馬小平, 李曉雪, 陳文凱, 孫艷萍, 朱 瑞, 寇 恒, 張 曉

(甘肅省地震局, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

地震現(xiàn)場災情調(diào)查就是在破壞性地震發(fā)生以后,地震現(xiàn)場工作人員對災區(qū)進行震區(qū)影響范圍、人員傷亡統(tǒng)計、建(構)筑物破壞、家庭財產(chǎn)破壞、設備破壞、生命線工程破壞、地質災害和次生災害、生態(tài)破壞、社會影響等的調(diào)查工作[1-2]。其目的就是為地震烈度圖評定和災害損失評估報告的形成提供必要的數(shù)據(jù)支撐,而地震現(xiàn)場災情調(diào)查的速度和效率直接影響著烈度圖評定和災害損失評估報告的產(chǎn)出時間。大震發(fā)生后,大批的地震工作者都進入地震震區(qū)參與現(xiàn)場調(diào)查及應急救援工作。而由于現(xiàn)場調(diào)查區(qū)域范圍比較大,災情調(diào)查任務重且緊,人員有限,在災情調(diào)查的過程中,難免會有避重就輕的進行災情調(diào)查的情況,會影響災情調(diào)查的準確性和全面性。加之,現(xiàn)場指揮部領導也是根據(jù)實際情況,臨時指派工作組進行災情調(diào)查,缺乏一套合理的、適當?shù)臑暮φ{(diào)查方案,災害調(diào)查點選取不均勻、不合理的現(xiàn)象較為嚴重,使現(xiàn)場調(diào)查工作重復性較高,最終導致現(xiàn)場災情調(diào)查工作效率比較緩慢、工作冗余較大、結果會有偏差等不利于烈度評定和災害損失評估的因素。因此,合理的、均勻的、適當?shù)倪x取災情調(diào)查點,減少調(diào)查任務,提高調(diào)查效率,用有限的時間和人員完成最有效率的工作,為快速評定烈度圖和產(chǎn)出災害損失評估報告提供更快更準的數(shù)據(jù)顯得非常重要。近年來,圍繞地震災害損失快速評估、災情調(diào)查系統(tǒng)研發(fā)、震害評估軟件研發(fā)等方面國內(nèi)外學者進行了大量的科學研究并取得了一系列卓有成效的成果。

在國外,隨著災情調(diào)查及評估方法的日益成熟,構建大型災情調(diào)查及評估系統(tǒng)是國際上發(fā)達國家災情調(diào)查及評估工作的主要發(fā)展方向之一,美國聯(lián)邦緊急事務所聯(lián)合國家建筑科學研究所等科研機構共同研制的HAZUS系統(tǒng)[3],基于大量的聯(lián)邦國家標準和數(shù)據(jù)庫,能夠預報社區(qū)由自然和人為災害形成的損失;在國內(nèi),防災減災領域的專家廣泛認可并使用的災情調(diào)查及評估方法有六種,分別是:歷史災情統(tǒng)計法、承載體易損性評估法、現(xiàn)場抽樣調(diào)查法、遙感監(jiān)測法、基層統(tǒng)計上報和經(jīng)濟學方法[4]。徐敬海等[5]通過建立災情速報員網(wǎng),提出了一種基于GIS的地震災情速報與快速判定方法,為地震現(xiàn)場災情快速判定與上報提供了科學依據(jù);郭紅梅等[6]提出了一種基于GIS和空間決策技術的城市地震現(xiàn)場搜救指揮輔助決策系統(tǒng)的技術思路和解決方案,大大提高了地震現(xiàn)場搜救工作效率;丁香等[7]研制了基于GIS的地震現(xiàn)場應急指揮管理信息系統(tǒng),為地震現(xiàn)場指揮部應急指揮和現(xiàn)場災害損失調(diào)查與評估、科學考察等工作提供公用數(shù)據(jù)管理和信息服務,提高了地震現(xiàn)場工作的實效性等等。這一系列的科學研究旨在提高災情調(diào)查效率,最大程度地減少人員傷亡和經(jīng)濟損失,但是在具體指導現(xiàn)場災情調(diào)查方面還缺少相關研究。

1 研究方法

總體上來說,目前我國在災情調(diào)查及災情損失評估方面主要集中在專項評估系統(tǒng)的研究與開發(fā)上,震后如何科學制定地震災情調(diào)查方案還處于探索階段。據(jù)此本文以甘肅岷縣漳縣6.6級地震為例,依據(jù)地震現(xiàn)場工作規(guī)范(GB/T 18208.3—2011和GB/T 18208.4—2011)[1-2],從地震現(xiàn)場災情調(diào)查的角度出發(fā),綜合考慮地震現(xiàn)場災情狀況、經(jīng)濟損失、救援力量、政府需求等影響災情調(diào)查進度的因素,結合地震現(xiàn)場災情調(diào)查的需求,在預估理論影響場、預估地震災害損失等資料的基礎上,利用GIS空間分析功能、網(wǎng)絡分析功能,對災區(qū)基礎地理數(shù)據(jù)進行時空分析,并充分考慮地震地質災害、地形等對災區(qū)交通路網(wǎng)的影響,研究制定一種快速、合理、有效、均勻的選取現(xiàn)場災害調(diào)查點的方法,為現(xiàn)場災害調(diào)查和應急救援選取最合適、最可靠的路線,幫助現(xiàn)場災情調(diào)查人員快速、科學地開展災情調(diào)查工作,從而提高現(xiàn)場災情調(diào)查的效率,最大程度的節(jié)省調(diào)查時間,確保災害調(diào)查和應急救援的快速、高效進行,進而為烈度圖的評定和災害損失報告的撰寫贏取更多的時間,為現(xiàn)場指揮部選取災害調(diào)查點、指派工作組提供必要的科學依據(jù)和輔助決策意見。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 The map of technology road

1.1 調(diào)查點選取原則

地震現(xiàn)場工作作為一項特殊時段的緊急任務,時間要求緊、技術含量高、工作強度大,要求地震現(xiàn)場工作人員要在一個較短的應急時間段內(nèi)全面、準確、科學、規(guī)范地完成各項工作任務,為政府的抗震救災行動、震區(qū)的恢復重建、地震科學研究提供基礎資料[8]。因此需遵循以下原則:

(1) 災情調(diào)查點要具有一定的覆蓋面。選取災情調(diào)查點時,應該在預評估烈度范圍基礎上內(nèi)外各延伸一定的范圍,使調(diào)查點能覆蓋整個烈度范圍,以便準確、全面的評定地震烈度。

(2) 災情調(diào)查點分布要具有一定的均勻性。選取的災情調(diào)查點要均勻地分布在預評估影響場每個烈度區(qū)分界附近,其他區(qū)域適當增減調(diào)查點。

(3) 災情調(diào)查點要具有一定的代表性。因為烈度圈一般都是不規(guī)則的橢圓,所以為了減少工作量,提高工作效率,在選取災情調(diào)查點時,在具有關鍵控制部位的地方需要增加災害調(diào)查點的選取數(shù)量,選取具有代表性的調(diào)查點。

(4) 災情調(diào)查點應選取至交通可達的居民點。如果交通不便或沒有居民點的地區(qū)可以適當減少調(diào)查點。

(5) 選取一定數(shù)量的地震地質災害和生命線工程破壞情況調(diào)查,輔助確定地震烈度圈的邊界。

(6) 災情調(diào)查點在數(shù)量上不必太多,以免浪費工作時間、降低工作效率。

1.2 基于GIS空間分析的災情調(diào)查點選取

1.2.1 交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)處理

災情調(diào)查點的選取主要考慮路徑最短、時間最短等因素。故本文首先提取交通路網(wǎng)與預評估理論影響場的交叉點,并對交叉點數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析,然后選取震中距交叉點的最優(yōu)路徑。

關于最優(yōu)路徑問題,國內(nèi)外學著都做了大量的研究,具有代表性的是VRP問題和VSP問題[9]。目前最優(yōu)路徑的研究,主要分為精確優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法、模擬方法和人工智能方法。對于我國路網(wǎng)而言,由于車流量較大,短路擁堵較為嚴重,所以當前的研究主要考慮路段行程時間T=L/U,其中T為路段平均行程時間,單位:h;L為路段里程,單位:km;U為路段行程平均車速,單位:km/h。東南大學針對國內(nèi)公路交通實際情況,給出了車速-流量通用模型,并標定了模型參數(shù)建議如表1所列。以此通用模型為計算依據(jù),得任意等級任意交通負荷下的車速-流量通用模型為[10]:

(1)

式中:U為路段平均行駛速度,單位:km/h;Us為各等級公路的設計車速,單位:km/h;C為各等級公路的單車道實際通行能力,輛/(h·標準車道);V為各等級公路單車道交通量;α1、α2、α3為回歸參數(shù),見表1 。

表1 車速-流量通用模型參數(shù)取值

根據(jù)以上車速-流量模型,結合各路段參數(shù)取值,計算出各路段行程時間,即行程時間短的路段,最后以各路段行程時間為權重利用ArcGIS網(wǎng)絡分析功能進行最短時間路徑搜索,所得路徑即為震后應選的最優(yōu)路徑,并對其最優(yōu)路徑進行網(wǎng)絡分析。

1.2.2 DEM數(shù)據(jù)處理

在路徑選取上應考慮地形因素對交通路網(wǎng)的影響,因為地形坡度對地表演變過程有強烈的影響作用和重要的地學意義,所以利用ArcGIS軟件3D Analyst Tools功能模塊中的Slop函數(shù)ASTER DEM數(shù)據(jù)(分辨率為30 m)進行坡度提取,并進行歸一化、重分類等處理。

1.2.3 地質災害隱患點數(shù)據(jù)處理

由地震引起的崩塌、滑坡、泥石流、地裂縫、砂土液化等現(xiàn)象,會對交通道路、建筑物、工程設施等造成巨大的影響,本文主要考慮滑坡對交通的影響。采用劉鳳民等的評價模型[11]對區(qū)內(nèi)地震次生地質災害隱患點進行危險性評估,得到地震地質災害危險性等級數(shù)據(jù),其來自于白仙富等地震滑坡危險性預測數(shù)據(jù)[12]。基本方法和評估模型概述如下:

Wi=A·Wl+B·Wq

(2)

式中:Wi為某種地震次生地質災害危險性指數(shù);Wl為地震次生地質災害歷史危險性指數(shù);A為地震次生地質災害歷史危險性權重,根據(jù)以往研究成果[11-14],取值為0.25;Wq為地震次生地質災害潛在危險性指數(shù);B為地震次生地質災害潛在危險性權重,根據(jù)以往研究成果[11-14],取值為0.75。

1.2.4 居民點數(shù)據(jù)處理

地震的破壞性主要體現(xiàn)在人員傷亡和經(jīng)濟損失上,而居民點是人類生產(chǎn)和生活的集聚定居點,因此在地震災情調(diào)查點選取時還應考慮居民點的分布情況,在居民點密集的區(qū)域應該適當增加調(diào)查點,反之則應減少調(diào)查點,故本文將所提取的最短時間路線做3 km范圍的緩沖區(qū),統(tǒng)計其范圍內(nèi)的居民點數(shù)據(jù)(行政村以上駐地)作為必須應取的災情調(diào)查點。

在所有影響災情調(diào)查點選取的因素中主要因素是居民點位置,其次是交通通達度,再次是地質災害影響,最小的是坡度影響,經(jīng)過多次試驗論證對比,將以上數(shù)據(jù)分別按照居民點數(shù)據(jù)權重為0.4,交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)權重為0.3,地震地質災害數(shù)據(jù)權重為0.2,坡度權重為0.1進行空間分析,得出地震現(xiàn)場災情調(diào)查點選取熱點區(qū)域示意圖,并按照易選程度將其劃分為易選區(qū)和不易選區(qū)。最后依據(jù)地震現(xiàn)場災情調(diào)查點選取原則和地震現(xiàn)場工作規(guī)范要求進行災情調(diào)查點選取。

2 實際震例計算

2013年7月22日7時45分,在甘肅省岷縣、漳縣交界(34.5°N,104.2°E)發(fā)生了MS6.6地震(簡稱岷—漳地震),震源深度20 km。震中最高烈度為Ⅷ度,受災總面積約為16 432 km2。涉及甘肅省5個市州的13個區(qū)縣109個鄉(xiāng)鎮(zhèn),受災人口約230萬人,本次地震造成95人死亡、2 414人受傷,經(jīng)核定直接經(jīng)濟損失約175.88億元[15]。

首先,借助ArcGIS平臺分別提取災區(qū)范圍內(nèi)不同類型交通道路與預估烈度范圍的交叉點,建立道路網(wǎng)絡模型[16]。然后根據(jù)車速-流量通用模型,結合災區(qū)范圍內(nèi)各個路段參評指標值,計算出從震中到各交叉點的不同路徑的行程時間,并以各路段行程時間為評價權重,通過建立適合于整個災區(qū)范圍內(nèi)路網(wǎng)的各等級路段評價指標體系,利用Dijkstra算法進行最短時間路徑搜索,得到震區(qū)內(nèi)震中到各交叉點的最短時間交通路網(wǎng)。接著應用ArcGIS的緩沖區(qū)分析功能,以提取出的交叉點為中心,設置半徑間隔為5 km創(chuàng)建緩沖區(qū)。隨后把所有創(chuàng)建的不同類型道路交叉點的緩沖區(qū)進行柵格計算、空間分析等處理,在此基礎上,充分考慮地形坡度(圖3)、地震地質災害風險(圖4)等對交通的影響,分等級得出交通熱力圖,如圖5所示。

圖2 研究區(qū)概況[審圖號:GS(2016)2556號]Fig.2 Survey of the research area [Review number:GS (2016) No.2556]

表2 基礎地理數(shù)據(jù)

圖3 地形坡度圖Fig.3 Topographic slope map

圖4 地震地質災害風險圖Fig.4 Risk map of earthquake-induced geological hazards

圖5 交通熱力圖Fig.5 Traffic heat map

其次,對震區(qū)居民點數(shù)據(jù)(行政村以上駐地)以行政村1 km,鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地2 km,縣區(qū)駐地3 km為半徑進行緩沖區(qū)分析,然后進行歸一化處理,得出震區(qū)居民點熱力分布如圖6所示。

圖6 居民點分布熱力圖Fig.6 Heat map of settlements distribution

最后,應用空間疊置分析將以上數(shù)據(jù)進行空間疊置,得出災情調(diào)查點選取熱力分布如圖7所示,然后進行重新分類,在熱力范圍內(nèi)自動生成災情調(diào)查點。在選取災情調(diào)查點時充分考慮甘肅省預評估烈度六度(Ⅵ)范圍偏大,七度(Ⅶ)、八度(Ⅷ)范圍偏小的因素[17],根據(jù)預估烈度展布方向、震區(qū)地形地貌、震區(qū)交通、震區(qū)居民點分布、震區(qū)地震地質災害隱患點等現(xiàn)場實際情況,在經(jīng)人工修正后,選取如圖8所示災情調(diào)查點。

岷縣—漳縣地震實際災情調(diào)查點有418個,基本上遍布了整個震區(qū),為地震烈度評定及災情評估提供了極有力的科學保障。但是,由于災情調(diào)查點較多,且有些調(diào)查點較為集中,重復調(diào)查現(xiàn)象較多;有些調(diào)查點交通不太方便,災情調(diào)查人員不易到達開展調(diào)查;有些調(diào)查點處于無人區(qū),對于短期的應急災情調(diào)查難度較大且耗時較長,所以這些無人區(qū)的調(diào)查點在應急期間可以暫放,在后期的地震科學考察中進行調(diào)查較為合理。諸如此類,由于調(diào)查點選取不合理的原因極大地阻礙了現(xiàn)場災情調(diào)查的進度和現(xiàn)場應急的效率,延長了現(xiàn)場地震應急時間。

圖7 預定災情調(diào)查點選取熱力圖Fig.7 Heat map of the selection of scheduled disaster investigation sites

圖8 預定災情調(diào)查點與實際災情調(diào)查點對比Fig.8 Comparison between scheduled and actual disaster investigation sites

鑒于以上地震應急經(jīng)驗,并嚴格遵循地震現(xiàn)場工作第三部分(調(diào)查規(guī)范)關于地震烈度調(diào)查中對農(nóng)村和城市調(diào)查的規(guī)范要求和第四部分(災害直接損失評估)關于房屋破壞比調(diào)查中對不同震級地震選取抽樣調(diào)查點個數(shù)的規(guī)范要求,結合震區(qū)實際情況,本文共計選取了262個預定災情調(diào)查點。其結果:一是大量減少了災情調(diào)查點數(shù)量,但是,從圖中可以看出,預定災情調(diào)查點的分布及數(shù)量基本能滿足烈度評定的要求和災情損失評估的需要而不影響其準確性和科學性;二是在無人區(qū)和交通不便利的地方適當減少了調(diào)查點,在居民點較為密集的地方適當增加了調(diào)查點,與實際災情調(diào)查點相比,預定災情調(diào)查點的選取更為合理,更為有效,更為科學,極大地減輕了災情調(diào)查任務,將有助于提高現(xiàn)場地震應急效率。

3 結論與討論

3.1 結論

本文以岷縣—漳縣6.6級地震為例,從地震現(xiàn)場地震應急工作需求出發(fā),綜合考慮地震現(xiàn)場災情狀況、經(jīng)濟損失、救援力量、政府需求等影響災情調(diào)查進度的因素和影響交通通行的地形、地質災害等此生因素。在預估理論影響場的基礎上,利用GIS空間分析功能、網(wǎng)絡分析功能,對災區(qū)基礎地理數(shù)據(jù):居民點數(shù)據(jù)、交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、地質災害隱患點數(shù)據(jù)等進行時空分析,得到地震現(xiàn)場災情調(diào)查熱點區(qū)域,并在嚴格遵循災情調(diào)查點選取原則和地震現(xiàn)場工作規(guī)范要求的情況下,共選取了262個災情調(diào)查點,在調(diào)查過程中從極震區(qū)出發(fā)逐步向外延伸展開災情調(diào)查工作,基本上能滿足烈度圖評定需要和災情評估需要。為現(xiàn)場災情調(diào)查點的選取提供了科學、合理的方法,極大地減少了不必要的調(diào)查任務,提高了災情調(diào)查效率,節(jié)省了災情調(diào)查時間。進而為烈度圖的評定和災害損失報告的撰寫贏取更多的時間,為現(xiàn)場指揮部選取災害調(diào)查點、指派工作組提供必要的科學依據(jù)和輔助決策意見。

3.2討論

地震現(xiàn)場災情調(diào)查是實施地震應急救援、掌握地震災情、評定地震烈度、評估災害損失、考察地震機理的重要手段和必備環(huán)節(jié)。隨著國家對自然災害防治和應急救援的高度重視,地震災情的調(diào)查在時效性和準確性上要求更高,因此,快速、合理、準確的收集災情信息是有效應急,快速實施應急救援的基礎。經(jīng)歷了多次地震的洗禮,我國已經(jīng)意識到地震現(xiàn)場災情調(diào)查的重要性,并在一定程度上出臺了相關制度,開發(fā)了現(xiàn)場災情調(diào)查系統(tǒng)和平臺,但是,從目前的狀況來看,還處于研究探索階段。因此,本文針對地震現(xiàn)場災情調(diào)查點的選取及路線安排做了一些探索性的研究,但是在災情調(diào)查人員需求、分組等方面還未深入研究,需要在今后的工作中更多應用新的技術和方法研究此類問題,提高破壞性地震的現(xiàn)場地震應急工作效率。