馮思琦 吳 清 沈鎏澄 王惠鐸 溫家洪

1）上海師范大學, 環(huán)境與地理科學學院, 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%的總人口和13%的城市人口（ McGranahan 等，2007；Vafeidis 等，2011）。沿海低地往往人口稠密，經濟發(fā)達，而生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災害多發(fā)，抵御風險能力不足（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%，沿海低地人口總數達1.64 億，約占中國人口總數的12.3%（Liu 等，2015），是全球沿海低地人口數量最大的國家。中國沿海低地分布著人口稠密、經濟發(fā)達的長三角、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，地震活動頻繁，一旦發(fā)生地震，會造成沿海地區(qū)嚴重的經濟損失和社會沖擊（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、南海北部地震活動性較強，黃海地震活動性次之，東海地震活動性最弱（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769 km2；1976 年唐山大地震造成的死亡人數超過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，直接經濟損失近3 億元（段光賢等，1980）；1990 年常熟太倉5.1 級地震造成1.3 億元的直接經濟損失（趙琳等，1990）。近幾十年來，中國沿海低地經濟持續(xù)快速增長，城市化進程不斷加快，導致人口大規(guī)模向沿海低地遷移（Liu 等，2015；Neumann 等，2015；Yang 等，2019）。隨著中國經濟的飛速發(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，一旦發(fā)生地震，將對沿海低地及濱海建設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重。然而，以往對沿海低地的研究主要關注氣候變化下臺風、風暴潮、洪水和海平面上升的脆弱性、風險與適應性（溫家洪等，2018；Micheal 等，2019；Edmonds 等，2020），缺乏對地震災害風險的研究。

承災體的暴露是災害風險決定性因素之一（Poljan?ek 等，2017）。對于許多災害事件，尤其是致災因子超過一定強度時，暴露是造成人員傷亡和損失的關鍵因素（UNISDR，2015；Lang 等，2019）。通過監(jiān)測和了解暴露隨時間的變化，有助于理解災害風險并減少其帶來的損失（Yang 等，2019）。人口是重要的暴露要素，人口的時間變化和空間差異是其重要屬性（梁亞婷等，2015）。地震災害的人口暴露及其時空變化得到國內外學者的廣泛關注（Freire 等，2012；He 等，2016，2021；Pesaresi 等，2017；Dou 等，2018；Huang 等，2019），及時了解中國沿海低地地震的暴露人口時空變化，對沿海低地地震風險分析及城市減災規(guī)劃等風險管理策略制定至關重要。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)地震高危險性地區(qū)人口暴露時空變化，為沿海低地地震風險評估與管理提供科學依據。

1 研究數據與方法

1.1 研究數據

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

1.1.1 CoastalDEM 數據

CoastalDEM 數據用于確定中國沿海低地范圍。該數據是利用神經網絡執(zhí)行23 維垂直誤差回歸分析，以減小航天飛機雷達地形測繪任務（SRTM）誤差，生成的最新數字高程模型（DEM），并實現全球覆蓋（Kulp 等，2018）。該數據的空間分辨率為100 m×100 m，可在Climate Central 網站2https://go.climatecentral.org/coastaldem/獲取。

1.1.2 人口分布數據

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

1.1.3 地震動峰值加速度區(qū)劃數據

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

1.1.4 全球城市邊界數據

1990?2015 年城市邊界數據包括1990 年、2000 年、2010 年和2015 年4 個年份，來源于清華大學地球系統(tǒng)科學系宮鵬團隊對外發(fā)布的全球城市邊界數據（Li 等，2020）。該數據集使用30 m 人工不透水區(qū)域數據生成，通過填充城市內部非城市區(qū)域劃定初始城市邊界，然后利用形態(tài)學方法，改進城市邊緣區(qū)域周圍的城市邊界，該數據格式為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)劃數據及CoastalDEM 數據，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 數據得出中國沿海低地的總面積為21.4×104km2，較Liu 等（2015）的研究結果大2×104km2。

1.2.2 確定沿海低地的地震高危險性地區(qū)

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

表1 地震動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 年人口柵格數據與沿海低地地震高危險性地區(qū)進行疊置分析，計算1990?2015 年不同烈度區(qū)的暴露人口數量，再與城鄉(xiāng)范圍進行疊置分析，得到不同烈度區(qū)的城市暴露人口和農村暴露人口數量。使用ArcGIS 分類區(qū)統(tǒng)計方法中的“Zonal statistics as table”工具，對暴露人口數據進行統(tǒng)計，以獲得人口數量和平均人口密度，使用年均增長率公式計算沿海低地地震高危險性地區(qū)暴露人口年均增長率R（Lv 等，2021）：

式中，x為沿海低地人口數量；t1、t2分別為始末時間的年份。

2 研究結果

2.1 地震高危險性地區(qū)空間分布

我國沿海低地地震高危險性地區(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性地區(qū)人口分布

2015 年，沿海低地地震高危險性地區(qū)暴露人口為16 869 萬人，占沿海低地總人口的76.7%。沿海低地地震高危險性地區(qū)暴露人口密度為1 155 人/km2，約為地震高危險性地區(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)總人口達14 265 萬人，占沿海低地地震高危險性地區(qū)總人口的84.6%，人口密度為1 126 人/km2；Ⅷ度區(qū)的總人口為2 557 萬人，占沿海低地地震高危險性地區(qū)總人口的15.2%，人口密度為1 353 人/km2；Ⅸ度區(qū)的總人口為46.5 萬人，人口密度為93 人/km2。

2015 年，沿海低地地震高危險性地區(qū)城市暴露人口數量約為11 437 萬人，農村暴露人口數量約為5 432萬人，分別占2015 年沿海低地地震高危險性地區(qū)總人口的67.8%和32.2%，城市暴露人口約為農村暴露人口的2 倍。

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

2.3.1 人口時空變化

1990?2015 年沿海低地的總人口、地震高危險性地區(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性地區(qū)人口時間變化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性地區(qū)暴露人口密度時空變化如圖3 所示。暴露人口高密度區(qū)主要集中在3 個主要城市群：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性地區(qū)人口密度時空變化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人口增長率（20.79%）。

2.3.3 城鄉(xiāng)人口變化

中國沿海低地地震高危險性地區(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8 143 萬人），是地震高危險性地區(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1 320 萬人），是地震高危險性地區(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29.2 萬人）。1990?2015 年，Ⅶ度區(qū)的農村人口減少了2 716 萬人，Ⅷ度區(qū)的農村人口減少了404 萬人，Ⅸ度區(qū)的農村人口減少了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 結論與討論

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

（1）中國沿海低地地震高危險性地區(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性地區(qū)暴露人口達16 869 萬人，占沿海低地總人口的70%以上，暴露在地震風險的人口數量巨大。

（2）1990?2015 年，沿海低地地震高危險性地區(qū)暴露人口增長率約60.7%，是同期中國的總人口增長率的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，而農村暴露人口減少了1/3。人口在不斷地由內地向沿海遷移的同時，也由農村地區(qū)向城市地區(qū)集中。隨著城市化和經濟的發(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，且地震風險的挑戰(zhàn)不斷增加，需進一步開展沿海低地城市地震災害風險評估及地震災害鏈和多災種復合風險評估與治理。

本研究的不確定性在于CoastalDEM 高程數據集是SRTM 數據集的改進數據集，全局平均誤差為1.88～?0.29 m。在城市和森林地區(qū)，雷達技術捕捉的是基礎設施或樹木高程，而不是地面高程，數據集的可靠性較低。同時，人口數據也存在一定不確定性，人口暴露估計的GPW 網格數據集是使用分解方法從人口普查數據開發(fā)的，該數據集由人口普查單位提供，而每個單位內的人口位置未知。由于普查數據的粗略空間分辨率，人口的空間分布存在一定不確定性。