鐘江榮 張令心

摘要：針對地震造成的供電、通訊、供水和燃氣4類生命線系統(tǒng)破壞的功能恢復開展初步研究。基于日本宮城地震和阪神大地震的這4類生命線系統(tǒng)功能的震后恢復時序調查資料，結合我國生命線系統(tǒng)特點，建立了指數形式的生命線系統(tǒng)震后功能恢復函數，并定義了恢復函數衰減指數A。在總結我國幾次地震生命線工程震害特點的基礎上，確定了4個系統(tǒng)衰減指數取值區(qū)間和原則。最后，將唐山大地震震后供電、通訊和供水3個系統(tǒng)和汶川地震震后綿陽市供氣系統(tǒng)的實際恢復時間與由功能恢復函數計算所得時間進行對比，結果表明2組數據符合度較高，驗證了所建立的生命線功能恢復函數的有效性，且A是可反映各生命線系統(tǒng)重要程度、修復難易程度及震后應急決策修復措施有效性的綜合變量。

關鍵詞：生命線系統(tǒng);功能恢復函數;恢復函數衰減指數;功能失效;地震損失

0 引言

城市生命線工程是指維持城市生存功能系統(tǒng)和對國計民生有重大影響的工程，主要包括供電、供水、交通、通訊、燃氣5大系統(tǒng)。每類生命線系統(tǒng)包含不同的建（構）筑物和不同的設備設施，并且彼此相互聯系，構成了一個復雜的網絡系統(tǒng);每種生命線系統(tǒng)都是由多個子系統(tǒng)組成的復合體系，不同的生命線系統(tǒng)有其獨有的特征。歷史震害表明，發(fā)生于現代城市的破壞性地震，都會對城市的生命線工程造成嚴重的破壞。如1995年1月17日，日本兵庫縣南部阪神·淡路地區(qū)發(fā)生了7.2級強烈地震，死亡5 438人，傷24 523人，直接經濟損約800億美元，生命線工程遭到普遍的破壞，城市生活受到很大影響，幾個月后其功能才基本恢復（中國赴日地震考察團，1995）。

地震不但給城市生命線工程本身造成破壞，由此產生直接經濟損失，更為重要的是，生命線工程自身的破壞會使其應有的功能受到影響，這將帶來更為嚴重的社會經濟生活的影響和損失。因此，生命線工程地震破壞評估研究，既包括生命線工程自身破壞研究，也包括由此引起的功能失效的研究。地震造成的這種生命線工程功能失效不是瞬間即逝的，也不會自動恢復，需要隨時間變化逐步恢復。對于不同的生命線系統(tǒng)，其本身的特點、恢復的難易程度和震后恢復的重要程度都不同，其恢復的過程也不盡相同。總的來說，恢復時間越長，對城市造成的影響越大，損失也越嚴重。

目前，生命線工程對震后城鄉(xiāng)社會經濟生活秩序的恢復影響巨大，是韌性城鄉(xiāng)評估體系中的一個重要指標，但在我國相關研究中還未見報道，因此，亟需開展相關研究。由于國內缺乏生命線工程震后功能恢復和時序的調查資料，本文將基于日本宮城地震和阪神大地震的相關調查資料，結合我國唐山大地震、汶川地震和蘆山地震后生命線工程損失調查資料，從宏觀層面對供電、通訊、供水和燃氣4類生命線系統(tǒng)震后功能恢復模式進行初步探討，初步建立了這4類生命線系統(tǒng)震后功能損失恢復曲線，為今后該系統(tǒng)震后因自身功能下降帶來的損失評估提供參考。

1 生命線系統(tǒng)特點及其震害特點

要建立生命線系統(tǒng)的震后功能損失恢復曲線，首先需要對生命線系統(tǒng)的特點有正確的認知。與房屋建筑結構相比，生命線系統(tǒng)具有以下幾個顯著特點：

（1）網絡性：生命線系統(tǒng)大多以一種網絡系統(tǒng)的形式存在，且在空間上覆蓋一個很大的區(qū)域范圍。網絡系統(tǒng)的功能不僅與組成系統(tǒng)的各個單元的功能密切相關，而且與各個單元之間的聯系方式（主要表現為網絡拓撲特征）密切相關。

（2）復雜性：各類生命線系統(tǒng)都是由一批工程結構構成的，工程結構是生命線工程系統(tǒng)的客觀載體。這些工程結構不但各自特征復雜，而且其所處周圍環(huán)境也各不相同，既有埋地管線、通訊設施;也有復雜場地下的構筑物，如隧道、跨海大橋等;還有各種復雜設施、設備等。這些工程結構或者元件的破壞，也會影響到生命線工程系統(tǒng)所提供的社會功能。

（3）耦聯性：不同的生命線工程系統(tǒng)在功能上往往具有耦聯性，一個系統(tǒng)的功能失效可能會影響到其它系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)等。在強烈地震發(fā)生時，這種耦聯作用甚至更加顯著和廣泛（鐘江榮，2001）。

由以上分析可以看出，這些生命線系統(tǒng)的特點對震后生命線功能失效和恢復時間都會產生重要影響。

本文收集了我國唐山大地震（楊文忠，2006）和汶川地震以及蘆山地震生命線工程震害資料 中國地震局汶川地震現場應急工作隊.2008.2008年5月12日四川汶川8.0級地震災害損失評估報告.（葉飛等，2013a，b;劉如山等，2013;劉金龍等，2013），通過分類總結發(fā)現，地震對生命線工程地震破壞及其功能損失影響和恢復有以下幾個特點：

（1）地震震級越大，災區(qū)的影響范圍越大，生命線工程的破壞分布范圍也將更加廣泛，并且其功能損失影響范圍也將隨震級的增大而增加。

（2）隨著地震烈度的增加，生命線工程破壞愈發(fā)嚴重。在烈度Ⅸ度及以上地區(qū)，對于供電和通訊系統(tǒng)，由于一些站點和核心設施的破壞，其功能將受到顯著影響;而對于交通系統(tǒng)，由于山體滑坡、泥石流等地質災害的出現將嚴重影響交通系統(tǒng)的通行;而對于供水、燃氣管網，由于其埋置于地下，大面積的破壞和功能影響也都出現在Ⅸ度及以上烈度區(qū)。

（3）生命線系統(tǒng)功能恢復與災害程度和災區(qū)范圍密切相關，一般來說，輕災區(qū)比重災區(qū)的恢復時間短得多;災害范圍越廣，恢復時間越長（指發(fā)生同一烈度地震造成的破壞程度相當時）。

（4）同一次地震，就生命線系統(tǒng)功能的恢復時間來看，供電系統(tǒng)恢復得最快，通訊系統(tǒng)與供電系統(tǒng)大體相當，交通系統(tǒng)恢復時間相對居于中間，供水系統(tǒng)相對較慢，而供氣系統(tǒng)恢復得最慢。

（5）在低烈度（Ⅵ度及以下烈度）區(qū)域，供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)在沒有出現設施破壞時，也可能出現短暫停電和通訊中斷等現象，通訊系統(tǒng)中發(fā)生這種情況尤為明顯。

鑒于生命線系統(tǒng)自身的特點和重要性，在震后應急和救災中，必須優(yōu)先考慮其功能恢復。各生命線系統(tǒng)的恢復模式主要取決于各系統(tǒng)震害特點和影響程度?；诖耍芯坎煌€系統(tǒng)的恢復模式，建立各系統(tǒng)的功能恢復函數，可很好地評估震后各生命線系統(tǒng)的功能影響，從而能較為準確地評估由此產生的損失和影響。

2 生命線系統(tǒng)功能恢復函數

本文基于日本學者栗林榮一給出的1978年宮城縣近海地震時主要生命線系統(tǒng)功能恢復的實例（Kazuhiko，Takashi，1990），對其數據重新分析處理后，給出了供電、通訊、供水、燃氣系統(tǒng)功能失效率隨時間的關系;同時對日本的阪神大地震生命線系統(tǒng)的恢復時序關系（中國赴日地震考察團，1995）做了詳細的統(tǒng)計。需要說明的是，本文在對原始數據進行處理時，將由原始數據中得到的震后初始功能失效率定義為無量綱的量，為1。隨著系統(tǒng)功能逐步恢復，漸漸恢復到震前水平。當功能達到震前水平，即全部恢復時，則定義為0。

由于生命線系統(tǒng)功能在城鄉(xiāng)經濟社會日常生活中的重要性，相比于其他系統(tǒng)，震后總是優(yōu)先考慮其恢復，而且要求其恢復時間比其它系統(tǒng)要迅速。歷史震害表明生命線系統(tǒng)功能從地震后的功能初始失效后恢復到震前水平是一個漸進的、逐步恢復的過程。功能恢復是一個隨時間變化的函數，且這個過程很難用一條直線來模擬。鑒于生命線的網絡化特征，在系統(tǒng)恢復時，可能由于系統(tǒng)中某些節(jié)點的修復，而使其功能大大恢復，也就是說這種關系將是一種指數關系。

基于2次日本地震的供電、通訊、供水、燃氣系統(tǒng)的恢復時序關系，采用數學擬合方式給出了上述4類生命線系統(tǒng)的功能恢復函數表達式為：

式中：y為生命線系統(tǒng)功能失效率與初始最大功能失效率的比值;x為震后恢復時間，以d為單位，從地震當天開始算起;A是一個反映該生命線系統(tǒng)重要程度、修復難易程度及震后應急決策修復措施有效性的綜合變量，決定該生命線系統(tǒng)功能的恢復快慢，將其定義為生命線系統(tǒng)恢復函數衰減指數。

按上述方法分別給出了基于宮城縣近海地震和阪神地震的4類重要生命線系統(tǒng)的恢復關系曲線，如圖1所示。圖中散點數據為通過震后統(tǒng)計得出的2次地震的系統(tǒng)功能恢復的原始數據，曲線為按式（1）得出的擬合曲線，其中，縱坐標為一個無量綱的量，其最大值1對應的是本次地震中該系統(tǒng)初始功能失效值，也就是地震后各生命線系統(tǒng)遭受到的最大影響;橫坐標為功能恢復時間，0為地震當天，對應功能初始失效的最大值。隨著時間增加，功能逐漸恢復，功能失效逐漸減少。

從圖1可以看出，這2次地震的擬合曲線與原始數據擬合較好，表明使用本文給出的生命線系統(tǒng)功能指數型恢復函數對評估生命線系統(tǒng)震后功能失效造成的損失是可行的。

經進一步的統(tǒng)計分析，2次地震按照公式（1）得出的擬合參數A見表1，表中R2為擬合曲線的均方差。

由表1可知，通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的恢復速度基本上屬于同一量級，A為0.2～5;供水系統(tǒng)的恢復則較為困難，A為2～15;燃氣系統(tǒng)恢復最慢，A為5～150。從圖1b中還可以看出，由于阪神地震燃氣系統(tǒng)的實際功能失效率恢復曲線的衰減指數較大，具體形狀與直線下降的擬合結果較為一致。

在震后的實際評估和預測中，可以參考初始損失，結合當地生命線系統(tǒng)的各部件的重要性、恢復難易程度以及當地生命線系統(tǒng)及應急對策等具體情況，給出一個合理的衰減指數A，即可采用式（1）快速得到各生命線系統(tǒng)的初始功能損失評估結果。

結合我國生命線系統(tǒng)震害和功能恢復特征，本文給出衰減指數A的取值原則：①對于同一生命線系統(tǒng)，震害越輕，則A取值越小;震害越重，A取值越大;②在同等烈度下，災害范圍越廣，取值越大;③當供電系統(tǒng)電廠或者大型變電站、通訊系統(tǒng)中心站點建筑和設施、供水系統(tǒng)水處理系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)門站等出現毀壞時，A應取上述建議值的上限。

3 實例驗證

為了驗證4類生命線系統(tǒng)功能恢復函數的正確性，本文以1976年唐山大地震后通訊、供電、供水系統(tǒng)和2008年汶川地震后綿陽市燃氣系統(tǒng)的實際震后恢復時間為例，將按本文方法計算得到的4類生命線系統(tǒng)震后恢復時間與實際恢復時間進行了對比。

1976年7月28日，唐山7.8級地震發(fā)生后，唐山地區(qū)的生命線系統(tǒng)幾乎全部癱瘓（楊文忠，2006），地震后通訊、供電、供水系統(tǒng)的恢復情況如下所述：

（1）通訊系統(tǒng)。按照先溝通后恢復，先干線后支線，先保證重點后逐步擴大的原則進行，9月初，通訊初步恢復。

（2）供電系統(tǒng)。利用京、津、唐電網先供電后發(fā)電，先簡易供電后健全。8月6日，地震破壞的8個110 kV變電站有7個恢復供電，55個35 kV變電所恢復供電24個。8月中旬唐山電廠開始并網發(fā)電。

（3）供水系統(tǒng)。以盡快恢復供水能力的原則，首先解決飲用水，然后分區(qū)搶修管網、設備，用機泵統(tǒng)一調度，恢復多水源統(tǒng)一管網供水。10月初，恢復水源31處，平均日供水量5.2萬噸，飲用水與生產用水基本解決。

2008年5月12日汶川8.0級地震后，綿陽地區(qū)遭受嚴重破壞，根據震后對綿陽地區(qū)燃氣系統(tǒng)調查（郭恩棟等，2012）顯示，綿陽市燃氣震前日供氣量22.8萬m3，供氣壓力為0.25 MPa。地震發(fā)生后立即停止供氣，24小時后供氣量為11.6萬 m3，全部恢復正常供氣是在60 d以后，日供氣量約為22萬m3，但供氣壓力為0.20 MPa。

考慮到唐山大地震和汶川地震震級大，生命線系統(tǒng)破壞程度和功能喪失程度大，波及和影響范圍廣，在這種極端情況下，本文對唐山地震中通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)A取5，供水供水系統(tǒng)A取15，汶川地震中綿陽宏觀地震烈度為Ⅸ，燃氣系統(tǒng)A取30?？紤]各系統(tǒng)的恢復程度不同，得出各生命線系統(tǒng)基本恢復時間，見表2。從表中可以看出，計算得出的唐山大地震中3個系統(tǒng)的震后恢復時間與實際恢復時間基本一致;汶川地震綿陽市的燃氣供氣量從11.6萬m3到22萬m3的計算時間和實際恢復時間也較為一致，驗證了本文方法的有效性和實用性。

4 結論

本文考慮了生命線系統(tǒng)自身及其震害與功能失效的特點，基于日本宮城地震和阪神地震的生命線系統(tǒng)震后恢復時序統(tǒng)計數據，采用本文建立的生命線系統(tǒng)功能恢復函數，并通過擬合的方式，確定了供電、通訊、供水和燃氣4大系統(tǒng)的指數形式恢復函數中重要的參數——恢復函數衰減指數A。

由于國內目前還沒有詳細的生命線系統(tǒng)功能隨時間不斷恢復的詳細調查數據，選擇日本地震后詳細的生命線功能恢復時序進行擬合，為了得到不同生命線系統(tǒng)的恢復模型，從而得到的衰減指數A，更多的是一個反映不同生命線系統(tǒng)恢復特征的變量。因此，衰減指數A對我國震后生命線系統(tǒng)恢復預測有一定的借鑒意義?；趪鴥日鸷笊€系統(tǒng)的震害和功能恢復特點，分析給出了詳細的取值區(qū)間及取值原則，為我國評估由生命線系統(tǒng)破壞造成的功能損失及恢復過程提供了可行的評估方法。選取唐山大地震震后供電、通訊、供水和汶川地震綿陽市燃氣系統(tǒng)的實際恢復時間，與本文方法計算得到的恢復時間進行對比，結果表明，該方法基本可行，由此驗證了本文所建立的4類生命線系統(tǒng)震后功能恢復函數能夠較為準確地評估各生命線系統(tǒng)的功能恢復模式，從而可作為進一步評估由此產生的影響和損失的基礎。

本文提供的方法是對生命線系統(tǒng)震后恢復過程的初步探討，由于生命線系統(tǒng)的復雜性和不同地區(qū)同一類生命線系統(tǒng)的差異等原因，該方法還需要更為豐富的震害資料的支持，開展進一步的深入研究。為了更好地選擇A，就需要在以后震后調查或者科學考察中，收集相關生命線破壞、恢復措施、功能恢復等詳細數據，從而得到更為準確的A。因此，建議在今后震害調查中，專門開展針對生命線系統(tǒng)震后功能破壞情況及恢復情況的專項調查，并且，應由地震部門和相關專業(yè)管理人員參與震后調查，收集更為有效、詳細的數據。

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