基于臨汾2次強震史料與GIS技術對未來強震災害預測評估

趙曉云 李自紅 閆小兵薄建杰 李慧玲 高云峰

1)吉林大學，長春 130022

2)太原理工大學，太原 030024

3)山西省地震局，太原 030021

基于臨汾2次強震史料與GIS技術對未來強震災害預測評估

趙曉云1，3)李自紅2，3)閆小兵3)薄建杰3)李慧玲3)高云峰3)

1)吉林大學，長春 130022

2)太原理工大學，太原 030024

3)山西省地震局，太原 030021

通過對臨汾2次歷史強震史料的研究，總結出其震害分布特征，對比各類衰減模型繪制的等震線圖，確定了對該地區不同震級地震最適用的衰減關系模型和修正值;應用GIS技術的空間分析功能，實現了臨汾地區更為直觀的震害預測評估系統。再將臨汾2次歷史強震損失重建，從而預測出臨汾地區現有經濟社會情況下的地震災害的損失情況，為其未來防震減災實際工作提供了可靠的依據。

歷史強震 GIS 歷史地震損失重建 災害預測評估

0 引言

山西省臨汾地區是歷史強震的多發區，1303年洪洞8級和1695年臨汾7?級2次地震歷史聞名，破壞巨大，并留下了大量的地震史料。1303年洪洞8級地震是中國第1次根據史料繪制出等震線的地震。至今，在這一范圍內仍有大量中小地震發生，具有明顯的大震區長期活動的特征(王澤皋，1985)。充分挖掘史料，總結2次強震的震害空間分布特征，建立該區的地理信息數據庫，利用GIS的空間分析能力，對該區在現有社會經濟條件下2次強震重演造成的地震災害損失進行預測評估，為該區防震減災實際工作提供依據。

1 臨汾2次歷史強震震害分布特征

本文依據收集的大量歷史地震記載，采用臨汾市1/5萬電子地圖、《山西省歷史地圖集》，經數字化采樣后，利用GIS空間分析功能，繪制出2次歷史強震實際等震線圖(參考任雪梅等，2006)。

1303年洪洞8級地震和1695年臨汾7?級地震與構造有明顯的對應關系，地震破裂方向已確定(王健等，2004)，因此計算這2次地震理論等震線時選用橢圓模型。臨汾盆地常用的地震裂度衰減關系有3種，即東部地區、山西地區、中國東部地區8～8?級地震衰減關系模型。

針對1303年洪洞8級地震和1695年臨汾7?級地震，用這幾種烈度衰減關系分別計算了其理論等震線，并與實際地震等震線進行了對比。結果發現，由中國東部地區8～8?級地震衰減關系模型計算得到的等震線符合1303年洪洞8級地震;而明顯大于1695年臨汾7?級地震的數值，推斷該模型不適合該區8級以下的地震(李小軍，2006)。由山西烈度衰減關系計算得到的烈度分布比實際的又偏小，由東部衰減關系模型繪制的等震線更接近于該地震實際等震線。2次強震的烈度殘差空間分布圖分別見圖1，2。

圖1 烈度殘差空間分布圖(1303年實際等震線與8～4?級衰減理論等震線對比)Fig.1 Spatial distribution of seismic intensity residuals(comparison between the actual isoseismal line of the 1303 earthquake and the isoseismal lines calculated by the intensity attenuation laws for earthquakes of M8 ～8?).

從圖1中看出，烈度偏大地區恰好是震中所在的臨汾盆地和盆地周邊。實際烈度等震線在盆地區沿盆地展布方向被拉長，很明顯是盆地效應加大了這些地區的震害。烈度異常點主要沿汾河流域和其他河流流域分布，可見砂土液化等地震地質作用也加重了震害。

臨汾凹陷是盆地的主體構造單元(宋惠珍等，1995)，斷陷幅度較大，是一個沿凹陷的軸向為NNE走向的地塹式深槽，最大新生界厚度達2.2km，最大第四系厚度達0.8km，這種構造具有強烈的地震地面運動放大效應。

非震中所在的盆地烈度相當或有小部分地區烈度偏小，分布沒有規律，推測為此地人口稀少、史料不夠詳實所致。

因此，針對該區發生的類似1303年和1695年的地震，2次地震震害空間分布特征和采用模型，即8級以上地震采用8～8?級地震衰減關系模型，7～8級地震采用東部地區橢圓模型，震中在盆地內的地震理論等震線最高烈度修正提高Ⅰ度，來預測評估震害可能更為可靠。

圖2 烈度殘差空間分布圖(1695年實際等震線與東部衰減理論等震線對比)Fig.2 Spatial distribution of seismic intensity residuals(comparison between the actual isoseismal line of the 1695 earthquake and the isoseismal lines calculated by the intensity attenuation laws in eastern China).

2 GIS技術在地震災害預測評估系統中的應用

開發一個地震災害預測評估系統，其設計思路是:根據概率地震危險性分析或設定地震得到的對未來臨汾地區的地震影響進行預測，通過確定給定目標的地震影響，結合目標抗震能力分析，在預測的地震影響下，估計目標可能遭受的破壞，并據此評價地震造成的經濟損失和人員傷亡。這一分析處理過程，涉及大量的地理信息數據和地震信息的空間分析處理方法，采用GIS技術有明顯的技術優勢。

例如，要設定未來地震的空間位置，區域地震構造環境和地震活動性資料將是重要因素。GIS可以提供兩方面幫助:一是可以為預測空間位置提供有效的分析工具;二是可以提供直接在背景圖件上設定空間位置的功能。將各種需要的構造環境和地震活動性資料建立地理信息數據庫，根據數據庫中的信息，形成各種圖件以便進行人工判斷，或采用GIS空間信息疊加等方式獲取多因素判斷的基礎信息，這為地震空間位置的確定提供了有效的分析工具。

又如，確定地震對給定評價目標的影響程度。這里的評價目標為各種類型的建筑物。利用GIS技術，可以建成單體建筑物在城市空間上分布的地理信息圖層，在圖層上可以存儲每一棟建筑的各種信息(包括建筑的功能、性質、名稱、建筑面積、高度、結構、建筑年代、人口分布等信息)以及抗震能力，利用GIS的空間查詢功能得到建筑物的破壞程度。再利用GIS的圖形顯示功能以一定的可視化方式將預測結果展示出來。還可估計直接經濟損失和人員傷亡情況形成專題圖。

GIS技術在解決震害預測方面具有強大的空間分析功能(王繼等，2002;王曉青等，2004)，可獲得圖面上任意點的空間信息，還可以直接在背景圖件上設定空間位置，圖層疊加可形成各種圖件，可創建各種專題圖:地震分布圖、評估區分布圖、烈度區分布圖、建筑物毀壞分布圖、異常點分布圖、人員傷亡分布圖等，這為震害評估和結果展示提供了最為直觀便捷的方式，對提高震害預測的針對性，具有決定性的意義。

3 臨汾地區2次歷史強震重演的應用實例

不少研究者對歷史地震損失重建進行了研究(郭恩棟等，2004)，有一種方法就是應用2次歷史強震重演(徐愛信，2007)。對目前臨汾地區進行地震損失評估，探察在同樣的地點發生同等大小的地震，地震經濟損失情況如何。這樣一方面屬于設定地震下的經濟損失預測研究之一，另一方面是對模型可靠性進行驗證的一種合理途徑。

3.1 建筑物震害預測

中國抗震設防的基本原則是“三級”設防，即小震不壞、中震可修、大震不倒。在臨汾市，設防基本加速度值為0.10g、0.15g和0.20g。按建筑抗震設計規范(GB50011－2010)的規定，大震設防加速度值為設防基本加速度值的2倍。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306－2001)的資料，確定臨汾市所有鄉鎮的抗倒塌烈度值Ie(a)(區劃圖表示的加速度值的2倍所對應的烈度值)，并作為一個屬性賦給這些鄉鎮。

根據本文調查的資料，臨汾地區共有各類房屋建筑約7×107m2，詳見表1。

通過開發的軟件系統分析比較每個數據點的Ie(a)值和Ie(實際烈度值)值。實際的等震線與抗震設計規范大震設防烈度存在差值，統計Ie＞Ie(a)的數據點得到臨汾地區鄉鎮抗倒塌能力烈度殘差表2。

對于臨汾地區建筑物震害預測，我們采用確定的建筑結構震害矩陣及群體工程的易損性分析方法(孫柏濤等，2005)。烈度為I時s類建筑發生j級破壞的總數量用下式計算:

式(1)中，Bs為s類建筑的總量。

利用以上模型及建立的地理信息數據計算，若1303年洪洞和1695年臨汾地震重演，圖3，4分別為其對應建筑物震害預測圖。

1303年洪洞8級地震史料記載多為“傾圮”;據康熙《臨汾縣志》卷8資料，1695年臨汾7?級地震導致臨汾縣住房完全倒塌者占全縣總戶數的47%。可見在現有房屋結構狀況下，房屋倒塌率減小了很多，但盆地及盆地周邊地區房屋抗倒塌性仍待提高。

圖3 1303年洪洞地震臨汾市建筑物震害預測圖Fig.3 Earthquake damage prediction map to the buildings in Linfen City from a scenario earthquake like the 1303 Hongdong earthquake.

3.2 人員傷亡估計

本文人口統計數據主要來源于第5次人口普查資料，在此基礎上，結合這幾年人口的增長率進行了調整。

地震時造成人員傷亡的因素很多，準確地預測一次地震的傷亡人數是較困難的。本文采用了尹之潛(1990)根據地震時間造成人員傷亡的方法。

(1)平均死亡人數。

式(2)中，D表示人員死亡比(死亡人數與本地區總人數之比);A表示房屋毀壞率。

(2)按時段和城鄉估計的死亡人數。2次歷史強震均發生在晚8時左右，按尹之潛(1990)在該時段農村發生地震造成人員死亡人數的計算方法為:

圖4 1695年臨汾地震臨汾市建筑物震害預測圖Fig.4 Earthquake damage predictionmap to the buildings in Linfen City from a scenario earthquake like the 1695 Linfen earthquake.

式(3)中，AR表示農村居住的建筑面積;A表示農村住宅、公用房屋和鄉鎮企業的車間的建筑面積;A1表示A或AR中毀壞的面積(m2);A2表示A或AR中嚴重破壞的面積(m2);A3表示A或AR中中等破壞的面積(m2);ρ表示房屋內人員密度;d1，d2，d3是不同破壞程度的死亡率，見表3;m表示預測區內的總人口數。

式(4)中，a表示人均居住面積，A1、A2和A3的含義和計算方法同上。

由以上模型計算可得表4、表5分別為1303年洪洞8級和1695年臨汾7?地震重演人員傷亡預測值。

受傷人數的計算公式:

受傷人數一般是死亡人數的3～5倍。

無家可歸人數的計算公式:

按第5次人口普查數據推算，臨汾市常住人口約215萬人，洪洞8級地震和臨汾7?級地震重演其死亡率分別為1.5%和0.1%，相對于2次歷史震亡率29.6%和18%，人口震亡率大幅降低。

3.3 經濟損失估計

本文未涉及生命線工程，主要是對各類建筑物進行經濟損失評估(王景來等，2001)。

按災害評估有關內容，評估地震烈度為I時的損失值由下式計算:

式(5)中，bs(j)表示s類建筑發生j級破壞的損失比;Bs(j)表示發生j級破壞的s類建筑重建的總費用;Qs(j)表示s類建筑發生j級破壞時室內財產損失比;Ws(j)表示發生j級破壞的s類建筑室內財產的總價值。

根據中國近幾年的震害損失和修復經驗，房屋和室內財產的損失比可按表6計算。

按模型計算，如果洪洞8級地震和臨汾7?級地震再次發生，在現有國民經濟情況下，當地經濟損失分別如表7，8。1303年、1695年中國經濟遠不如現在，毋庸置疑，現在經濟的受損失程度比當時要大很多。

4 對臨汾地區未來地震災害的啟示意義

基于歷史強震的研究，修正模型計算結果，使得評估更為接近該區實際，更具有實際指導意義。借助GIS的地震災害損失預測評估系統，可提高信息的可視性和空間分析的快速性，提高評估的效率。

2次歷史地震實例在地震災害評估系統中應用，重建損失分析所得預測值對臨汾這一特定地理環境區域地震危險性給予了警示。統計數據表明:面積超過105m2和人數超過20 000的鄉鎮主要集中在臨汾盆地，而盆地效應又會加大該區的震害，實際的等震線與抗震設計規范大震設防烈度存在差值。預測值告訴我們，即使臨汾地區的房屋建筑全部按《中國地震動參數區劃圖》(GB18306－2010)抗震設計規范設計，如果再發生同等規模的8級或7?級地震，仍有許多鄉鎮不能保證抗倒塌的要求，會造成巨額損失和人員傷亡，而且隨著社會經濟的發展，未來地震的經濟損失可能會更大。

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SEISM IC DISASTER ASSESSMENT AND PREDICTION BASED ON HISTORICAL MATERIALSOF TWO STRONG EARTHQUAKES IN LINFEN REGION AND GIS TECHNOLOGY

ZHAO Xiao-yun1，3)LIZi-hong2，3)YAN Xiao-bing3)BO Jian-jie3)LIHui-ling3)GAO Yun-feng3)
1)Jilin University，Changchun 130022，China
2)Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
3)Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan 030021，China

Through studies on the historical data of the two historical strong earthquakes in Linfen region，the characteristics of earthquake disaster distribution are summarized，and the actual isoseismal are drawn.By comparison of theoretic isoseismal maps obtained from different attenuation relationship models，themost suitablemodel and itsmodification part for differentmagnitudes in this region are determined.Using the spatial analysis function of GIS techniques，themore visual system of earthquake disaster prediction and evaluation is realized.In addition，the loss situation of earthquake damage in Linfen region under the present economic society is predicted based on the reconstruction data of the two historical strong earthquakes.This work provides reliable basis for practical work of earthquake prevention and disaster reduction in the future.

historical strong earthquakes，GIS，reconstruction of historical earthquake loss，disaster prediction and evaluation

P316

A

0253－4967(2011)03－0568－09

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.007

2010－11－23收稿，2011－02－23改回。

山西省科技廳“山西省地震災害總結及其地理信息系統建設”項目(022069)資助。

趙曉云，女，1977年生，2000年畢業于西安電子科技大學計算機專業，工程師，現主要研究方向為測震數據分析、軟件開發和網絡安全，電話:0351－5610592，E－mail:zxy_yxz01@126.com。