.2.3 人口暴露變化分析

利用ArcGIS 軟件將1990?2015 年人口柵格數(shù)據(jù)與沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)進(jìn)行疊置分析，計(jì)算1990?2015 年不同烈度區(qū)的暴露人口數(shù)量，再與城鄉(xiāng)范圍進(jìn)行疊置分析，得到不同烈度區(qū)的城市暴露人口和農(nóng)村暴露人口數(shù)量。使用ArcGIS 分類區(qū)統(tǒng)計(jì)方法中的“Zonal statistics as table”工具，對暴露人口數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以獲得人口數(shù)量和平均人口密度，使用年均增長率公式計(jì)算沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口年均增長率R（Lv 等，2021）：

式中，x為沿海低地人口數(shù)量；t1、t2分別為始末時(shí)間的年份。

2 研究結(jié)果

2.1 地震高危險(xiǎn)性地區(qū)空間分布

我國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)分布面積約為15.1×104km2，占我國沿海低地總面積的70.6%。大部分為Ⅶ度區(qū)和Ⅷ度區(qū)，其中Ⅶ度區(qū)分布面積最大，為12.7×104km2，占地震高危險(xiǎn)性地區(qū)總面積的84.1%，主要分布在蘇北平原中部、長江三角洲、珠江三角洲和環(huán)渤海（特別是渤海西岸）等地區(qū)（圖1）；Ⅷ度區(qū)面積為1.9×104km2，占地震高危險(xiǎn)性地區(qū)總面積的12.6%，主要分布在環(huán)渤海地區(qū)，包括天津的大部分地區(qū)。Ⅸ度區(qū)面積為0.5×104km2，僅占地震高危險(xiǎn)性地區(qū)總面積的3.3%，分布在臺灣島西部。

圖1 中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)空間分布Fig. 1 Spatial distribution in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China

2.2 2015 年沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口分布

2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口為16 869 萬人，占沿海低地總?cè)丝诘?6.7%。沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口密度為1 155 人/km2，約為地震高危險(xiǎn)性地區(qū)以外人口密度的1.5 倍（752 人/km2）。

2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口大部分位于Ⅶ度區(qū)，但Ⅷ度區(qū)人口密度最大。Ⅶ度區(qū)總?cè)丝谶_(dá)14 265 萬人，占沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)總?cè)丝诘?4.6%，人口密度為1 126 人/km2；Ⅷ度區(qū)的總?cè)丝跒? 557 萬人，占沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)總?cè)丝诘?5.2%，人口密度為1 353 人/km2；Ⅸ度區(qū)的總?cè)丝跒?6.5 萬人，人口密度為93 人/km2。

2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)城市暴露人口數(shù)量約為11 437 萬人，農(nóng)村暴露人口數(shù)量約為5 432萬人，分別占2015 年沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)總?cè)丝诘?7.8%和32.2%，城市暴露人口約為農(nóng)村暴露人口的2 倍。

2.3 1990?2015 年沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口時(shí)空分布特征

2.3.1 人口時(shí)空變化

1990?2015 年沿海低地的總?cè)丝?、地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口及人口密度均呈上升趨勢（圖2）。沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口人口年均增長率為2.4%（增長了254 萬人），人口密度增加了436 人/km2。該區(qū)暴露人口從1990 年的10 499 萬人增加到了2015 年的16 869 萬人，人口增加了60.7%，遠(yuǎn)高于同期全國的人口增加量（增幅為20.79%）。

圖2 1990?2015 年中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口時(shí)間變化Fig. 2 Population changes in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China from 1990 to 2015

1990?2015 年沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口密度時(shí)空變化如圖3 所示。暴露人口高密度區(qū)主要集中在3 個(gè)主要城市群：長三角、粵港澳大灣區(qū)、京津冀城市群。1990 年沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口主要集中在特大型城市天津、上海、廣州等。1990?2000 年，珠三角核心區(qū)域（以廣州為核心，包括佛山、中山和東莞等）人口增長迅速；長三角地區(qū)人口增長主要集中在蘇錫常都市圈、上海、南京、寧波、連云港，此外潮州人口增長也很迅速。2000?2010 年，長三角、珠三角、京津冀城市群人口增長速度進(jìn)一步加快，尤以長三角、珠三角城市群更甚，此外，汕潮揭都市圈人口增速加快。2010?2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口仍呈快速增長趨勢，除我國三大主要城市群人口增長迅猛以外，汕潮揭城市圈、汕尾、蘇北地區(qū)、盤錦、鞍山、營口等人口增速加快。

圖3 中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口密度時(shí)空變化Fig. 3 Spatiotemporal changes of population density in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China

2.3.2 不同地震烈度下的人口變化

沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口變化主要發(fā)生在Ⅶ、Ⅷ度區(qū)。Ⅶ度區(qū)人口由1990 年的8 838 萬人增至2015 年的14 265 萬人，增加了5 427 萬人（增幅為61.4%），如表2 所示；人口密度由1990 年的698 人/km2增至1 126 人/km2，增加了428 人/km2。Ⅷ度區(qū)人口由1990 年的1 641 萬人增至2015 年的2 557萬人，增加了916 萬人（增幅為55.8%）；人口密度由1990 年的868 人/km2增至1 353 人/km2，增加了485 人/km2。Ⅸ度區(qū)人口由1990 年的 20.8 萬人增至2015 年的46.5 萬人，增加了25.7 萬人（增幅為123.55%）；人口密度由42 人/km2增至93 人/km2。

表2 1990?2015 年沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)不同烈度區(qū)的暴露人口Table 2 Population exposed to different intensity zones in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China from 1990 to 2015

1990?2015 年，Ⅶ度區(qū)、Ⅷ度區(qū)和Ⅸ度區(qū)的暴露人口分別增長了5 427 萬人、916 萬人和25.7 萬人，增加的暴露人口主要集中在Ⅶ度區(qū)；Ⅶ度區(qū)、Ⅷ度區(qū)和Ⅸ度區(qū)暴露人口增長率分別為61.41%、55.82%和123.56%，增長率均高于同期中國的總?cè)丝谠鲩L率（20.79%）。

2.3.3 城鄉(xiāng)人口變化

中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)不同烈度區(qū)城鄉(xiāng)暴露人口變化如表3 所示。1990?2015 年，Ⅶ度區(qū)的城市人口增加了568%（達(dá)8 143 萬人），是地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口增長率（60.7%）的9.4 倍；Ⅷ度區(qū)的城市人口增加了259.8%（達(dá)1 320 萬人），是地震高危險(xiǎn)性地區(qū)人口增長率的4.3 倍；Ⅸ度區(qū)的城市人口增加了695.2%（達(dá)29.2 萬人）。1990?2015 年，Ⅶ度區(qū)的農(nóng)村人口減少了2 716 萬人，Ⅷ度區(qū)的農(nóng)村人口減少了404 萬人，Ⅸ度區(qū)的農(nóng)村人口減少了3.5 萬人。

表3 1990?2015 年中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)不同烈度區(qū)的城鄉(xiāng)人口變化Table 3 Urban and rural population changes in different intensity zones of the high seismic hazard area in low-elevation coastal zones, China from 1990 to 2015

3 結(jié)論與討論

本文分析1990?2015 年我國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口時(shí)空變化特征、不同地震烈度的暴露人口分布與變化及地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口的城鄉(xiāng)人口結(jié)構(gòu)，主要得出以下結(jié)論：

（1）中國沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)面積約15.1×104km2，占我國沿海低地總面積的70.6%。1990?2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口達(dá)16 869 萬人，占沿海低地總?cè)丝诘?0%以上，暴露在地震風(fēng)險(xiǎn)的人口數(shù)量巨大。

（2）1990?2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口增長率約60.7%，是同期中國的總?cè)丝谠鲩L率的2 倍以上。其中，Ⅶ度區(qū)的人口增長了61.41%，Ⅷ度區(qū)的人口增長了55.82%，Ⅸ度區(qū)的人口增長了123.56%。隨著城市化的發(fā)展，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)暴露人口快速增加。

（3）1990?2015 年，沿海低地地震高危險(xiǎn)性地區(qū)城市暴露人口增加了8 143 萬人，約增長了4.8 倍，而農(nóng)村暴露人口減少了1/3。人口在不斷地由內(nèi)地向沿海遷移的同時(shí)，也由農(nóng)村地區(qū)向城市地區(qū)集中。隨著城市化和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，東部沿海低地人口快速向城市集中，低洼地區(qū)的沿海城市面對的氣候變化及極端事件壓力不斷增大，且地震風(fēng)險(xiǎn)的挑戰(zhàn)不斷增加，需進(jìn)一步開展沿海低地城市地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估及地震災(zāi)害鏈和多災(zāi)種復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)評估與治理。

本研究的不確定性在于CoastalDEM 高程數(shù)據(jù)集是SRTM 數(shù)據(jù)集的改進(jìn)數(shù)據(jù)集，全局平均誤差為1.88～?0.29 m。在城市和森林地區(qū)，雷達(dá)技術(shù)捕捉的是基礎(chǔ)設(shè)施或樹木高程，而不是地面高程，數(shù)據(jù)集的可靠性較低。同時(shí)，人口數(shù)據(jù)也存在一定不確定性，人口暴露估計(jì)的GPW 網(wǎng)格數(shù)據(jù)集是使用分解方法從人口普查數(shù)據(jù)開發(fā)的，該數(shù)據(jù)集由人口普查單位提供，而每個(gè)單位內(nèi)的人口位置未知。由于普查數(shù)據(jù)的粗略空間分辨率，人口的空間分布存在一定不確定性。