夏朝旭 聶高眾 李華玥 范熙偉 周軍學(xué)
1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所,北京 100029 2)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045 3)廣西壯族自治區(qū)地震局,南寧 530022
中國(guó)地震具有頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣的特點(diǎn),同時(shí),由于人口基數(shù)大、密度高、分布不均勻性等原因,導(dǎo)致我國(guó)由于地震災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失更加巨大,人員傷亡也更加嚴(yán)重。如何最大限度地減少人員傷亡損失、降低地震死亡率,成為一個(gè)普遍關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題和重要的研究方向。準(zhǔn)確的人員死亡數(shù)量的評(píng)估結(jié)果是制定震后應(yīng)急響應(yīng)的關(guān)鍵和開(kāi)展一切工作的基礎(chǔ)。
基于此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了地震人員死亡率的相關(guān)研究,傅征祥等(1993)基于歷史震例數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征,運(yùn)用概率論方法預(yù)測(cè)了華北地區(qū)未來(lái)地震人員死亡水平的趨勢(shì); 周雍年等(1999)對(duì)我國(guó)社會(huì)可接受的地震死亡率進(jìn)行了研究; 程家喻等(1993)對(duì)唐山地震人員死亡率與房屋倒塌率的相關(guān)性進(jìn)行了分析研究; 李海華(1987)通過(guò)對(duì)近20年的地震災(zāi)害最大傷亡率的分析,給出了定量估計(jì)人員傷亡率的經(jīng)驗(yàn)性判據(jù); 王艷茹等(2009)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了汶川地震中不同區(qū)域的人員死亡率的分布情況; 楊杰英等(2007)基于200余次地震數(shù)據(jù),分析了地震三要素對(duì)于人員傷亡率的影響; 白仙富等(2014)對(duì)彝良地震不同烈度人員死亡率進(jìn)行了研究; Wu等(2015)基于歷史地震數(shù)據(jù),構(gòu)建了中國(guó)東部和西部的人員死亡率與烈度曲線(xiàn),用于開(kāi)展人員傷亡的評(píng)估,并取得了較好的評(píng)估結(jié)果。
但由于目前關(guān)于人員死亡率的研究主要基于地震統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),而對(duì)不同烈度人員死亡率的特征關(guān)系并未開(kāi)展深入研究,因此,本文主要針對(duì)不同烈度內(nèi)的人員死亡率開(kāi)展研究,獲得人員死亡率的分布特征、變化趨勢(shì)及與烈度的相互關(guān)系等,以期能夠基于人員死亡率對(duì)人員死亡評(píng)估方法進(jìn)行進(jìn)一步研究。
依據(jù)《1966—1989年中國(guó)地震災(zāi)害損失資料匯編》《中國(guó)大陸地震災(zāi)害損失評(píng)估匯編(1990~1995)》《中國(guó)大陸地震災(zāi)害損失評(píng)估匯編(1996~2000)》《2001—2005年中國(guó)大陸地震災(zāi)害損失評(píng)估匯編》《2006—2010年中國(guó)大陸地震災(zāi)害損失評(píng)估匯編》等(中國(guó)地震局震災(zāi)應(yīng)急救援司,2010、2015a、2015b; 國(guó)家地震局等,1996; 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司,2001)進(jìn)行歷史震例數(shù)據(jù)的收集,同時(shí)參考了部分學(xué)者關(guān)于地震人員死亡統(tǒng)計(jì)的相關(guān)資料(周瑞琦等,1993; 韓新民等,1996; 蔡華昌等,1998; 蘇幼坡等,2006; 李永強(qiáng)等,2007、2010a、2010b; 李永強(qiáng),2009; 李兆隆等,2015; 張彥琪等,2015; 代博洋等,2016),總結(jié)出歷史震例數(shù)據(jù)共121條,數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括地震的時(shí)間、地點(diǎn)、震級(jí)、死亡人數(shù)等。其中,烈度人員死亡率主要根據(jù)災(zāi)評(píng)報(bào)告中給出的死亡人數(shù)和人口數(shù)量來(lái)計(jì)算但由于歷史條件的限制,一些地震的各個(gè)烈度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并不完善和統(tǒng)一,分以下2種情況,一種為基于地震烈度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),人員死亡率的計(jì)算主要根據(jù)烈度死亡人數(shù)和人口數(shù)量進(jìn)行計(jì)算; 另一種主要是基于行政單元的人口數(shù)量和死亡人數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),此類(lèi)數(shù)據(jù)主要基于各個(gè)行政單元所在烈度范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算,同時(shí)也參考部分學(xué)者給出的地震各個(gè)烈度人員死亡率的數(shù)值,如汶川地震等。去除這些地震數(shù)據(jù)后,共余60條歷史震例數(shù)據(jù)用于本文的研究,如表1 所示。
本文收集的歷史地震位于云南省、四川省、甘肅省、河北省、新疆維吾爾自治區(qū)和西藏自治區(qū)等地,其中,5.5級(jí)及以下地震16次,5.5~5.9級(jí)地震12次,6.0~6.9級(jí)地震23次,7.0~7.9級(jí)地震8次,8.0級(jí)以上地震1次,從地震的位置分布和震級(jí)的數(shù)量分布來(lái)看,烈度與人員死亡率之間的關(guān)系能夠反應(yīng)出我國(guó)烈度人員死亡率的基本特征。
一般而言,地震烈度主要受震級(jí)大小的影響,而為了獲得震級(jí)與烈度人員死亡率的相互關(guān)系,首先要基于震級(jí)和死亡人數(shù)進(jìn)行回歸擬合分析,基于本文的數(shù)據(jù),我們認(rèn)為MW4.0以下的地震不造成人員死亡,對(duì)于MW4.0以上的地震,地震死亡人數(shù)為增函數(shù),因此本文基于二次多項(xiàng)式方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,獲得死亡人數(shù)與震級(jí)的擬合關(guān)系式,即
C=21.41-7.46M+0.64M2
(1)
其中,C為死亡數(shù)量,M為震級(jí)。
圖1為地震死亡人數(shù)與震級(jí)分布關(guān)系,如圖1所示,從基于歷史地震震級(jí)和死亡數(shù)量的分布與擬合來(lái)看,擬合結(jié)果R2=0.606,sig=0.000,模型的有效性顯著,說(shuō)明震級(jí)和死亡人數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,死亡人數(shù)隨震級(jí)的增加而呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),當(dāng)MW<6.0時(shí),死亡人數(shù)隨震級(jí)的增加趨勢(shì)相對(duì)較為緩慢,而MW>6.0時(shí),死亡人數(shù)出現(xiàn)了較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),震級(jí)越高,死亡人數(shù)增長(zhǎng)越快。從震級(jí)的分布來(lái)看,有人員死亡的地震震級(jí)主要集中分布在6.0 圖1 地震死亡人數(shù)與震級(jí)分布關(guān)系 表2為歷史地震中各烈度人員死亡比例情況,如表2 所示,由于存在多次地震僅在某一個(gè)烈度有人員死亡數(shù)據(jù),因此,本文僅對(duì)有多個(gè)烈度死亡數(shù)據(jù)的部分地震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,研究發(fā)現(xiàn)死亡人數(shù)集中分布在每次地震的極震區(qū)范圍內(nèi)(聶高眾等,2018),在烈度小于Ⅷ度區(qū)域范圍內(nèi)的死亡人數(shù)占該次地震全部死亡人數(shù)的比例集中在30%以下,而烈度大于Ⅷ度區(qū)域范圍內(nèi)的死亡人數(shù)占比在50%以上,尤其是烈度大于Ⅹ度區(qū)域范圍內(nèi)的死亡人數(shù)占比達(dá)70%以上。 表2 歷史地震中各烈度人員死亡比例情況 圖2為各個(gè)烈度內(nèi)人員死亡率分布概率,如圖2所示,我們對(duì)各地震各個(gè)烈度內(nèi)的人員死亡率進(jìn)行了概率統(tǒng)計(jì)分析,從人員死亡率95%的置信區(qū)間的正態(tài)分布來(lái)看,各個(gè)烈度內(nèi)的人員死亡率分布呈現(xiàn)出相似的規(guī)律,尤其是在Ⅸ度以下的區(qū)域內(nèi),人員死亡率的分布相對(duì)較為集中(小于0.05),而由于Ⅸ度以上區(qū)域的地震數(shù)據(jù)較少,分析不具有代表性,本文僅對(duì)Ⅹ~Ⅺ度區(qū)域的人員死亡率數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,如表3 所示。 注:藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn)代表各個(gè)烈度的人員死亡率數(shù)據(jù)值,紅線(xiàn)代表擬合結(jié)果的95%的置信區(qū)間分布范圍圖2 各個(gè)烈度內(nèi)人員死亡率分布概率 表3 各個(gè)烈度區(qū)域人員死亡率統(tǒng)計(jì)值 其中,Ⅹ度區(qū)域人員死亡率均值為0.12860000,標(biāo)準(zhǔn)差為0.04443000,Ⅺ度區(qū)域人員死亡率均值為0.23210000,標(biāo)準(zhǔn)差為0.01709000,而Ⅵ~Ⅸ度區(qū)域的人員死亡率均值分別為0.00008422、0.00040170、0.00366100、0.01655000,各個(gè)烈度的AD值(平均偏差)較小,P值(概率值,代表參數(shù)估計(jì)的精準(zhǔn)度,一般小于0.1均可,越小越好)小于0.005,在0.00下顯著,即在震級(jí)不同的情況下,處于同一烈度范圍內(nèi)的人員死亡率仍然存在一定的規(guī)律,各個(gè)烈度人員死亡率分布相對(duì)集中。根據(jù)各個(gè)烈度人員死亡率的概率分布發(fā)現(xiàn),各個(gè)烈度人員死亡率的分布區(qū)間相對(duì)固定,如Ⅺ度區(qū)域的人員死亡率分布區(qū)間在0.2~0.25之間,Ⅹ度區(qū)域的人員死亡率分布區(qū)間為0.05~0.15,而對(duì)于烈度Ⅸ~Ⅴ區(qū)域而言,人員死亡率的均值均小于0.02,人員死亡率的分布區(qū)間相對(duì)集中,每個(gè)烈度有其單獨(dú)的死亡率分布區(qū)間范圍,能夠較好地反應(yīng)各個(gè)烈度內(nèi)的人員死亡率分布情況,因此,我們對(duì)各個(gè)烈度人員死亡率均值之間的倍數(shù)關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)相鄰烈度人員死亡率的均值呈現(xiàn)出倍數(shù)關(guān)系,如表4 所示。 表4 相鄰烈度人員死亡率均值倍數(shù)統(tǒng)計(jì)值 以各個(gè)烈度人員死亡率均值為基礎(chǔ)獲得相鄰烈度人員死亡率的倍數(shù)關(guān)系,其中,Ⅵ~Ⅶ度區(qū)域死亡率相差倍數(shù)為4.76965,Ⅶ~Ⅷ度區(qū)域?yàn)?.11377倍,Ⅷ~Ⅸ度區(qū)域?yàn)?.52062倍,Ⅸ~Ⅹ度區(qū)域?yàn)?.77039倍,Ⅹ~Ⅺ度區(qū)域?yàn)?.80482倍,各個(gè)烈度倍數(shù)均值為5.596,標(biāo)準(zhǔn)差為2.886,即相鄰烈度內(nèi)的人員死亡率均值存在一定的倍數(shù)關(guān)系,一般在4~10倍之間,其中Ⅹ~Ⅺ度區(qū)域由于僅有2次地震數(shù)據(jù)作為對(duì)比,實(shí)際上其倍數(shù)關(guān)系并不具有代表性。由于震級(jí)等的不同,造成分烈度人員死亡率會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)性,使得基于人員死亡率均值的4~10倍的區(qū)間范圍并不能夠完全代表烈度與人員死亡率的關(guān)系,需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行烈度與人員死亡率的相關(guān)性分析。 如前文所述,各個(gè)相鄰烈度人員死亡率均值存在6倍左右的倍數(shù)關(guān)系,因此,以本文各個(gè)烈度人員死亡率為基礎(chǔ),進(jìn)行相鄰烈度人員死亡率的倍數(shù)關(guān)系分析,由于本文收集到的歷史地震數(shù)據(jù)中有多次地震僅有某烈度的人員死亡率數(shù)據(jù),造成部分地震不能計(jì)算相鄰烈度的死亡率倍數(shù)關(guān)系,因此,我們按照各個(gè)烈度人員死亡率平均值進(jìn)行了部分歷史震例數(shù)據(jù)的補(bǔ)全計(jì)算,如云南大姚地震僅有Ⅶ度區(qū)域有人員死亡率數(shù)據(jù),基于Ⅵ度區(qū)域人員死亡率平均值數(shù)據(jù)進(jìn)行倍數(shù)計(jì)算,這樣就能確保每個(gè)地震都有2個(gè)以上烈度的人員死亡率數(shù)據(jù)。同時(shí),一般情況下V度區(qū)域人員死亡率數(shù)據(jù)為0,因此,我們選擇Ⅵ度區(qū)不參與倍數(shù)統(tǒng)計(jì),這樣就可以獲得Ⅵ~Ⅶ、Ⅶ~Ⅷ、Ⅷ~Ⅸ、Ⅸ~Ⅹ、Ⅹ~Ⅺ等5組相鄰烈度人員死亡率之間的倍數(shù)關(guān)系,如表5所示。 表5 Ⅵ~Ⅺ度區(qū)域相鄰烈度人員死亡率均值倍數(shù)統(tǒng)計(jì)值 結(jié)果發(fā)現(xiàn),相對(duì)于人員死亡率均值的倍數(shù)關(guān)系的區(qū)間范圍,各個(gè)相鄰烈度的人員死亡率倍數(shù)關(guān)系特征并沒(méi)有出現(xiàn)大的變化,Ⅵ~Ⅶ度區(qū)域人員死亡率相差倍數(shù)為9.102,標(biāo)準(zhǔn)差為7.803;Ⅶ~Ⅷ度區(qū)域人員死亡率相差倍數(shù)為11.71,標(biāo)準(zhǔn)差為6.55; 而Ⅷ~Ⅸ度區(qū)域、Ⅸ~Ⅹ度區(qū)域和Ⅹ~Ⅺ度區(qū)域的人員死亡率倍數(shù)關(guān)系分別為5.219、5.26、2.298,則相鄰烈度人員死亡率的倍數(shù)均值為6.718,標(biāo)準(zhǔn)差為3.692; 而由于Ⅸ度區(qū)域以上數(shù)據(jù)較少,我們計(jì)算了Ⅸ度區(qū)域以下人員死亡率倍數(shù)均值為8.677,標(biāo)準(zhǔn)差為3.266。相鄰烈度的人員死亡率的倍數(shù)關(guān)系相對(duì)較為明顯,按照95%的置信區(qū)間估計(jì),各個(gè)烈度人員死亡率的倍數(shù)的分布范圍主要集中在2~20之間,其中,Ⅹ度以下區(qū)域的相鄰烈度之間的倍數(shù)分布相對(duì)較為集中; 而Ⅹ~Ⅺ度區(qū)域的人員死亡率倍數(shù)關(guān)系要遠(yuǎn)大于其他區(qū)域,由于歷史震例數(shù)據(jù)中最高烈度為Ⅺ的地震相對(duì)較少,可能會(huì)影響最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。按照倍數(shù)均值來(lái)看,不論是高烈度區(qū)域還是低烈度區(qū)域,各烈度人員的死亡率倍數(shù)均處在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。 圖3為各相鄰烈度人員死亡率倍數(shù)分布頻率直方圖,通過(guò)對(duì)各個(gè)相鄰烈度人員死亡率倍數(shù)關(guān)系的頻率分布統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),各個(gè)相鄰烈度的倍數(shù)分布區(qū)間范圍相對(duì)集中,一般在3~16之間,各個(gè)烈度人員死亡率倍數(shù)相差不大,Ⅹ度區(qū)域以下的分布更為集中,變化趨勢(shì)也相對(duì)較為接近。相鄰烈度之間人員死亡率倍數(shù)一般在10左右,其中低烈度人員死亡率之間的倍數(shù)關(guān)系更偏向集中于大于10的范圍內(nèi),而對(duì)于Ⅸ度以上的高烈度區(qū)域,倍數(shù)分布更偏向于小于10的范圍,即各個(gè)相鄰烈度的人員死亡率之間一般存在著1個(gè)數(shù)量級(jí)的倍數(shù)關(guān)系,隨著烈度的增加,人員死亡率增加,總體上兩者之間存在著正相關(guān)關(guān)系。 圖3 各相鄰烈度人員死亡率倍數(shù)分布頻率直方圖 由于人員死亡率與地震烈度、地震烈度與震級(jí)之間都存在著正相關(guān)關(guān)系,整體上,人員死亡率與烈度和震級(jí)等因素呈現(xiàn)出了廣義的線(xiàn)性關(guān)系。因此,我們選取地震震級(jí)、烈度、地震發(fā)生時(shí)間等因素作為烈度人員死亡率的影響因素進(jìn)行了相關(guān)性分析,結(jié)果如表6 所示。 表6 地震人員死亡率影響因素相關(guān)性分析 各個(gè)影響因素與人員死亡率的pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.637、0.313、0.06和0.045,其中,人員死亡率與烈度的pearson相關(guān)系數(shù)為0.637,在0.01水平上顯著相關(guān),即人員死亡率的分布受烈度的影響最大,其次為震級(jí),相關(guān)系數(shù)為0.313,在0.01水平上顯著相關(guān),但相對(duì)于烈度而言,相關(guān)性顯著降低,可能的原因是本文選取的60次地震的震級(jí)差別較大,分布并不均勻,而地震發(fā)生時(shí)間和震源深度對(duì)于人員死亡率的相關(guān)系數(shù)分別為0.045和0.06,相關(guān)性較弱。因此,本文選取地震震級(jí)和烈度作為擬合因素進(jìn)行擬合分析,構(gòu)建了基于震級(jí)和烈度的人員死亡率擬合模型 RI=-0.005+1.245×10-11M10.13×I-1.42 (2) 其中,RI為人員死亡率;I為地震烈度,范圍為Ⅵ~Ⅺ;M為震級(jí)。 擬合結(jié)果中的相關(guān)系數(shù)R為0.9309,R2為0.8667,RMSE為0.0172,SSE為0.037,擬合結(jié)果相對(duì)較好,也說(shuō)明基于震級(jí)和烈度數(shù)據(jù)能夠獲得某一烈度內(nèi)的人員死亡率。 本文通過(guò)收集到的歷史地震數(shù)據(jù)中的死亡人數(shù)進(jìn)行了人員死亡率的相關(guān)分析,地震震級(jí)以5.5~7.5級(jí)為主,震級(jí)的分布特征相對(duì)較為明顯,從獲取的資料可以看到,一般6級(jí)以上的地震容易造成人員的死亡,尤其是我國(guó)西部地區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)較高,建筑物水平也相對(duì)較差,在震后造成人員死亡的可能性較高,從本文收集到的數(shù)據(jù)來(lái)看,云南省、四川省是地震造成人員死亡的主要區(qū)域。 通過(guò)每個(gè)地震各個(gè)烈度的死亡人數(shù)可以看到,各個(gè)烈度的死亡人數(shù)差別較大,人員死亡主要集中在每次地震的極震區(qū)范圍內(nèi),該區(qū)域內(nèi)的死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的比例一般在60%以上。一般而言,地震中造成人員死亡的區(qū)域主要為Ⅷ、Ⅸ度區(qū)域,而烈度較小的區(qū)域死亡率相對(duì)較低??傮w而言,死亡人數(shù)與震級(jí)呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。 從各個(gè)烈度的人員死亡率的累積分布區(qū)間來(lái)看,各個(gè)烈度的人員死亡率分布具有明顯的特征,每一個(gè)烈度的人員死亡率有其單獨(dú)的分布區(qū)間,如烈度Ⅺ區(qū)域的人員死亡率均值為0.23210000,分布區(qū)間為0.2~0.25,Ⅹ區(qū)域人員死亡率為0.12860000,分布區(qū)間為0.05~0.15, 而對(duì)于烈度為Ⅸ~Ⅵ區(qū)域而言,人員死亡率的均值均小于0.02,人員死亡率的分布區(qū)間相對(duì)集中,相鄰烈度區(qū)域內(nèi)的人員死亡率也存在一定的規(guī)律性,總的來(lái)說(shuō),相鄰烈度的人員死亡率均值相差5.5倍左右,而通過(guò)對(duì)相鄰烈度人員死亡率倍數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)倍數(shù)呈現(xiàn)出了數(shù)量級(jí)的關(guān)系,總體的區(qū)間范圍處于3~16之間,對(duì)于VI~Ⅹ度區(qū)域而言,低烈度人員死亡率之間的倍數(shù)關(guān)系更偏向集中于大于10倍的范圍內(nèi),高烈度區(qū)域倍數(shù)分布更偏向于小于10倍的范圍,即相鄰烈度的人員死亡率與烈度呈現(xiàn)出了廣義線(xiàn)性關(guān)系,基于此種分布特征,能夠開(kāi)展基于人員死亡率的相關(guān)研究工作。 而通過(guò)地震烈度、震級(jí)、震源深度和發(fā)震時(shí)間與人員死亡率的相關(guān)系分析發(fā)現(xiàn),烈度和震級(jí)與死亡率的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.637和0.313,相關(guān)性較高,基于烈度和震級(jí)進(jìn)行了擬合分析,構(gòu)建了基于震級(jí)和烈度的人員死亡率模型,擬合結(jié)果中的相關(guān)系數(shù)R為0.9309,R2為0.8667,RMSE為0.0172,SSE為0.037,擬合結(jié)果相對(duì)較好,說(shuō)明基于震級(jí)和烈度數(shù)據(jù)能夠獲得某一烈度內(nèi)的人員死亡率。 通過(guò)對(duì)歷史震例中烈度人員死亡率的統(tǒng)計(jì)和分析,發(fā)現(xiàn)相鄰烈度具有數(shù)量級(jí)的倍數(shù)關(guān)系,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于震級(jí)和烈度的人員死亡率模型,實(shí)際上,通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)了相鄰烈度人員死亡率的倍數(shù)關(guān)系,能夠?yàn)楹罄m(xù)的基于分烈度人員死亡率的人員死亡評(píng)估方法提供參考。 由于本文僅收集到60次有人員死亡的歷史地震數(shù)據(jù),且由于震級(jí)大小的不同,造成了不同烈度內(nèi)的人員死亡率的數(shù)量并不完全相同,因此,可能對(duì)最終的倍數(shù)范圍造成一定的影響,需在積累到更多震例數(shù)據(jù)后,對(duì)研究進(jìn)行完善。2.2 烈度與死亡率相關(guān)性分析
2.3 地震人員死亡率模型
3 討論與結(jié)論