城市震害快速評估方法及系統建立

袁 媛，徐永林，尹京苑，胡 俊

（上海市地震局，上海 200062）

城市震害快速評估方法及系統建立

袁 媛，徐永林，尹京苑，胡 俊

（上海市地震局，上海 200062）

結合上海地區的震害特點及地震動監測能力，探討建立城市震害快速評估系統的內容以及實現方法。以地震動加速度值、加速度值的持時、軟土地震動反應、地震動卓越周期與構作物周期聯系等作為參數，進行地震加速度與烈度等值線圖速繪，能快速有效地估算地區的震害影響分布情況，有助于及時實施應急處置與抗震救災。

震害評估；震動圖；易損性分析；地震監測網絡

地震震害評估是對發生的地震對人類社會及生存環境造成破壞的定量估計，在地震發生以后對災區進行科學的損失評估，對實施救援方案以及災區恢復重建等都具有十分重要的意義。世界上對地震災害減災的科學研究距今已有100多年的歷史，而發達國家對震后可能發生的各種致災因素的快速后果評估都非常重視，日本根據1995年神戶地震的抗災減災經驗，推廣開展了城市地震環境分析、建筑物震害預測、生命線工程震害預測、次生災害預測、經濟損失與人員傷亡估計等多方面工作[1]，大大減輕了地震災害的損失。從近期日本的幾次地震來看，其應急反應能力和成效得到了國際上的一致認可。所以在強震過后，及時了解地震對城市影響的空間分布具有重要作用。

就我國的地震研究發展現狀而言，不斷提升的地震動監測能力已經有助于科研工作者在震后快速獲取震區的地震動響應數據，進而可以繪制峰值地面加速度等值線圖、峰值速度等值線圖、烈度圖等，在第一時間大致了解地震災害在空間的破壞分布情況。而針對上海這樣一座位于軟土層上、人口密集、建筑物高密度覆蓋且類型繁多的大城市，建筑物的破壞情況直接決定地震所造成的損失大小。因此針對軟土層地震動響應以及地震動參數與建筑物受損性之間的研究，也成為城市震害評估的重要內容之一。這些數據可以為震害快速評估提供定量地震動參數依據，其繪制的烈度圖以及可能造成的建筑物損害等，可為政府決策部門提供快速而可靠的科學根據。

本文重點討論建立城市震害快速評估系統的內容以及實現方法，認為城市震害快速評估系統應能實現震動圖的快速繪制、以地震動參數和軟土效應作為參考的建筑物受損性評價、可結合遙感數據進行震后受災建筑物信息的快速提取等功能（圖1），整個系統應與地理基礎圖件以及相關地質圖件結合，增強圖件的可讀性。探討了上海目前地震地質背景、震害特點以及現有的監測能力，并采用VB+ArcEngine+Surfer架構，編程實現了基于上海行政區范圍的震后快速實時數據的震動圖件繪制系統。

圖1 城市震害快速評估結構圖Fig.1 Method for rapid seismic hazard assessment

1 震動圖的快速產生

震動圖(Shake Map)最早是美國地質調查局減輕地震災害計劃與區域地震臺網合作的產品[2]，能提供顯著地震后的地運動及震動強度的近實時分布。當破壞性地震發生后，震中不一定是破壞最嚴重的地方，在地震應急時需要快速掌握地震烈度分布情況。通過現場對烈度的調查來獲取破壞程度、急需物資等信息，可能需要幾小時到幾天不等，這對應急救援可造成不可低估的影響。如果在發布震情的同時就能發布不同地區的破壞程度信息，即使比較粗糙，其對應急救援工作也會有幫助作用[3]。此外，震動圖還可以提供更加直觀的信息。而近年來地震儀器以及通訊工具的進步，使得利用現有的數字資料快速生成震動圖成為可能；并且還可利用因特網，快速發布公眾服務和科學用途的地震圖，或通過數據通信專線發送給震害緊急響應機構。震動圖內容應包括地震烈度分布、峰值加速度分布、峰值速度分布、反應譜分布等。

震動圖的快速生成，其依附于一個實時的強震臺網。獲取來自強震臺網的數據后，才能根據數據生成各種地震參數的圖件。此外，由于每個臺站的場地條件不一致，首先需根據其記錄到的地面運動數據進行場地校正。而在臺站較為稀疏的地區需利用衰減關系估計地面運動值，如峰值加速度或速度，然后內插數據形成網格，再繪制出等值分布圖。而儀器烈度圖則可根據峰值地面加速度值或峰值地面速度值與儀器烈度值之間的簡單回歸關系得出。考慮到震動圖所面向的對象包括地震專業人員和普通公眾，震動圖件應能借助WEB平臺實現快速網絡發布，并且應能與多種地理底圖疊加顯示，如行政邊界矢量圖、地質構造圖等，以便用戶更加直觀獲取有用信息。

在震動圖中尤以峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)等值線圖和峰值地面速度(Peak Ground Velocity, PGV)等值線圖最為重要，這兩個參數與地震破壞性和觀測到的烈度相關性較好，而且參數本身具有實際的物理意義。以繪制PGA等值線圖為例，其具體步驟為：

（1）收集各臺站記錄到的峰值地面運動參數，數據讀取接口需依據數據文件格式而事先預留好，方便后續操作的快速實現；

（2）對因各個臺站所處的地質條件不同而引起的地面運動放大作用的差異，則需進行場地校正，使其結果更準確地反映地面運動狀況。臺站的地質類別是基于QTM(Quaternary, Tertiary and Mesozoic)圖，可以使用基于Park和Ellrick于1998年提出的放大倍數修正[4]，這樣的地質分類能分別代表土壤、軟巖石和硬巖石；

（3）以上海地區為例，“十五”期間建設有位于地表的強震動觀測臺和在浦東陸家嘴環球金融中心的超高層結構地震反應觀測臺陣。就地區分布而言相對較為稀疏，而有限的臺站點上的地面運動并不能完全代表該區域的地面運動，因此需通過已有的臺站數據，利用強震動質心的距離與強震動的地面運動之間的衰減關系來估計一些虛擬臺站的地動信息，增加數據密度。可采用Joyner和Boore于1997年提出的在巖石場地上“距離衰減關系”來賦予峰值地面運動值[5]；

（4）等值線的繪制是基于網格數據，而各臺站點數據為離散數據，因此在繪制等值線前需將其網格化。數據網格化通過插值方法來實現，插值的方法很多，各有特點，如克里金法基于無偏內插，試圖表示出隱含在數據中的趨勢，也克服了其它方法忽略各已知數據點之間空間相關性的缺點，受到廣泛使用。數據網格形成后，就可進行等值點跟蹤、線條平滑，至此，等值線便繪制完成。

2 結合地震動參數及軟土地震動反應的建筑物易損性分析

震動圖能直觀顯示地震所造成的地面運動情況，而從地震所造成的破壞作用講，其造成的損失很大部分來自于建筑物的倒塌，因此，基于建筑物的地震災害損失預測或評估具有非常重要的意義。尤其是對于人口密集、建筑物類別多、高密度覆蓋的大城市，在震害評估或預測決不能缺少建筑物震害損失評估，估計建筑物地震后可能達到的破壞程度成為地震災害損失評估的基礎工作。目前我國的建筑物震害損失預測研究已取得可喜進展，但其結構易損性分析方法大多依然以地震烈度為依據。在現階段，基于地震動參數的建筑物震害易損性分析方法已成為新的熱點，一些技術先進的國家已經開始直接以地震動反應譜作為地震輸入參數進行建筑物的易損性分析。如美國聯邦應急管理局和國家建筑科學研究所合作開發的地震損失評估軟件HAZUS99，其中就涵蓋了以地震動反應譜作為地震輸入的考察建筑物易損性的分析方法。其主要分析過程是首先依據建筑物類型、設防水準、建筑材料等，確定建筑結構設計點、屈服點及極限點等相關參數，根據這幾個關鍵點建立建筑物抗震能力的能力曲線；然后將設防地震加速度反應譜轉換成地震動需求譜；將已經建立的結構的能力曲線與地震動需求譜疊加在一起，得到的交點的橫坐標及縱坐標即為對于給定的地震作用下，建筑物的地震動的譜位移反應及加速度反應；最后根據公式計算出對于特定地震動輸入建筑物超越基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞及倒塌等不同破壞狀態的概率，建立以譜位移表示的建筑物地震易損性曲線[6]，進而計算出建筑物出現不同破壞的概率，即確定建筑物地震易損性。

3 上海地區震害特點及地震動監測能力

上海地處長江口南岸，大地構造位置處于揚子準地臺的東部邊緣，西北沿郯廬斷裂和膠南斷裂與華北地臺相接；東南以江山—紹興深斷裂為界與華南褶皺系相鄰，區域地震構造以斷裂為主[7]。上海市及其周邊雖不屬中強地震多發區，但鄰近的南黃海地區、長江口外及江蘇省的中強地震，甚至臺灣海峽的臺灣地區發生的七級以上的強烈地震可時常波及上海。1980年以來，上海市已經歷了三次強烈有感地震，分別是1984年5月南黃海6.2級地震、1990年2月常熟—太倉5.1級地震和1996年11月長江口以東的6.1級地震[8]。近年來的地震資料表明，上海地區的小震活動比較活躍，加之在400km遠處還存在潛在8級地震震源（郯廬地震帶），因此上海也遠非一個風平浪靜的避震港灣。1995年國務院更是將上海行政區列入“蘇、魯、皖、浙交界和上海地區”的國家一級地震重點監視防御區。尤其是2008年5月12日四川汶川8級地震發生后，專家普遍認為近十年我國很可能出現大地震連發的態勢，毗鄰上海的南黃海海域地震活動也有增強趨勢。值得指出的是，由于上海淺部軟土普遍發育，屬于較典型的天然軟土地基區，軟土主要為濱海沼澤相堆積類型，地震動經過軟土層的放大后再作用于地表建筑物，其造成的破壞性將更加巨大[9～11]，因此上海地區的宏觀地震烈度比一般地區要高出一度左右。加之上海地震震源深度較淺，一般都不足10km，因此上海陸域發生Ms1.5級左右地震，震中區居民都可有感；若發生2.5級左右地震，可能出現以房屋裂縫為主的輕微損害；若發生3級左右地震就可能造成個別老舊民宅的局部坍塌。改革開放以來，隨著大規模經濟建設的開展，大批危房、舊居拆除重建，高層建筑如雨后春筍般崛起，城市面貌有了很大改善，新建筑一般都要求按VII度設防，建（構）筑物的抗震能力有所提高，但高層建（構）筑物的頂部地震敏感性也隨之增加，幾乎每年都有地震有感反映。

有效而快速地獲取震后災害損失情況也依賴于地區的地震動監測能力，目前上海測震臺網臺站達到30個，上海市行政區域內監控能力達到ML≥1.5級，周邊地區的測震監控能力達到ML≥2.0級（圖2）。上海市數字強震動觀測臺網主要側重于對上海及鄰近地區的中強地震地震加速度時程的觀測，并利用該數字強震動觀測臺網獲得的觀測數據進行震后地震烈度速報、災害快速評估等工作。截至2012年6月，上海市數字強震動觀測臺網已建成強震臺站57個。利用這些地震觀測網記錄的響應數據，如張家港兩次小震，金茂大廈強震儀記錄到的汶川地震響應記錄等等，發現在土層的優勢頻段放大倍數尤其高[12]，這對建筑物的設計有提示指導意義。在這一軟土層地區，若設計的建筑物振型頻率落在上述類似的高放大倍數區域，則要結構抗震，意味著需要更高的建設成本，或者設計時從結構振型頻率避開這一地震波高放大頻段。考慮到由于所用數據有限，還需不斷積累大量的地震資料，以深入研究上海地區乃至長三角地區軟土層的地震動響應。軟土層的地震動響應與建筑物周期、抗震設計緊密相關，研究成果可結合以地震動作為參數輸入而得到的建筑物易損性結果一起作為建筑物震害評估的依據，因此也是上海城市震害評估系統內的重要內容之一。此外，在汶川地震發生后，由于交通以及通訊手段癱瘓，地震工作者和救援人員無法及時趕赴災區了解災情并實施救援，遙感技術便發揮了重要作用。它能直觀、大區域并迅速展示震后建筑物、道路、橋梁等受損情況，為震后應急指揮提供了最為快捷的依據；結合GIS技術，能對災區的各種地質災害進行危險性評價[13]。目前，上海地震監測系統已擁有上海地區高分辨率遙感影像，一旦有破壞性地震發生，通過快速更新震后影像，并通過影像變化檢測模塊，對比同一地區震前震后遙感影像，可迅速檢測出變化區域，作為重要的輔助手段來了解建筑物受損情況。

圖2 上海測震臺網地震監測能力Fig.2 Earthquake monitoring capacity of Shanghai seismic network

4 城市災害快速評估系統建立

基于以上討論，在設計城市災害快速評估系統時采用了VB+ArcEngine+Surfer架構，ArcEngine(簡稱AE)是ESRI公司推出的ArcGIS 9.0系列產品中新加入的一個產品，它包含完整類庫的嵌入式GIS軟件，支持多語言和多系統。能輕松實現多圖層顯示、地圖漫游縮放、文本標注、屬性查詢編輯等實用功能，并且支持多種投影變換。而針對震動圖的繪制，引入了Surfer Automation技術，用VB平臺進行了二次開發，將Surfer強大的插值以及等值線繪制功能控件引入系統，繪制出簡潔、美觀的震動圖件。利用VB良好界面設計和繪圖功能，預留各地震動參數以及相關建筑物參數的數據讀取接口，繪制成相應圖件，并支持多窗口同時顯示，便于地震工作者進行對比分析。目前由于地震資料以及相關建筑物資料相對較少，第一階段使用上海地區內環線內的構筑物及道路基礎信息數據庫，根據構筑物類型以及樓層數等屬性進行分類，確定各類型構筑物的第一本征周期范圍(s)，通過對地震發生后實時記錄的水平地震動加速度插值計算出每個街區地震動加速度，進而計算建筑物地震影響指數。圖3所展示的是系統地震動圖繪制模塊界面截圖，數據為模擬數據，各種參數均融合在后臺計算中，若發生有影響性或破壞性地震，通過輸入地震參數三要素（經緯度及震級大小），就可快速繪制出上海地區的烈度分布圖，待分布在上海各區域的強震動臺站記錄到的地面加速度值以及速度值傳回系統后，便可快速繪制出峰值加速度等值線圖，從而可以快速判斷哪些地區受到的震動強度較大，再結合數據庫中該地區的建筑物類型分布，進而得出建筑物的易損性結果評價。

圖3 系統地震動圖繪制模塊界面Fig.3 The mapping of shake map by system module

5 結語

強烈地震具有破壞性大、涉及面廣、損失慘重等特點，國內外防震減災的經驗教訓表明，凡是震后能及時有效地組織救災的地方，就能大大地減少人員傷亡和經濟損失，反之就會遭受慘重損失。震動圖可在最快時間內得到粗略的區域地震動信息；區域建筑物易損性分析及震后遙感影像對比，可快速得到建筑物大致損毀情況。城市震害評估是一項龐大、復雜的工程，城市震害快速評估所依賴的關鍵在于城市基礎信息的不斷累積，城市地震動監測設施的分布密度、各大交通生命線工程的密切監控以及區域人口和構筑物信息數據庫的不斷豐富都將極大地促進震害評估的精確度，因此這也將是一項長期而艱巨的工作。

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A System for the Rapid Assessment of Urban Seismic Hazard

YUAN Yuan, XU Yong-Lin, YIN Jing-Yuan, HU Jun

(Shanghai Municipal Earthquake Administration, Shanghai 200062, China)

Based on seismic-related damage characteristics and the capacity for seismic monitoring in the Shanghai area, this paper seeks to establish a rapid assessment system for urban seismicity and a method for its implementation. Using ground acceleration, ground velocity, soft-land vibration reaction, and the predominant period of structures as the basic parameters, the system is able to quickly produce contour maps of seismic acceleration and seismic intensity, and to quickly and effectively estimate the regional distribution of seismic-related damage. Thus, the system could help the government to promptly conduct emergency measures and earthquake relief after a damaging seismic event.

seismic hazard assessment; shake map; vulnerability; seismic monitoring network

P315.6

A

2095-1329(2013)02-0059-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.014

2013-04-01

2013-05-09

袁媛(1983-),女,碩士,助理研究員,主要從事地震災害分析研究.

電子郵箱：yuya83@163.com

聯系電話：021-50791180

上海市科委科研項目(08DZ2292200)