云南漾濞6.4級地震災情快速評估

曹彥波,李永強,李兆隆,曹 刻

(云南省地震局,云南 昆明 650224)

0 引言

云南地處我國西南邊陲,地震活動具有頻度高、震級大、分布廣、災害重等特征。與國內其他區域相比,云南自然地理環境、社會經濟水平與人口發展狀況等都極為特殊。省內少數民族集中,高原山地特征顯著、邊境線綿長,地震災害預防和應急處置難度大,尤其是重特大地震發生后的災情黑箱期,政府部門、抗震救災指揮部成員單位、新聞媒體、社會公眾高度關注地震事件。如何高效開展地震災情快速評估,為各級政府部門快速了解震情災情、啟動應急預案、派出現場工作隊提供抗震救災決策建議成了各級地震災害應急指揮中心科技支撐的首要任務[1-2]。

2021年5月21日21時48分34秒,云南省大理州漾濞縣(25.67°N,99.87°E)發生6.4級地震,震源深度8 km。地震造成大理州漾濞縣、大理市、洱源縣、巍山縣、云龍縣、永平縣等6個縣(市)42個鄉鎮、2個街道不同程度受災,3人死亡,34人受傷[3]。漾濞6.4級地震發生后,云南地震災害應急指揮中心快速響應,基于云南地區本地化評估模型、數據庫和評估系統,在震后3分鐘系統自動觸發地震評估計算,快速產出了地震災害快速評估報告、應急專題圖和對策建議等信息。震后1小時,根據獲取到的災情、儀器烈度、余震序列、震源機制解等信息,綜合考慮震級、發震時刻、震區社會經濟、歷史地震災害等因素,結合專家經驗對快速評估結果進行了修正。各階段評估成果第一時間上報了上級部門,為本次地震抗震救災應急決策、媒體新聞宣傳、震害現場調查評估等工作提供了基礎信息服務。

1 快速評估系統

2000年以來,在中國地震局和云南省人民政府“十五”“十一五”“十二五”防震減災應急重大工程支持下,云南省先后建立了三套地震應急快速評估與輔助決策系統。隨著云計算、大數據、互聯網等新技術的快速發展,在嚴峻的震情形勢下,政府部門對地震災情評估的時效性、準確性要求越來越高,現有地震應急快速評估系統在軟件架構、評估模型、數據精度、系統集成方面存在不足,無法完全滿足新形勢下應急決策支持要求[4-5]。為此,在中國地震局地震應急信息化試點項目資助下,我們對原有系統數據、評估模型、成果表達等方面進行了優化升級,研發了基于云架構的地震災害超快評估系統,在2021年5月21日漾濞6.4級地震快速評估中進行了實證檢驗,為地震應急處置工作提供了信息支撐。

1.1 評估數據

數據是快速評估基礎,經過“數字觀測網絡項目”“國家社會服務工程”和“云南十項重點工程”建設,云南建成了包括矢量數據、柵格數據、屬性數據、公里網格數據、預案數據等上百類應急數據資源。針對這些多源、復雜、異構的數據,我們根據云計算環境下數據運算存儲需求,對數據進行了全面融合,通過數據要素分類、地理實體表達和數據結構優化,剔除收集難度大,運算率低的數據項,引入互聯網地圖資源,設計了適合本地化應用數據庫結構[6-7]。本次地震快速評估中主要的數據資源列于表1。

表1 云南地震應急數據資源Table 1 Emergency data resources of Yunnan earthquake

1.2 評估模型

震害評估模型的科學性和適用性是影響評估準確性的關鍵。對于云南地區來說,孕災環境的多樣性、復雜性,承災體的脆弱性導致了地震災情時空差異性顯著,目前沒有哪一個數學模型能真實完整地模擬計算云南地區地震災害,模型在時間和空間上有一定的局限性。在快速評估系統研發過程中,我們對國內外地震應急評估模型進行了驗證和優選分析,篩選出適合云南本地化的模型進行系統集成,主要包括地震烈度衰減關系、人員傷亡評估、經濟損失、房屋破壞、地震滑坡風險、緊急救援區域判定、救援物資、救援力量、應急預案響應等級啟動判定、處置對策等地震應急關鍵技術模型[1]。下面以本次地震快速評估中采用的地震烈度衰減模型、地震人員死亡評估模型、地震經濟損失評估模型為例進行說明。

1.2.1 地震烈度衰減模型

經過篩選分析,系統集成了汪素云模型[8]、李西模型[9]、張方浩模型[10]等地震烈度衰減數學模型,用于快速確定地震受災程度和受災范圍。本次地震影響場快速評估主要采用的是張方浩模型,算法如下:

Ia=6.595 3+1.346 7M-4.595 2lg(Ra+26)

(1)

Ib=4.891 5+1.218 2M-3.602 9lg(Rb+14)

(2)

式中:Ia、Ib分別為長軸和短軸長度;M為震級;Ra、Rb分別為為長半軸和短半軸長度。

1.2.2 地震人員死亡評估模型

在綜合考慮模型的科學性、準確性、運算效率和數據支撐能力基礎上,我們選取了施偉華模型[11]、李永強模型[12]、尹之潛模型[13]等較為適合云南地區的傷亡評估模型與云計算系統進行集成。本次地震人員死亡評估方法主要采用李永強模型進行運算,算法如下:

ND=RNA

(3)

式中:ND為震亡人數;RN為震亡比(表2);A為震區總人口數。

表2 云南分區震亡比系數表Table 2 Coefficient of earthquake-caused death ratio in Yunnan Province

1.2.3 地震經濟損失評估模型

系統集成了基于房屋建筑易損性模型、地震參數的經濟損失評估模型等多套數學模型[14-16],本次地震經濟損失評估主要采用的是遭遇最高烈度經濟損失經驗統計模型。其算法如下:

Lh=PR

(4)

式中:Lh為震后總的經濟損失;P為震區總人數;R為人均損失(表3)。

表3 遭遇最高烈度下人均損失Table 3 The table of per capita loss under maximum intensity

1.3 軟件系統

在遵循通用性、可擴展性、易用性、運算效率和安全穩定的軟件設計原則基礎上,以公有云平臺(阿里云)為支撐,研發了基于云架構的云南地震災害超快評估系統。系統基于數據驅動分布式異步架構模式,采用動態集群分布式計算技術,在Web API應用接口框架下,實現數據、模型、模板等應用對象接口的無縫集成[17-19]。系統主要由應急管理、快速評估、應急數據管理、遠程展示、接口管理、信息服務、系統管理7大功能模塊組成。在地震發生后,通過自動或人工觸發地震方式,實現地震影響場、人員傷亡、經濟損失、建筑物破壞、次生災害快速評估,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、對策建議文檔等震害評估決策產品(圖1)。

圖1 系統主界面(底圖數據、圖模板來源于云南省地圖院項目合作成果)Fig.1 Main interface of the system

2 漾濞地震快速評估

2.1 快速評估產品

地震發生后,評估系統自動讀取全國地震速報信息系統(EQIM)提供的對外開放的地震目錄服務接口(API),獲取地震基本參數(時間、震級、經緯度),根據震害評估模型和基礎數據等服務接口,完成漾濞地震觸發、快速評估、快速出圖、信息推送、輔助決策等自動響應處置流程。震后2分鐘,系統共完成震區基本信息、地震災害評估專題圖、震區基礎信息專題圖、地震災害評估網頁報告、輔助決策產品、地震災害快速評估報告、大屏幕展示信息和手機APP推送信息8大類177種應急信息產品生成和推送服務,產品表達形式有文字、數據、表格、圖件、綜合文檔、網頁數據流等(表4)。

表4 漾濞6.4級地震快速評估信息產品列表Table 4 List of the rapid assessment information in Yangbi M6.4 earthquake

2.2 災情快速評估結果

根據漾濞地震災情快速評估報告,此次地震微觀震中位于大理州漾濞縣蒼山西鎮花椒園村,震中距最近的漾濞縣城約10 km,地震災區總面積約7 800 km2,涉及103萬人。本次地震初判發震構造為維西—喬后斷裂,影響場長軸方向為北西向,預計最高烈度為Ⅷ度,估計死亡1人,受傷98人,經濟損失92.7億元。本次地震有一定程度的滑坡現象,可能造成交通破壞和房屋等財產受損。依據評估結果,初步判定本次地震屬于重大地震災害類型,建議啟動Ⅱ級響應,派出現場工作隊赴震區開展現場災情調查,震情監測等工作(表5、圖2)。

圖2 漾濞地震應急快速評估專題圖(底圖數據、圖模板來源于云南省地圖院項目合作成果)Fig.2 Emergency rapid assessment for Yangbi M6.4 earthquake

表5 漾濞6.4級地震快速評估結果Table 5 Results of rapid assessment for Yangbi M6.4 earthquakee

2.3 動態修正結果

震后1小時,根據獲取到的災情信息、儀器烈度、余震序列、震源機制解等數據,綜合考慮地震震級、發震時間、震區人口密度、房屋抗震性能、自然地理環境、地質構造條件、歷史地震等因素,結合專家經驗和滇西北地震重點危險區預評估和實地調研情況,對快速評估結果進行了動態修正(表6)。

表6 地震災害動態修正結果Table 6 The dynamic correction results of the earthquake disaster

2.4 應急信息產品推送服務

地震災害快速評估系統在服務端完成評估計算后,產出的震區基本信息、地震災害快速評估報告、地震災害評估專題圖、震區基礎信息專題圖等信息產品通過手機終端應用程序推送至中國地震局、云南省地震局、市縣地震部門、應急管理局等領導專家APP客戶端。同時,根據大屏展示需求,設計了震區基本情況、快速評估結果等2個場景在云南地震災害應急指揮中心大屏幕上進行了集中展示(圖3、4)。

圖3 評估數據大屏幕展示(底圖數據、圖模板來源于云南省地圖院項目合作成果)Fig.3 Large-screen display of the evaluation data

3 分析與討論

根據云南省地震局發布的信息[3],此次漾濞6.4級地震最高烈度為Ⅷ度(8度),Ⅵ度(6度)區及以上面積約6 600 km2(含洱海),共涉及大理州6縣市。地震發震構造為維西—喬后斷裂,沿斷裂西側呈NW向展布。極震區Ⅷ度(8)區面積約170 km2,主要涉及漾濞縣蒼山西鎮、漾江鎮、太平鄉3個鄉鎮。東起漾濞縣蒼山西鎮河西村,西至蒼山西鎮大爛壩,南自蒼山西鎮沙河村,北達漾江鎮彎坡村—桑不老村一帶。本次地震造成3人死亡,34人受傷,直接經濟損失32.7億元。根據不同階段地震災情評估情況,我們將漾濞地震快速評估、動態評估、實際調查評估結果進行了對比和分析(表7)。

表7 評估結果對比分析Table 7 The comparison and analysis of the evaluation results

(1)從地震災情快速評估運算效率看,此次漾濞地震完成整個評估流程總耗時1分55秒,生成177類數據、圖片、文檔報告資料(表4)。與前幾代評估軟件相比,經過優化升級后的評估系統從原來完成1次6.4級地震事件評估所需的15分鐘壓縮至2分鐘內,產出產品數量、類別、形式上比更加多元化,可以滿足不同對象信息推送服務。

圖4 評估產品推送服務Fig.4 Push service of the evaluation product

(2)在地震烈度快速評估方面,此次快速評估影響場面積為7 800 km2,與最終面積6 600 km2有一定差距,而利用儀器烈度、余震序列分布、震源機制解(注:數據資料來源于云南地震臺)等數據修正后的面積和長軸方向較為接近實際。根據云南漾濞6.4級地震震源機制解,節面Ⅰ:走向139°/傾角76°/滑動角-165°,節面Ⅱ :走向45°/傾角75°/滑動角-15°。離震中最近的主要活動斷裂為NNW向維西—喬后斷裂,從云南臺網震后1小時的余震序列數據空間分布看,地震序列北西向分布,呈現明顯的NNW條帶狀,與震源機制解節面Ⅰ滑動方向一致。同時,儀器烈度長軸展布方向也為北西向,漾濞地震影響場快速評估、動態評估結果和實際調查結果基本一致(圖5)。

圖5 地震烈度對比分析Fig.5 The comparative analysis of the seismic intensity

(3)從地震人員傷亡評估結果對比分析看,此次地震死亡人數評估值和實際結果基本一致,受傷人數差異較大,但與云南同級別地震相比,本次地震人員傷亡數相對較低。造成差異的主要原因一方面是在本次6.4級主震發生前幾個小時和幾天內,災區相繼發生了多次4.0級以上地震起了重要的警示作用,尤其是主震發生前約20分鐘左右發生了5.7級的前震,震中附近震感較為強烈,民眾基本離開室內轉移避險,主震發生后造成傷亡相對較少;另一方面,近年來在大力推進脫貧攻堅同時,云南省先后組織實施了農村民居地震安全工程、農村危房改造工程、中小學校舍安全工程和全面改薄工程。大大提升了災區房屋建筑抗震性能。此次地震中除極災區部分土木、磚木等簡易房屋受損嚴重外,大部分磚混、框架房屋輕微破壞或基本完好,大大減少了人員傷亡。此外,在震區大理州漾濞縣、大理市、洱源縣、巍山縣、云龍縣、永平縣等地建成的地震預警終端和電視預警及時發出了地震預警信息,震區在校學生、民眾快速避險,有效避免了人員傷亡。

(4)從本次地震三個階段評估結果看,快速評估與實際調查評估結果有一定差距,修正后的動態評估和實際值數量級上基本一致。造成震害快速評估結果與實際災評結果差異大的原因是多方面的,基礎數據的準確性、評估模型的科學性、軟件系統的集成度、災情收集程度、監測預報預警科技支撐成果、災情評估專家經驗都會直接影響到評估的精度。快速評估階段時效性強,震后數分鐘就能產出評估結果,但評估精度相對低,軟件系統集成的評估模型科學性和初期災情研判專家經驗是制約評估精度的關鍵。在震后1小時的動態評估階段,隨著獲取到的災情信息逐漸增多,結合儀器烈度、余震序列分布、震源機制解等對快速評估結果進行修正,修正后的結果更符合實際,對于重點救援區域確定、壓埋人員搜救、緊急交通管制等具體任務的部署更具有參考性。

4 結論

針對云南地震應急快速評估實踐和應用過程中數據、模型、軟件、服務存在的問題,在國家重點研發計劃項目、中國地震局地震應急信息化試點項目等的支持下,云南省地震局通過對數據的挖掘提煉、震害評估空間信息模型的優化、應急業務流程的重構等,研發了基于云架構的地震災害超快評估系統,在應對2021年5月21日云南大理漾濞縣發生6.4級地震應急處置過程中,利用該系統分時段產出了多種地震應急災情圖件、快速評估報告以及決策建議等信息,通過視頻會議系統實現了中國地震局、發震省局、相鄰省局、發震市縣地震部門和現場指揮部的信息聯動協同,為各級部門快速了解震情災情、啟動應急預案、派出現場工作隊、實時掌握現場應急工作動態等方面提供了重要的信息支撐。從應用效果看,系統在穩定性、運算效率、產品種類、可視化表達、信息推送服務等方面有了較大改善。

但地震快速評估是一個系統工程,涉及到數據、模型、軟件、應用等諸多問題,數據、模型、軟件的適用范圍等都存在一定的局限性和適用范圍,云南地震背景復雜多樣、自然社會環境時空差異大,地震應急評估技術還有待于進一步的研究,應急產品的精細化、豐富度、標準化、服務性等方面還需進一步完善。同時,還應結合“物聯網”“互聯網”、人工智能等高新技術,與國家地震預警和烈度速報工程深度融合,接入動態實時的評估大數據源,拓寬思路,加強面對社會公共信息服務能力,使其能夠全面的服務于防震減災工作。