上海市人口時空變化對震害快速評估結(jié)果影響研究＊

肖 爽，王小明，張 勇，趙學志，程顯洲

（上海市地震局，上海 200062；上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站，上海 200062）

地震發(fā)生后，拯救生命和減少人員傷亡是地震應急救援工作的首要任務，也是震后地震應急工作的重中之重，而地震災害快速評估系統(tǒng)所計算的人員傷亡數(shù)能夠為政府抗震救災提供必要的依據(jù)。在人口密集的地區(qū)，中強度地震可能會造成重大的人員傷亡，因此，提高地震災害快速評估結(jié)果的準確性，對提高地震應急救援工作效率具有十分重要的意義[1]。

理論上，地震震級越大，造成的損失越大；同理，相同震級，人口密度越高，人員傷亡也越多。比如2001年昆侖山口西8.1 級大地震，由于該區(qū)域為無人區(qū)，雖然震級很大，但是沒有造成人員傷亡。2014 年云南省魯?shù)榭h6.5 級地震造成大量人員傷亡，此次地震震級雖然不大，但造成大量人員傷亡，原因除了房屋抗震能力差、震源淺等，還有與當?shù)厝丝诿芏雀叩纫蛩叵⑾⑾嚓P[2]。魯?shù)榭h的人口密度為全省平均人口密度的2倍之多。

上述2 個震例說明，破壞性地震的人員傷亡人數(shù)與該區(qū)域的地震災害所涉及的總?cè)丝跀?shù)密切相關[3]。在其他應急基礎數(shù)據(jù)、地震烈度衰減關系和震害矩陣不變的情況下，本文研究利用基于手機位置信息的動態(tài)人口數(shù)據(jù)，替換應急基礎數(shù)據(jù)庫中靜態(tài)的六普人口數(shù)據(jù)，通過人工設定地震，對比分析災情報告中人員傷亡結(jié)果，從而提高災情報告中傷亡人數(shù)評估的準確性，為震后應急救援提供科學可靠的依據(jù)。

1 區(qū)域總?cè)丝跀?shù)對地震人員傷亡人數(shù)的影響

1.1 地震人員傷亡快速評估模型

上海市地震局目前所采用的地震災害快速評估系統(tǒng)評估模型中，尹之潛—死亡人員模型公式如下：

式（1）（2）中：Rd為評估區(qū)域內(nèi)地震死亡率；I0、I1、I2為固定參數(shù)，分別為12.4、0.1、-13.3；A為評估區(qū)域內(nèi)房屋毀壞比；Nd為評估區(qū)域內(nèi)地震死亡人數(shù)；M為評估區(qū)域的總?cè)丝跀?shù)。

尹之潛—受傷人員模型公式如下：

式（3）中：In為受傷人數(shù)；I0為固定參數(shù)，為10；De為死亡人數(shù)。

通過公式可以看出，評估區(qū)域的總?cè)丝跀?shù)是計算死亡人數(shù)和受傷人數(shù)的重要參數(shù)，而目前，上海市地震災害快速評估系統(tǒng)中人口數(shù)據(jù)來源于2010年全國第六次人口普查（參考上海市應急基礎數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，以下簡稱為“六普數(shù)據(jù)”），六普數(shù)據(jù)是按照現(xiàn)住地址登記統(tǒng)計，該數(shù)據(jù)沒有考慮到人口的空間分布和動態(tài)變化，從而使得評估模型中的人口數(shù)據(jù)與實際情況出現(xiàn)較大的偏差，直接導致人口傷亡評估結(jié)果不準確。

1.2 上海市人口時空變化規(guī)律

上海作為人口密集的特大城市，人口呈現(xiàn)“白天向心，夜間離心”的分布狀態(tài)，由此可見上海各行政區(qū)尤其是人口晝夜分布比較高的地區(qū)，當白天或者夜間發(fā)生中高強度地震時，人員的傷亡人數(shù)會有很大的差別。通過查找相關文獻[2]，分析了上海市人口動態(tài)空間分布特征。

如圖1 所示為以2 h 為時間單元，將各時間段的記錄人數(shù)進行空間可視化，展示上海市1 d 的人口動態(tài)空間分布變化。結(jié)合上海市人口的時空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)中心城區(qū)的人口密度在上午11：00 達到峰值，而在夜間23：00 回落到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，所以選取11：00 和23：00 作為人工設定地震的發(fā)震時刻進行研究。其次考慮到工作日與節(jié)假日相比，在相同時段內(nèi)同一地區(qū)的人口分布狀態(tài)可能存在較大差異，所以選取2020-09-16（工作日）的11：00 和23：00、2020-09-20（休息日）的11：00 和23：00 作為4 個人工設定地震的發(fā)震時刻進行研究。

2 人工設定地震的快速評估結(jié)果

2.1 六普人口數(shù)據(jù)

目前上海市應急基礎數(shù)據(jù)庫所采用的人口數(shù)據(jù)為2010 年全國第六次人口普查的數(shù)據(jù)，由于收集人口數(shù)據(jù)存在很大的困難性和不確定性，人口數(shù)據(jù)一直沒有更新。

2.2 基于六普數(shù)據(jù)的人工設定地震快速評估結(jié)果分析

根據(jù)上海市地震災害快速評估系統(tǒng)中現(xiàn)有的應急基礎數(shù)據(jù)庫（該數(shù)據(jù)庫中人口數(shù)據(jù)為六普數(shù)據(jù)），分別模擬觸發(fā)上海市16 個行政區(qū)內(nèi)同一震中位置、同一震級，在工作日和法定節(jié)假日11：00 和23：00 的地震，對災情報告中所產(chǎn)出的傷亡人數(shù)進行對比，選取上海市黃浦區(qū)使用六普數(shù)據(jù)4 個時刻的災情報告進行展示，如圖2～圖5 所示。

根據(jù)報告展示可以看出：在同一震中位置，不同發(fā)震時刻時，報告中的總?cè)丝跀?shù)完全相同，其原因是系統(tǒng)中讀取的均是應急基礎數(shù)據(jù)庫中的六普人口數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)為靜態(tài)人口數(shù)據(jù)，這與1.2 篇幅中分析的上海市人口時空變化的規(guī)律情況不符，即不符合實際人口流動的變化情況。

表1 為基于六普人口數(shù)據(jù)的人工設定地震快速評估結(jié)果中的傷亡人數(shù)統(tǒng)計，設定發(fā)震時刻分別為北京時間2020-09-16T11：00（工作日）、北京時間2020-09-16T23：00（工作日）、北京時間2020-09-20T 11：00（休息日）、北京時間2020-09-20T23：00（休息日）4 個發(fā)震時刻。根據(jù)表1 可以得到結(jié)論：基于六普人口數(shù)據(jù)，在相同震級、相同經(jīng)緯度、相同震源深度的前提下，上海市16 個行政區(qū)劃內(nèi)在任意時間發(fā)生破壞性地震造成的人員傷亡數(shù)都是相同的。

表1 上海市六普人口數(shù)據(jù)產(chǎn)出災情簡報傷亡人數(shù)統(tǒng)計表

2.3 基于手機位置信息的人口數(shù)據(jù)

2.3.1 數(shù)據(jù)來源

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，基于位置信息的手機數(shù)據(jù)來源主要有2 種：一種是基于電信運營商的基站或衛(wèi)星（GPS、北斗等）實現(xiàn)手機位置信息的確定；另一種是借助軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），實現(xiàn)手機位置信息的確定。

本文采用的基于位置信息的手機數(shù)據(jù)來源為后者，即基于集成了SDK 的手機APP 收集并加密傳輸保存用戶數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)收集之前，已經(jīng)確保用戶知悉并同意開發(fā)者獲取和使用用戶數(shù)據(jù)。合法獲取用戶數(shù)據(jù)后，對用戶數(shù)據(jù)進行去標識化或匿名化處理，經(jīng)過篩選、清洗、整理并深度挖掘，最終得到研究所需的數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

基于手機位置信息的人口數(shù)據(jù)采集到的是選取的4 個時刻鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道的實時人數(shù)，而手機數(shù)據(jù)是每間隔一段時間采集一次，這樣存在在一段固定時間內(nèi)某一個人在不同區(qū)域出現(xiàn)多次的情況，導致最終人口數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，所以定義是在選取的時間段內(nèi)，某一人最后出現(xiàn)的區(qū)域為最終確定區(qū)域，將此人統(tǒng)計到該區(qū)域的人數(shù)中。同時考慮到手機人口數(shù)據(jù)采集僅依靠手機匯報，而白天手機使用活躍度相對較高，晚上存在手機關機無信號等情況使用活躍度相對少，為抹平手機匯報造成的數(shù)據(jù)偏差，假定全中國人口在一天中是穩(wěn)定的，利用全中國早晚手機人口匯報比例（白天手機人口匯報總數(shù)/晚上手機人口匯報總數(shù)），再根據(jù)這個比例調(diào)整上海市晚上的人數(shù)。將整理后4 個時刻的區(qū)縣人口數(shù)據(jù)與原六普數(shù)據(jù)進行對比分析，如表2 所示。

表2 上海市行政區(qū)劃內(nèi)各時刻總?cè)丝跀?shù)據(jù)統(tǒng)計表（單位：人）

上海市行政區(qū)劃內(nèi)各時刻人口總數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖6所示，從圖6 可以看出：上海市16 個行政區(qū)劃內(nèi)人員流動較大，2020-09-16（工作日）11：00 工作時間人口總數(shù)明顯多于23：00夜間休息時間的區(qū)域有黃浦區(qū)、徐匯區(qū)、長寧區(qū)、靜安區(qū)等核心商務區(qū)域，而以居住新城區(qū)為主的松江區(qū)、浦東新區(qū)休息時間的總?cè)丝跀?shù)則明顯高于工作時間?？梢哉f明同一地區(qū)在不同時間段內(nèi)的人口總數(shù)變化較大，若在不同時刻發(fā)生中強度地震，所造成的人員傷亡和采取的應急措施也應各不相同。

圖6 上海市行政區(qū)劃內(nèi)各時刻人口總數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

按照應急基礎數(shù)據(jù)庫格式要求，將手機人口數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、規(guī)范化整理后，形成4 組可以加載進地震災害快速評估系統(tǒng)的人口數(shù)據(jù)，包括city population、county population、town population 三部分。圖7～圖9為其中一組人口數(shù)據(jù)加載進地震災害快速評估系統(tǒng)展示。

圖7 2020-09-16T11：00 手機人口數(shù)據(jù)city population 加載進快速評估系統(tǒng)展示

圖9 2020-09-16T11：00 手機人口數(shù)據(jù)town population 加載進快速評估系統(tǒng)展示

2.4 基于手機數(shù)據(jù)的人工設定地震快速評估結(jié)果分析

加載進地震災害快速評估系統(tǒng)的基于手機位置信息的人口數(shù)據(jù)，可以在系統(tǒng)中正常運行，產(chǎn)出有效的災情報告，選取上海市黃浦區(qū)使用六普數(shù)據(jù)、手機數(shù)據(jù)4 個時刻的災情報告進行展示，如圖10～圖13 所示。

圖8 2020-09-16T11：00 手機人口數(shù)據(jù)county population 加載進快速評估系統(tǒng)展示

圖10 2020-09-16T11：00 災情簡報

圖13 2020-09-20T23：00 災情簡報

圖11 2020-09-16T23：00 災情簡報

圖12 2020-09-20T11：00 災情簡報

根據(jù)報告展示可以看出：4 個時刻的手機數(shù)據(jù)成功加載進地震災害快速評估系統(tǒng)，在同一震中位置，不同發(fā)震時刻時，報告中的總?cè)丝跀?shù)出現(xiàn)變化。報告中顯示的總?cè)丝跀?shù)據(jù)與加載進應急基礎數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)吻合，說明整理的4 組手機數(shù)據(jù)已成功加載進地震災害快速評估系統(tǒng)，并能產(chǎn)生相應報告。基于手機位置信息的人口數(shù)據(jù)加載進地震災害快速評估系統(tǒng)后，在其他應急基礎數(shù)據(jù)、地震烈度衰減關系和震害矩陣不變的情況下，模擬觸發(fā)與2.2 中參數(shù)相同的地震，產(chǎn)出災情報告后，整理統(tǒng)計傷亡人數(shù)，人工設定地震的震級6.5 級，震源深度10 km，發(fā)震時刻分別為2020-09-16T 11：00、2020-09-16T23：00、2020-09-20T11：00、2020-09-20T23：00 這4 組震產(chǎn)出災情報告中傷亡人數(shù)如表3～表6 所示。災情報告受傷人數(shù)對比圖和死亡人數(shù)對比圖分別如圖14 和圖15 所示。

圖14 災情報告受傷人數(shù)對比圖

圖15 災情報告死亡人數(shù)對比圖

表3 上海市各行政區(qū)采用2020-09-16T11：00手機數(shù)據(jù)產(chǎn)出的災情報告中傷亡人數(shù)統(tǒng)計表

表4 上海市各行政區(qū)采用2020-09-16T23：00手機人口大數(shù)據(jù)產(chǎn)出災情報告?zhèn)鋈藬?shù)統(tǒng)計表

表6 上海市各行政區(qū)采用2020-09-20T23：00手機人口大數(shù)據(jù)產(chǎn)出災情報告?zhèn)鋈藬?shù)統(tǒng)計表

表4（續(xù)）

表5 上海市各行政區(qū)采用2020-09-20T11：00手機人口大數(shù)據(jù)產(chǎn)出災情報告?zhèn)鋈藬?shù)統(tǒng)計表

3 結(jié)論

利用上海市地震災害快速評估系統(tǒng)現(xiàn)有應急基礎數(shù)據(jù)庫（人口數(shù)據(jù)為六普數(shù)據(jù)）觸發(fā)上海市16 個行政區(qū)劃的人工設定地震，各區(qū)縣分別在4 個時刻產(chǎn)出災情報告中傷亡人數(shù)相同，而手機實時顯示的人口數(shù)據(jù)明顯高于六普人口總數(shù)，這說明目前系統(tǒng)所使用的六普數(shù)據(jù)其靜態(tài)的人口數(shù)值已失去時效性，不符合上海市人口流動分布的現(xiàn)實狀態(tài)。在真實地震發(fā)生時，六普數(shù)據(jù)已不能準確地展示上海市人口數(shù)，無法為地震災害快速評估系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)。

通過災情報告?zhèn)鋈藬?shù)表和災情報告?zhèn)鋈藬?shù)對比圖得出以下幾點結(jié)論。

對比分析工作日上午11：00 和工作日夜間23：00的傷亡人數(shù)，白天傷亡人數(shù)明顯高于夜間的城區(qū)有黃浦區(qū)、徐匯區(qū)、長寧區(qū)、靜安區(qū)、普陀區(qū)、虹口區(qū)、楊浦區(qū)、閔行區(qū)、寶山區(qū)，白天傷亡人數(shù)低于夜間的城區(qū)有嘉定區(qū)和青浦區(qū)，白天和夜間傷亡人數(shù)基本持平的城區(qū)有浦東新區(qū)、金山區(qū)、松江區(qū)、奉賢區(qū)和崇明區(qū)。這些數(shù)據(jù)的對比從側(cè)面印證了上海城市人口的晝夜空間分布經(jīng)歷“白天向中心集聚、夜晚向郊區(qū)分散”的流動過程，白天人口相對于夜晚人口具有更顯著的中心集聚特征，因此上海商業(yè)核心區(qū)域工作日上午發(fā)生地震造成的傷亡人數(shù)明顯高于該地區(qū)夜間發(fā)生地震所造成的傷亡人數(shù)。

對比分析休息日上午11：00 和休息日夜間23：00的傷亡人數(shù)，上海市區(qū)內(nèi)各行政區(qū)夜間傷亡人數(shù)均高于白天傷亡人數(shù)。由此可見，如果在休息日的夜間發(fā)生破壞性地震，上海行政區(qū)劃內(nèi)的傷亡人數(shù)會相對較多。

對比分析同一地點工作日11：00 和休息日11：00的傷亡人數(shù)，工作日傷亡人數(shù)高于休息日傷亡人數(shù)的城區(qū)有黃浦區(qū)、徐匯區(qū)、長寧區(qū)、靜安區(qū)、普陀區(qū)、虹口區(qū)，傷亡人數(shù)基本持平的區(qū)域有楊浦區(qū)、閔行區(qū)、寶山區(qū)、浦東新區(qū)、金山區(qū)、奉賢區(qū)和崇明區(qū)，工作日傷亡人數(shù)低于休息日傷亡人數(shù)的區(qū)域有嘉定區(qū)、松江區(qū)和青浦區(qū)。出現(xiàn)這種情況可能是因為工作日就業(yè)活動對中心城區(qū)的依賴度明顯高于消費休閑行為，而休息日消費休閑行為除了出現(xiàn)在中心城區(qū)也同時分布在外圍近郊。由此可見，工作日上午上海的中心城區(qū)以及休息日上午上海的外圍近郊會成為破壞性地震造成人員傷亡較多的地點。

對比分析同一地點工作日23：00 和休息日23：00的傷亡人數(shù)，休息日23：00 的傷亡人數(shù)均高于工作日23：00 的傷亡人數(shù)。因為居住就業(yè)、通勤、消費休閑出行等因素，使人口空間分布的動態(tài)變化。而職住關系的不匹配使得人們往往工作和居住并不在同一地點，所以會出現(xiàn)休息日夜間地震造成的傷亡人數(shù)均高于工作日夜間。

本文基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，嘗試從上海市人口時空變化的角度對災情報告所產(chǎn)生的影響展開研究，取得了一些初步的研究結(jié)果。隨著更多數(shù)據(jù)的獲取和研究的深入，發(fā)現(xiàn)上海行政區(qū)劃內(nèi)人口基數(shù)大、總量多，且人口分布不均勻，同時每個區(qū)域的常住人口數(shù)量受流動人口的影響，在不同的區(qū)域和時段人口數(shù)量也不同[4]。另外，老幼人口的比例對地震災害損失和救災影響也很大。因此在今后有關災情報告的研究中，要科學掌握上海的人口數(shù)據(jù)，細化老幼人口及重傷、輕傷人員等相關信息，提高地震災害快速評估系統(tǒng)的準確性，以便為地震應急救援提供更為科學的數(shù)據(jù)。

4 展望

將基于位置信息的手機數(shù)據(jù)應用于地震應急救援實際工作中，能夠提高災害快速評估結(jié)果中人員傷亡人數(shù)的準確性。通過對比分析找出震后災害快速評估結(jié)果中人員傷亡規(guī)律，能夠?qū)ξ磥碜龅卣痤A評估提供參考和修正依據(jù)。未來期望對獲取的手機數(shù)據(jù)進行深度挖掘，通過研究數(shù)據(jù)中反映出的人員流動趨勢，建立職住關系模型，并基于此建為震情快速評估系統(tǒng)建立不同時段、不同區(qū)域的震害快速評估模型，根據(jù)上海市地震局的自動制圖平臺進行專題圖展示[5-6]，進一步提高震害快速評估結(jié)果的科學性和準確性。