隨機抽樣法對震害矩陣的有效性實證研究

謝 亮

(西藏職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

0 引言

我國處在世界最大的環(huán)太平洋地震帶和第二大的地中海-喜馬拉雅地震帶之間。中國是世界上地震最多的國家,地震造成的損失也十分嚴重。中國曾出現(xiàn)過三次損失最為嚴重的地震:1966年的邢臺地震,1976年的唐山地震,2008年的汶川地震。強震的發(fā)生通常會造成很大的人員傷亡和經(jīng)濟損失,即使是中等地震,如果發(fā)生在經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密或地位極其重要和敏感的地區(qū),如首都圈地區(qū),會造成嚴重的損失和巨大的影響。

反觀世界上其他多地震的發(fā)達國家,如美國和日本,由于經(jīng)常受到各類災(zāi)害,特別是地震、颶風(fēng)的襲擊,為了減少災(zāi)害的損失,建立了比較完善的災(zāi)害響應(yīng)機制和快速響應(yīng)的專門機構(gòu)。當前,我國減輕地震災(zāi)害的主要途徑[1]：一是加強地震預(yù)報;二是提高工程建設(shè)質(zhì)量;三是提高震時的應(yīng)急救援水平。在這三者中,提高地震預(yù)報水平是世界級的難題,短時間內(nèi)很難有突破;提高工程質(zhì)量需要國家的經(jīng)濟實力整體提高,投入巨大,短期內(nèi)不能實現(xiàn);可以投入少、見效快、時效顯著的是提高災(zāi)害的應(yīng)急救援水平,而這其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是建立完善的地震應(yīng)急指揮體系,增強震后快速反應(yīng)能力,最大限度的減少地震帶來的損失[2]。對此,在地震發(fā)生后,能夠快速評估地震對建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施的破壞程度以及人員傷亡情況,并根據(jù)震害快速評估數(shù)據(jù),評估應(yīng)急資源所需的種類和數(shù)量成為了亟待解決的問題。

1 地震損失評估文獻綜述

地震造成的損失包括直接經(jīng)濟損失和社會損失[3]。地震損失評估是評估建筑物被毀壞的程度和數(shù)量以及人員的傷亡數(shù)量。建筑物地震損失預(yù)測和評估是建立在地震危險性分析和地震易損性分析基礎(chǔ)上的。目前常用的建筑物震后損失評估方法有[4]:

1)基于歷史震害資料的震害矩陣法。該方法是基于歷史震害資料而建立的震害矩陣,對承災(zāi)體的數(shù)據(jù)詳細程度要求不高,只要求給出建筑物的結(jié)構(gòu)類別即可,未能考慮到不同地質(zhì)條件下地震能量釋放機理不同對震害矩陣的影響。

2)基于性能的易損性分析。2006年Charles在學(xué)術(shù)界正式提出HAZUS地震損失評估方法,主要通過建立詳細的承災(zāi)體數(shù)據(jù)庫,來進行地震損失模擬計算。

3)以現(xiàn)場調(diào)查為依據(jù)的抽樣統(tǒng)計方法。1993年,李樹楨和尹之潛提出了以現(xiàn)場調(diào)查為依據(jù)的抽樣統(tǒng)計方法[5]。闡述了采取大范圍均勻抽樣,劃分評估區(qū),選取不同抽樣點調(diào)查不同類型房屋的總面積和各級破壞的房屋面積對構(gòu)建建筑物震害矩陣有效性進行了分析。

4)基于遙感影響和航片判讀的識別法。該方法利用遙感技術(shù)進行大范圍感測,數(shù)據(jù)有效性高,更新周期短,研究證明,在震害檢測與救災(zāi)中的應(yīng)用前途被認為是很廣泛的[6]。

2 震害矩陣隨機抽樣調(diào)查方法

用來表示地震烈度和損失率之間的關(guān)系的是破壞概率矩陣(建筑物震害矩陣),即以綜合表格形式闡述平均損失率和破壞率。目前我國可行的確定震害矩陣的方法只有基于歷史震害資料的震害矩陣確定法和現(xiàn)場抽樣調(diào)查法,由于基于歷史震害資料的方法是一種快速簡便的方法,但是這種方法得出的評估結(jié)果有較大的偏差,而現(xiàn)場抽樣調(diào)查法獲得的建筑物震害矩陣是最準確的,但是現(xiàn)在的抽樣方法是大范圍均勻抽樣,速度比較慢。基于以上原因,本文提出了隨機抽樣調(diào)查法,旨在在保證統(tǒng)計精度的前提下減少抽樣點數(shù)量,縮短抽樣調(diào)查的時間。

2.1 評估區(qū)的劃定原則

對破壞面積大，損失嚴重的地震,應(yīng)分區(qū)評估地震損失,每個區(qū)稱為一個震害評估區(qū)。分區(qū)的原則是:對建筑類型,經(jīng)濟發(fā)達程度相差較大的城市與農(nóng)村,宜將城區(qū)與農(nóng)村分開評估。城市則依城區(qū)的大小,劃為一個或幾個震害評估區(qū);農(nóng)村則一般以等震線為界,一個烈度區(qū)劃為一個震害評估區(qū)。

2.2 抽樣點的規(guī)定

為保證結(jié)果的正確性,對抽樣點作如下規(guī)定:1)抽樣點范圍:城市抽樣點,以房屋集中的居民點為中心,每個抽樣點的面積不得小于1 km2的自然街區(qū);農(nóng)村抽樣點,以自然村為基礎(chǔ),每個點應(yīng)包含全部自然村;2)房屋調(diào)查面積:一般情況下,每個抽樣點內(nèi)的房屋應(yīng)全部調(diào)查,有個別點不能全部調(diào)查時,也必須將該點兩軸線上的房屋一間一間地挨個調(diào)查,且調(diào)查面積不得小于該點房屋總面積的60%。

2.3 分區(qū)隨機抽樣方法

該方法是根據(jù)建筑物統(tǒng)計單元的集中程度,將同一個評估按照建筑物統(tǒng)計單元的密集程度劃分為幾個小的區(qū)域,從每個小區(qū)輪流進行隨機抽樣,直到抽樣破壞比方差FI達到精度要求停止抽樣。改進之后的分區(qū)隨機抽樣過程如下:

分區(qū)隨機抽樣程序如下:

Step1如果Sy≠?,則在區(qū)域y執(zhí)行1次隨機抽樣。

Step2得到新的計算震害矩震,計算第m次、m-1次和抽樣所得破壞比方差:

Step3y=y+1,m=m+1,轉(zhuǎn)入Step1。具體方法利用Matlab程序計算[7]。

3 應(yīng)用算例

本文以2008年3月21日6時33分,新疆于田縣和策勒縣交界處發(fā)生7.3級地震的災(zāi)害損失評估報告[8]數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬,對分區(qū)隨機抽樣調(diào)查方法獲得的震害矩陣有效性進行分析。

3.1 地震烈度

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,震中位于新疆于田縣和策勒縣以及與西藏交界的昆侖山分水嶺附近(北緯35°36′,東經(jīng)81°36′),現(xiàn)代冰川發(fā)育,海拔高度達6 000 m,難以考察。通過對災(zāi)區(qū)震害調(diào)查,確定極災(zāi)區(qū)烈度為7度,等震線長軸呈北東62°走向,長半軸為123 km,短半軸為72 km,面積2.734×104km2;6度區(qū)長半軸為187 km,短半軸為136 km,面積5.208×104km2。災(zāi)區(qū)中高山區(qū)為無人區(qū),烈度為經(jīng)驗推測結(jié)果。

3.2 震災(zāi)評估區(qū)劃定

通過現(xiàn)場大范圍抽樣調(diào)查,根據(jù)地震破壞程度和災(zāi)民分布狀況,將災(zāi)區(qū)劃分為兩個評估子區(qū),其中評估1區(qū)為:西南自策勒縣博斯坦鄉(xiāng)巴什喀拉蘇村,東北至于田縣阿羌鄉(xiāng)庫乃斯村,呈北東向條帶狀分布,面積為939 km2;評估2區(qū)為:西起策勒縣恰哈鄉(xiāng)喀拉塔什村,東至于田縣奧依托克拉克鄉(xiāng)庫吾爾尕村,南自于田縣阿羌鄉(xiāng)雄古拉村,北到于田縣木尕拉縣木尕拉村一帶,面積為12 000 km2。

評估區(qū)總面積(即災(zāi)區(qū)范圍)1.294×104km2,災(zāi)區(qū)總戶數(shù)46 562戶,總?cè)丝诩s186 248人,包括于田縣12個鄉(xiāng)160 700人,策勒縣4個鄉(xiāng)25 548人,其中受災(zāi)人口61 880人,災(zāi)區(qū)戶均人口為4人,鄉(xiāng)村戶均住房面積80 m2。

3.3 分區(qū)抽樣評估區(qū)劃分及數(shù)值模擬

根據(jù)評估區(qū)2均勻抽樣點集中分布程度,將評估區(qū)2劃分為3個小區(qū)域,并包括抽樣集合點(如圖1所示),進一步利用Matlab計算程序模擬分區(qū)隨機抽樣,設(shè)定ε=0.005,模擬5次得到的結(jié)果見表1。

表1 評估區(qū)2分區(qū)隨機抽樣過程執(zhí)行5次的結(jié)果

表1顯示,用分區(qū)抽樣法執(zhí)行5次,平均抽樣點數(shù)量為13.8,比均勻抽樣33個抽樣點減少58%,得到的震害矩陣和均勻抽樣的結(jié)果比較接近,而且5次執(zhí)行結(jié)果都比較穩(wěn)定。所以,在面積較大的評估區(qū)抽樣調(diào)查中,分區(qū)隨機抽樣得到的結(jié)果更加讓人滿意,得到的震害矩陣數(shù)據(jù)更具有有效性。

4 結(jié)語

本文通過實例對分區(qū)隨機抽樣法進行了數(shù)值模擬論證。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示,在大評估區(qū)震害矩陣調(diào)查中,將大的評估區(qū)劃分為幾個小的區(qū)域,在每個區(qū)輪流執(zhí)行隨機抽樣,得到的震害矩陣更加正確,重復(fù)執(zhí)行結(jié)果更加穩(wěn)定,為下一步利用震害矩陣進行救災(zāi)資源快速評估提供了理論依據(jù)。