遼寧省海城市地震災(zāi)害預(yù)評估精細(xì)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(zāi)害最嚴(yán)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(yán)重的潛在地震災(zāi)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(biāo)急速升高,多齡期建筑分布密集,高層及大跨空間等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系大量涌現(xiàn),基礎(chǔ)設(shè)施與生命線工程日益復(fù)雜,經(jīng)濟和社會活動日趨繁多,致使城市地震災(zāi)害風(fēng)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(yán)重的社會影響[2]。在同一省份、同一衰減關(guān)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(yuǎn)。由此可見,單純依靠公式推導(dǎo)盲估在多數(shù)地區(qū)正確率較低,需加入人工干預(yù)修正,便于后續(xù)根據(jù)調(diào)研結(jié)果修正快速評估結(jié)果過大的差異。

地震損失預(yù)評估是地震應(yīng)急的基礎(chǔ),地震災(zāi)情損失預(yù)評估是在震前將各類震后需評估的應(yīng)急災(zāi)情信息,如建筑物震害損失、人口傷亡、經(jīng)濟損失等相關(guān)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(yù)評估準(zhǔn)確性是災(zāi)前評估的重點,影響預(yù)評估結(jié)果準(zhǔn)確性有多方面因素,其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精確度較低是制約預(yù)評估結(jié)果準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zāi)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(dǎo)致范圍過大,數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確就會影響后續(xù)預(yù)評估結(jié)果的準(zhǔn)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(jié)合地形地貌、氣候等自然地理因素可實現(xiàn)對地震災(zāi)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(xué)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(zhǔn)確地記錄數(shù)據(jù)分布現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上,面積權(quán)重法更接近實際情況。目前格網(wǎng)級精細(xì)化預(yù)評估已在江蘇、四川等地進行試點應(yīng)用。2013年甘肅某縣6.6級地震利用當(dāng)?shù)厝丝诠锔窬W(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來計算因地震而導(dǎo)致的壓埋人員分布,結(jié)合甘肅省人口公里格網(wǎng)數(shù)據(jù),將評估結(jié)果與實際現(xiàn)狀分布進行比較分析,結(jié)果表明,改進后的方法使評估結(jié)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(xì)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(dāng)?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(zāi)害預(yù)評估精細(xì)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(quán)重法而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)分配錯誤,可確保災(zāi)情評估結(jié)果的有效性[8]。為了加快評估結(jié)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(yù)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(jié)合人員傷亡評估模型等迅速得出傷亡及經(jīng)濟損失預(yù)期情況[9]。精細(xì)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(xì)化程度與計算時間成正比。假使可以預(yù)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(yīng)急力量集中于輔助震后科學(xué)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(chǔ)數(shù)據(jù)并統(tǒng)一口徑作為后續(xù)損失結(jié)果計算基礎(chǔ)。采用30″格網(wǎng)單元作為地震災(zāi)害損失預(yù)評估精細(xì)化的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(dāng)?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(fù)核數(shù)據(jù)。計算有效像元中不同建筑物結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確性。

1.3 利用地震影響場模型計算損失與結(jié)果精細(xì)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(jié)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(shè)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(shè)定為60°和120°兩檔。利用加權(quán)算法解決各像元與活動斷裂距離因遠(yuǎn)近差異而導(dǎo)致的計算結(jié)果不準(zhǔn)確問題。

1.4 產(chǎn)出震害損失評估數(shù)據(jù)庫與精細(xì)化預(yù)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(jié)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(yù)評估Fig.1 Urban earthquake pre-assessment

2 結(jié)論與展望

以海城市為例,探索地級市的地震損失精細(xì)化評估方法,與之前方法相比,縮小了空間范圍內(nèi)精細(xì)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(jié)構(gòu)類型、人口要素分布無差別計算而造成的誤差,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精細(xì)化使預(yù)評估結(jié)果準(zhǔn)確性大幅提高,使輔助決策支持更為科學(xué)、合理。

格網(wǎng)級精細(xì)化預(yù)評估面向人工智能技術(shù),是對以往評估方法不足的一種補充及完善,精細(xì)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(yīng)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(jié)果分配至每個像元,對相似地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、房屋建設(shè)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(xì)化預(yù)評估工作,形成可支撐災(zāi)害損失預(yù)評估的基礎(chǔ)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(xué)精準(zhǔn)的依據(jù)。