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    地震預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與分區(qū)分級(jí)發(fā)布方案的研究*

    2010-01-26 08:35:12楊馬陵沈繁鑾陳大慶曾春梅
    災(zāi)害學(xué) 2010年4期

    楊馬陵,沈繁鑾,陳大慶,曾春梅

    (1.廣東省地震局,廣東廣州510070;2.海南省地震局,海南???70203)

    0 引言

    世界各國處理和解決非確定性突發(fā)災(zāi)害的實(shí)踐表明,采取預(yù)警技術(shù)對(duì)災(zāi)害實(shí)行分級(jí)防御是一種有效的減災(zāi)方法。近年來,預(yù)警的思想和模式已在我國各種突發(fā)社會(huì)事件、自然災(zāi)害、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等社會(huì)公共安全領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我國的地震學(xué)者也提出許多有關(guān)地震預(yù)警的建議和設(shè)想[1-7]。

    本文從地震預(yù)測(cè)預(yù)警的思路和要達(dá)到的減災(zāi)目的出發(fā),提出了發(fā)布預(yù)測(cè)預(yù)警的原則和預(yù)警等級(jí)的劃分,研究了地震預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和分區(qū)分級(jí)發(fā)布方案,并以曾經(jīng)不同程度做出過震前預(yù)報(bào)的幾個(gè)實(shí)例,對(duì)所提出的發(fā)布方案進(jìn)行了案例分析和檢驗(yàn)。

    1 地震預(yù)測(cè)預(yù)警的思路和預(yù)警等級(jí)

    1.1 地震預(yù)測(cè)預(yù)警的思路

    所謂地震預(yù)測(cè)預(yù)警是指在地震災(zāi)害事件發(fā)生前,向社會(huì)發(fā)布的一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)可能發(fā)生地震災(zāi)害的警告。其目的是通過警告性信息,提醒社會(huì)公眾采取一定的預(yù)防措施,避免和減少破壞性地震事件所造成的災(zāi)害。

    預(yù)警技術(shù)的思路是通過對(duì)社會(huì)發(fā)布不同的預(yù)警等級(jí),從而達(dá)到對(duì)災(zāi)害實(shí)行分級(jí)防御的目的。對(duì)于地震預(yù)測(cè)預(yù)警而言,就是根據(jù)對(duì)可能發(fā)生地震的預(yù)測(cè)意見,依照發(fā)生的緊迫程度、預(yù)測(cè)的可信程度和可能造成破壞的程度等因素,劃分成不同的預(yù)警等級(jí),并給出針對(duì)不同發(fā)布對(duì)象的防震措施建議。通過發(fā)布地震的預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí),可以向社會(huì)提供可能發(fā)生破壞性地震的信息,并通過不同防震措施的實(shí)施,起到穩(wěn)定社會(huì)并最大程度減輕地震災(zāi)害的作用。

    1.2 預(yù)警等級(jí)的劃分與發(fā)布原則

    參照國家突發(fā)性公共事件的預(yù)警等級(jí),地震預(yù)測(cè)預(yù)警的等級(jí)可劃分為4個(gè)級(jí)別。一級(jí)為最高級(jí)別,代表地震發(fā)生的時(shí)間性最為緊迫、震兆信息最為可靠、遭受嚴(yán)重破壞的概率最高,所應(yīng)采取的防范措施最強(qiáng)。以此類推,四級(jí)則最低。也可按通常的災(zāi)害預(yù)警等級(jí)的顏色表示法,分別賦予一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)為紅色、橙色、黃色和藍(lán)色預(yù)警等級(jí)。

    預(yù)測(cè)預(yù)警的等級(jí)實(shí)際上代表了在預(yù)期的破壞性地震發(fā)生前,社會(huì)將采取的防震措施級(jí)別。由于地震預(yù)測(cè)的不確定性和社會(huì)對(duì)預(yù)警信息反應(yīng)的復(fù)雜性,在發(fā)布地震預(yù)測(cè)預(yù)警信息前,應(yīng)當(dāng)對(duì)確定的預(yù)警等級(jí)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

    根據(jù)地震預(yù)測(cè)預(yù)警的思路,發(fā)布預(yù)警信息的目的是,在盡可能降低社會(huì)影響的基礎(chǔ)上,合理防范可能出現(xiàn)的地震災(zāi)害,最大程度地減少可能的人員傷亡。由此確定發(fā)布預(yù)警的兩項(xiàng)基本原則。

    (1)災(zāi)害損失最低原則

    設(shè)Si為災(zāi)害損失,有

    式中:1~4分別對(duì)應(yīng)以下的情況,1對(duì)應(yīng)發(fā)布預(yù)警,未發(fā)生地震的災(zāi)害損失;2對(duì)應(yīng)發(fā)布預(yù)警且等級(jí)正確,且發(fā)生地震;3對(duì)應(yīng)發(fā)布預(yù)警但等級(jí)不對(duì),且發(fā)生地震;4對(duì)應(yīng)沒發(fā)布預(yù)警,但發(fā)生地震。

    不同情況下的災(zāi)害損失可用文獻(xiàn)[8]給出的方法,用預(yù)警區(qū)的GDP損失和人員傷亡估計(jì)。

    (2)預(yù)期代價(jià)最低原則

    設(shè)Sii為代價(jià),有

    式中:S11為發(fā)布預(yù)警的代價(jià),由預(yù)警信息可能給預(yù)警區(qū)帶來的停工停產(chǎn)損失估計(jì);S12為發(fā)布預(yù)警可減少的傷亡和破壞的代價(jià),可由預(yù)期地震強(qiáng)度,預(yù)警區(qū)抗震設(shè)防烈度、人口和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等因素綜合估計(jì)。

    1.3 預(yù)警等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和方法

    由于面臨不同的地震緊迫性、不同的地震破壞性以及不同的預(yù)測(cè)概率,發(fā)布預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)信息后所采取的防范措施也不相同。因此,發(fā)布的預(yù)測(cè)預(yù)警信息中必須包含時(shí)間緊迫程度、地震破壞程度和預(yù)測(cè)可信程度三個(gè)因素。根據(jù)我國幾十年地震預(yù)報(bào)、震災(zāi)預(yù)防等多方面的理論與實(shí)踐,提出地震預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)的三項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)。

    緊迫度指標(biāo)T:未來可能發(fā)生地震的時(shí)間尺度(d)。對(duì)地震發(fā)生時(shí)間的預(yù)測(cè)有長(zhǎng)期、中期、短期、臨震等幾種尺度。而地震預(yù)測(cè)預(yù)警只是對(duì)即將來臨的地震災(zāi)害事件的警告信息。心理學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),接收信息的初期對(duì)人的心理影響最大,隨著時(shí)間的推移,記憶將遺忘得很快。長(zhǎng)時(shí)間尺度的地震預(yù)警,初期的恐震情緒不僅將影響社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生活的正常秩序,且易造成非地震人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失;而后期的遺忘和逆反心理則容易導(dǎo)致對(duì)地震的輕視麻痹??紤]目前地震預(yù)測(cè)的水平和社會(huì)公眾的心理承受能力,其時(shí)間尺度應(yīng)以不嚴(yán)重影響社會(huì)正常秩序?yàn)樽畹偷拙€。我們的研究認(rèn)為對(duì)不同的預(yù)警等級(jí)的時(shí)間緊迫指標(biāo)T在7~180 d內(nèi)較為適合。

    破壞度指標(biāo)P:單位尺度上遭受地震嚴(yán)重破壞的概率。該指標(biāo)是Pm和PL兩個(gè)變量的幾何平均。

    式中:Pm為預(yù)測(cè)震級(jí)范圍內(nèi)能夠造成房屋倒塌的震級(jí)所占的比率;PL為預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生最大預(yù)測(cè)震級(jí)造成的單位尺度倒塌比率,當(dāng)Pm或PL大于1時(shí)取1。

    地震烈度I或地震動(dòng)加速度α與地震的震級(jí)M和震中距離r有經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,即烈度或加速度的衰減關(guān)系,一般表述為:

    根據(jù)預(yù)測(cè)區(qū)域的基本抗震設(shè)防烈度或加速度(城市為50年超越概率10%的設(shè)防要求,對(duì)一般沒有設(shè)防要求的農(nóng)村,可按照低于烈度Ⅵ度、加速度0.05 g考慮),以高于設(shè)防烈度2度或高于設(shè)防加速度4倍為造成房屋倒塌的烈度或加速度,代入預(yù)測(cè)區(qū)的烈度I或加速度α的衰減關(guān)系,即可計(jì)算出能夠造成倒塌的最低震級(jí),并預(yù)估出最大震級(jí)所造成房屋倒塌區(qū)域的長(zhǎng)度或面積,進(jìn)而計(jì)算出Pm值和PL值,并最終得到破壞度指標(biāo)P。

    可信度指標(biāo)R:地震預(yù)測(cè)意見實(shí)現(xiàn)的概率。該指標(biāo)是對(duì)地震三要素預(yù)測(cè)方法效能、震兆強(qiáng)弱程度和異??煽啃缘目傮w評(píng)價(jià)??墒褂脤哟畏治?、模糊集值評(píng)價(jià)等方法,根據(jù)不同的地震預(yù)測(cè)方法的異常指標(biāo)等計(jì)算得到??尚哦戎笜?biāo)的定性描述為,可信度很高、較高、高和一般,對(duì)應(yīng)的定量指標(biāo)分別為R=0.8、0.7、0.6、0.5。也可以采用下述方法進(jìn)行計(jì)算。

    參考層次分析的層次結(jié)構(gòu),將準(zhǔn)則層設(shè)為時(shí)間、震級(jí)、地點(diǎn)三項(xiàng),指標(biāo)層為各預(yù)測(cè)方法。指標(biāo)層某參量的計(jì)算方法為:該預(yù)測(cè)方法的效能或評(píng)分(0~1)與對(duì)最終預(yù)測(cè)范圍的支持度(0~1,即最終預(yù)測(cè)范圍與該方法預(yù)測(cè)范圍的交集除以該方法預(yù)測(cè)范圍)的乘積,通過同類指標(biāo)層各參量的直接相加得到各準(zhǔn)則層的參量(超過1時(shí)取1),而目標(biāo)層R值則取準(zhǔn)則層三個(gè)參量的幾何平均值。

    2 預(yù)測(cè)預(yù)警的分區(qū)方案

    2.1 預(yù)測(cè)預(yù)警的分區(qū)原則與方案

    發(fā)布地震預(yù)測(cè)預(yù)警的分區(qū)方案可以有幾種,例如:考慮地震活動(dòng)規(guī)律和預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn),按構(gòu)造片區(qū)劃分;考慮地震承受能力,按多震與少震或強(qiáng)震與弱震分區(qū);考慮傷亡情況,按人口稠密與人煙稀少區(qū)分;考慮社會(huì)影響,則按城市(含工業(yè)區(qū))與農(nóng)村進(jìn)行分區(qū)等。

    我們認(rèn)為,通過分區(qū)應(yīng)該使預(yù)警等級(jí)的劃分和相應(yīng)防震措施的規(guī)定更合理,更容易提高預(yù)警的社會(huì)和減災(zāi)效益。因此,分區(qū)的原則應(yīng)該是:綜合權(quán)衡發(fā)布預(yù)警給不同區(qū)域帶來的社會(huì)影響和代價(jià),盡可能減少的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的比例。

    考慮到地震預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)已反映在可信度指標(biāo)R內(nèi),而地震承受能力(主要是房屋倒塌)標(biāo)準(zhǔn)是相對(duì)統(tǒng)一的,再者人多、人少對(duì)于可能減少的人員傷亡比例與預(yù)警發(fā)布后可能付出的代價(jià),兩者基本成正比(如,人煙稀少地區(qū),預(yù)警發(fā)布所能減少的人員傷亡數(shù)目少,但預(yù)警等級(jí)的偏差影響和付出的代價(jià)也小)。但是從社會(huì)影響程度考慮,對(duì)城市及工業(yè)區(qū)或農(nóng)村地區(qū),發(fā)布預(yù)警所帶來的影響和沖擊卻大不相同。因此,我們考慮預(yù)警分區(qū)方案應(yīng)為:①城市(縣級(jí)及其以上城鎮(zhèn))及工業(yè)區(qū);②農(nóng)村地區(qū)。

    2.2 預(yù)測(cè)預(yù)警的分區(qū)分級(jí)發(fā)布方案

    根據(jù)發(fā)布預(yù)測(cè)預(yù)警的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),考慮我國現(xiàn)階段地震預(yù)測(cè)的能力和水平,結(jié)合一些已有的地震預(yù)報(bào)成功和失敗的震例經(jīng)驗(yàn),建立了以下的強(qiáng)震預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)的分區(qū)分級(jí)量化方案(表1)。

    表1 預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)與分區(qū)量化方案

    2.3 預(yù)警等級(jí)的發(fā)布對(duì)象和防范措施

    發(fā)布預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)是為防范可能的地震災(zāi)害所采取的應(yīng)對(duì)決策服務(wù)的。考慮到發(fā)布預(yù)警等級(jí)后可能產(chǎn)生的社會(huì)影響,不同預(yù)警等級(jí)所針對(duì)的發(fā)布對(duì)象應(yīng)該有所區(qū)別。為此,設(shè)計(jì)出不同預(yù)警等級(jí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)布對(duì)象和防范措施概要(表2),其中預(yù)警等級(jí)高的防范措施要累加級(jí)別低的措施。例如預(yù)警等級(jí)為一級(jí)時(shí),要采取的措施包括從四級(jí)到一級(jí)的所有措施。

    表2 預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)的發(fā)布對(duì)象和防范措施概要

    3 案例分析

    對(duì)以上的分區(qū)分級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)警方案,進(jìn)行已有震例的案例分析和檢驗(yàn)。

    3.1 遼寧岫巖5.4級(jí)地震

    1999年11月29 日,遼寧省岫巖縣偏嶺鎮(zhèn)與海城市孤山鎮(zhèn)之間交界處發(fā)生5.4級(jí)地震,遼寧省地震局在震前提出了準(zhǔn)確的臨震預(yù)測(cè),省政府就此做出果斷的決策,對(duì)可能的地震極震區(qū)發(fā)布臨震預(yù)報(bào),并采取了適當(dāng)、合理、正確的應(yīng)對(duì)措施,最終取得了很好的減災(zāi)實(shí)效。

    作為典型案例,從預(yù)測(cè)預(yù)警的角度進(jìn)行分析。最終的預(yù)測(cè)意見為:震級(jí)5.5~6.0,區(qū)域尺度16 km,時(shí)間是臨震尺度(≤10 d)。根據(jù)該地區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律和前兆異常的充分性,給予該預(yù)測(cè)意見的可信度R值為0.7。預(yù)報(bào)區(qū)主要是農(nóng)村地區(qū),地震設(shè)防烈度為Ⅶ度,設(shè)防加速度為0.1 g,烈度衰減關(guān)系采用I=2.401+1.586M-1.429ln(r+15)。由于農(nóng)村地區(qū)房屋多數(shù)未按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防,因此抗倒塌烈度取為Ⅶ度強(qiáng)。計(jì)算得到破壞區(qū)尺度為8 km,破壞起始震級(jí)為5.8級(jí),可得到PL=0.5、Pm=0.5、破壞度P=0.5度,按照預(yù)測(cè)預(yù)警發(fā)布方案(表1),應(yīng)發(fā)布預(yù)警等級(jí)為一級(jí)。

    如果沒有按照省政府要求縮小預(yù)報(bào)區(qū)域,根據(jù)省地震局的短臨預(yù)報(bào)卡片,預(yù)測(cè)震級(jí)為5.0~5.9,預(yù)報(bào)區(qū)尺度為100 km,預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)為10 d。假定該預(yù)測(cè)意見的可信度R值為0.8,計(jì)算得到PL=0.08、Pm=0.2、破壞度P=0.13,按預(yù)警等級(jí)方案(表1),應(yīng)發(fā)布的預(yù)警等級(jí)為二級(jí)。實(shí)際上,對(duì)發(fā)布一級(jí)預(yù)警地區(qū)的外圍區(qū)域,應(yīng)該采取二級(jí)、三級(jí)預(yù)警的防范措施。

    3.2 甘肅民樂6.1級(jí)地震

    2003年10月25 日甘肅民樂6.1級(jí)地震前,甘肅省地震局提出“未來3個(gè)月內(nèi)甘肅及邊鄰地區(qū),尤其是祁連山中東段、甘東南等地震重點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)存在發(fā)生6級(jí)左右地震的可能”的預(yù)測(cè)意見,并在震前半個(gè)月進(jìn)一步縮短了預(yù)報(bào)期限。政府及時(shí)采取了包括加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)、檢查應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急設(shè)施、準(zhǔn)備救災(zāi)(援)物資等措施,在地震發(fā)生后取得很好的社會(huì)及減災(zāi)效果,這也是一次地震預(yù)警的成功實(shí)踐。

    從預(yù)測(cè)預(yù)警的角度進(jìn)行分析,設(shè)預(yù)測(cè)震級(jí)為5.5~6.5,預(yù)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)的尺度為260 km,預(yù)測(cè)時(shí)間為30 d,預(yù)測(cè)可信度R=0.8,危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)除民樂縣城(設(shè)防烈度為Ⅶ度、設(shè)防加速度為0.15 g)外,絕大部分為抗震能力很弱的農(nóng)村地區(qū),取抗倒塌烈度為Ⅷ度半。計(jì)算得到破壞區(qū)尺度為8 km、破壞起始震級(jí)為6.3級(jí),則PL=0.03、Pm=0.3、破壞度P=0.095,按照預(yù)測(cè)預(yù)警發(fā)布方案(表1),應(yīng)發(fā)布二級(jí)或三級(jí)預(yù)警。若能縮小危險(xiǎn)區(qū)和預(yù)測(cè)時(shí)間尺度,則可發(fā)布一級(jí)預(yù)警。

    3.3 新疆伽師6.8級(jí)地震

    2003年2月24 日新疆伽師6.8級(jí)地震前,新疆地震局提出“3個(gè)年度危險(xiǎn)區(qū)已隨時(shí)可能發(fā)生6級(jí)以上地震”的預(yù)測(cè)意見。但上述預(yù)測(cè)意見,對(duì)于政府是無法進(jìn)行震前應(yīng)急準(zhǔn)備的。但如果能夠縮小預(yù)報(bào)區(qū)范圍和時(shí)間尺度,按照預(yù)測(cè)預(yù)警的思路與理念,仍應(yīng)該是有所作為的。

    設(shè)預(yù)測(cè)震級(jí)為6.0~6.9,預(yù)測(cè)區(qū)平均尺度為200 km,預(yù)測(cè)時(shí)間為30 d,預(yù)測(cè)可信度為0.8,危險(xiǎn)區(qū)主要是農(nóng)村地區(qū)。取抗倒塌烈度為Ⅷ度強(qiáng)。計(jì)算可得到破壞區(qū)的尺度為22 km、破壞起始震級(jí)為6.4級(jí),則PL=0.037、Pm=0.5,于是破壞度P=0.14,按照預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)方案(表1),應(yīng)發(fā)布二級(jí)預(yù)警,若能進(jìn)一步縮小危險(xiǎn)區(qū)范圍和預(yù)測(cè)時(shí)間尺度,則可發(fā)布一級(jí)預(yù)警。

    3.4 遼寧海城7.3級(jí)地震

    1975年2月4 日19:36,遼寧海城發(fā)生7.3級(jí)地震,震前遼寧省地震部門于4日零時(shí)向省政府發(fā)出了“遼寧海城—營口將要發(fā)生大震”的預(yù)測(cè)意見,省政府于上午10時(shí)發(fā)出通報(bào),要求落實(shí)防震、抗震工作,縣、公社(鄉(xiāng))則動(dòng)員人員離開房屋進(jìn)行避震。這是我國首次實(shí)現(xiàn)的對(duì)7級(jí)地震的成功預(yù)報(bào),聯(lián)合國確認(rèn)海城地震預(yù)報(bào)是人類第一次,也是惟一的一次對(duì)強(qiáng)震作出的準(zhǔn)確臨震預(yù)報(bào)。

    按照預(yù)測(cè)預(yù)警的方法進(jìn)行分析,設(shè)預(yù)測(cè)震級(jí)為6.5~7.5,預(yù)測(cè)區(qū)尺度為100 km,預(yù)測(cè)時(shí)間為7 d,預(yù)測(cè)可信度為0.7,預(yù)測(cè)區(qū)域?qū)儆诔鞘屑肮I(yè)區(qū),設(shè)防烈度為Ⅶ度。取抗倒塌烈度為Ⅸ度,計(jì)算得到破壞區(qū)尺度為51 km、破壞起始震級(jí)為6.6級(jí),則有PL=0.51、Pm=0.9、破壞度P=0.68,按照預(yù)警等級(jí)方案(表1),應(yīng)該發(fā)布一級(jí)預(yù)警。

    綜上所述,對(duì)1999年遼寧岫巖5.4級(jí)地震、2003年甘肅民樂6.1級(jí)地震、2003年新疆伽師6.8級(jí)地震和1975年遼寧海城7.3級(jí)地震的案例分析和檢驗(yàn)結(jié)果,說明了本文提出的預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí)、分區(qū)發(fā)布方案基本是合理的。

    4 結(jié)語

    從發(fā)布地震預(yù)報(bào)到發(fā)布地震預(yù)測(cè)預(yù)警等級(jí),只是地震防災(zāi)減災(zāi)觀念和思路上的轉(zhuǎn)變,即由模糊的、不確定的,并且無法實(shí)際防震操作的地震預(yù)報(bào)意見轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦摹⒋_定性、可操作的地震防御措施,使政府和社會(huì)公眾能夠采取的防震減災(zāi)措施更加科學(xué)、合理和規(guī)范,并不代表地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平有所提高。

    本文提出的預(yù)測(cè)預(yù)警發(fā)布方案還需要更多的震例進(jìn)行檢驗(yàn),并需要在實(shí)際操作中不斷調(diào)整和改進(jìn)。此外,在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)預(yù)測(cè)預(yù)警發(fā)布指標(biāo)處于分界值附近時(shí),還需根據(jù)具體情況進(jìn)行決策。

    案例分析的數(shù)據(jù)來自遼寧、甘肅、新疆地震局預(yù)報(bào)中心的同事,在此表示感謝。

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