云南地震應(yīng)急快速評(píng)估模型本地化集成研究*

曹彥波，李兆隆，李永強(qiáng)，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(xué)，云南昆明650500)

0 引言

汶川、玉樹地震應(yīng)急實(shí)踐表明，震后0～2小時(shí)的黑箱期內(nèi)，如何快速獲取災(zāi)情、快速判定救災(zāi)重點(diǎn)區(qū)域、合理部署救援隊(duì)伍、調(diào)度救援部隊(duì)、分配救災(zāi)任務(wù)等成為抗震救災(zāi)工作面臨的首要問(wèn)題 (徐德詩(shī)，黃建發(fā)，2006;侯建盛，李民，2008)。21世紀(jì)初，在國(guó)家“十五”項(xiàng)目“數(shù)字觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)推動(dòng)下，云南地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)完成并投入使用，系統(tǒng)建成后，填補(bǔ)了云南省地震應(yīng)急科技保障技術(shù)平臺(tái)的空白，為云南省20余次5.0級(jí)以上破壞性地震應(yīng)急處置工作提供了科技保障服務(wù)，在提高破壞性地震應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)能力方面發(fā)揮了積極作用 (聶高眾等，2002;姜立新等，2003;李永強(qiáng)等，2006)。但是，由于云南地處我國(guó)第一級(jí)階梯向第二級(jí)階梯過(guò)渡地帶，地貌復(fù)雜多樣，地形高差懸殊，特殊多元化的地形地貌環(huán)境導(dǎo)致區(qū)域人口和經(jīng)濟(jì)分布很不均勻，目前在線運(yùn)行的地震應(yīng)急快速評(píng)估系統(tǒng)具有一定的普適性，系統(tǒng)中核心的評(píng)估模型 (如烈度衰減模型、人員傷亡模型、房屋破壞模型、經(jīng)濟(jì)損失模型等)參數(shù)基本上還是全國(guó)或大區(qū)域的模擬參數(shù)，未進(jìn)行云南本地化處理，計(jì)算結(jié)果與云南地震應(yīng)急實(shí)踐存在較大差異，無(wú)法滿足現(xiàn)階段云南地震應(yīng)急處置工作需求。

因此，面對(duì)云南省嚴(yán)峻的地震形勢(shì)和應(yīng)急救援的實(shí)際需求，結(jié)合地震行業(yè)專項(xiàng)研究成果，筆者總結(jié)了云南地區(qū)的地震影響場(chǎng)模型、人員傷亡評(píng)估模型、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型、地震滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，設(shè)計(jì)了應(yīng)急專題圖模板和對(duì)策建議模板，基于GIS技術(shù)將模型進(jìn)行本地化集成研發(fā)，為應(yīng)急救援投入、部署和行動(dòng)提供可信的災(zāi)情服務(wù)，提高了地震災(zāi)情緊急處置效率和評(píng)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(zāi)害損失評(píng)估模型是進(jìn)行震害評(píng)估的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，涉及到烈度衰減模型、人員傷亡評(píng)估模型、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型以及次生災(zāi)害評(píng)估模型等，本文重點(diǎn)分析總結(jié)了云南地區(qū)烈度衰減、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失3個(gè)主要的評(píng)估模型。

1.1 烈度衰減模型

烈度衰減模型是震后快速評(píng)估階段各類模型計(jì)算的基礎(chǔ)，包括點(diǎn)源和線源模型。點(diǎn)源模型研究相對(duì)比較成熟，目前用于云南地區(qū)進(jìn)行震后影響場(chǎng)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(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目課題研究組①地震行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目課題研究組.2013.西南地震應(yīng)急對(duì)策新模式與關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告.提出的烈度衰減模型。

汪素云等 (2000)選用中國(guó)西部190次5.0級(jí)以上地震回歸得出的中國(guó)西部烈度衰減關(guān)系:

式中，Ia、Ib分別為長(zhǎng)、短軸烈度，M為震級(jí)，Ra、Rb分別為烈度為I時(shí)長(zhǎng)、短半軸的長(zhǎng)度，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

李西 (2012)選用1913～2008年在云南省境內(nèi)及周邊發(fā)生的140個(gè)破壞性地震，用140個(gè)地震的烈度等震線資料進(jìn)行了回歸分析，得到了云南地區(qū)的烈度衰減關(guān)系:

滇西區(qū)域:

川滇區(qū)域:

川滇東部區(qū)域:

上述3套模型在云南地區(qū)震后多次地震影響場(chǎng)速判應(yīng)用中，模擬得到的地震影響場(chǎng)能夠滿足應(yīng)急快速評(píng)估需求，但具有一定的特點(diǎn)和適用范圍，汪素云模型選用全國(guó)震例，M≥7.0地震樣本多，在云南地區(qū)M≥7.0地震計(jì)算結(jié)果與實(shí)際擬合度高，李西模型選用云南地震M≤6.0地震樣本數(shù)較多，M≤6.0地震影響場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際擬合度高，張方浩根據(jù)云南不同的分區(qū)特點(diǎn)做了3套分區(qū)模型，區(qū)域適用性好。總之，在云南地區(qū)實(shí)際地震快速評(píng)估應(yīng)用中，將3套模型都集成于在軟件系統(tǒng)，根據(jù)震級(jí)大小、震中所在區(qū)域特點(diǎn)選用不同的模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和歷史地震影響場(chǎng)參數(shù)對(duì)生成結(jié)果進(jìn)行調(diào)整評(píng)估，產(chǎn)出結(jié)果。

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

式中，L表示震源破裂長(zhǎng)，MS為震級(jí)。

對(duì)于烈度等震線長(zhǎng)軸方向的判定，目前國(guó)家統(tǒng)一研發(fā)的評(píng)估系統(tǒng)采用的是以離微觀震中最近的斷層走向作為影響場(chǎng)展布方向，與實(shí)際有偏差。因此，在烈度等震線長(zhǎng)軸方向確定上，基于地震行業(yè)專項(xiàng)研究成果，趙恒①對(duì)云南地區(qū)進(jìn)行了構(gòu)造分級(jí)分區(qū)研究，按地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)震能力、活動(dòng)性、歷史地震的對(duì)應(yīng)性進(jìn)行了等級(jí)劃分，提出了基于區(qū)域塊體和基于地質(zhì)構(gòu)造 (斷層)兩種方法進(jìn)行影響場(chǎng)方向的快速預(yù)判。在實(shí)際地震應(yīng)急快速評(píng)估應(yīng)用中，除了考慮斷層走向以外，應(yīng)結(jié)合余震序列分布、震源機(jī)制解、地震破裂過(guò)程等資料來(lái)確定烈度等震線的長(zhǎng)軸方向。

2.2.2 莖粗 從玉米全生育期莖粗調(diào)查結(jié)果來(lái)看（表5），不同肥料處理對(duì)玉米莖粗有一定影響，且各處理莖粗在大喇叭口期達(dá)到峰值。其中，AO鄉(xiāng)喜、埃爾夫2個(gè)處理植株莖粗值較大，復(fù)合酵素、PK及NK處理植株莖粗值較小。

1.2 人員傷亡評(píng)估模型

(1)死亡人員估算模型

對(duì)于云南地區(qū)人員死亡評(píng)估方法，王景來(lái)(2001)、晏鳳桐 (2003)、周光全等 (2004)、施偉華等 (2005，2012)從不同視角出發(fā)，選取影響因子建立了云南地區(qū)的人員死亡評(píng)估模型。李永強(qiáng) (2012)提出云南震亡多因子回歸模型，把震級(jí)、極震區(qū)烈度、發(fā)震時(shí)刻、人口密度、烈度區(qū)面積、當(dāng)?shù)谿DP、農(nóng)民純收入、財(cái)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(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行多因子回歸，模擬得出云南地區(qū)人員死亡評(píng)估模型，算法如下:

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

(2)人員受傷估算模型

對(duì)于云南地區(qū)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(shù)及比率 (表1)，本文采用該研究結(jié)果進(jìn)行模型系統(tǒng)集成，作為估算地震造成的人員受傷人數(shù)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(shù)預(yù)測(cè)模型

失去住所人數(shù)是指因地震失去住所而在室外避難的人數(shù)。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地震現(xiàn)場(chǎng)工作第4部分:災(zāi)害直接損失評(píng)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(jiǎn)易房屋的嚴(yán)重破壞面積，e為非簡(jiǎn)易房屋中等破壞面積與簡(jiǎn)易房屋破壞面積之和，f為死亡人數(shù)。

1.3 經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型

震后總的經(jīng)濟(jì)損失主要由房屋直接經(jīng)濟(jì)和其他直接經(jīng)濟(jì)損失組成，可用下式計(jì)算得到:

式中，L為總經(jīng)濟(jì)損失，Ra為其他經(jīng)濟(jì)損失與房屋直接經(jīng)濟(jì)損失比例 (表2)，Lh為房屋直接經(jīng)濟(jì)損失，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地震現(xiàn)場(chǎng)工作第4部分:災(zāi)害直接損失評(píng)估》(GB/T 18208.4—2011)算法:

式中，Lh表示房屋直接經(jīng)濟(jì)損失，Sh為災(zāi)區(qū)房屋建筑總面積，Rh為破壞比，Dh為損失比，Ph為重置單價(jià)。根據(jù)災(zāi)區(qū)歷史地震的震害矩陣、重置單價(jià)以及基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫(kù)快速統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)各類房屋總面積，計(jì)算各評(píng)估子區(qū)各類房屋損失，將所有評(píng)估子區(qū)的房屋損失相加，得出整個(gè)災(zāi)區(qū)的房屋建筑破壞損失 (周光全等，2006，2011)。

表2 云南地區(qū)破壞性地震其他經(jīng)濟(jì)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(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、云南歷史地震應(yīng)急處置案例資料為基礎(chǔ)，首先，針對(duì)云南地區(qū)烈度衰減模型、人員傷亡評(píng)估模型、房屋破壞模型、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估模型、滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型等分層分級(jí)建立模型庫(kù)，構(gòu)建模型設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)統(tǒng)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?yún)?shù)、數(shù)量和類型，輸出參數(shù)、數(shù)量和類型等;再次，根據(jù)模型應(yīng)用需求設(shè)計(jì)專題圖模板、對(duì)策建議模板等作為模型輸出表達(dá);最后，采用COM技術(shù)在模型庫(kù)支持下與GIS實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，形成完整運(yùn)行的快速評(píng)估系統(tǒng)，產(chǎn)出各類專題圖件、評(píng)估報(bào)告及對(duì)策建議報(bào)告 (楊昆等，2006)。技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 集成流程

震后數(shù)十分鐘內(nèi)，基于行政區(qū)劃、人口、經(jīng)濟(jì)、房屋等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從模型庫(kù)中選取各類評(píng)估模型，通過(guò)GIS的空間分析、空間統(tǒng)計(jì)等功能，人工或自動(dòng)觸發(fā)地震三要素信息，快速生成烈度影響場(chǎng)，提取各類評(píng)估模型參數(shù)進(jìn)行人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、次生災(zāi)害等計(jì)算，快速判定應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)啟動(dòng)等級(jí)，生成各類震害專題地圖、統(tǒng)計(jì)表以及對(duì)策建議文檔。模型與GIS集成流程如圖2所示。

2.3 輸出設(shè)計(jì)

依據(jù)不同時(shí)段、不同震級(jí)、不同應(yīng)急預(yù)案等級(jí)，確定對(duì)應(yīng)的不同應(yīng)急處置過(guò)程，形成對(duì)應(yīng)的系列應(yīng)急對(duì)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(zāi)情簡(jiǎn)報(bào)、震區(qū)基本信息、快速評(píng)估報(bào)告、對(duì)策建議報(bào)告 (表3)，專題圖模板包括基本專題圖和評(píng)估專題圖模板 (表4)。

表3 文檔模板設(shè)計(jì)Tab.3 Design of the documents temples

表4 評(píng)估專題圖模板設(shè)計(jì)Tab.4 Temples design of the assessment map

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

云南地震應(yīng)急快速評(píng)估系統(tǒng)是評(píng)估模型庫(kù)與GIS的集成系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，在開(kāi)發(fā)模式上采用了當(dāng)前較為穩(wěn)定和成熟的C/S系統(tǒng)構(gòu)架，將外部數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)及Office辦公軟件與GIS平臺(tái)系統(tǒng)無(wú)縫集成，具體的技術(shù)方法如表5(李西等，2009;曹彥波等，2013)。

表5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方法Tab.5 Technology method of the system realization

3.2 系統(tǒng)功能

云南地震應(yīng)急快速評(píng)估系統(tǒng)由權(quán)限管理、震害評(píng)估、動(dòng)態(tài)修正、模板管理等7個(gè)功能模塊組成。地震發(fā)生后30 min內(nèi)，通過(guò)人工或自動(dòng)輸入地震三要素進(jìn)行觸發(fā)計(jì)算，評(píng)估地震影響范圍、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、房屋破壞、次生災(zāi)害等情況，給出應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級(jí)啟動(dòng)建議，快速產(chǎn)出評(píng)估文檔和專題圖。系統(tǒng)各功能模塊如表6、圖3所示。

4 應(yīng)用分析

云南地震快速評(píng)估系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試和測(cè)試，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，在2012～2013年云南6次地震應(yīng)急快速評(píng)估中，啟動(dòng)該系統(tǒng)開(kāi)展了烈度影響場(chǎng)、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、次生災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等評(píng)估工作，為地震應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)、救援力量部署等提供了依據(jù)。筆者將“十五”軟件估算結(jié)果，本地化軟件估算結(jié)果和實(shí)際災(zāi)害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表7所示。

表6 系統(tǒng)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(píng)估方法結(jié)果與實(shí)際災(zāi)評(píng)結(jié)果對(duì)比Tab.7 Comparison of disaster survey results between two assessment methods and the actual from 2012 to 2013

從估算結(jié)果來(lái)看，原有地震快速評(píng)估軟件死亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失估算值與實(shí)際相比差距較大，基于本地化評(píng)估模型軟件估算值與實(shí)際結(jié)果數(shù)量級(jí)上基本一致，符合實(shí)際的地震災(zāi)情，評(píng)估結(jié)果滿足災(zāi)情速判和應(yīng)急決策要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上開(kāi)展了云南地區(qū)快速評(píng)估模型本地化集成研究工作，通過(guò)云南地區(qū)評(píng)估模型和對(duì)策模型的本地化集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了模型庫(kù)與GIS平臺(tái)無(wú)縫集成，開(kāi)發(fā)完成了云南地震應(yīng)急快速評(píng)估軟件。經(jīng)過(guò)實(shí)際震例檢驗(yàn)，與“十五”軟件相比較，系統(tǒng)模型、成果產(chǎn)出、空間可視化表達(dá)方面得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，提高了評(píng)估精度，為政府指導(dǎo)抗震救災(zāi)工作提供了基礎(chǔ)參考信息。該系統(tǒng)是以云南地區(qū)評(píng)估模型為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，應(yīng)用范圍有一定的局限性，有待于后續(xù)的進(jìn)一步研究和完善數(shù)據(jù)和模型計(jì)算方法，配置高性能硬件設(shè)備，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

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