遼寧省海城市地震災害預評估精細化方法研究

王萬寧,孔祥雪,于 浩,張文靜,田雨佳

(遼寧省地震局,沈陽 110034)

0 引言

我國是全球遭受地震災害最嚴重的地區(qū)之一[1]。第五代區(qū)劃圖中基本地震動峰值加速度0.1 g(即Ⅶ度)及以上地區(qū)面積達到58%,大多數(shù)城市都面臨著嚴重的潛在地震災害威脅。經(jīng)濟增長與城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展使得城市群迅速增加,人口密度及經(jīng)濟指標急速升高,多齡期建筑分布密集,高層及大跨空間等復雜結構體系大量涌現(xiàn),基礎設施與生命線工程日益復雜,經(jīng)濟和社會活動日趨繁多,致使城市地震災害風險顯著提高,一旦在城市及周邊發(fā)生破壞性地震將造成重大的人員傷亡、經(jīng)濟損失及嚴重的社會影響[2]。在同一省份、同一衰減關系計算模型、震級相近、發(fā)震時間相似的情況下,人員傷亡、經(jīng)濟損失、破壞程度可能相差甚遠。由此可見,單純依靠公式推導盲估在多數(shù)地區(qū)正確率較低,需加入人工干預修正,便于后續(xù)根據(jù)調(diào)研結果修正快速評估結果過大的差異。

地震損失預評估是地震應急的基礎,地震災情損失預評估是在震前將各類震后需評估的應急災情信息,如建筑物震害損失、人口傷亡、經(jīng)濟損失等相關內(nèi)容事先完成計算,彌補黑箱期信息空白,這對震后救援行動尤為重要。而精進預評估準確性是災前評估的重點,影響預評估結果準確性有多方面因素,其中基礎數(shù)據(jù)精確度較低是制約預評估結果準確性的一個重大影響因素[3]。而格網(wǎng)數(shù)據(jù)為提高數(shù)據(jù)準確度提供了可能。格網(wǎng)數(shù)據(jù)是將研究區(qū)域按照統(tǒng)一的標準劃分為若干個相等單元,每個單元被賦予確定的屬性值,能夠在選定區(qū)域直觀地展示空間分布特征[4]。災前進行模擬運算時,如果地震涉及范圍僅在以市縣為單位的評估單元中占小部分,但卻使整個數(shù)據(jù)參與運算而導致范圍過大,數(shù)據(jù)的不準確就會影響后續(xù)預評估結果的準確性[5],無法體現(xiàn)區(qū)域差別及重點區(qū)域的識別[6]。現(xiàn)實中,人口數(shù)據(jù)可能在空間上圍繞居民點、城鎮(zhèn)中心等分布,通過去除格網(wǎng)中無建筑物的無效格網(wǎng)可降低人口數(shù)量誤差。以格網(wǎng)為單位結合地形地貌、氣候等自然地理因素可實現(xiàn)對地震災區(qū)救援區(qū)域的分級劃分,為救援力量、物資的合理調(diào)度分配、指揮決策提供科學依據(jù)[7]。與傳統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比,格網(wǎng)數(shù)據(jù)有著更高的空間分辨率,可完美地表示數(shù)據(jù)單元之間的所有內(nèi)部差異,從而更準確地記錄數(shù)據(jù)分布現(xiàn)狀,在此基礎上,面積權重法更接近實際情況。目前格網(wǎng)級精細化預評估已在江蘇、四川等地進行試點應用。2013年甘肅某縣6.6級地震利用當?shù)厝丝诠锔窬W(wǎng)為基礎的數(shù)據(jù)來計算因地震而導致的壓埋人員分布,結合甘肅省人口公里格網(wǎng)數(shù)據(jù),將評估結果與實際現(xiàn)狀分布進行比較分析,結果表明,改進后的方法使評估結果的適用性有很大程度的提高,對震后地震評估輔助決策內(nèi)容形成有效補充。研究方法從理論到實踐都得到了有效驗證,具有可行性。

1 評估區(qū)域精細化研究方法

海城市位于遼寧省三條活斷裂中,即營口-佟二堡斷裂、金州斷裂及海城河隱伏斷裂,在歷史上發(fā)生過大震。當?shù)氐V產(chǎn)資源豐富,經(jīng)濟較為發(fā)達,具有研究典型性。本研究在遼寧省海城市地震災害預評估精細化研究項目中選取30弧秒格網(wǎng)為評估單元,公里格網(wǎng)數(shù)據(jù)避免因面積權重法而導致的數(shù)據(jù)分配錯誤,可確保災情評估結果的有效性[8]。為了加快評估結果的產(chǎn)出,根據(jù)評估模型參數(shù)按照不同震級將格網(wǎng)數(shù)據(jù)進行提前計算。在地震預評估中,根據(jù)地震三要素及地震烈度衰減模型計算出估計地震影響場范圍,算出地震影響場范圍的總?cè)丝跀?shù)量,結合人員傷亡評估模型等迅速得出傷亡及經(jīng)濟損失預期情況[9]。精細化后的評估單元數(shù)據(jù)計算量是以前數(shù)據(jù)計算量的千倍以上,數(shù)據(jù)精細化程度與計算時間成正比。假使可以預先完成整個計算過程中最浪費時間的部分,則可將震后有限的時間和應急力量集中于輔助震后科學合理地調(diào)動及救援資源分配。

1.1 海城市格網(wǎng)數(shù)據(jù)處理及各類建筑物面積估算

收集整理海城市基礎數(shù)據(jù)并統(tǒng)一口徑作為后續(xù)損失結果計算基礎。采用30″格網(wǎng)單元作為地震災害損失預評估精細化的基礎單元,劃分工作區(qū)為2941個像元,疊加建筑物分布數(shù)據(jù),將區(qū)域內(nèi)有建筑物的像元視為有效像元。利用GIS軟件將海城市進行格網(wǎng)化,選取有建筑物覆蓋的有效網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

1.2 利用建筑物面積推算人口數(shù)據(jù)并進行檢驗

利用GIS軟件提取同一像元內(nèi)不同建筑物結構面積,將每個有效像元中建筑物面積劃分為高層鋼混面積、多層鋼混面積、多層砌體面積、單層砌體面積及其他面積。通過實地調(diào)研當?shù)亟ㄖ?確定建筑物類型比例,由此估算每個像元中各類建筑物面積,利用遙感影像復核數(shù)據(jù)。計算有效像元中不同建筑物結構下的人口數(shù)量,根據(jù)最新統(tǒng)計人口數(shù)據(jù)(即第七次全國人口普查數(shù)據(jù))驗證人口數(shù)據(jù)的準確性。

1.3 利用地震影響場模型計算損失與結果精細化

遼寧省目前采用易損性分類清單方法、層次分析法等多種方法相結合的方式,即基于層次分析法及易損性矩陣計算震害損失?？紤]地形、地貌、晝夜人口差異及影響場角度方向等多重因素,確定評估模型并進行兩個角度的模擬運算。利用GIS軟件提取各格網(wǎng)中心點設定為地震的震中位置。將震級分為4個等級,從5.0級開始遞增0.5級直至6.5級,根據(jù)海城市的三條主要活動斷裂方向來確定影響場長軸方向,分別設定為60°和120°兩檔。利用加權算法解決各像元與活動斷裂距離因遠近差異而導致的計算結果不準確問題。

1.4 產(chǎn)出震害損失評估數(shù)據(jù)庫與精細化預評估成果圖件

完成基于此人口數(shù)據(jù)下的人員傷亡及經(jīng)濟損失計算,將計算結果賦給每個像元,創(chuàng)建海城市震害損失評估數(shù)據(jù)庫,產(chǎn)出基于此格網(wǎng)數(shù)據(jù)的人員死亡、經(jīng)濟損失等震害損失評估圖件。

圖1 城市地震預評估Fig.1 Urban earthquake pre-assessment

2 結論與展望

以海城市為例,探索地級市的地震損失精細化評估方法,與之前方法相比,縮小了空間范圍內(nèi)精細化尺度。對比以往遼寧省以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為最小計算單元,30弧秒格網(wǎng)評估單元在去除掉不含建筑物區(qū)域的數(shù)據(jù)后更接近地理情況的真實分布狀況,這種方式避免了以行政區(qū)為整體的內(nèi)部建筑結構類型、人口要素分布無差別計算而造成的誤差,基礎數(shù)據(jù)的精細化使預評估結果準確性大幅提高,使輔助決策支持更為科學、合理。

格網(wǎng)級精細化預評估面向人工智能技術,是對以往評估方法不足的一種補充及完善,精細化程度越高相似化程度越大,更加接近真實的地理要素分布情況,后續(xù)進行實際應用類比推廣的契合程度更完整。未來可對已選定區(qū)域格網(wǎng)化,利用評估模型計算并將計算結果分配至每個像元,對相似地形地貌、地質(zhì)構造、房屋建設等情況進行類比,由點及面推廣至更大范圍,完成遼寧省精細化預評估工作,形成可支撐災害損失預評估的基礎數(shù)據(jù),為規(guī)劃救援力量、物資調(diào)度分配、指揮決策提供科學精準的依據(jù)。