吳凡,汪明,劉寧
(1.上海交通大學(xué)船建學(xué)院安全與防災(zāi)工程研究所,上海200240;2.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100875;3北京師范大學(xué)民政部/教育部減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京100875)
近年中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,人民生活得到了極大的提高。但自2000年后印度洋及澳大利亞板塊活動頻繁,引發(fā)了亞太地區(qū)一系列的強(qiáng)震。如2011年的日本9級大地震和中國近年一系列的地震,以及由此引發(fā)的一系列次生災(zāi)害如滑坡、海嘯等。如何對自然災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,制定相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)對措施,或在災(zāi)害發(fā)生時(shí)迅速評估破壞程度以減輕各方損失和影響,已成為政府有關(guān)部門和保險(xiǎn)行業(yè)的重要議題。美國在這方面經(jīng)過多年的發(fā)展,已研發(fā)了有關(guān)的模型,并積累了相當(dāng)?shù)膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn),或可為中國借鑒。
美國的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型始于美國西海岸地區(qū)。美國西海岸屬于地震頻繁地帶,如舊金山地區(qū)和洛杉磯地區(qū),這些地區(qū)人口眾多,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。美國政府和機(jī)構(gòu)投入了大量的人力財(cái)力,用于地震預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評估及災(zāi)害防御,并由此衍生了一系列對地震等自然災(zāi)害進(jìn)行損失和風(fēng)險(xiǎn)評估的模型和商業(yè)產(chǎn)品。這些模型及商業(yè)產(chǎn)品根據(jù)其用途通??煞譃閮纱箢悾活愂菫檎畽C(jī)構(gòu)用于防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃,為工程項(xiàng)目提供建筑物的地震評估和結(jié)構(gòu)加固,另一類是為保險(xiǎn)公司估算保險(xiǎn)損失和費(fèi)率厘定提供科學(xué)依據(jù)。
這些模型建立在有關(guān)地震的研究成果之上,如對地震震源及地震動衰減方式的研究、對土壤土質(zhì)在地震條件下的性能研究、對各種結(jié)構(gòu)物在地震災(zāi)害下的破壞反應(yīng)等。這些成果結(jié)合了地震動力學(xué)、結(jié)構(gòu)(動)力學(xué)、土動力學(xué)和地理學(xué)等多方面的專業(yè)知識。模型將這些成果有機(jī)地組織在一起,并進(jìn)行量化,從而評估出建筑物在不同地震場景中可能產(chǎn)生的損失。由于用途不同,模型的側(cè)重點(diǎn)也不同,如用于工程評估的模型偏重于結(jié)構(gòu)工程的分析,而用于保險(xiǎn)的模型則有很多對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)概率的運(yùn)用。通常地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型會包含下列幾個(gè)關(guān)鍵的模塊:致災(zāi)因子模塊,用于分析潛在地震的地理地質(zhì)數(shù)據(jù),包括震源相關(guān)屬性;孕災(zāi)環(huán)境模塊,包括不同區(qū)域的地震衰減關(guān)系、地震波途徑的土壤地質(zhì)及建筑物所在地的土壤地質(zhì)等;承災(zāi)體模塊,用于管理風(fēng)險(xiǎn)評估的對象及其屬性,如建筑物結(jié)構(gòu)類型、空間分布、價(jià)值等;易損性模塊,用于計(jì)算在給定致災(zāi)因子強(qiáng)度下的承災(zāi)體的破壞,包括建筑結(jié)構(gòu)、生命線結(jié)構(gòu)、財(cái)產(chǎn)、商業(yè)中斷等的損失和破壞;金融模塊,用于將承災(zāi)體損失轉(zhuǎn)化為金融保險(xiǎn)行業(yè)的損失,通常為保險(xiǎn)損失,即(再)保險(xiǎn)公司需承擔(dān)的金額,一般只存在金融保險(xiǎn)的模型中。圖1是美國地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型的流程示意圖,其中,致災(zāi)因子模塊及孕災(zāi)環(huán)境模塊構(gòu)成地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型中的災(zāi)害模型。通過這一流程,并考慮所有可能出現(xiàn)的地震事件,最終可評估出承災(zāi)體以及保險(xiǎn)行業(yè)所面臨的地震損失風(fēng)險(xiǎn)。對于工程的評估模型通常只評估到承災(zāi)體的損失,而不再運(yùn)用金融模塊對保險(xiǎn)行業(yè)的損失作進(jìn)一步評估。本文根據(jù)美國現(xiàn)有的評估模型,介紹其歷史發(fā)展和各類模型的特點(diǎn),重點(diǎn)介紹地震災(zāi)害模型即致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境模塊的建模方法。
圖1 美國地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型示意圖
最初的地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型,由創(chuàng)立于Stanford大學(xué)的RMS Inc.在1985推出,是名為IRAS的商業(yè)化專家模型,至今,各類模型在美國已經(jīng)發(fā)展了20多年。較早開發(fā)的商業(yè)模型一般用于保險(xiǎn)業(yè),如RMS Inc,AirWorld和EQECat推出的商業(yè)軟件。1995年,美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局(FEMA)研發(fā)了非營利性的地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型軟件HAZUS,主要用于建筑結(jié)構(gòu)的地震工程評估及加固,類似的軟件還有由建筑公司研發(fā)的工程用商業(yè)軟件,如Risk Engineering Inc.,URS公司等。由于服務(wù)對象不同,這兩類模型的研發(fā)方式存在很大不同,除了圖1中所述的流程上的差異,其易損性模型的構(gòu)建也有很大的不同。
用于保險(xiǎn)行業(yè)的地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型,其建筑物的易損性模型大多基于美國政府研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的地震損失報(bào)告ATC-13[1]。它概括了當(dāng)時(shí)科學(xué)家在地震領(lǐng)域較詳細(xì)的研究成果,包括有關(guān)地震災(zāi)害的詳盡數(shù)據(jù)、不同建筑結(jié)構(gòu)的地震易損性數(shù)據(jù)以及商業(yè)中斷等的地震損害數(shù)據(jù)等。盡管此報(bào)告只有很多分類的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),卻是土木行業(yè)的第一份針對建筑結(jié)構(gòu)地震損失評估的系統(tǒng)性分析及總結(jié)的報(bào)告,提供了地震評估的指南及標(biāo)準(zhǔn),也是近年科學(xué)家致力推廣的功能性地震工程方法的雛形。
商業(yè)公司如RMS Inc等的地震風(fēng)評模型大多依據(jù)ATC-13提供的建筑結(jié)構(gòu)的地震損失數(shù)據(jù),并結(jié)合保險(xiǎn)公司大量的歷史賠償數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)數(shù)值回歸的方法,研發(fā)了一系列易損性函數(shù)(曲線),這些模型一直沿用至今。
1995年FEMA推出了HAZUS之后,近年更新使用的地震模型中,其易損性模型部分運(yùn)用了更為科學(xué)的方法,結(jié)合了很多的工程原理和經(jīng)驗(yàn)。它的易損性模型采用了ATC-40[2]或FEMA[3]推薦的方法。在ATC-40中,對建筑物的地震評估方式的流程為:先定義建筑物的損失狀態(tài),采用靜態(tài)的非線性分析技術(shù),以得到建筑物的能力曲線;然后構(gòu)造與結(jié)構(gòu)非線性有關(guān)的需求響應(yīng)頻譜曲線,運(yùn)用能力頻譜法,得到建筑物在此損失狀態(tài)的極限響應(yīng)值,以及對應(yīng)的均值偏差,并由此得到各個(gè)損失狀態(tài)下的脆弱性曲線(fragility curve),再由脆弱性曲線組合得到對應(yīng)的易損性曲線(vulnerability curve)。相比ATC-13中對建筑物的13種分類,ATC-40將建筑物拓展為結(jié)構(gòu)性的36類和非結(jié)構(gòu)性的24類,并且詳細(xì)定義了每類的各種損失狀態(tài)。ATC-40總結(jié)規(guī)范了建筑行業(yè)對地震多年的探索、研究和實(shí)踐,為建筑物地震損失、評估及加固提出了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。
在美國的地震風(fēng)險(xiǎn)模型中,地震致災(zāi)因子及其數(shù)據(jù)通常包含的信息有地震源數(shù)據(jù)、地震能量的衰減、當(dāng)?shù)赝临|(zhì)條件的影響和地震事件的重現(xiàn)率等。這些數(shù)據(jù)隨著時(shí)間需不斷更新,現(xiàn)時(shí)美國商業(yè)及非商業(yè)的模型大多使用美國國家地礦局(USGS)2002年的最新數(shù)據(jù)[4]。
地震源數(shù)據(jù)主要包括地震的地點(diǎn)和最大震級。這些數(shù)據(jù)通常是記錄了地理地質(zhì)上的地震活動,可以從USGS的公共網(wǎng)頁上發(fā)布的公開信息中獲取。例如,美國加州地震源的斷層位置以及其最大的震級,就可從USGS以及地礦局加州分部取得。
地震源依其形態(tài)可分為線源和面源。線源通常包含一個(gè)或多個(gè)地理分段,例如加州的圣安德烈亞斯斷層、海沃德斷層等,其涵蓋了整個(gè)或大部分的加州地區(qū);面源通常覆蓋一個(gè)較大的地理區(qū)域,并假定區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)有相同的發(fā)生地震的概率。在評估模型中,面源亦可簡化成若干個(gè)線源的組合;除此之外,還有綜合考慮震源深度的浸漬面源(Dipping Plane)等。
震級是一個(gè)地震事件中的主要參數(shù),它關(guān)聯(lián)著其地震源的參數(shù),如地表破裂面積、破裂開度、平均滑移量。
衰減關(guān)系用于計(jì)算地表振動的程度及從地震中心隨著距離而遞減的關(guān)系。由于地表運(yùn)動的模型隨著各個(gè)地區(qū)特有的斷層特征以及地震波在各類地質(zhì)表面?zhèn)鞑ヌ匦远煌嗤鸺壍牡卣鹪诟鱾€(gè)區(qū)域產(chǎn)生不同的影響,因此每個(gè)地理區(qū)域都有其對應(yīng)的詳細(xì)的衰減模型[4];并且,對于同一區(qū)域中不同的斷層體系也有不同的結(jié)構(gòu)衰減模型,例如,用于表面斷層及深層誘發(fā)的地震的衰減模型等[5-6]。
美國國家地礦局(USGS)在2002年更新了國家地震災(zāi)害地圖的報(bào)告[4],提供了較為詳盡的美國東西部的地震衰減公式。表1中列舉了一些模型中常用的由作者命名的地震衰減公式。此份報(bào)告也提供了組合應(yīng)用這些地震衰減公式的方法。這些標(biāo)準(zhǔn)衰減公式及其組合的聯(lián)合應(yīng)用,可涵蓋幾乎全美國的地震活動區(qū)域?,F(xiàn)行的美國商業(yè)及非營利性地震風(fēng)險(xiǎn)模型都運(yùn)用了這些最新的衰減公式。在具體應(yīng)用時(shí),這些公式被選擇性地使用,即使用特殊的衰減部分以達(dá)到特定的效果。例如,圖2所示為描述震級為7級的走滑型地震事件的一組地動加速度峰值線,從圖中可注意到在距地震源40 km內(nèi)產(chǎn)生較高震動的衰減公式,在距地震源40 km以外卻產(chǎn)生較低的震動。因此,在評估模型中,可在某段距離內(nèi)選擇一個(gè)特定的衰減公式,用于模型調(diào)整,以達(dá)到不同的評估要求[7]。
表1 常用的美國地震衰減公式(USGS2002)
場地地質(zhì)條件的作用表現(xiàn)為放大或過濾地震的地表運(yùn)動,它們對地表運(yùn)動的傳播會有很大的影響。例如,對于相同的地震,建于基巖上的建筑物承受的損失通常會小于建在含水較高的沖積層或人工填土上的建筑物。場地地質(zhì)條件包括地質(zhì)類型、土壤液化和滑坡等。
2.3.1 地質(zhì)類型
根據(jù)對地表運(yùn)動的放大作用,考慮基巖的深度、橫波傳遞速度、表層土的類型和年齡等,地質(zhì)類型可分為如下種類:
圖2 震級7級的走滑型地震事件的衰減曲線(USGS2002)
(1)基巖;
(2)較弱的巖石/硬土,或淺層沉積層;
(3)硬質(zhì)軟土和砂質(zhì)土,或深層沉積層;
(4)海灣泥土/人工填土,軟土和非工程性的人工填土。
此類劃分運(yùn)用了1997年NEHRP[7]條例中的建議。NEHRP條例對土質(zhì)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化地質(zhì)分類,并為大多數(shù)的土質(zhì)類型提供了相關(guān)的土壤放大系數(shù),其分類數(shù)據(jù)依據(jù)場地土壤地質(zhì)層面30 m的剪力速度平均值確定。
有關(guān)土質(zhì)土壤的數(shù)據(jù)庫可根據(jù)以上的分類、相關(guān)地質(zhì)圖并結(jié)合NEHRP條例而建立。有些區(qū)域可根據(jù)研究的結(jié)果得到很詳細(xì)的土質(zhì)條件數(shù)據(jù),例如對美國加州地區(qū)大量的研究,產(chǎn)生了詳盡到地圖級或經(jīng)緯度級的數(shù)據(jù);但對于其它大多數(shù)的區(qū)域,可獲得的數(shù)據(jù)就遠(yuǎn)非如此豐富,有關(guān)的數(shù)據(jù)由USGS和當(dāng)?shù)卣鶕?jù)發(fā)表的研究而生成,其精度大多在郵政編碼級或縣級的范圍[8]。
2.3.2 土壤液化
決定土壤液化的主要因素有:地面晃動的時(shí)間和程度、淺層水床、沙質(zhì)材料。土壤液化方面的數(shù)據(jù)是在對各個(gè)地質(zhì)地理區(qū)域進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)逐漸建立,它包含了地震震級和地下水深度等一系列結(jié)果及圖表,羅列了土質(zhì)類型液化的敏感性、液化的概率、及液化后地層的周邊位移和地面沉降的程度[7]。在地震頻發(fā)的地區(qū),如美國加州,各種土壤液化的數(shù)據(jù)更是詳盡到經(jīng)緯度及郵編的程度[9]。
2.3.3 滑坡
滑坡是地震后常見的次生災(zāi)害。幾個(gè)關(guān)鍵的因素對潛在的滑坡起到了決定作用:坡度、地表地質(zhì)、沉積層幾何形狀、土壤含水量,以及其中已含有的滑坡沉積。
大量研究獲得了很多地震引發(fā)滑坡的數(shù)據(jù)[10-11],相關(guān)研究包括基于地質(zhì)類型及坡度的滑坡敏感度,基于土質(zhì)類型的引發(fā)滑坡的臨界加速度,基于滑坡敏感度而得到的土壤滑坡的概率和永久性地面位移。這些研究結(jié)果用于建立不同地理地質(zhì)區(qū)域的滑坡數(shù)據(jù)庫。
根據(jù)地震活動頻繁程度的地域差異,相關(guān)數(shù)據(jù)庫的詳盡也不同。在美國,一些地區(qū)如加州舊金山灣區(qū)有詳盡的細(xì)化到經(jīng)緯度及郵編的數(shù)據(jù)[12],而大多地區(qū)沒有如此詳細(xì)的數(shù)據(jù)。USGS提供的地理信息如地表坡度可用于建立有關(guān)的數(shù)據(jù)庫。
在建立以上各項(xiàng)的土壤狀況的數(shù)據(jù)庫后,土壤的因素可作為放大因子,加入到地震衰減公式以反映出對地震效果的增強(qiáng)作用。
地面峰值加速度(PGA)被用于測量地震動衰減的指標(biāo),但在某些地區(qū),PGA的數(shù)據(jù)很有限或不存在,因此使用Mercalli修正強(qiáng)度或地震裂度(MMI),可劃分為I到XII度。MMI可直接由地震動傳播公式導(dǎo)出,或由PGA值轉(zhuǎn)化而來,并可加入地質(zhì)土壤因子的影響。
地震響應(yīng)頻譜作為簡單直觀且較為精確的方式,在對地震的結(jié)構(gòu)損失分析中使用廣泛。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)頻譜形狀(圖3)更簡化了損失和損害評估值的計(jì)算。
響應(yīng)頻譜的標(biāo)準(zhǔn)形狀是含有5%衰減的彈性響應(yīng)頻譜,在實(shí)際中響應(yīng)頻譜的形狀會根據(jù)區(qū)域、震級、震中距而變化。圖3中顯示的是一個(gè)美國西部標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)頻譜示意圖。研究顯示,標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)頻譜和實(shí)際響應(yīng)頻譜的形狀只是在小于0.3 s及大于TVD(即頻譜位移為常量)的周期范圍有較大的不同,而這些范圍不會對損害和損失的估算產(chǎn)生很大影響[7]。
不同的響應(yīng)頻譜可根據(jù)需要在標(biāo)準(zhǔn)頻譜上構(gòu)造,例如加入土壤放大因子。圖4所示的響應(yīng)頻譜圖中包含了巖石、硬土、軟土的頻譜曲線,其中,F(xiàn)代表對應(yīng)的土壤放大因子。圖4中也顯示了土壤類型對地域響應(yīng)頻譜的重要性,例如,土壤中剪力波速度的減小會增加地域頻譜的響應(yīng)值[7]。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)頻譜示意圖(美國西部)
圖4 場地土壤類型對地域響應(yīng)頻譜的影響
響應(yīng)頻譜加速度SA與PGA可相互轉(zhuǎn)換[4],可根據(jù)區(qū)域(如美國西部及中東部)、震級、震中距建立轉(zhuǎn)換對照的數(shù)據(jù)表格。
由此可見,從上述的各類方法和數(shù)據(jù)最終可得到一個(gè)量化的由地震震級和距離、場地地質(zhì)條件決定的地震災(zāi)害數(shù)值,以MMI或SA表示。
美國的風(fēng)險(xiǎn)評估模型有針對單一地震事件的評估,如HAZUS,也有對多地震事件的評估,如RMSInc的RiskLink??紤]多事件的評估需用概率的方法,地震重現(xiàn)率是其中關(guān)鍵的參數(shù)[13]。最常用的地震活動概率模型運(yùn)用泊松分布模型,其分布的基本假設(shè)是各個(gè)地震事件的發(fā)生在時(shí)間、震級及地點(diǎn)上是相互獨(dú)立的,這種假設(shè)被證實(shí)對于中、小型的地震事件是可靠的。泊松分布的地震活動模型可運(yùn)用的Gutenberg-Richter關(guān)系描述[14]。
式中:N是地震大于震級M的累計(jì)數(shù);系數(shù)a通常和某一特定區(qū)域的地震活動有關(guān),系數(shù)b是指數(shù)的比例調(diào)節(jié)參數(shù),這兩個(gè)參數(shù)都可通過回歸分析而確定。
對于大震級的地震,時(shí)間預(yù)測模型有時(shí)會更精確地預(yù)測地震重現(xiàn)率,但這種方法需儲存大量的地理數(shù)據(jù),通常較難實(shí)現(xiàn),因此只有著名的地震斷層有這樣的數(shù)據(jù),例如美國加州的圣安德烈亞斯斷層、海沃德斷層。時(shí)間推測的方法通常需要包含以下的數(shù)據(jù)信息:
(1)上次主要事件發(fā)生的時(shí)間;
(2)與上次主要事件相關(guān)的震級和滑動;
(3)與這一斷層相關(guān)的平均滑動率。
與此同時(shí),這些信息也可用于估算下次主要事件發(fā)生的年概率,例如,根據(jù)歷史數(shù)據(jù),美國加州有99%的可能會在30年內(nèi)發(fā)生震級大于6.7級的地震[15]。此類的歷史數(shù)據(jù)均可在美國政府研究機(jī)構(gòu)如USGS獲得。
美國的地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型主要由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體、易損性、金融分析等五大模塊組成,其中由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境模塊組成地震災(zāi)害模型,其關(guān)鍵要素包括地震源及震級、地震衰減公式、場地土壤土質(zhì)條件、地震復(fù)發(fā)率等。各類要素經(jīng)過大量分析及實(shí)驗(yàn)得到了對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)公式及數(shù)據(jù)信息庫,通過綜合運(yùn)用這些數(shù)據(jù),并在基本假設(shè)的前提下,可對地震災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。
在分析美國地震災(zāi)害數(shù)據(jù)及建立模型的同時(shí),除了考慮地震動本身作為破壞因素,以及場地土壤條件,也考慮了由地震誘發(fā)的土壤液化、地表塌陷、崩滑等次生災(zāi)害。此外,城市地震往往引發(fā)火災(zāi),火災(zāi)的評估比較復(fù)雜,往往需建立單獨(dú)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估模型。在具體應(yīng)用中,地震風(fēng)險(xiǎn)評估模型可與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估模型結(jié)合使用,以期獲得更精確的評估結(jié)果。
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