云南地震應急快速評估模型本地化集成研究*

曹彥波，李兆隆，李永強，李 敏，張方浩，趙 恒，吳艷梅，楊 昆，張韶華

(1.云南省地震局，云南昆明650224;2.云南師范大學，云南昆明650500)

0 引言

汶川、玉樹地震應急實踐表明，震后0～2小時的黑箱期內，如何快速獲取災情、快速判定救災重點區域、合理部署救援隊伍、調度救援部隊、分配救災任務等成為抗震救災工作面臨的首要問題 (徐德詩，黃建發，2006;侯建盛，李民，2008)。21世紀初，在國家“十五”項目“數字觀測網絡”建設推動下，云南地震應急指揮技術系統建設完成并投入使用，系統建成后，填補了云南省地震應急科技保障技術平臺的空白，為云南省20余次5.0級以上破壞性地震應急處置工作提供了科技保障服務，在提高破壞性地震應急響應服務能力方面發揮了積極作用 (聶高眾等，2002;姜立新等，2003;李永強等，2006)。但是，由于云南地處我國第一級階梯向第二級階梯過渡地帶，地貌復雜多樣，地形高差懸殊，特殊多元化的地形地貌環境導致區域人口和經濟分布很不均勻，目前在線運行的地震應急快速評估系統具有一定的普適性，系統中核心的評估模型 (如烈度衰減模型、人員傷亡模型、房屋破壞模型、經濟損失模型等)參數基本上還是全國或大區域的模擬參數，未進行云南本地化處理，計算結果與云南地震應急實踐存在較大差異，無法滿足現階段云南地震應急處置工作需求。

因此，面對云南省嚴峻的地震形勢和應急救援的實際需求，結合地震行業專項研究成果，筆者總結了云南地區的地震影響場模型、人員傷亡評估模型、經濟損失評估模型、地震滑坡風險評估模型，設計了應急專題圖模板和對策建議模板，基于GIS技術將模型進行本地化集成研發，為應急救援投入、部署和行動提供可信的災情服務，提高了地震災情緊急處置效率和評估精度 (苗崇剛，聶高眾，2004;聶高眾等，2012)。

1 模型研究綜述

地震災害損失評估模型是進行震害評估的數學基礎，涉及到烈度衰減模型、人員傷亡評估模型、經濟損失評估模型以及次生災害評估模型等，本文重點分析總結了云南地區烈度衰減、人員傷亡、經濟損失3個主要的評估模型。

1.1 烈度衰減模型

烈度衰減模型是震后快速評估階段各類模型計算的基礎，包括點源和線源模型。點源模型研究相對比較成熟，目前用于云南地區進行震后影響場速判的模型有汪素云等 (2000)、李世成等(2003)、李西等 (2012)以及云南省地震局地震行業科研專項項目課題研究組①地震行業科研專項項目課題研究組.2013.西南地震應急對策新模式與關鍵技術研究報告.提出的烈度衰減模型。

汪素云等 (2000)選用中國西部190次5.0級以上地震回歸得出的中國西部烈度衰減關系:

式中，Ia、Ib分別為長、短軸烈度，M為震級，Ra、Rb分別為烈度為I時長、短半軸的長度，σ為標準差。

李西 (2012)選用1913～2008年在云南省境內及周邊發生的140個破壞性地震，用140個地震的烈度等震線資料進行了回歸分析，得到了云南地區的烈度衰減關系:

滇西區域:

川滇區域:

川滇東部區域:

上述3套模型在云南地區震后多次地震影響場速判應用中，模擬得到的地震影響場能夠滿足應急快速評估需求，但具有一定的特點和適用范圍，汪素云模型選用全國震例，M≥7.0地震樣本多，在云南地區M≥7.0地震計算結果與實際擬合度高，李西模型選用云南地震M≤6.0地震樣本數較多，M≤6.0地震影響場計算結果與實際擬合度高，張方浩根據云南不同的分區特點做了3套分區模型，區域適用性好?？傊谠颇系貐^實際地震快速評估應用中，將3套模型都集成于在軟件系統，根據震級大小、震中所在區域特點選用不同的模型進行計算，結合專家經驗和歷史地震影響場參數對生成結果進行調整評估，產出結果。

線源模型是對在地表破裂帶上具有相同烈度的橢圓等震線做包絡線，形成的包絡線即為最終生成的線源模型等震線。破裂長度利用地震震級—破裂尺度經驗關系式算出，本文采用兩個模型來組成云南地震破裂長度與震級的經驗關系，震級在M6.5～7.7地震使用李忠華等 (1999)提出的地表破裂長度模型，M≥7.7地震使用秦嘉政等(1997)等提出地表破裂長度模型，將2個模型合并，模型算法如下:

式中，L表示震源破裂長，MS為震級。

對于烈度等震線長軸方向的判定，目前國家統一研發的評估系統采用的是以離微觀震中最近的斷層走向作為影響場展布方向，與實際有偏差。因此，在烈度等震線長軸方向確定上，基于地震行業專項研究成果，趙恒①對云南地區進行了構造分級分區研究，按地質構造的發震能力、活動性、歷史地震的對應性進行了等級劃分，提出了基于區域塊體和基于地質構造 (斷層)兩種方法進行影響場方向的快速預判。在實際地震應急快速評估應用中，除了考慮斷層走向以外，應結合余震序列分布、震源機制解、地震破裂過程等資料來確定烈度等震線的長軸方向。

2.2.2 莖粗 從玉米全生育期莖粗調查結果來看（表5），不同肥料處理對玉米莖粗有一定影響，且各處理莖粗在大喇叭口期達到峰值。其中，AO鄉喜、埃爾夫2個處理植株莖粗值較大，復合酵素、PK及NK處理植株莖粗值較小。

1.2 人員傷亡評估模型

(1)死亡人員估算模型

對于云南地區人員死亡評估方法，王景來(2001)、晏鳳桐 (2003)、周光全等 (2004)、施偉華等 (2005，2012)從不同視角出發，選取影響因子建立了云南地區的人員死亡評估模型。李永強 (2012)提出云南震亡多因子回歸模型，把震級、極震區烈度、發震時刻、人口密度、烈度區面積、當地GDP、農民純收入、財政收入作為地震人員死亡的主要影響因子，采用泊松分布統計方法進行多因子回歸，模擬得出云南地區人員死亡評估模型，算法如下:

式中，Y為震亡人數，x為震級，T為地震時刻(T=1表示地震發生在夜間，T=0表示地震發生在白天)，z為地震烈度，s為人口密度，v為烈度區面積 (取該次地震的Ⅵ度區及以上烈度區面積之和)，ns為農民人均純收入，cs為人均財政收入，GDP為人均GDP，筆者選取該模型進行云南地區死亡人員估算。

(2)人員受傷估算模型

對于云南地區地震造成的重傷、輕傷估算，施偉華等 (2012)給出各烈度地震傷亡人數及比率 (表1)，本文采用該研究結果進行模型系統集成，作為估算地震造成的人員受傷人數的算法。

表1 云南地震死亡與重傷、輕傷的比例Tab.1 Ratios of deaths and serious injuries、earthquake minor injuries in Yunnan

(3)失去住所人數預測模型

失去住所人數是指因地震失去住所而在室外避難的人數。采用國家標準《地震現場工作第4部分:災害直接損失評估》(GB/T18208.4—2011)算法:

式中，a為戶均居住面積，b為戶均人口，c為所有住宅房屋的毀壞面積，d為非簡易房屋的嚴重破壞面積，e為非簡易房屋中等破壞面積與簡易房屋破壞面積之和，f為死亡人數。

1.3 經濟損失評估模型

震后總的經濟損失主要由房屋直接經濟和其他直接經濟損失組成，可用下式計算得到:

式中，L為總經濟損失，Ra為其他經濟損失與房屋直接經濟損失比例 (表2)，Lh為房屋直接經濟損失，采用國家標準《地震現場工作第4部分:災害直接損失評估》(GB/T 18208.4—2011)算法:

式中，Lh表示房屋直接經濟損失，Sh為災區房屋建筑總面積，Rh為破壞比，Dh為損失比，Ph為重置單價。根據災區歷史地震的震害矩陣、重置單價以及基礎資料數據庫快速統計計算得出災區范圍內各類房屋總面積，計算各評估子區各類房屋損失，將所有評估子區的房屋損失相加，得出整個災區的房屋建筑破壞損失 (周光全等，2006，2011)。

表2 云南地區破壞性地震其他經濟損失占房屋總損失的比例 (1992～2013)Tab.2 The ratio of other economic loss to total loss of houses of destructive earthquake in Yunnan(1992～2013)

2 模型集成方法

2.1 集成思路

本文以云南地震應急基礎數據庫、云南歷史地震應急處置案例資料為基礎，首先，針對云南地區烈度衰減模型、人員傷亡評估模型、房屋破壞模型、經濟損失評估模型、滑坡風險評估模型等分層分級建立模型庫，構建模型設計規范，設計統一的模型組件接口;其次，建立模型字典和模型索引，包括模型的輸入參數、數量和類型，輸出參數、數量和類型等;再次，根據模型應用需求設計專題圖模板、對策建議模板等作為模型輸出表達;最后，采用COM技術在模型庫支持下與GIS實現無縫集成，形成完整運行的快速評估系統，產出各類專題圖件、評估報告及對策建議報告 (楊昆等，2006)。技術路線如圖1所示。

2.2 集成流程

震后數十分鐘內，基于行政區劃、人口、經濟、房屋等基礎數據，從模型庫中選取各類評估模型，通過GIS的空間分析、空間統計等功能，人工或自動觸發地震三要素信息，快速生成烈度影響場，提取各類評估模型參數進行人員傷亡、經濟損失、次生災害等計算，快速判定應急預案響應啟動等級，生成各類震害專題地圖、統計表以及對策建議文檔。模型與GIS集成流程如圖2所示。

2.3 輸出設計

依據不同時段、不同震級、不同應急預案等級，確定對應的不同應急處置過程，形成對應的系列應急對策模板，軟件輸出基本模板分為文檔模板和專題圖模板兩類，文檔模板包括災情簡報、震區基本信息、快速評估報告、對策建議報告 (表3)，專題圖模板包括基本專題圖和評估專題圖模板 (表4)。

表3 文檔模板設計Tab.3 Design of the documents temples

表4 評估專題圖模板設計Tab.4 Temples design of the assessment map

3 系統實現

3.1 技術實現

云南地震應急快速評估系統是評估模型庫與GIS的集成系統，考慮到系統的兼容性、穩定性和響應速度，在開發模式上采用了當前較為穩定和成熟的C/S系統構架，將外部數據庫、模型庫及Office辦公軟件與GIS平臺系統無縫集成，具體的技術方法如表5(李西等，2009;曹彥波等，2013)。

表5 系統實現技術方法Tab.5 Technology method of the system realization

3.2 系統功能

云南地震應急快速評估系統由權限管理、震害評估、動態修正、模板管理等7個功能模塊組成。地震發生后30 min內，通過人工或自動輸入地震三要素進行觸發計算，評估地震影響范圍、人員傷亡、經濟損失、房屋破壞、次生災害等情況，給出應急預案響應等級啟動建議，快速產出評估文檔和專題圖。系統各功能模塊如表6、圖3所示。

4 應用分析

云南地震快速評估系統經過反復調試和測試，達到了系統設計的各項性能指標，在2012～2013年云南6次地震應急快速評估中，啟動該系統開展了烈度影響場、人員傷亡、經濟損失、次生災害風險等評估工作，為地震應急預案啟動、救援力量部署等提供了依據。筆者將“十五”軟件估算結果，本地化軟件估算結果和實際災害調查結果進行了對比，如表7所示。

表6 系統各功能模塊描述Tab.6 Discription of each functions module of the system

表7 2012～2013年兩種評估方法結果與實際災評結果對比Tab.7 Comparison of disaster survey results between two assessment methods and the actual from 2012 to 2013

從估算結果來看，原有地震快速評估軟件死亡人數和經濟損失估算值與實際相比差距較大，基于本地化評估模型軟件估算值與實際結果數量級上基本一致，符合實際的地震災情，評估結果滿足災情速判和應急決策要求。

5 結束語

筆者在前人研究的基礎上開展了云南地區快速評估模型本地化集成研究工作，通過云南地區評估模型和對策模型的本地化集成應用，實現了模型庫與GIS平臺無縫集成，開發完成了云南地震應急快速評估軟件。經過實際震例檢驗，與“十五”軟件相比較，系統模型、成果產出、空間可視化表達方面得到了進一步的優化和完善，提高了評估精度，為政府指導抗震救災工作提供了基礎參考信息。該系統是以云南地區評估模型為基礎進行研發，應用范圍有一定的局限性，有待于后續的進一步研究和完善數據和模型計算方法，配置高性能硬件設備，提高系統穩定性和運行效率。

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