劉軍 譚明 宋立軍 郝婧畢雪梅 王新剛 常想德

1）貴州省地震局，貴陽 520001

2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011

3）江蘇省地震局，南京 210000

0 引言

地震發(fā)生后，快速確定災(zāi)害影響范圍、判斷災(zāi)害損失規(guī)模對政府迅速部署抗震救災(zāi)工作起著非常重要的作用。在新疆維吾爾自治區(qū)地震局應(yīng)急指揮中心部署的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、“十二·五”地震社會服務(wù)工程在破壞性地震發(fā)生后能快速產(chǎn)出烈度預(yù)測圖及輔助決策報(bào)告，在歷次破壞性地震應(yīng)急和快速評估中均發(fā)揮了重要的作用。然而，由于上述系統(tǒng)是面向全國地震系統(tǒng)配備的通用軟件，因此系統(tǒng)應(yīng)用于新疆地區(qū)的烈度估計(jì)和震害預(yù)測時仍不能滿足新疆地震應(yīng)急工作的需求，這主要體現(xiàn)在其未考慮新疆地震構(gòu)造特征，未充分利用新疆地區(qū)富民安居（抗震安居）房的破壞矩陣研究結(jié)果和千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)，忽視了新疆地區(qū)由于時差等因素引起的室內(nèi)人員的人口密度變化與其他省份的不同等。所以，震后現(xiàn)有系統(tǒng)給出的結(jié)果在烈度估計(jì)、人員傷亡、受災(zāi)人口及經(jīng)濟(jì)損失評估等方面一定程度上難以滿足社會發(fā)展的需求，不能科學(xué)地展示各類震害預(yù)測等關(guān)鍵信息。

本研究結(jié)合適用于新疆地區(qū)的地震動衰減關(guān)系，考慮了新疆地區(qū)不同場地效應(yīng)下的地震動效應(yīng)及震中破裂尺度等因素，建立了一套適用于新疆地區(qū)的震動圖系統(tǒng)；同時對新疆地區(qū)震害預(yù)測模型進(jìn)行研究，建立不同烈度下震害預(yù)測數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一套基于GIS平臺的震害預(yù)測系統(tǒng)對震后烈度圖進(jìn)行估計(jì)、對震害進(jìn)行預(yù)測，旨在為地方政府科學(xué)開展地震應(yīng)急救援工作提供依據(jù)。

1 基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)主要功能

震動圖預(yù)測模塊主要用于震區(qū)地震動參數(shù)的預(yù)測和烈度預(yù)測，系統(tǒng)需要根據(jù)震動圖預(yù)測的烈度圖進(jìn)行震害快速預(yù)測和專題圖的繪制。所有計(jì)算均根據(jù)人工輸入的地震震級、經(jīng)緯度等參數(shù)系統(tǒng)自動進(jìn)行。災(zāi)害快速評估模塊主要用于震后快速預(yù)測死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、壓埋人數(shù)、有經(jīng)濟(jì)損失的人數(shù)及需緊急安置的人數(shù)等數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)以千米格網(wǎng)進(jìn)行存儲，并以縣為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。系統(tǒng)設(shè)置模塊主要包括地震動衰減關(guān)系參數(shù)設(shè)置、破裂尺度參數(shù)設(shè)置及場地系數(shù)、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等各類震害數(shù)據(jù)模型的配置?；赟hakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)主要包括如圖1所示的7個功能模塊構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)功能圖

1.2 烈度快速評估

震后快速估計(jì)震區(qū)烈度分布，可為災(zāi)情研判和評估提供理論依據(jù)。利用新疆地區(qū)歷史地震動數(shù)據(jù)記錄和烈度衰減關(guān)系，建立新疆地區(qū)地震動衰減關(guān)系，并根據(jù)不同場地條件下的地震動放大效應(yīng)對地震動參數(shù)進(jìn)行校正，以建立一套適用于新疆天山地區(qū)的震動圖系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用霍俊榮等（1992）提出的模型

利用了559條新疆天山地區(qū)1985～2016年MS≥4.0歷史地震動數(shù)據(jù)記錄，其中，MS≥7.0地震加速度記錄13條，6.0≤MS＜7.0地震88條，5.0≤MS＜6.0地震187條，4.0≤MS＜5.0地震271條，運(yùn)用兩步回歸法進(jìn)行回歸，得到天山地區(qū)的地震動衰減關(guān)系如下

為了客觀地反映震區(qū)地震動特征分布，對震區(qū)土層的地震動放大校正，ShakeMap_CNST系統(tǒng)應(yīng)用第五代區(qū)劃圖中不同場地條件下依賴于振幅和頻率的放大系數(shù)。

震源破裂尺度L與面波震級MS間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式選用耿冠世等（2015）建立的模型

1.3 震害預(yù)測模型

為了客觀、準(zhǔn)確地預(yù)測地震造成的人員傷亡情況和各類損失，本系統(tǒng)采用的模型主要包括：

（1）死亡人數(shù)預(yù)測模型

其中，ND為千米格網(wǎng)單元內(nèi)的死亡人數(shù)；ρ為室內(nèi)人員密度，即單位面積的平均人數(shù)，它隨地域（城市和農(nóng)村）和發(fā)震時間的不同而不同；A1為倒塌房屋的面積；RD1為塌房屋內(nèi)的人員死亡率；A2為嚴(yán)重破壞房屋的面積；RD2為嚴(yán)重破壞房屋內(nèi)的人員死亡率；A3為中等破壞房屋的面積；RD3為中等破壞房屋內(nèi)的人員死亡率（曹彥波等，2016）。

（2）受傷人數(shù)預(yù)測模型

其中，NH為千米格網(wǎng)單元內(nèi)的受傷人數(shù)；RH1為塌房屋內(nèi)的人員受傷率；RH2為嚴(yán)重破壞房屋內(nèi)的人員受傷率；RH3為中等破壞房屋內(nèi)的人員受傷率。

（3）需緊急安置人數(shù)模型

采用《地震現(xiàn)場工作第4部分：災(zāi)害直接損失評估》（GB／T 18208.4-2011）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2012）計(jì)算精河6.6級地震需緊急安置人數(shù)，計(jì)算方法如下

式（7）中b、c、d、e、f均為調(diào)查所得數(shù)據(jù)，其中，b為戶均人數(shù)；c為所有住宅房屋的毀壞建筑面積；d為所有住宅房屋的嚴(yán)重破壞建筑面積；e為所有住宅房屋的中等破壞建筑面積；f為死亡人數(shù)。

（4）經(jīng)濟(jì)損失模型

震后經(jīng)濟(jì)損失主要由房屋直接經(jīng)濟(jì)損失和其他直接經(jīng)濟(jì)損失組成，采用《地震現(xiàn)場工作第4部分：災(zāi)害直接損失評估》（GB／T 18208.4-2011）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2012）進(jìn)行地震經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算，算法如下

其中，L為總經(jīng)濟(jì)損失；Ra為其他經(jīng)濟(jì)損失與房屋直接經(jīng)濟(jì)損失的比例；Lh為房屋直接經(jīng)濟(jì)損失；Sh為災(zāi)區(qū)房屋總建筑面積；Rh為災(zāi)區(qū)房屋某種破壞等級的破壞比；Dh為災(zāi)區(qū)房屋某種破壞等級的損失比；Ph為災(zāi)區(qū)房屋重置單價。

1.4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是震害預(yù)測的核心內(nèi)容，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)可為系統(tǒng)的預(yù)測提供可靠依據(jù)。本系統(tǒng)的場地條件分區(qū)數(shù)據(jù)，主要根據(jù)基于地形地貌、等高線等資料對新疆地區(qū)工程地質(zhì)場地條件進(jìn)行初步分類，并通過地震安評鉆孔資料的巖石的剪切波速（或土的等效剪切波速）和覆蓋層厚度雙參數(shù)法對局部場地條件分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，最后采用ArcGIS軟件對場地分區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化工作及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制而劃分得到。對于人口千米格網(wǎng)、房屋數(shù)據(jù)采用由一種非均勻密度的算法建立的新疆地區(qū)千米格網(wǎng)人口、經(jīng)濟(jì)、各類結(jié)構(gòu)房屋面積數(shù)據(jù)庫，其中，對于人口千米格網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過選取土地利用、道路分布、居民點(diǎn)分布以及坡度等4類數(shù)據(jù)（周光全，2006），共15個建模因子，作為人口分布影響因素進(jìn)行多元回歸擬合計(jì)算處理，并利用鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制得到；對于房屋數(shù)據(jù)采用基于房屋數(shù)據(jù)的格網(wǎng)化模型，將千米網(wǎng)格的人口密度數(shù)據(jù)與調(diào)查得到的人均住房面積進(jìn)行處理得到千米格網(wǎng)房屋數(shù)據(jù)，并通過合并運(yùn)算得到區(qū)域房屋千米網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要采用了結(jié)構(gòu)化的方法進(jìn)行建設(shè)，集成采用積木式的組裝方法。集成的目的是提供給用戶一套友善的運(yùn)行環(huán)境，以更好地滿足用戶的要求。系統(tǒng)采用C#語言進(jìn)行開發(fā)，利用VS2010平臺實(shí)施，系統(tǒng)采用ArcGIS Engine控件進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)和空間數(shù)據(jù)提取，采用GDB對空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理和存儲。數(shù)據(jù)庫DBMS平臺采用GDB格式進(jìn)行空間數(shù)據(jù)存儲，屬性數(shù)據(jù)采用表格進(jìn)行存儲；為了與社服工程系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫較好地融合，空間數(shù)據(jù)采用WGS84坐標(biāo)系。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

為了對本系統(tǒng)的功能實(shí)用性和準(zhǔn)確性加以展示，以2017年新疆精河6.6級地震為例進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測。

3.1 2017年精河6.6級地震概況

2017年精河6.6級地震震中位于新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣城以南約40km的山區(qū)，震中海拔1300m。通過對災(zāi)區(qū)33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)團(tuán)場355個調(diào)查點(diǎn)的實(shí)地調(diào)查，烈度圖等震線長軸呈NWW走向分布。此次地震震區(qū)位于博羅科努山西部的中低山區(qū)，附近山頂最高海拔1700m，區(qū)域地貌單元內(nèi)，山體整體走向近EW，局部受構(gòu)造作用走向呈NW向，震中南側(cè)山頂呈脊?fàn)?、梁狀，山體溝壑縱橫；震中北側(cè)，山體相對低矮，且在山間發(fā)育有山間谷地，走向近EW，以戈壁景觀地貌為主，地表覆蓋薄層沖、洪積相礫石層，局部第三系砂巖、泥巖裸露地表。根據(jù)對周圍地震安評鉆孔及相關(guān)地形地貌數(shù)據(jù)的收集整理，對該區(qū)域場地類別劃分為Ⅱ～Ⅲ類（劉軍等，2014）（圖2）。

3.2 地震烈度預(yù)測

通過本系統(tǒng)地震觸發(fā)，輸入此次地震的震源參數(shù)，因此次地震震中位于天山地區(qū)中段，故選用天山地區(qū)的地震動衰減關(guān)系；本系統(tǒng)在對MS≥6.5地震進(jìn)行計(jì)算時考慮到了震中破裂尺度，故選用線源衰減關(guān)系模型。通過預(yù)測，此次地震的地震動空間分布及烈度圖如圖3所示。

由圖3可見，震區(qū)西北部的托里鎮(zhèn)直至達(dá)勒特鎮(zhèn)位于山前溢出帶，該區(qū)域地基土層軟弱、地下水位淺等場地條件對依賴于振幅和頻率的地震動具有明顯的放大效應(yīng)，這與現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查結(jié)果一致。

3.3 不同系統(tǒng)預(yù)測的烈度圖比較

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)預(yù)測的準(zhǔn)確性，本文將其與當(dāng)前新疆地震局運(yùn)行的系統(tǒng)和現(xiàn)場調(diào)查的烈度圖進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表1所示。

圖2 精河6.6級地震震區(qū)場地分布

圖3 精河6.6級地震烈度預(yù)測

表1 不同模型的各烈度區(qū)破壞特征

由表1可見，采用點(diǎn)源模型的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)，在近場和遠(yuǎn)場地區(qū)，模擬出的災(zāi)區(qū)的各烈度區(qū)大小與實(shí)際間都有明顯的差距；USGS提供的ShakeMap烈度圖，在Ⅸ、Ⅷ度區(qū)的烈度衰減關(guān)系與實(shí)際較接近，在災(zāi)區(qū)的西北部，場地類別為Ⅱ～Ⅲ類，地下水位淺、地基土層軟弱等場地條件對地震動有放大作用，故USGS發(fā)布的ShakeMap烈度圖對該地區(qū)的實(shí)際情況缺乏考量，Ⅶ、Ⅵ度區(qū)與實(shí)際的破裂尺度間有明顯的差距（劉軍等，2014）；中國地震局地球物理研究所采用的西部地區(qū)的地震動衰減關(guān)系在此次地震中明顯表現(xiàn)出不適用等特點(diǎn)，而ShakeMap_CNST系統(tǒng)考慮了該地區(qū)的地震動衰減關(guān)系和場地效應(yīng)的烈度預(yù)測圖無論是在近場還是在遠(yuǎn)場，與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果都較接近，能較客觀地反映震區(qū)地震動衰減特征。

3.4 震害快速評估

對比上述4種烈度圖產(chǎn)出的震害預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2），新疆維吾爾自治區(qū)地震局自行開發(fā)的ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)結(jié)果，與新疆維吾爾自治區(qū)地震局公布的人員傷亡數(shù)、受災(zāi)人口數(shù)及直接經(jīng)濟(jì)損失均最為接近，因此前者在破壞性地震發(fā)生后能更科學(xué)、客觀地對震害進(jìn)行預(yù)測。

表2 不同系統(tǒng)震害預(yù)測結(jié)果對比

在震害快速評估工作中，對于人員傷亡情況，利用ShakeMap_CNST系統(tǒng)、“十二·五”地震社會服務(wù)工程系統(tǒng)的結(jié)果均與實(shí)際結(jié)果較接近，這主要是由于本系統(tǒng)與“十二·五”地震社會服務(wù)工程系統(tǒng)均采用千米格網(wǎng)的人口數(shù)據(jù)，而“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)是采用各區(qū)縣人口密度為均值的，這樣將極震區(qū)人口統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際相比較，誤差較大。

在需緊急安置人數(shù)方面，無論是“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)還是“十二·五”地震社會服務(wù)工程系統(tǒng)的預(yù)測與實(shí)際相差都較大，應(yīng)用本系統(tǒng)預(yù)測的壓埋人數(shù)與實(shí)際結(jié)果更為接近；在受災(zāi)人口估計(jì)方面，本系統(tǒng)、“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)結(jié)果與實(shí)際都相差不大，但由于“十二·五”地震社會服務(wù)工程系統(tǒng)采用的是中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的千米格網(wǎng)人口數(shù)據(jù)，未按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)級別統(tǒng)計(jì)人口進(jìn)行控制，故其結(jié)果與實(shí)際相差非常大。

根據(jù)災(zāi)區(qū)各類房屋的建筑面積，并結(jié)合此次地震災(zāi)區(qū)的房屋破壞比、房屋損失比及房屋重置單價，計(jì)算出災(zāi)區(qū)房屋建筑的經(jīng)濟(jì)損失。將由4種烈度圖產(chǎn)出的直接經(jīng)濟(jì)損失與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)（表2），本文作者自行研發(fā)的ShakeMap_CNST系統(tǒng)的結(jié)果為25.8億元人民幣，與現(xiàn)場調(diào)查的直接經(jīng)濟(jì)損失（20.5億元）最接近。這一方面是由于本系統(tǒng)的烈度預(yù)測圖與實(shí)際調(diào)查結(jié)果更接近；另一方面是由于本系統(tǒng)的各類房屋破壞矩陣均經(jīng)過本地化研究（葛鳴等，2014），在震區(qū)房屋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的情況下，房屋破壞面積與實(shí)際更為接近，且房屋造價數(shù)據(jù)均經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查后進(jìn)行了修正，所以預(yù)測的災(zāi)區(qū)直接經(jīng)濟(jì)損失與現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果更為相符。

4 結(jié)語

本文采用GIS技術(shù)嘗試開發(fā)了一套基于ShakeMap_CNST的震害快速評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)考慮了新疆地區(qū)的地震動衰減關(guān)系、場地效應(yīng)及震中破裂等因素，并結(jié)合震害預(yù)測模型，將其應(yīng)用于2017年8月9日精河6.6級地震災(zāi)害快速評估中。結(jié)果表明，該系統(tǒng)快速產(chǎn)出的烈度圖一定程度上優(yōu)于中國地震局配備的“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)的點(diǎn)源衰減關(guān)系模型和“十二·五”地震社會服務(wù)工程系統(tǒng)的等震線圖，能更好地為地震災(zāi)害損失評估服務(wù)，相對于“十五”地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)、“十二·五”地震社會服務(wù)工程系統(tǒng)，基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)的人員傷亡數(shù)、緊急安置人口數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失等的快速評估結(jié)果更接近現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果。由此可見，采用ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)在一定程度上能提高快速震害損失評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，在地震應(yīng)急工作中能更好地發(fā)揮其實(shí)用價值。隨著“十三·五”地震預(yù)警工程的實(shí)施，新疆地區(qū)強(qiáng)震臺網(wǎng)密度和分布范圍不斷增大，今后將利用基于ShakeMap_CNST的震害預(yù)測系統(tǒng)并結(jié)合實(shí)時觀測的強(qiáng)震臺站數(shù)據(jù)進(jìn)行震動圖估計(jì)，屆時該系統(tǒng)的實(shí)用價值或許更加明顯。