ShakeMap在2014年于田7.3級地震快速損失評估中的應用1

劉 軍 宋立軍 溫和平 譚 明 古麗孜帕

（新疆維吾爾自治區地震局，新疆烏魯木齊 830011）

引言

破壞性地震發生后，快速、準確地提供震害損失評估結果及震區的各類基礎信息是地震應急期間一項重要的任務（周文等，2012）。在震情研判、現場災害調查策略制定中，準確的快速評估結果能為指揮長提供決策依據，顯著提高救援效率。經歷過汶川、玉樹及近年新疆多次破壞性地震后，科研人員逐漸意識到快速、準確地進行震害評估，是地震應急工作亟需解決的問題之一（李東平等，2011a）。

本文結合2014年2月12日新疆于田7.3級地震，將ShakeMap烈度圖應用到應急指揮中心的快速損失評估系統中，其評估結果與官方公布的直接經濟損失結果較為接近。實踐表明，應用考慮了場地因素的ShakeMap烈度圖的快速評估結果具有較高的準確性，其相對于當前各省局運行的“十五”應急指揮系統有明顯的改善。

1 震區及地震破壞概況

本次地震的震中主體位于新疆和田地區的于田縣和民豐縣以及與阿爾金山硝爾庫勒盆地西部（北緯36°06'，東經82°30'），震中海拔高度4500—5000m。通過對災區6個縣216個調查點展開實地調查，并結合震源破裂和歷史地震理論數據計算及地震的矩張量反演結果，推測Ⅸ度區及Ⅷ度區分布在高山無人區，等震線長軸呈北東東走向分布，Ⅵ度和Ⅶ度區為實際調查得出的結果（圖1）。其中，高山極震區的Ⅸ度區長半軸為36km，短半軸為8km，面積約948km2；Ⅷ度區長半軸為65km，短半軸為22km，面積約3483km2；Ⅶ度區西南自策勒縣奴爾鄉，東北至民豐縣葉亦克鄉，長軸為252km，短軸為140km，面積23210 km2；Ⅵ度區西南自和田縣喀什塔什鄉，東北至巴音郭楞蒙古自治州且末縣昆其布拉克牧場，長軸為508km，短軸為330km，面積105100km2。Ⅵ度區和Ⅶ度區總面積為128310km2。

圖1 于田7.3級地震烈度圖Fig. 1 Earthquake intensity map of Yutian 7.3 earthquake

本次地震震區位于昆侖山北麓平原區，總體地勢呈南高北低，地勢平坦，向北緩傾，坡度1°—3°。平原區河流呈扇形撒開，沖溝不發育，沉積物顆粒由南向北逐漸變細，靠近山前屬于礫質平原區；在315國道兩側約10km范圍（包括策勒、于田和民豐縣城），屬土質平原區，地下水位也逐漸抬升，形成綠洲；北部為風積平原區，多屬移動式沙丘。根據對周圍資料的收集整理，認為該地貌單元內場地類別為Ⅱ—Ⅲ類（劉軍等，2014），如圖2所示。震區受災人口主要位于該區。災區大部分位于山前溢出帶，地下水位淺、地基土層軟弱等場地條件對地震動有放大作用，震害影響范圍較大。

圖2 震區場地分布圖Fig. 2 Site condition map of the earthquake effected region

在不同工程場地條件下，場地條件對震害和地震動具有明顯的影響，這對震后應急指揮和災情研判可起到積極的作用。在新疆地區多次破壞性地震中，因場地條件因素加劇局部地區的震害，出現烈度異常、構建筑物震害破壞加重或是引起砂土液化等災害。因此，為了更加科學地描述本次地震的烈度等震線圖，本文需要將上述ShakeMap的等值線圖進行校正。

2 ShakeMap烈度圖

現行的“十五”應急指揮系統中自動產出的地震影響場采用點源衰減關系模型，雖然進行了本地化參數擬合工作，但是仍未充分考慮震區的區域構造、地形地貌特征及場地效應等因素，影響場還不能客觀地反映區域地震動形態。而基于ShakeMap影響場能更清晰地反映地震動的分布情況，甚至能考慮到震源機制等因素，因此，采用ShakeMap的地震影響場能更好地解決上述問題。

2.1 ShakeMap烈度圖

ShakeMap地震動等值線圖需要采用地震動的峰值地面加速度（PGA）和峰值地面速度（PGV）進行計算。首先根據對應地震動衰減關系和有限斷層模型及計算出的研究區域的震動值，然后通過QTM地形高層數據或30m平均剪切波速計算場地效應對地震動進行校正，并通過GMT繪出等值線圖（陳鯤等，2010）。

本文對研究區域進行了網格劃分。首先利用于田7.3級地震加速度峰值衰減關系來確定網格點的PGA值，然后再用有記錄站點的觀測值來修正這個估計值，同時參考場地周邊臺站的峰值地表加速度值加以“平滑化”，即可估計該場地峰值加速度（澤仁志瑪等，2006）。在本次地震震區周圍，距震中610km的西克爾強震臺記錄到的加速度最大峰值為3.9gal（南北向）。利用自然臨近法（王薇等，2005），通過強震臺記錄對其進行校正，可得到整個區域的ShakeMap烈度圖（見圖3）。

圖3 ShakeMap烈度圖Fig. 3 Chart of intensity based on the ShakeMap

2.2 ShakeMap烈度圖校正

ShakeMap系統能在震后快速、自動地得到地震動圖，并根據儀器烈度和地震震級、震中位置及當地的場地條件等因素來計算和校正該地震的烈度圖，同時及時通過網絡以多種形式來對信息和記錄圖進行發布，這在破壞性地震發生后的應急工作、現場救援規劃和科學研究等多方面都具有非常重要的意義。

ShakeMap地震動等值線圖需要采用地震動的峰值地面加速度（PGA）和峰值地面速度（PGV）進行計算。首先根據對應的地震動衰減關系和有限斷層模型，可計算出研究區域的地震動值，然后通過QTM地形高層數據或30m平均剪切波速計算場地效應，對地震動進行校正，并通過GMT繪出等值線圖（陳鯤等，2010）。

式中，V0是基巖的剪切波速，取1050m/s；是地下30m的平均剪切波速；ma和mv是與基巖峰值加速度有關的統計參數。

表1 場地放大系數Table 1 The site amplification factors

通過上述模型，可對ShakeMap烈度圖進行改進，圖4為考慮了區域場地效應的ShakeMap烈度圖。由改進后的圖4可以看出，于田、民豐與策勒縣位于山前溢出帶，地下水位淺、地基土層軟弱等場地條件對地震動有放大作用，震害影響范圍較大，符合現場災害調查的事實。

圖4 考慮了場地效應的ShakeMap等值線圖Fig. 4 The ShakeMap with consideration of site effect

2.3 不同模型的烈度圖比較

為了驗證考慮了區域場地效應的烈度分布圖，本文將其與“十五”系統烈度圖、ShakeMap烈度圖及現場調查的烈度圖進行了比較。烈度調查結果來自新疆地震局官方公布的烈度分布圖。通過對災區各烈度區的長短軸的長度及烈度圈的面積進行比較，可以得到如表2所示的結果。

表2 不同模型的各烈度區破壞特征表Table 2 Estimated damage from different models

由表2可以看出，采用點源模型的“十五”應急指揮系統，在近場和遠場地區，模擬出的災區的各烈度區大小與實際都有明顯的差距；未考慮災區場地條件的ShakeMap烈度圖，在Ⅸ度區和Ⅷ度區的烈度衰減關系與實際比較接近。在災區的于田、策勒及民豐等地區，場地類別為Ⅱ—Ⅲ類，地下水位淺、地基土層軟弱等場地條件對地震動有放大作用，原ShakeMap烈度圖對場地條件因素的影響缺乏考量，Ⅶ度區和Ⅵ度區與實際的破裂大小有明顯的差距。而考慮了區域場地效應的ShakeMap烈度圖無論是在近場還是在遠場，破裂大小與實際值都比較吻合，較客觀地反映了災區的地震動特征。

3 于田7.3級地震快速損失評估

通過對災區各類房屋建筑面積的統計，并結合本次地震災區的房屋破壞比、房屋損失比及房屋重置單價，可計算出災區房屋建筑的經濟損失（李東平等，2011b）。從上述4種烈度圖產出的直接經濟損失與現場調查的結果對比可發現（表3），考慮了場地效應的ShakeMap烈度圖的直接經濟損失為9.3億元人民幣，這與新疆地震局公布的直接經濟損失10.8億元最接近，誤差為-13%，符合國家減災委對災情快速評估的誤差（30%）要求。由此可見，在進行震害快速評估工作中，利用改進的ShakeMap烈度圖能更準確地計算出災區的直接經濟損失，提高了震害快速評估的質量。

表3 不同模型下直接經濟損失結果對比表Table 3 The direct economic loss estimated from different models

4 結語

本文嘗試將ShakeMap烈度圖利用在2014年2月12日新疆于田7.3級地震快速損失評估中，其結果表明，考慮了場地效應的ShakeMap烈度圖明顯優于當前“十五”應急指揮系統的點源衰減關系模型的等震線圖，能更好地為地震災害損失評估服務；與官方公布的災區直接經濟損失10.8億元相比，誤差為-13%，符合國家減災委、民政部減災中心對災情快速評估的誤差（30%）要求。此外還可發現，具體到各縣市，利用 ShakeMap烈度圖計算的結果與實際情況更為接近，而利用“十五”應急指揮系統的線性衰減關系模型會造成較大的評估誤差，這在一定程度上可能會影響救災的部署和決策。由此可見，采用了改進的 ShakeMap烈度圖能顯著提高快速震害損失評估的結果，在地震應急中發揮良好的實用價值。

隨著ShakeMap系統的不斷完善，其應用價值必將會進一步得到擴展。可以結合中國地震局震災應急救援司頒布的《破壞性地震應急專題地圖產出流程與操作規范》的要求，對專題圖件進行繪制并為現場調查工作提供豐富的專題圖件。在地震應急技術系統建設中，可以嘗試利用大量歷史破壞性地震的ShakeMap烈度圖與當前“十五”應急指揮系統的地震影響場模型進行對比分析，進一步深入探討ShakeMap烈度圖的實用性和優勢，更好地應用于地震快速評估工作中。

陳鯤，俞言祥，高孟潭，2010．考慮場地效應的ShakeMap系統研究．中國地震，26（1）：92—102．

李東平，姚遠，2011a．GIS的發展趨勢與數字地震應急救災的實現技術．計算機技術與發展，21（1）：214—217．

李東平，龔俊，陳軍徽，2011b．浙江省震害盲估屬地化研究．地震研究，25（2）：226—233．

劉軍，宋立軍，胡偉華等，2014．新疆地區工程地質場地條件分區及其矢量化．內陸地震，33（1）：127—134．

王薇，羅宏，張征等，2005．滲流彌散的空間變異性及空間插值方法的比較研究．科學技術與工程，27（18）：266—274．

澤仁志瑪，陳會忠，何加勇等，2006．震動圖快速生成系統研究．地球物理學進展，21（3）：809—813．

周文，何琳，劉軍等，2012．基于應急指揮技術系統的具有影響場的地震專題圖繪制．內陸地震，26（3）：273—278．

Allen T.I. and Wald D.J.，2007．Topo Graphic Slope as a Proxy for Seismic Site．See：Conditions（V30）and Amplification around the Globe．U.S. Geological Survey Open-File Report 2007-1357，69．