華北地區(qū)地震災(zāi)害生命損失預(yù)評估研究

徐小遠(yuǎn) 姚蕾

摘 要：基于地震災(zāi)害損失預(yù)評估理論，結(jié)合華北地區(qū)地震高發(fā)區(qū)，構(gòu)建了以地震災(zāi)害危險性、承災(zāi)體易損性、防震抗震減災(zāi)能力以及災(zāi)區(qū)環(huán)境穩(wěn)定性等為基礎(chǔ)的地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險預(yù)評估體系，運用層次分析法分別確定了研究區(qū)地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險的各項權(quán)重，并通過實例分析計算了研究區(qū)不同震級和烈度下的地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險結(jié)果，可為該研究區(qū)的防震減災(zāi)、震后應(yīng)急等提供參考。

關(guān)鍵詞：華北地區(qū)；地震災(zāi)害生命損失；預(yù)評估；體系；層次分析法

Pre assessment of earthquake disaster life loss in North China

Abstract：Based on the theory of earthquake disaster loss pre-assessment and combined with the high earthquake-prone areas in North China，a pre-assessment system of earthquake disaster life loss risk is established，which is based on the risk of earthquake disaster，the vulnerability of disaster-bearing body，the ability of earthquake prevention，earthquake resistance and disaster reduction，and the environmental stability of disaster areas.The weights of life loss risk of earthquake disasters in the study area are studied，and the results of life loss risk of earthquake disasters under different magnitude and intensity are calculated by an example，which can provide reference for earthquake prevention and disaster mitigation and post-earthquake emergency response in the study area.

Key words：North China；earthquake disaster life loss；pre assessment；system；analytic hierarchy process

地震會給政治、社會及經(jīng)濟帶來巨大的危險，更是給人名群眾的生命安全帶來極大隱患。對此，需要提前對地震高發(fā)區(qū)進(jìn)行應(yīng)急的準(zhǔn)備工作，對地震高發(fā)區(qū)進(jìn)行生命損失的預(yù)評估工作就顯得格外重要，可為高風(fēng)險區(qū)的防震減災(zāi)策略、政策和措施等提供科學(xué)有效的理論依據(jù)，進(jìn)而從最大程度上減輕地震災(zāi)害帶來的生命損失[1-3]。

不同地區(qū)的地震災(zāi)害損失具有各自的特點，建筑物平均抗震設(shè)計能力對生命損失具有重要影響[4-6]，確定科學(xué)合理的抗震設(shè)防要求以及建筑物抗倒塌能力，能在很大程度上減輕人民的生命財產(chǎn)損失[7]。張桂欣等對分區(qū)分類的生命線工程地震直接經(jīng)濟損失進(jìn)行了研究，建立了建筑物損失和生命線工程損失的數(shù)量關(guān)系模型[8]；聶穎穎則以災(zāi)害系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素承災(zāi)體為核心，對區(qū)域災(zāi)害損失風(fēng)險展開了系統(tǒng)研究[9]；朱永莉等[10]結(jié)合汶川地震相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了考慮建筑地震易損性并與烈度相關(guān)的地震生命損失快速評估函數(shù)，可為強震下的生命損失進(jìn)行預(yù)評估。

本文以華北晉冀蒙交界地震高發(fā)區(qū)為例，在前人研究理論基礎(chǔ)上，建立起研究區(qū)的地震災(zāi)害損失風(fēng)險預(yù)評估體系，并對不同烈度下的地震生命損失進(jìn)行了預(yù)評估分析，可為該地區(qū)的防震減災(zāi)和災(zāi)后應(yīng)急工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北晉冀蒙交界地帶，地處山西地震帶的北部，見圖1。據(jù)統(tǒng)計，該地區(qū)自1970-2016年以來，共發(fā)生5.0級以上地震11次，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)帶來巨大損失，是地震高發(fā)風(fēng)險區(qū)之一。該地區(qū)的地震活動具有分布廣，震源淺、致災(zāi)程度重等特點，也是華北地區(qū)強震（7級）集中地帶之一，被列為全國的地震重點監(jiān)視防御地帶。研究區(qū)經(jīng)濟較為落后，受傳統(tǒng)建筑習(xí)慣影響及各種條件制約，使得抗震能力較弱，尤其在鄉(xiāng)村地區(qū)，建筑物普遍存在結(jié)構(gòu)不合理，規(guī)劃施工不科學(xué)等現(xiàn)象，故而在地震發(fā)生時，經(jīng)常造成巨大的人員傷亡情況。因此，開展本地區(qū)的地震生命損失預(yù)評估是防震減災(zāi)工作的重要一環(huán)。

2 地震災(zāi)害生命損失預(yù)評估體系的建立

影響地震人員傷亡的原因有很多，主要包括地震強度、地震發(fā)生時間、震源深度、房屋抗震設(shè)計能力、人口密度、人們的抗震意識、地震預(yù)警情況、余震、次生災(zāi)害等，對影響因素考慮得越全面，那么預(yù)估的生命損失越準(zhǔn)確。當(dāng)然，考慮的因素越多，也就意味著獲取數(shù)據(jù)的難度越大，在實際分析過程中，是很難做到面面俱到的，本文主要考慮地震災(zāi)害生命損失的主要因素情況。

其中，地震危險性因子：是所有因子中最關(guān)鍵的影響因子，是指某一特定地區(qū)在未來遭遇一定地震強度的概率大小，通常由概率分析或者確定性分析法得出；孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性因子：是指形成災(zāi)害發(fā)生的場地，包括自然和社會環(huán)境；承災(zāi)體易損性因子：是指研究區(qū)人口組成情況，對地震傷亡人數(shù)起直接作用；防震減災(zāi)能力因子：是反映社會在遭遇地震時，擁有的應(yīng)急處置能力。

結(jié)合以往地震損失評估報告及研究成果，選取致災(zāi)因子危險性（地震危險性）、孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性（房屋結(jié)構(gòu)、坡度、年平均降水量、地貌類型）、承災(zāi)體易損性（人口密度、老幼人口比例）、防震減災(zāi)能力（每千人擁有醫(yī)生數(shù)量、人均財政收入、人均GDP）等4各主因子（10個關(guān)鍵指標(biāo)）建立起本文地震災(zāi)害生命損失的預(yù)評估體系，見表1。

表1 地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險指標(biāo)預(yù)評估體系

目標(biāo)層 因子層 指標(biāo)層

致災(zāi)因子危險性B1 地震危險性C11

房屋結(jié)構(gòu)C21

孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性B2 坡度C22

年平均降雨C23

地震災(zāi)害生命 地貌類型C24

損失預(yù)評估 承災(zāi)體易損性B3 人口密度C31

老幼人口比例C32

每千人擁有醫(yī)生數(shù)量C41

防震減災(zāi)能力B4 人均財政收入C42

人均GDPC43

3 層次分析法簡介

對多目標(biāo)呈分析方法有很多，主要包括模糊數(shù)學(xué)法、層次分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法等。其中：層次分析法具有客觀公正、科學(xué)實用、精度較高等特性，能夠?qū)Φ卣馂?zāi)害的生命損失進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定量預(yù)評估[11]。層次分析法的主要分析步驟為：

（1）建立層次模型，即上文提到的目標(biāo)層、因子層以及指標(biāo)層三層因素模型；

（2）構(gòu)造相關(guān)判斷矩陣，設(shè)因子為m個，指標(biāo)為n個，那么即可得：

表2 判斷矩陣形式

B1 C1 C2 C3….Cn

C1 c11 c12 c13 c1n

C2 c21 c22 c23 c2n

C3 c31 c31 c32 c3n

… … … … …

Cn cn1 cn2 cn3 cnn

（3）一致性檢驗：即判斷矩陣需要滿足：cijcjk=cik，其中，i＼j＼k=1，2，3，…，n，一致性指標(biāo)計算公式為：

（1）

式中：CI表示一致性指標(biāo)，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

然后再根據(jù)隨機一致性指標(biāo)RI，計算得到一致性比例CR：

（2）

（4）確定各因子的單層權(quán)重和總權(quán)重[12-13]，同時計算特征向量值，有：

（3）

式中：wij表示目標(biāo)層的權(quán)重值，li表示因子層權(quán)重，aij表示指標(biāo)層權(quán)重。

那么，通過式（3）即可得及上文研究結(jié)果，可以得到最終的地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險預(yù)評估模型：

L=P*E*V*R （4）

式中：L 表示地震災(zāi)害生命損失，P 表示研究區(qū)地震災(zāi)害危險性，E 表示孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性，V 表示承災(zāi)體易損性，R 表示防震減災(zāi)能力。

4 研究區(qū)地震災(zāi)害生命損失預(yù)評估

4.1 模型精確度驗證

將研究區(qū)歷年來的幾次地震數(shù)據(jù)代入模型，計算得到了歷史地震中死亡人數(shù)與實際死亡人數(shù)的對比值，見圖2。從圖中可以看到：本文建立的指標(biāo)預(yù)評估體系和層次分析計算模型可較為準(zhǔn)確的預(yù)測不同地區(qū)、不同震級下的生命損失情況，其計算平均誤差不超過實際值的20%，精度較為準(zhǔn)確。

圖2 歷史地震中死亡人數(shù)與實際死亡人數(shù)對比值

4.2 地震生命損失預(yù)評估

將現(xiàn)有的當(dāng)?shù)刭Y料和數(shù)據(jù)代入計算模型，同時將地震震級設(shè)定為5.5級、6.0級以及6.5級，得到山西部分、河北部分以及內(nèi)蒙古部分地區(qū)的死亡人數(shù)對比，見圖3。從圖中可以看到，當(dāng)?shù)卣鹫鸺墳?.5級時，三個地區(qū)基本不會發(fā)生人員傷亡，當(dāng)然不排除偶然情況；當(dāng)?shù)卣鹫鸺墳?.0級時，山西、河北、內(nèi)蒙古地區(qū)的預(yù)估死亡人數(shù)分別為8人、15人以及17人；當(dāng)震級為6.5級后，三地的死亡人數(shù)預(yù)估為83人、137人以及125人；造成三地死亡人數(shù)有差別的主要因素為各地區(qū)的房屋結(jié)構(gòu)和其建筑的年代存在差異，同時各地區(qū)的次生災(zāi)害、天氣情況以及醫(yī)療水平等也會存在一定的區(qū)別，故而會形成三地不同的地震災(zāi)害人員死亡情況。

圖3 不用地區(qū)、震級地震傷亡人數(shù)對比

4.3 地震生命損失風(fēng)險等級

在本文研究當(dāng)中，地震等級最高為6.5級，最大烈度為VIII 度，那么可設(shè)定VIII 度區(qū)、VII 度區(qū)、VI 度區(qū)的半徑分別未7.5km、27Km以及67km；同時根據(jù)地震生命損失計算結(jié)果，將地震風(fēng)險等級劃分為5個等級，即：一般風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險以及特高風(fēng)險，風(fēng)險越高的地區(qū)其生命損失越大，帶來的后果越嚴(yán)重，分析得到了研究區(qū)的地震風(fēng)險等級分布情況，見圖4。從圖中可以對比看到：由于研究區(qū)東部地區(qū)的房屋抗震設(shè)計能力普遍低于底部地區(qū)，農(nóng)村地區(qū)的抗震能力較差，使得東部地區(qū)的地震風(fēng)險等級較高；由于北方地區(qū)的人口密度較小，使得北方地區(qū)的地震生命損失風(fēng)險等級普遍低于南方地區(qū)，進(jìn)而形成了山西、內(nèi)蒙古、河北三地的地震災(zāi)害傷亡人數(shù)依次增加的情況，這也比較符合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。

圖4 地震生命損失風(fēng)險等級劃分情況

5 結(jié)論

以華北晉冀蒙交界地震高發(fā)地帶為例，建立了以地震災(zāi)害危險性、承災(zāi)體易損性、防震抗震減災(zāi)能力以及災(zāi)區(qū)環(huán)境穩(wěn)定性等為基礎(chǔ)的地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險預(yù)評估體系，以層次分析法為依托，對研究區(qū)不同震級下的生命損失情況進(jìn)行了預(yù)評估，同時根據(jù)計算結(jié)果，劃分出不同等級的地震災(zāi)害生命損失風(fēng)險分布情況，可為研究區(qū)的抗震減災(zāi)和應(yīng)急工作提供參考。

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作者簡介：

徐小遠(yuǎn)（1985-），女，天津，本科，地震觀測與地震前兆數(shù)據(jù)方向，助理工程師，天津市地震局。

姚蕾，女，單位：天津市地震局。