大同-陽高3次地震的快速評估與現(xiàn)場評估結(jié)果對比分析

王躍杰，牛艷杰，焦晶淼，于 潼

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

1989年大同-陽高6.1級地震后，為爭取世界銀行貸款，在地震區(qū)進行了與國際接軌的我國防震減災史上第一次震害評估工作[1]。30年來，我國的震害評估工作已日臻成熟。2013年，甘肅省地震局對岷縣、漳縣6.6級地震進行準確的快速評估；2019年，四川省地震局對長寧6.0級地震的快速評估結(jié)果得到中國地震局的認可。

山西省地震應急評估系統(tǒng)建成較早，目前采用的是基于公里格網(wǎng)的快速評估系統(tǒng)。近幾年來，大同市作為重點監(jiān)視防御區(qū)，開展了大同陽高震區(qū)房屋、經(jīng)濟、人口等方面的調(diào)查，并更新數(shù)據(jù)資料。該文通過對大同-陽高3次地震進行地震快速評估計算，得出與現(xiàn)場評估結(jié)果的差異，分析差異產(chǎn)生的主要原因，提出改進建議，為今后同類地震的快速評估提供參考。

1 3次地震現(xiàn)場評估結(jié)果分析

1989年6.1級、1991年5.8級和1999年5.6級地震均發(fā)生在大同盆地東部的冊田凹陷內(nèi)，3 次地震相距2 km左右(見圖1)。震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，位于近EW向六棱山北麓斷裂、NW向秋林-金山斷裂和NNE向的大王斷裂3條斷裂相交的三角地帶，發(fā)震構(gòu)造既有一致性，又有不確定性，其烈度分區(qū)及災害情況也有較大不同。3次地震的震害評估報告主要結(jié)果如表1所示。

圖1 地震及斷層分布圖

表1 震害評估報告主要結(jié)果[2-4]

1.1 烈度等震線對比

將3次地震的等震線圖矢量化后，同一烈度分區(qū)放在同一層中，其分布如圖2所示。

圖2 地震現(xiàn)場評估烈度分布圖

1989年6.1級地震最高烈度為Ⅷ度，涉及1個村莊點。Ⅶ度、Ⅵ度展布方向呈北東-南北，Ⅴ度區(qū)近圓形。該地震受多次5級以上地震重疊破壞影響，發(fā)震構(gòu)造難以確定，綜合認為是大王斷裂、秋林-金山斷裂和六棱山北麓斷裂綜合影響的結(jié)果，使得該地震等震線長短軸方向為不規(guī)則的北東-南北向。

1991年5.8級地震的各級烈度圈長軸方向一致，皆為北東向，與大王斷裂走向吻合，推測大王斷裂是此次地震的發(fā)震構(gòu)造。該地震是1989年大同-陽高6.1級地震的余震，其長軸方向與6.1級地震等震線長軸方向基本一致，Ⅶ度、Ⅵ度區(qū)位于老震區(qū)的重建區(qū)，破壞相對較輕。

1999年5.6級地震的各級烈度圈長軸方向不一致。Ⅶ度圈長軸方向為北西向，Ⅵ度圈長軸方向近東西向，Ⅴ度圈近似圓形。根據(jù)調(diào)查報告，該地震的發(fā)震構(gòu)造為秋林-金山斷裂，走向與Ⅶ度圈長軸方向基本一致。但Ⅵ度圈展布方向與六棱山北麓斷裂走向一致。除居民地沿山前平行分布外，說明地震動衰減明顯受該斷裂及地貌的影響。

由圖2看出，3次地震震級相差不大，但其等震線面積及長軸方向相差較大。其中，1991年5.8級地震Ⅶ度圈是1999年5.6級Ⅶ度圈的四分之一，Ⅵ度圈是1999年5.6級Ⅵ度圈的三分之一，Ⅵ度、Ⅶ度區(qū)范圍明顯異于其他兩次地震。這是因為1989年地震后，災區(qū)重建的房屋具有一定的抗震性能，但隨著時間加長和1991年5.8級地震的影響，使房屋的抗震性能逐漸下降。因此，通過房屋破壞程度來確定地震烈度時，應加大房屋建造年代的權(quán)重，并考慮震區(qū)近年來的震例。另外，雖然六棱山北麓斷裂明顯為3次地震的控震構(gòu)造，但破壞方向卻各不相同，說明對于6級及以下地震，用區(qū)域大斷裂來確定其影響場方向存在明顯不足，還必須依靠次級隱伏斷裂和歷史震例來輔助確定其長軸走向。

1.2 人員傷亡及直接經(jīng)濟損失對比

1989年6.1級地震造成15人死亡，1991年5.8級地震未直接造成人員死亡(逃跑避震不當間接死亡1人)，1999年5.6級地震有10人重傷，未造成人員死亡。

從表1可以看出，死亡人數(shù)、重傷人數(shù)與房屋倒塌數(shù)量相關(guān)，但死亡人數(shù)，尤其個位數(shù)的預測則具有較大隨機性。1989年地震造成重傷與死亡的比例約5，1991年為1，1999年為無窮大。因此，建立一套合理的推算死亡與重傷比的模型難度較大。

直接經(jīng)濟損失與房屋的破壞程度密切相關(guān)。同樣地區(qū)，并不是震級越大房屋破壞越重大，但單位面積的破壞導致的直接經(jīng)濟損失是逐年增加的。這既反映了經(jīng)濟的發(fā)展，也反映了物價和人力成本的上漲。基于房屋建筑抗震性能和建造單價確定的經(jīng)濟損失模型，要注意建造單價數(shù)據(jù)的及時更新。

2 快速評估結(jié)果與現(xiàn)場評估結(jié)果的對比分析

根據(jù)3個震害評估報告的經(jīng)緯度及震級，采用基于公里格網(wǎng)的地震應急快速評估系統(tǒng)對這3次地震進行快速評估計算。結(jié)果顯示，3次地震計算得到的影響場地方向、面積，人員傷亡、直接經(jīng)濟損失均與現(xiàn)場評估結(jié)果相差較大。

2.1 影響場與烈度等震線分區(qū)比較

將影響場與地震現(xiàn)場烈度等震線圖放在同一圖中(見圖3)，其主軸方向與各級面積如表2所示。

表2 快速評估與現(xiàn)場評估影響場結(jié)果對比

圖3 快速評估與現(xiàn)場評估烈度分布對比圖

可以看出，影響場與烈度等震線圖方向完全一致的是1999年Ⅵ度圈，基本一致的是1991年的Ⅵ度圈和Ⅶ度圈，相差較大的是1989年，Ⅵ、Ⅶ度烈度圈方向均不一致。方向的差異主要顯示了發(fā)震構(gòu)造的判別。1991年的影響場與烈度等震圖發(fā)震構(gòu)造均為大王斷裂，1989與1999年則均受多條構(gòu)造影響。1989年的烈度等震線圖是幾次5級以上地震疊加的結(jié)果，其發(fā)震構(gòu)造受EW向六棱山北麓斷裂、NNE大王斷裂和NNW秋林-金山斷裂共同控制。1999年極震區(qū)受秋林-金山斷裂控制，Ⅵ度區(qū)則受EW向六棱山北麓斷裂及山脈地貌控制。由此可見，實際地震災害往往受多條斷裂控制，而目前系統(tǒng)模型是受單條斷裂方向控制，未考慮震中附近其他方向的斷裂控制。因此，未來的研究應考慮多條斷裂影響下的影響場。

從各級烈度破壞面積來看，影響場計算面積普遍大于實際烈度等震線圖的面積。其中，1991年的各級面積比接近5倍。主要原因為計算未考慮房屋建筑、人員分布和地貌的影響；所用的衰減關(guān)系未考慮震源深度的影響；衰減關(guān)系不一定適合局部地區(qū)的衰減規(guī)矩。因此，對于震例較豐富的地區(qū)，應單獨進行烈度衰減關(guān)系回歸。

2.2 人員傷亡及經(jīng)濟損失比較

目前，快速評估和現(xiàn)場評估的經(jīng)濟損失評估方法是一致的，均是基于各類房屋的破壞來計算。不同的是，現(xiàn)場評估是根據(jù)實際調(diào)查的破壞面積來計算，快速評估系統(tǒng)采用的是全省統(tǒng)一的震害矩陣來計算。現(xiàn)場評估的人員傷亡來自實際調(diào)查，快速評估的人員傷亡是在基于倒塌和嚴重破壞房屋的基礎(chǔ)上運用統(tǒng)計模型得到。快速評估與現(xiàn)場評估直接經(jīng)濟損失及人員傷亡數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 快速評估與現(xiàn)場評估直接經(jīng)濟損失及人員傷亡對比表

可以看出，在人員傷亡方面，3次地震的快速評估結(jié)果均接近實際評估結(jié)果；經(jīng)濟損失方面， 1989年和1991年2次地震的預測結(jié)果均比較準確，1999年5.6級地震現(xiàn)場結(jié)果與預測結(jié)果比值達4。而快速評估系統(tǒng)并未考慮多次地震疊加造成震害成倍加大的情況。

3 結(jié)論與討論

通過以上對比分析，可得出如下結(jié)論：

(1) 地震現(xiàn)場破壞復雜，相距2 km的3次地震的現(xiàn)場評估結(jié)果在影響場地方向、面積、人員傷亡和經(jīng)濟損失方面都毫無規(guī)律可言。

(2) 影響場與現(xiàn)場評估得到的各級烈度分區(qū)面積相差較大，主要是因為目前的衰減關(guān)系未考慮震源深度；另外，全國尺度的衰減關(guān)系不一定適合山西局部地區(qū)，建議增加多個當?shù)厮p關(guān)系以供選擇。對于大同這樣震例豐富的地區(qū)應該結(jié)合周邊一些中強破壞性地震震例進行衰減關(guān)系回歸，得到適合該區(qū)域的中強地震衰減關(guān)系。

(3) 影響場方向相對于現(xiàn)場評估烈度圈而言，方向單一，不符合實際情況。建議對于發(fā)震構(gòu)造豐富的地點，影響場方向除考慮主方向外，還要充分考慮其他方向的構(gòu)造及居民分布、人員分布和地形地貌等影響因素。

(4) 系統(tǒng)計算得到1999年地震造成的直接經(jīng)濟損失相差較大，其影響場總面積比為2，直接經(jīng)濟損失結(jié)果比為4，單位面積直接經(jīng)濟損失的最終快速評估與現(xiàn)場評估結(jié)果相差8倍以上。快速評估系統(tǒng)的房屋建筑數(shù)據(jù)庫是最近幾年的房屋建筑數(shù)據(jù)，其抗震能力應該比20年前提高許多，直接經(jīng)濟損失適當降低是合理的，但相差8倍以上主要還是因為系統(tǒng)缺乏歷史震害疊加的考慮。另外，歷史震害的疊加還會影響到影響場的方向和范圍，受災房屋和人員數(shù)量都復雜許多。建議在系統(tǒng)中增加多震疊加模型，便于在多震情況下評估系統(tǒng)依然能完成疊加計算。

(5) 系統(tǒng)計算得到人員死亡數(shù)據(jù)與現(xiàn)場評估數(shù)據(jù)基本一致，受災面積則相差較大。死亡人口相差不大的原因主要是導致死亡的老舊土木房屋和窯洞在災區(qū)已經(jīng)全部改建為磚木結(jié)構(gòu)，其抗震性能有較大提高。同時，建議在系統(tǒng)模型內(nèi)考慮老震區(qū)受災群眾的震后主觀自救能力的影響。

(6) 一些斷裂在局部轉(zhuǎn)折、交叉、端部地段發(fā)生地震后，影響場地方向難以判斷。因此，要根據(jù)震中地形地貌、人員分布等綜合判斷，這時應增加人為干預過程。同時，要加快建設震例數(shù)據(jù)庫，對于發(fā)生歷史地震的老震區(qū)，借鑒前人的工作成果，對新發(fā)生地震的快速評估結(jié)果實現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)進行干預。

(7) 從3次地震的快速評估結(jié)果來看，其損失主要受震級影響。這是因為目前的快速評估系統(tǒng)中采用的是統(tǒng)一的衰減關(guān)系和建筑破壞矩陣。對于同一地區(qū)，主要結(jié)果變化不大，但如果是不同地區(qū)，則會與實際結(jié)果有較大出入。建議根據(jù)山西省已有的建筑物抗震性能分析結(jié)果數(shù)據(jù)，建立不同分區(qū)的建筑破壞矩陣。