中国近源地震灾害危险度指数构建

中国近源地震灾害危险度指数构建

随着经济发展的快速发展和城市化进程的加快，中国城市的数量和人口迅速增加。高度密集的城市人口、城市建筑与城市交通,以及快速发展的城市经济,给城市本身也带来了诸多问题;综合管理,特别是生态与环境安全建设提出的新的要求,更对以地震为代表所造成的结构性破坏这一突发性灾害的防御构成了巨大的挑战。我国的城市地震灾害十分严重。我国地震烈度Ⅶ度以上的区域占全国总面积的40%以上。据统计,我国50万人口以上的大中城市共61个,处于地震烈度Ⅶ度以上地区的有33个,占54%,其中100万人以上的特大城市,如北京、乌鲁木齐、西安、海口等大都位于地震烈度Ⅷ度以上的地区内。1695年山西临汾7.75级地震,造成52600多人死亡,毁坏房屋40000多间,汾河两岸的灌溉系统也遭到严重破坏;1976年河北唐山7.8级地震造成24余万人死亡,倒塌房屋700多万间,直接经济损失达100多亿元。对城市地震危险性的研究,越来越受到学术界的关注。美国地震工程研究所认为,地震风险性(earthquakerisk)是地震危险性(致灾因子)(seismichazard)、社会财富(承灾体)(exposure)和脆弱性(vulnerability)三者的乘积。德国灾害管理与风险控制技术中心则认为,除地震致灾因子、承灾体以及脆弱性外,地震危害性还与人们的心理意识(awareness)有关。国内胡聿贤、陈等也阐述了地震危害性、地震危险性和地震易损性之间的关系。尹之潜提出了大城市地震危害性分析的基本框架和城市功能损失的分析方法,为城市灾害地震危险性分析提供了理论框架。杨挺构建了反映地震危险性、承灾体易损性、城市功能和应急恢复能力等的城市局部地震危险性指数,并且分析了上海市地震灾害危害性的空间分布特点。对城市地震灾害孕灾环境和致灾因子的研究也较为普遍。1999年,美国地质调查局对美国加州洛杉矶地区进行了详细的人工地震探测,确定未来可能威胁到洛杉矶市的直下型地震的震源位置。我国实施第七个五年计划(简称“七五”)以来,中国地震局先后组织实施了许多与调查、探测和研究活动断层及其他地震危险性有关的项目,在中国大陆地表活动断层及其相关地震灾害研究方面开展了大量的工作。邓起东、时振梁等对我国城市直下型活动断裂和直下型地震进行了评述,指出了我国城市地震的严重性和广泛性。对城市承灾体的研究更强调从工程学、建筑学和经济学的角度,对城市建筑物等承灾体的易损性进行分析。早在1991年,尹之潜就提出将建筑物的破坏状态划分为5类:完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏。Salazar等和Wllingwood分别对不同高度的钢体建筑物的抗震能力以及同一高度不同水平结构的钢体建筑物的抗震能力进行了研究。Erdik等对日本东京不同高度和规模的建筑物在地震中的损失率进行了研究,并且作出了不同的地震损失率曲线。Ye等根据中国和日本的地震灾害数据,将承灾体的脆弱性分为物理脆弱性、经济脆弱性和社会脆弱性进行了评述。王中宇等以国内生产总值(GDP)为主要指标,进行了中国经济系统的地震易损性分析。基于上述研究,根据灾害系统理论,本文采用中国历史地震数据,对中国城市直下型地震的危险性进行了初步的研究,并构建了中国城市承灾体易损性指数和危险度指数,对中国城市地震的危险度进行了评价,以期为中国城市防震抗震规划与减灾工程建设提供一定的科学依据。1年中国与2001年中国地震相关情况对比本文采用的中国地震数据主要取自《中国历史强震目录(公元前23世纪～公元1911年,M≥4)》、《中国近代地震目录(公元1912-1990年,M≥4.7)》,《中国地震年鉴》(1991～2001年),共得到约4300年来中国地震震中位置、震级大小等地震信息6759条。同时采用中国2000年672个城市的信息(包括香港、澳门两个特别行政区及台湾省的7个城市),根据图1的技术流程,构建了中国城市地震灾害危险度评价指标,并应用MapInfo6.0软件,编制了中国城市近源地震等效震级图、中国地震承灾体易损性指数图和中国城市地震危险度评价图等。2中国城市附近的地震2.1城市近源地震震源在城市附近或者直接在城市下部地壳内的地震,通常被称为城市直下型地震或城市近源地震,这类地震对城市的破坏性最大。本文所指的城市近源地震,主要是指在设定地震(scenarioearthquake)条件下的城市近源地震,即当假设历史上曾经发生过的地震在原地或附近以同样大小的震级再次发生的近源地震。据此理解,根据文献,应用中国历史地震资料,统计各地震震中烈度≥Ⅶ的面积,再根据得到地震影响区的等效半径为30km,这与陈棋福等的研究结果相符。据此,本文中将以城市为中心,30km为半径的范围内发生的地震定义为城市近源地震。S=πR2(1)S=πR2(1)2.2中国城市近源地震的时空分布城市近源地震等效震级的计算,主要通过以下步骤完成:1)按照不同的地震震级,分别统计各个城市发生近源地震的次数Ni(i=4.0,4.1,…,8.6)2)根据震级和能量的经验公式E=101.5Μ+4.8(2)E=101.5M+4.8(2)计算城市近源地震的等效总能量∑E=∑Νi×101.5Μi+4.8(3)∑E=∑Ni×101.5Mi+4.8(3)3)根据式(2),计算城市近源地震等效震级ˉΜ=23(lg∑E-4.8)(4)M¯¯¯¯=23(lg∑E−4.8)(4)根据ˉΜM¯¯¯¯编制中国城市近源地震等效震级图(图2),并得出相应的统计表(表1)。由表1和图2可以看出,我国现有的672个城市中,在过去4300年内发生过震级ˉΜ≥4M¯¯¯¯≥4的近源地震的城市共有281个,占城市总数的41.82%,其中省级城市(包括直辖市、省会城市、特别行政区、自治区首府)22个,占7.83%;地级市90个,占32.03%。发生过6<ˉΜ≤76<M¯¯¯¯≤7的近源地震的城市有61个,占城市总数的9.08%。发生过ˉΜ≥7M¯¯¯¯≥7的近源地震的城市有27个,占城市总数的4.02%,其中三河、临汾、石嘴山等3个城市发生过8级以上的近源地震,唐山、海口、台中等9个城市发生过7.5～8.0级的近源地震。从城市近源地震的空间分布来看,中国城市近源地震有以下几个特征:第一,历史上发生过等效震级ˉΜ≥7M¯¯¯¯≥7,以及6.5≤ˉΜ＜76.5≤M¯¯¯¯＜7地震的城市主要集中在华北地区(包括辽宁省的南部),东南沿海(台湾岛地区、福建东南沿海以及海南和广东交界地区),西北地区(银川——六盘山地区、天山山脉地区)和西南地区(云南省以及四川省南部地区)。这些地区是我国主要的地震带分布地区,因而使得该地区很多城市都发生过等效震级ˉΜ≥6.5M¯¯¯¯≥6.5的近源地震。此外,内蒙古的包头市历史上也发生过等效震级ˉΜ≥7M¯¯¯¯≥7的近源地震。第二,历史上发生过等效震级6.0≤ˉΜ＜6.56.0≤M¯¯¯¯＜6.5的近源地震的城市主要集中在华北地区和云南省。在华北地区,等效震级6.0≤ˉΜ＜6.56.0≤M¯¯¯¯＜6.5的城市比等效震级ˉΜ≥6.5M¯¯¯¯≥6.5的城市的分布范围要大一些,主要向南延伸到安徽的中部以南地区;在云南省,这个范围也往东偏移。第三,华北地区和台湾岛地区,都位于我国主要的地震带,同时也是我国的城市集中分布地区,因而这两个地区的城市近源地震的震级都比较大,而且分布比较密集。而新疆天山山脉地区、西南地区等,由于城市分布相对稀疏,发生过较大震级近源地震的城市分布区不如华北和台湾地区密集。第四,中国历史上发生过近源地震的城市大多位于我国主要的地震带上。这表明城市,尤其是发生过中强地震的城市,其下方存在着潜在震源,在城市抗震设防设计时应特别予以重视,这对进一步研究城市地震具有一定的意义。3城市承灾体易损性指数计算承灾体易损性主要是指在一定强度的致灾因子作用下,造成承灾体的损失程度。对于城市地震灾害承灾体易损性研究,更多的是对某一个区域建筑物易损性的评价。在宏观层次上,建筑物易损性资料很难获取,在此采用2000年中国城市人口密度、单位面积上的城市建成区面积以及单位面积上的城市国内生产总值(下简称地均GDP),来构建城市地震灾害承灾体易损性指数CV。CV表示地震灾害发生时城市承灾体遭受破坏的程度,也体现了地震发生时城市抵抗地震的能力,此值越高,表明城市遭受地震破坏的程度就越大,城市抵抗地震的能力就越小。一般而言,人口密度越大,单位面积上的建成区面积越大,城市承灾体可能遭遇地震破坏的机遇也就越大。对于GDP和地震损失之间的关系,陈棋福等和Chen等认为,对于同样震级的地震,区域GDP越大,地震造成的GDP损失率反而越小。因此认为地均GDP越大,城市建筑物的抗震能力也越强,城市承灾体的易损性也就越小。为此,定义人口密度最大的城市人员受灾伤亡的潜在易损性为1,人口密度最小的城市人员受灾伤亡的潜在易损性为0.1,介于两者之间的通过下列式(5)给出:人口密度潜在易损性VAi=0.1+0.9×Ai-min(A1,A2,A3⋯A672)max(A1,A2,A3⋯A672)-min(A1,A2,A3⋯A672)(5)人口密度潜在易损性VAi=0.1+0.9×Ai−min(A1,A2,A3⋯A672)max(A1,A2,A3⋯A672)−min(A1,A2,A3⋯A672)(5)可以同样方法,计算出单位面积上建成区面积的潜在易损性VBi。而对于地均GDP的潜在易损性,则可通过下列式(6)计算得出:地均GDΡ潜在易损性VCi=1-0.9×Ci-min(C1,C2,C3⋯C672)max(C1,C2,C3⋯C672)-min(C1,C2,C3⋯C672)(6)地均GDP潜在易损性VCi=1−0.9×Ci−min(C1,C2,C3⋯C672)max(C1,C2,C3⋯C672)−min(C1,C2,C3⋯C672)(6)通过自相关分析方法,对城市人口密度、单位面积上的建成区面积和地均GDP标准化后进行分析,得出三者与均值之间的偏相关系数分别为0.7680,0.9278和0.9067,以偏相关系数作为基础,对VA,VB,VC这3个指标分配权重,得到这三个指标的权重分别为0.295,0.357和0.348,据此可计算城市承灾体易损性指数CV,即CV=0.295VA+0.357VB+0.348VC,并作出相应的城市承灾体易损性指数图(图3)。从图3中可以看出,中国城市地震灾害承灾体指数有以下5个特征:第一,CV值在0.46以上的城市共有85个,占城市总数的12.65%,其中省级城市14个,占16.47%,地级市65个,占76.47%。第二,CV值在0.43～0.46之间的城市有119个,占城市总数的17.7%,其中省级城市和地级市96个,占80.67%。这些城市不仅人口密度和地均建成区面积相对较大,且地均GDP相对较小,使得CV值较大。第三,CV值大于等于0.43的城市主要集中在辽宁西南部、华北地区、安徽与江苏中北部、台湾岛地区,以及广东、江西等省的部分地区。第四,CV值在0.42以下的城市,主要集中在东北的黑龙江、长春,西北的甘肃、新疆,西南的云南,以及东南沿海的浙江、福建和海南等地区。东北、西北、西南地区的城市主要由于城市的人口密度、单位面积的建成区面积相对较小,而东南沿海的城市主要由于城市地均GDP相对较大,从而使得CV值较小。第五,CV值较大的城市分布与中国的城市群、城市带的空间分布并不一致,这突出表现在长江三角洲和珠江三角洲地区。4城市地震危险度从灾害系统角度来看,城市地震灾害常常受多种因素影响,既有地震致灾因素的影响,也有城市防灾抗灾能力因素的影响。对于地震灾害的致灾因子,主要指发生一定震级大小的地震的可能性,文中引入设定地震的概念后,即地震发生的可能性恒为“1”,故在构建城市地震危险性指数时,以ˉΜM¯¯¯¯表示致灾因子指数。本文中,城市地震危险度指数也相应定义为WX=ˉΜ×Cv,并根据WX值编制了中国城市危险度指数评价图(图4)。评价结果表明:第一,唐山、邯郸、新乡、石嘴山、喀什市、台北等10个城市的WX值在3.5以上,这些城市除喀什,高雄以及澳门特别行政区外,都发生过等效震级7级以上的地震,同时这些城市的CV值也大,都在0.46以上,表示这些城市具有极大的地震危险度。第二,WX值在3.0～3.5之间的城市有太原、包头、海城、汕头、海口、琼山、西昌、玉溪、华阴、兰州、乌鲁木齐、基隆等27个,占城市总数的4.7%。这些城市中,90%历史上都发生等效震级6.5级以上的地震,其CV值大都在0.43以上。第三,WX值在2.5～3.0之间的城市有79个,占城市总数的11.8%,主要集中分布在华北地区、江苏南部、安徽中部、福建广东沿海、云南以及新疆天山山脉地区。第四,地震灾害WX值在3.0以上的城市,具有较大的地震灾害危险度,这些城市应作为防震减灾的重点城市。5区域地震风险的点线面特征(1)利用多达6759条历史地震信息,编制了中国城市近源地震等效震级分布图。结果表明,在公元前23世纪至公元2000年共约4300年间,我国发生过等效震级ˉΜ≥4的近源地震的城市共有281个,占城市总数的41.82%,其中三河、临汾、石嘴山3个城市发生过8级以上的近源地震,唐山、海口、台中等9个城市发生过7.5～8.0级的近源地震。华北地区、台湾岛、福建东南沿海、银川—六盘山地区、天山山脉地区和云南省等地区,不仅很多城市历史上发生过中强近源地震,而且这些地区城