馮 駿，李向新，李付偉

(1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000；2.畢節(jié)市防震減災(zāi)局，貴州 畢節(jié) 551700)

我國是世界上受地震災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，其中20世紀(jì)全球死亡人數(shù)較多的地震均發(fā)生在我國。我國許多地區(qū)都有強烈地震活動的歷史，據(jù)20世紀(jì)資料統(tǒng)計，我國平均每年發(fā)生1次7級以上和6次6級以上強烈地震[1]。2012年9月7日，云南省昭通市彝良縣和畢節(jié)市威寧彝族回族苗族自治縣交界發(fā)生5.7級地震，造成74.4萬人受災(zāi)，死亡人數(shù)達(dá)到80人，經(jīng)濟損失達(dá)到37.04億元。因此，作為地震應(yīng)急管理體系中的地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)(EERS)的研究也越來越受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。

目前，在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了一些較為成熟的災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)，且已在一些災(zāi)害中發(fā)揮了重要的作用，如美國FEMA的“緊急事務(wù)管理系統(tǒng)”(EMS)、日本東京都的“災(zāi)害響應(yīng)系統(tǒng)”(DRS)和日本兵庫縣的菲尼克斯災(zāi)害管理系統(tǒng)(Phoenix)[2-3]。中國地震局則在“九五”期間就專門設(shè)立了構(gòu)建地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)重點項目，初步提出了大陸尺度的交互式全國地震應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)的基本框架[4]。本文在前人研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，基于ArcEngine、SQL Server、C#語言等，針對畢節(jié)市防震減災(zāi)局的具體需求，進(jìn)行了地震應(yīng)急分類響應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究。

1 研究區(qū)域概況

畢節(jié)市地處北緯26°21′～27°46′、東經(jīng)103°36′～106°43′，位于貴州西北部川、滇、黔三省交界處，是烏江、赤水河、北盤江的發(fā)源地。全市最高海拔2 900.6 m，最低海拔457 m，平均海拔1 400 m，國土面積26 853平方公里，居住著漢、彝、苗、回等46個民族，920萬人口。

畢節(jié)市屬于貴州中部山地丘陵過渡的傾斜地帶，地形起伏大，切割強烈，總體地勢為西高東低呈階梯狀分布；境內(nèi)多山地，主要包括西部的烏蒙山、北部的大婁山和西南部的老王山。畢節(jié)地區(qū)位于我國南北地震帶的東緣，南嶺東西向構(gòu)造帶北側(cè)，境內(nèi)總體構(gòu)造特性形成于燕山期，定型于喜馬拉雅期，歷史地震比較活躍。畢節(jié)市境內(nèi)地質(zhì)斷裂較為發(fā)育，各種構(gòu)造疊加且相互交錯，境內(nèi)主要分布的活動性構(gòu)造帶包括：埡都-紫云深斷裂帶、威寧石門坎斷裂帶、金沙巖孔斷裂帶、大方馬場斷裂帶等。

2 地震風(fēng)險分析

2.1 地震峰值加速度衰減模型

地震峰值加速度是指地震動加速度反應(yīng)譜最大值相應(yīng)的水平加速度。本文中結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)地理地貌特征綜合考慮，采用中國地震局地球物理研究所王培德等提出的衰減公式，即通過瀾滄-耿馬地震的強震資料擬合出的水平方向加速度衰減公式

lgAmax=2.29+0.38M-1.971lg(R+10)

(1)

變換后峰值加速度公式為

Amax=102.29×100.38M×(R+10)-1.97

(2)

2.2 地震烈度衰減模型

在進(jìn)行地震風(fēng)險損失評估中，目前較為流行的是采用應(yīng)用地震動衰減模型的計算方法來預(yù)測地震動參數(shù)以評估地震危險性。地震烈度衰減模型則是在發(fā)生地震斷層明確的區(qū)域內(nèi)，采用分別在長軸和短軸進(jìn)行烈度擬合的橢圓形等震線來描述地震衰減規(guī)律。本文中建立地震動衰減模型的公式采用貴州省地震局徐祥通過大量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析所得出的，公式為

Ia=4.043 9+0.927 8M-0.841 9ln(R1+10)+ε1
Ib=2.973 2+0.986 3M-0.769 2ln(R2+5)+ε2

(3)

式(3)中，Ia和Ib分別為長軸和短軸衰減值，M為震級，Ra和Rb分別為長震中距和短震中距，ε為隨機誤差；根據(jù)插值回歸分析得出，長軸隨機誤差ε1=0.73，短軸隨機誤差ε2=0.74。

3 建筑物易損性分析

目前，建筑物地震風(fēng)險損失評估的方法總體可分為4類：(1)以分析歷史地震災(zāi)害為依據(jù)的經(jīng)驗統(tǒng)計法；(2)基于統(tǒng)計抽樣的現(xiàn)場調(diào)查法；(3)基于遙感圖像的識別法；(4)建筑物震前易損性分析法。而在眾多地震風(fēng)險損失評估研究中，統(tǒng)計結(jié)果顯示大多數(shù)損失均來源于建筑物的損壞。而在評估震害損失的過程中可依據(jù)建筑物的震害矩陣來進(jìn)行損失評估。

本文采用基于建筑物震前易損性分析方法對研究區(qū)域境內(nèi)的建筑物進(jìn)行地震災(zāi)害風(fēng)險損失評估。鑒于建筑物在地震中的受損程度最主要的是建筑物的結(jié)構(gòu)類型，因此本文在研究建筑物的震害矩陣的過程中按照建筑物的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。在統(tǒng)計調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)建筑物，考慮將其分為4種類型：鋼筋混凝土框架構(gòu)造、多層砌體房屋、磚木構(gòu)造、土木構(gòu)造。而研究過程中建筑物在不同程度的損失平均值設(shè)定參考如下：建筑物完全破壞時設(shè)為1.00；嚴(yán)重破壞時設(shè)為0.70；中等破壞時設(shè)為0.40；輕微破壞時設(shè)為0.15；基本完好時設(shè)為0.00。

建筑物震害矩陣是指在特定的研究區(qū)域在各個地震烈度下其建筑物的損毀狀況比率。鑒于研究區(qū)域的地震活動與馬鞍山相似，且經(jīng)濟發(fā)展水平也相似，故本文參考馬鞍山地區(qū)建筑物調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果上建立的不同建筑結(jié)構(gòu)類型的震害矩陣數(shù)據(jù)。表1～表3為所建立的建筑物震害破壞矩陣。

表1 不設(shè)防多層磚混建筑物震害矩陣 /%

表2 單層民宅建筑物震害矩陣 /%

表3 磚混結(jié)構(gòu)建筑物的震害矩陣 /%

目前，依據(jù)建筑物震害矩陣可以計算出構(gòu)造不一致建筑物在不同損壞級別下的建筑面積，但不能直觀表達(dá)出研究區(qū)域內(nèi)受地震影響的整體受災(zāi)情況，因此本文將建筑物在地震中損毀情況作為度量整個研究區(qū)域內(nèi)受災(zāi)狀況的重要指標(biāo)。通過結(jié)合建筑物的破壞比率、損失比率、單位面積及造價可計算出建筑物的破壞總損失，計算公式為

(4)

式(4)中，Q為研究區(qū)域內(nèi)房屋震害總損失，λ(m,j|I)為房屋震害矩陣中所處m類型建筑物的損壞比例，T(m)為m類型建筑物的建筑面積，η(m,j)為m類型建筑物所處j損毀級別時的損失比率，B(m,j)為m類型構(gòu)造房屋的單價。

4 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

在地震危險性及震害損失模型的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計與研發(fā)出適合研究區(qū)域震情的地震應(yīng)急分類響應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊、地震信息管理模塊、地震知識庫模塊、震時評估模塊4大模塊，系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。系統(tǒng)主要可分為基本數(shù)據(jù)管理和地震專題應(yīng)用功能兩大部分，細(xì)分的四大模塊詳見如下：(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊：主要包含人口、建筑物、道路、輔助決策等數(shù)據(jù)的管理；(2)地震信息管理模塊：包括歷史震源目錄、震中位置、震級大小查看管理等內(nèi)容；(3)地震知識庫模塊：主要是地震相關(guān)的圖庫，具體則包含有研究區(qū)域內(nèi)的斷層構(gòu)造圖、地形圖、國家設(shè)置的地震重點監(jiān)視圖、地震帶圖等數(shù)據(jù)的查看與管理；(4)震時評估模塊：主要是實現(xiàn)快速的震害評估，自動生成地震影響場并自動匯總災(zāi)害損失情況；可以圖表等的形式展現(xiàn)地震造成的災(zāi)害損失等信息，并發(fā)布出災(zāi)害等級及應(yīng)對情況。

圖1 系統(tǒng)框架圖

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊包括用戶登錄及其角色權(quán)限的管理及對連接的后臺數(shù)據(jù)庫連接配置管理，是地震應(yīng)急分類響應(yīng)信息的基礎(chǔ)配置管理部分。其中登錄子模塊部分，通過用戶輸入用戶名及密碼，并將密碼通過MD5加密算法進(jìn)行加密后進(jìn)行校驗，通過后進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖2所示。

4.2 地震信息管理

地震信息管理模塊主要實現(xiàn)了對畢節(jié)市歷史地震信息的管理、震中位置分布查看功能。其中歷史地震目錄及震中分布查看采用屬性表與主地圖顯示操作結(jié)合實現(xiàn)，詳見圖3。系統(tǒng)提供對選取指定震級大小、地震區(qū)域等屬性條件或在主地圖中矩形或多邊形選框來進(jìn)行查詢歷史地震信息，通過對屬性表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙擊，還可以實現(xiàn)在地圖控件中縮放及地震點高亮等功能。此模塊是系統(tǒng)中地震要素的重要管理模塊。

4.3 地震知識庫模塊

地震知識庫模塊主要實現(xiàn)了對研究區(qū)內(nèi)部分重要地震地質(zhì)參考圖件的查看，主要采用主地圖控件中加載專題圖的方式來實現(xiàn)。內(nèi)容包括畢節(jié)市地形圖、畢節(jié)市地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖、畢節(jié)市地震動峰值加速度區(qū)劃圖、畢節(jié)市地震烈度區(qū)劃圖、畢節(jié)市地震重點監(jiān)視防御區(qū)圖、畢節(jié)市地質(zhì)圖、畢節(jié)市斷層圖等7張專題圖。

圖2 系統(tǒng)主界面及地圖工具條、圖層管理

圖3 歷史地震目錄與震中分布查看管理

4.4 地震動損失評估

地震動損失評估模塊主要實現(xiàn)了對模擬地震后進(jìn)行地震危險性分析及損失評估和得出分類響應(yīng)結(jié)果。該模塊通過獲取交互輸入的震源點空間位置坐標(biāo)，使用式3中的地震烈度衰減模型、結(jié)合烈度、破裂方向等地震參數(shù)，計算出地震影響場中4、5、6三級等烈度線長短軸數(shù)值，再利用橢圓圓心(即震元點)坐標(biāo)，即可繪制出烈度分布圖，模擬計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 計算生成的地震影響場

將計算出的地震烈度分布與建筑物分布情況進(jìn)行疊加分析，可得出不同構(gòu)造房屋在不同烈度下的分布情況；之后結(jié)合上文中所設(shè)置的建筑物震害矩陣，便可計算出不同烈度下各個建筑物的損毀情況；最后通過對各個建筑物破壞結(jié)果進(jìn)行累積可以得出全部損失情況。通過對總體損失情況進(jìn)行判斷，計算出地震損失處于“特別重大地震災(zāi)害”、“重大地震災(zāi)害”、“較大地震災(zāi)害”、“一般地震災(zāi)害”、“輕度地震”5類中的哪一級別，并提供相應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果以供參考。

圖5 地震造成損失情況及信息發(fā)布

5 結(jié)束語

畢節(jié)市地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)是根據(jù)研究區(qū)域震情而進(jìn)行的本地化研究工作，實用性較強，對地震自然災(zāi)害的應(yīng)急演練和應(yīng)對發(fā)揮了重要作用。但隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，系統(tǒng)中所使用的模型也應(yīng)按時進(jìn)行修改和整理。