和仕芳,于 江,余慶坤,張方浩,鄧樹榮,杜浩國
(云南省地震局,昆明 650224)
破壞性地震發(fā)生后第一時間做出的人員傷亡評估,對應(yīng)急主管部門迅速啟動應(yīng)急預(yù)案和組織開展救援具有重要的指導(dǎo)意義[1]。前人對地震人員傷亡做了廣泛的研究,但是以往的地震傷亡快速評估模型主要是對地震死亡人數(shù)進(jìn)行快速評估,專門針對地震受傷人數(shù)快速評估的研究相對較少。而災(zāi)區(qū)的受傷人數(shù)是影響地震應(yīng)急物資需求量的一個關(guān)鍵因素,震后對地震受傷人數(shù)的快速估計(jì),可為地震應(yīng)急物資和醫(yī)療救援人力安排提供重要參考[2]。
目前國內(nèi)外對地震受傷人數(shù)的評估研究,主要有兩大類,一類是基于地震受傷人數(shù)與死亡人數(shù)比的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系,通過評估的死亡人數(shù)對受傷人數(shù)間接評估。比如,20世紀(jì)80年代,美國聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局推出的ATC-13震害矩陣中,重傷、輕傷人數(shù)和死亡人數(shù)的比值為30∶4∶1;美國推出的HAZUS(2003)地震損失軟件,將具有死亡危險的受傷和需要就醫(yī)的重傷與死亡人數(shù)的比值設(shè)置為0.5∶2∶1[3];肖光先提出了關(guān)于烈度、房屋破壞數(shù)和人口密度的經(jīng)驗(yàn)法評估死亡人數(shù)模型,受傷人數(shù)按照死亡人數(shù)的3倍估算[4];1991年尹之潛提出以房屋破壞比為參數(shù)的死亡模型,受傷人數(shù)取死亡人數(shù)的3~5倍[5];張麗軍等給出關(guān)于烈度、發(fā)震時間和建筑物損壞率的死亡評估模型,重傷人數(shù)取死亡人數(shù)的4倍[6];施偉華等給出了不同烈度死亡人數(shù)與重傷和輕傷的比例[7];劉金龍等給出基于震中烈度的人員死亡評估模型,重傷人數(shù)采用重傷人數(shù)與死亡人數(shù)比值估算,其比值與烈度成線性函數(shù)關(guān)系[8];另一類是直接給出受傷人數(shù)評估模型,主要是以經(jīng)驗(yàn)回歸或基于建筑物易損性的模型為主。例如,尹之潛以烈度、建筑物破壞率為參數(shù)分別建立了白天和夜間的受傷人數(shù)評估模型[9];高惠瑛等、張潔等利用線性回歸方法分震級檔建立了關(guān)于房屋破壞面積、人口密度和發(fā)震時間的地震受傷人數(shù)評估模型[10-11];陳洪富等根據(jù)2010年玉樹7.1級地震得到受傷率與烈度關(guān)系的模型[12];任寧寧等利用粗糙集約簡評價指標(biāo)、建立最小二乘支持向量回歸機(jī)預(yù)測模型預(yù)測死亡人數(shù)和重傷人數(shù)[13];李媛媛等通過假設(shè)條件對HAZUS模型進(jìn)行簡化,以汶川地震為案例對人員傷亡進(jìn)行了預(yù)測[1];李夢欣根據(jù)1995—2017年云南5.0級以上地震,通過SPSS進(jìn)行多元非線性回歸得到地震受傷人數(shù)關(guān)于烈度、人口密度、六度區(qū)以上面積的模型[2];鄭山鎖等給出不同時段人員在室率和不同結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)下的傷亡率模型[14]。
當(dāng)前云南省地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)采用的是施偉華關(guān)于烈度的死亡與受傷比矩陣[7,15]和尹之潛基于建筑物易損性的模型[9]來評估地震受傷人數(shù)。施偉華模型通過死亡人數(shù)和烈度間接評估受傷人數(shù),尹之潛模型評估則需要詳細(xì)的建筑物數(shù)據(jù)。本文基于云南歷史地震人員受傷資料,分析地震中人員受傷影響因素,利用重分類、層次分析法和GIS空間分析方法對云南地區(qū)地震人員受傷風(fēng)險進(jìn)行評估分區(qū),并通過最小二乘法擬合建立各分區(qū)的地震受傷人數(shù)評估模型,旨在探索一種快速、簡單又較為準(zhǔn)確的地震受傷人數(shù)快速評估方法。
早期地震的記錄資料較少,云南地區(qū)自1992年開始正式開展地震災(zāi)害損失評估,積累的震例資料較為豐富[16]。本文收集了1900—2018年云南地區(qū)有人員傷亡記錄的地震資料共134次,其中1992年以前的震例資料包括震級、震中烈度、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)信息;1992年以來的震例資料包括震級、震中烈度、死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、受災(zāi)人口、各烈度區(qū)面積、經(jīng)濟(jì)損失和建筑物經(jīng)濟(jì)損失等信息。由表1可知,1900年以來有傷亡記錄的地震包括4.0~4.9級地震2次,5.0~5.9級地震85次,6.0~6.9級地震34次,7.0~7.9級地震12次,8.0級地震1次(汶川地震)。受傷人數(shù)方面,1900年以來造成受傷人數(shù)最多的1970年通海7.0級地震造成19 845人受傷,其次是1996年麗江7.0級地震造成17 057人受傷,近期人員受傷最多的是2014年魯?shù)?.5級地震造成3 143人受傷,總體上地震造成的受傷人數(shù)有降低的趨勢。排除雙震、震群或震中在云南省境外的特殊震例,本文選取了1900年以來110次有傷亡記錄的地震為研究樣本。文中涉及的人口密度和人均GDP數(shù)據(jù)來自云南省2018年統(tǒng)計(jì)年鑒。
地震震級是表征地震強(qiáng)弱的量度,震級越高地震釋放能量越大,由此引發(fā)的地震破壞力越強(qiáng)[17]。一般情況下,震級越大造成的受傷人數(shù)越多。剔除部分異常值后,根據(jù)不同震級受傷人數(shù)均值,按照0.5分級統(tǒng)計(jì)得到1900年以來云南地區(qū)不同震級檔受傷人數(shù)均值統(tǒng)計(jì)表(表2)。
對各個震級受傷人數(shù)的均值進(jìn)行回歸分析,由圖1可得到震級與受傷人數(shù)呈指數(shù)增長關(guān)系。
地震烈度是指地震引起的地面震動及其影響的強(qiáng)弱程度[18],通常烈度越高,地震破壞性越強(qiáng),造成的人員傷亡越嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)1900年以來云南地區(qū)不同極震區(qū)烈度的地震受傷人數(shù)(表3),可知極震區(qū)烈度越大地震受傷人數(shù)均值越大,但是相同烈度的地震造成的受傷人數(shù)離散性很大。
表 1 云南地區(qū)1900年以來有受傷記錄的地震統(tǒng)計(jì)
表 2 云南地區(qū)不同震級檔受傷人數(shù)均值統(tǒng)計(jì)表
圖 1 云南地區(qū)震級與地震受傷人數(shù)關(guān)系圖
表 3 不同極震區(qū)烈度地震受傷人數(shù)統(tǒng)計(jì)表
對各極震區(qū)烈度的受傷人數(shù)均值進(jìn)行回歸分析,由圖2可得極震區(qū)烈度與地震受傷人數(shù)呈指數(shù)增長關(guān)系。
圖 2 云南地區(qū)極震區(qū)烈度與地震受傷人數(shù)關(guān)系圖
一般情況,晚上地震比白天地震導(dǎo)致的傷亡大,因?yàn)橥砩先藗兌鄶?shù)在室內(nèi)休息,人員在室率較高,而且處于睡眠狀態(tài)的人行動不敏捷,震后可能無法采取及時有效的保護(hù)和避震措施[19]。按照白天(08:00—20:00)和晚上(20:00—08:00)分類[20],選取震中在相同州市、極震區(qū)烈度相同的地震,對比分析其白天和夜間的受傷人數(shù)(表4)可知,極震區(qū)烈度為6度的地震,發(fā)生在夜間造成的受傷人數(shù)是白天的1.5~2.5倍,極震區(qū)烈度為7度的地震,發(fā)生在夜間造成的受傷人數(shù)是白天的1.1~3.8倍,極震區(qū)烈度為8度的地震,發(fā)生在夜間造成的受傷人數(shù)是白天的1.4~9.4倍。
在地震強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理環(huán)境等條件相同的情況下,災(zāi)區(qū)人口密度越高,人員傷亡越大。選取1992年以來具有受傷人數(shù)、受災(zāi)人口和災(zāi)區(qū)面積記錄,且震中在云南境內(nèi)的單次破壞性震例47個,人口密度由受災(zāi)人口和災(zāi)區(qū)面積來計(jì)算。然后,按照同一極震區(qū)烈度的震例樣本數(shù)的50%的原則,將同烈度的樣本分為低人口密度樣本和高人口密度樣本,分別對地震受傷人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表5)。另外,由于1992年以來極震區(qū)烈度為9度的震例極少,不具統(tǒng)計(jì)意義,因此暫不做分析。結(jié)果表明,同一極震區(qū)烈度的地震,發(fā)生在人口高密度區(qū)的地震受傷累計(jì)人數(shù)和受傷人數(shù)均值都高于低人口密度區(qū)的地震受傷人數(shù)。
地震造成的傷亡包括建筑物毀壞造成的人員被砸等導(dǎo)致的直接傷亡,以及地震引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、爆炸、火災(zāi)等次生災(zāi)害導(dǎo)致的間接傷亡[21]。云南山地面積占94%,山高谷深,地殼破碎,地震后容易誘發(fā)滑坡、滾石等地質(zhì)災(zāi)害加重地震傷亡數(shù)量。例如,2006年7月22日鹽津5.1級地震引發(fā)了大量的滾石、崩塌次生災(zāi)害造成了22人死亡,114人受傷,其受傷人數(shù)是同等級別地震造成的平均受傷人數(shù)的1.9倍;又如2012年9月7日彝良5.7、5.6級地震引發(fā)了大量的滾石、滑坡、崩塌導(dǎo)致81人死亡,832人受傷,相比同年6月寧蒗5.7級地震造成3人死亡,394人受傷,其受傷人數(shù)相差1倍。
地震當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平不僅直接反映了救災(zāi)物資儲備和供應(yīng)水平,而且間接反映了當(dāng)?shù)氐慕ㄖ|(zhì)量和防震應(yīng)急能力[22]。一般當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險越低。選取1992年以來極震區(qū)烈度為6度且震中在云南境內(nèi)的單次破壞性震例27次,按照不同發(fā)震年代統(tǒng)計(jì)震中區(qū)縣當(dāng)年人均GDP均值及地震受傷人數(shù)均值(表6),由表可見隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人均GDP越高,地震受傷人數(shù)有減少的趨勢。
表 4 不同發(fā)震時間地震受傷人數(shù)對比表
表 5 1992年以來云南地震受傷人數(shù)與人口密度
表 6 1992年以來云南地震受傷人數(shù)與人均GDP(極震區(qū)烈度為6度)
地震受傷人數(shù)的主要影響因素包括震級、烈度、發(fā)震時間、人口密度、次生災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等,其中震級、烈度和發(fā)震時間屬于地震災(zāi)害事件影響因素,人口密度、次生災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等屬于區(qū)域?yàn)?zāi)害背景影響因素。云南省土地面積較廣,各地區(qū)地理環(huán)境、人口和經(jīng)濟(jì)等具有一定的差異性,導(dǎo)致各地區(qū)的地震災(zāi)害人員受傷人數(shù)區(qū)域差異性較為突出。利用區(qū)域?yàn)?zāi)害背景影響因素對云南地區(qū)的地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險進(jìn)行區(qū)化,將有助于提高地震災(zāi)害受傷人數(shù)評估的準(zhǔn)確性。本研究選取了數(shù)據(jù)比較容易獲取的人口密度、地均GDP(經(jīng)濟(jì)密度)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性作為區(qū)域風(fēng)險評估指標(biāo),其中人口密度、地均GDP基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自2018年云南省統(tǒng)計(jì)年鑒和地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性數(shù)據(jù)使用的是云南省國土資源廳編制的2018年云南地震災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖[23]。再以縣為基本評價單元,運(yùn)用重分類、層次分析法和GIS空間分析法對云南地區(qū)地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險進(jìn)行評估。
人口密度:從圖3可知滇中昆明市城區(qū)和玉溪市部分地區(qū)、滇東曲靖市部分地區(qū)、滇東北昭通市部分地區(qū)以及大理州部分地區(qū)是人口高密度區(qū),平均人口密度介于250~2 756人/km2之間;滇東和滇西部分地區(qū)是人口密度較高地區(qū),包括昭通市、曲靖市、玉溪市、紅河州和文山一帶以及保山市和德宏州一帶,平均人口密度在90~250人/km2之間;滇西北迪慶州、麗江市、怒江州一帶和滇西南西雙版納州、普洱市一帶是人口低密度區(qū),平均人口密度在9~90人/km2之間。
圖 3 云南省人口密度空間示意圖
從圖4可見,昆明市及其周邊地區(qū)、曲靖市、玉溪市和紅河州部分地區(qū),還有部分城區(qū)的經(jīng)濟(jì)密度高,每平方公里GDP在500~33 217萬元;滇西楚雄州、大理州、保山市一帶,滇東北昭通地區(qū)的經(jīng)濟(jì)密度較高,每平方公里GDP在200~500萬元;滇西北迪慶州、麗江市、怒江州一帶、滇西南普洱市和西雙版納州一帶的經(jīng)濟(jì)密度最低,每平方公里GDP不到200萬元。
圖 4 云南省GDP分布示意圖
圖 5 云南省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)示意圖
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性:由圖5可知滇西北“三江”流域高山峽谷區(qū)、滇南紅河流域哀牢山一帶、滇東北金沙江流域和小江斷裂沿線的山區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件非常脆弱,屬于地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū);滇中、滇西南等地區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū);滇南西雙版納州和滇東南曲靖、文山一帶的丘陵地區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)。
3.2.1 指標(biāo)重分類
由于人口密度、經(jīng)濟(jì)密度和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性3個指標(biāo)的單位不一致,不利于GIS空間分析。因此,以縣為評價單元對三級劃分后的指標(biāo)做重分類。其中因?yàn)槿丝诿芏?、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性與地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險呈正相關(guān),因此從低到高對指標(biāo)分別進(jìn)行評分賦值1、2、3。經(jīng)濟(jì)密度越高的地方其防震減災(zāi)能力越強(qiáng),該指標(biāo)與地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險呈負(fù)相關(guān),因此從低到高對經(jīng)濟(jì)密度指標(biāo)分別進(jìn)行評分賦值 3、2、1。
3.2.2 利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重
1)構(gòu)造判斷矩陣
首先請專家對3個指標(biāo)進(jìn)行重要性排序,根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),采取數(shù)字1~9標(biāo)度法(表7),構(gòu)造判斷矩陣(表 8)。
表 7 判斷矩陣標(biāo)度
表 8 地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險評價指標(biāo)判斷矩陣
2)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值
采用方根法計(jì)算出判斷矩陣的最大特征根及其特征向量,即地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險3個指標(biāo)的相對權(quán)重值。詳細(xì)計(jì)算步驟如下:
表 9 地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險區(qū)劃評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重值
利用Arcgis以縣為計(jì)算基本單元,對3個指標(biāo)進(jìn)行空間加權(quán)疊加,即地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險度=0.539 6×人口密度+0.297×經(jīng)濟(jì)密度+0.1634×地震災(zāi)害易發(fā)性,并按照自然間斷分類法分級,將云南省地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險度分為3級,得到云南省地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險評估結(jié)果(圖6)。
云南的地震災(zāi)害人員受傷人數(shù)具有區(qū)域差異,且主要取決于地震強(qiáng)度(震級或烈度)的大小,還與發(fā)震時間有關(guān)。本模型數(shù)據(jù)樣本使用的是1992年以來云南歷史地震,考慮震例發(fā)生地震時間跨度大,為減少經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建筑物抗震性能改善等引起的指標(biāo)偏差,首先按照不同發(fā)震年代對受傷人數(shù)進(jìn)行預(yù)處理,即乘以一個發(fā)震年代修正系數(shù)(表10),再通過最小二乘法回歸擬合得到不同風(fēng)險區(qū)受傷比關(guān)于極震區(qū)烈度和震級的評估模型,并用發(fā)震時間加權(quán)系數(shù)對模型進(jìn)行修正。
各風(fēng)險區(qū)地震受傷人數(shù)震級評估模型為:
1)高風(fēng)險區(qū)
各風(fēng)險區(qū)地震受傷人數(shù)烈度評估模型為:
1)高風(fēng)險區(qū)
圖 6 云南省區(qū)縣地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險評估圖
表 10 1992年以來云南地震受傷人數(shù)發(fā)震年代修正系數(shù)
2)中風(fēng)險區(qū)
表 11 云南不同地震人員受傷風(fēng)險區(qū)發(fā)震時間修正系數(shù)
表 11 云南不同地震人員受傷風(fēng)險區(qū)發(fā)震時間修正系數(shù)
時段 08:00—20:00(白天) 20:00—08:00(夜間)地震人員受傷高風(fēng)險區(qū) 1.0 1.5地震人員受傷中風(fēng)險區(qū) 1.0 1.2地震人員受傷低風(fēng)險區(qū) 1.0 1.0
地震發(fā)生后,通過云南地區(qū)地震烈度評估模型[24]可以快速獲取極震區(qū)烈度和災(zāi)區(qū)人口數(shù),然后利用基于震級或基于烈度的地震受傷人數(shù)評估模型可快速預(yù)測地震人員受傷人數(shù)。筆者選取2008年以來26次云南破壞性歷史地震,對受傷人數(shù)進(jìn)行再評估,并與實(shí)際受傷人數(shù)進(jìn)行對比(表12)。
由表12可得,基于震級和基于烈度的26個預(yù)測結(jié)果中均有18個預(yù)測結(jié)果與實(shí)際地震受傷人數(shù)是同一個數(shù)量級別,約占全部預(yù)測結(jié)果的69%,說明兩種預(yù)測方法具有一定可靠性。但預(yù)測結(jié)果總體比實(shí)際受傷人數(shù)偏大,原因主要是隨著經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展,房屋抗震能力不斷提高及群眾防震減災(zāi)意識的提高等。同等震級或烈度的地震,其受傷人數(shù)相對在減少,而統(tǒng)計(jì)擬合的樣本是1992年以來的歷史地震,其發(fā)震年份跨度大,所以造成了擬合預(yù)測的受傷人數(shù)偏大些。另外,地震災(zāi)害受傷人數(shù)受諸多因素的影響,造成同強(qiáng)度的地震受傷人數(shù)差異較大,且分區(qū)統(tǒng)計(jì)擬合的樣本數(shù)較少,特別是大地震和特大地震樣本很少,所以導(dǎo)致擬合預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生了偏差。
表 12 評估模型預(yù)測地震受傷人數(shù)與實(shí)際受傷人數(shù)對比
通過對云南歷史震害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,定量分析了地震受傷人數(shù)主要影響因素,利用層次分析法和GIS空間分析方法評估云南地震災(zāi)害人員受傷風(fēng)險,采用最小二乘法擬合構(gòu)建了基于震級和基于烈度的地震受傷人數(shù)評估模型,并通過震例檢驗(yàn)了該評估模型的可靠性。研究結(jié)果表明:
1)地震災(zāi)害人員受傷主要影響因素包括震級、烈度、發(fā)震時間、人口密度和次生災(zāi)害。地震受傷人數(shù)與震級、烈度呈指數(shù)增長關(guān)系,同等條件下一般發(fā)生在夜間的地震相比白天造成的受傷人數(shù)偏多,人口越集中人員受傷概率會偏高,地震引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流等次生災(zāi)害會加重人員受傷情況。
2)選取人口密度、地均DGP、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性作為風(fēng)險評估指標(biāo),可將云南地區(qū)劃分為地震災(zāi)害人員受傷高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)3個分區(qū)?;诓煌L(fēng)險區(qū)建立受傷人數(shù)評估模型符合云南地震災(zāi)害特點(diǎn),有助于提高模型準(zhǔn)確性。
3)利用震級或烈度作為評估參數(shù),發(fā)震時間作為修正系數(shù),建立的評估模型相比易損性模型具有數(shù)據(jù)好獲取、可操作性好、速度快等特點(diǎn)。
4)考慮評估速度及可操作性,只選取了幾個震后便于獲取的地震受傷人數(shù)主要影響因素,可能對地震受傷人數(shù)影響因素分析得不夠全面,加之分區(qū)分析的歷史震害樣本少,導(dǎo)致回歸模型的評估結(jié)果與實(shí)際受傷人數(shù)有一定偏差。
5)基于歷史震害數(shù)據(jù)的地震受傷人數(shù)經(jīng)驗(yàn)評估模型可用于震后信息匱乏的1~2 h內(nèi)對地震可能造成的受傷人數(shù)做一個粗略的評估。在以后的研究中可嘗試?yán)靡苿踊就朔⑷丝跓崃D等大數(shù)據(jù)進(jìn)行地震受傷人數(shù)實(shí)時動態(tài)評估,或是基于更細(xì)致準(zhǔn)確的建筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、更廣泛及時的信息獲取上報渠道來進(jìn)行更精準(zhǔn)的評估。