基于臨汾2次強(qiáng)震史料與GIS技術(shù)對(duì)未來(lái)強(qiáng)震災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估

趙曉云 李自紅 閆小兵薄建杰 李慧玲 高云峰

1)吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022

2)太原理工大學(xué)，太原 030024

3)山西省地震局，太原 030021

基于臨汾2次強(qiáng)震史料與GIS技術(shù)對(duì)未來(lái)強(qiáng)震災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估

趙曉云1，3)李自紅2，3)閆小兵3)薄建杰3)李慧玲3)高云峰3)

1)吉林大學(xué)，長(zhǎng)春 130022

2)太原理工大學(xué)，太原 030024

3)山西省地震局，太原 030021

通過(guò)對(duì)臨汾2次歷史強(qiáng)震史料的研究，總結(jié)出其震害分布特征，對(duì)比各類(lèi)衰減模型繪制的等震線(xiàn)圖，確定了對(duì)該地區(qū)不同震級(jí)地震最適用的衰減關(guān)系模型和修正值;應(yīng)用GIS技術(shù)的空間分析功能，實(shí)現(xiàn)了臨汾地區(qū)更為直觀(guān)的震害預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)。再將臨汾2次歷史強(qiáng)震損失重建，從而預(yù)測(cè)出臨汾地區(qū)現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)社會(huì)情況下的地震災(zāi)害的損失情況，為其未來(lái)防震減災(zāi)實(shí)際工作提供了可靠的依據(jù)。

歷史強(qiáng)震 GIS 歷史地震損失重建 災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估

0 引言

山西省臨汾地區(qū)是歷史強(qiáng)震的多發(fā)區(qū)，1303年洪洞8級(jí)和1695年臨汾7?級(jí)2次地震歷史聞名，破壞巨大，并留下了大量的地震史料。1303年洪洞8級(jí)地震是中國(guó)第1次根據(jù)史料繪制出等震線(xiàn)的地震。至今，在這一范圍內(nèi)仍有大量中小地震發(fā)生，具有明顯的大震區(qū)長(zhǎng)期活動(dòng)的特征(王澤皋，1985)。充分挖掘史料，總結(jié)2次強(qiáng)震的震害空間分布特征，建立該區(qū)的地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GIS的空間分析能力，對(duì)該區(qū)在現(xiàn)有社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下2次強(qiáng)震重演造成的地震災(zāi)害損失進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，為該區(qū)防震減災(zāi)實(shí)際工作提供依據(jù)。

1 臨汾2次歷史強(qiáng)震震害分布特征

本文依據(jù)收集的大量歷史地震記載，采用臨汾市1/5萬(wàn)電子地圖、《山西省歷史地圖集》，經(jīng)數(shù)字化采樣后，利用GIS空間分析功能，繪制出2次歷史強(qiáng)震實(shí)際等震線(xiàn)圖(參考任雪梅等，2006)。

1303年洪洞8級(jí)地震和1695年臨汾7?級(jí)地震與構(gòu)造有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，地震破裂方向已確定(王健等，2004)，因此計(jì)算這2次地震理論等震線(xiàn)時(shí)選用橢圓模型。臨汾盆地常用的地震裂度衰減關(guān)系有3種，即東部地區(qū)、山西地區(qū)、中國(guó)東部地區(qū)8～8?級(jí)地震衰減關(guān)系模型。

針對(duì)1303年洪洞8級(jí)地震和1695年臨汾7?級(jí)地震，用這幾種烈度衰減關(guān)系分別計(jì)算了其理論等震線(xiàn)，并與實(shí)際地震等震線(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由中國(guó)東部地區(qū)8～8?級(jí)地震衰減關(guān)系模型計(jì)算得到的等震線(xiàn)符合1303年洪洞8級(jí)地震;而明顯大于1695年臨汾7?級(jí)地震的數(shù)值，推斷該模型不適合該區(qū)8級(jí)以下的地震(李小軍，2006)。由山西烈度衰減關(guān)系計(jì)算得到的烈度分布比實(shí)際的又偏小，由東部衰減關(guān)系模型繪制的等震線(xiàn)更接近于該地震實(shí)際等震線(xiàn)。2次強(qiáng)震的烈度殘差空間分布圖分別見(jiàn)圖1，2。

圖1 烈度殘差空間分布圖(1303年實(shí)際等震線(xiàn)與8～4?級(jí)衰減理論等震線(xiàn)對(duì)比)Fig.1 Spatial distribution of seismic intensity residuals(comparison between the actual isoseismal line of the 1303 earthquake and the isoseismal lines calculated by the intensity attenuation laws for earthquakes of M8 ～8?).

從圖1中看出，烈度偏大地區(qū)恰好是震中所在的臨汾盆地和盆地周邊。實(shí)際烈度等震線(xiàn)在盆地區(qū)沿盆地展布方向被拉長(zhǎng)，很明顯是盆地效應(yīng)加大了這些地區(qū)的震害。烈度異常點(diǎn)主要沿汾河流域和其他河流流域分布，可見(jiàn)砂土液化等地震地質(zhì)作用也加重了震害。

臨汾凹陷是盆地的主體構(gòu)造單元(宋惠珍等，1995)，斷陷幅度較大，是一個(gè)沿凹陷的軸向?yàn)镹NE走向的地塹式深槽，最大新生界厚度達(dá)2.2km，最大第四系厚度達(dá)0.8km，這種構(gòu)造具有強(qiáng)烈的地震地面運(yùn)動(dòng)放大效應(yīng)。

非震中所在的盆地烈度相當(dāng)或有小部分地區(qū)烈度偏小，分布沒(méi)有規(guī)律，推測(cè)為此地人口稀少、史料不夠詳實(shí)所致。

因此，針對(duì)該區(qū)發(fā)生的類(lèi)似1303年和1695年的地震，2次地震震害空間分布特征和采用模型，即8級(jí)以上地震采用8～8?級(jí)地震衰減關(guān)系模型，7～8級(jí)地震采用東部地區(qū)橢圓模型，震中在盆地內(nèi)的地震理論等震線(xiàn)最高烈度修正提高Ⅰ度，來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)估震害可能更為可靠。

圖2 烈度殘差空間分布圖(1695年實(shí)際等震線(xiàn)與東部衰減理論等震線(xiàn)對(duì)比)Fig.2 Spatial distribution of seismic intensity residuals(comparison between the actual isoseismal line of the 1695 earthquake and the isoseismal lines calculated by the intensity attenuation laws in eastern China).

2 GIS技術(shù)在地震災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)中的應(yīng)用

開(kāi)發(fā)一個(gè)地震災(zāi)害預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)思路是:根據(jù)概率地震危險(xiǎn)性分析或設(shè)定地震得到的對(duì)未來(lái)臨汾地區(qū)的地震影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)確定給定目標(biāo)的地震影響，結(jié)合目標(biāo)抗震能力分析，在預(yù)測(cè)的地震影響下，估計(jì)目標(biāo)可能遭受的破壞，并據(jù)此評(píng)價(jià)地震造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。這一分析處理過(guò)程，涉及大量的地理信息數(shù)據(jù)和地震信息的空間分析處理方法，采用GIS技術(shù)有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

例如，要設(shè)定未來(lái)地震的空間位置，區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境和地震活動(dòng)性資料將是重要因素。GIS可以提供兩方面幫助:一是可以為預(yù)測(cè)空間位置提供有效的分析工具;二是可以提供直接在背景圖件上設(shè)定空間位置的功能。將各種需要的構(gòu)造環(huán)境和地震活動(dòng)性資料建立地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，形成各種圖件以便進(jìn)行人工判斷，或采用GIS空間信息疊加等方式獲取多因素判斷的基礎(chǔ)信息，這為地震空間位置的確定提供了有效的分析工具。

又如，確定地震對(duì)給定評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度。這里的評(píng)價(jià)目標(biāo)為各種類(lèi)型的建筑物。利用GIS技術(shù)，可以建成單體建筑物在城市空間上分布的地理信息圖層，在圖層上可以存儲(chǔ)每一棟建筑的各種信息(包括建筑的功能、性質(zhì)、名稱(chēng)、建筑面積、高度、結(jié)構(gòu)、建筑年代、人口分布等信息)以及抗震能力，利用GIS的空間查詢(xún)功能得到建筑物的破壞程度。再利用GIS的圖形顯示功能以一定的可視化方式將預(yù)測(cè)結(jié)果展示出來(lái)。還可估計(jì)直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡情況形成專(zhuān)題圖。

GIS技術(shù)在解決震害預(yù)測(cè)方面具有強(qiáng)大的空間分析功能(王繼等，2002;王曉青等，2004)，可獲得圖面上任意點(diǎn)的空間信息，還可以直接在背景圖件上設(shè)定空間位置，圖層疊加可形成各種圖件，可創(chuàng)建各種專(zhuān)題圖:地震分布圖、評(píng)估區(qū)分布圖、烈度區(qū)分布圖、建筑物毀壞分布圖、異常點(diǎn)分布圖、人員傷亡分布圖等，這為震害評(píng)估和結(jié)果展示提供了最為直觀(guān)便捷的方式，對(duì)提高震害預(yù)測(cè)的針對(duì)性，具有決定性的意義。

3 臨汾地區(qū)2次歷史強(qiáng)震重演的應(yīng)用實(shí)例

不少研究者對(duì)歷史地震損失重建進(jìn)行了研究(郭恩棟等，2004)，有一種方法就是應(yīng)用2次歷史強(qiáng)震重演(徐愛(ài)信，2007)。對(duì)目前臨汾地區(qū)進(jìn)行地震損失評(píng)估，探察在同樣的地點(diǎn)發(fā)生同等大小的地震，地震經(jīng)濟(jì)損失情況如何。這樣一方面屬于設(shè)定地震下的經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測(cè)研究之一，另一方面是對(duì)模型可靠性進(jìn)行驗(yàn)證的一種合理途徑。

3.1 建筑物震害預(yù)測(cè)

中國(guó)抗震設(shè)防的基本原則是“三級(jí)”設(shè)防，即小震不壞、中震可修、大震不倒。在臨汾市，設(shè)防基本加速度值為0.10g、0.15g和0.20g。按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011－2010)的規(guī)定，大震設(shè)防加速度值為設(shè)防基本加速度值的2倍。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306－2001)的資料，確定臨汾市所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的抗倒塌烈度值Ie(a)(區(qū)劃圖表示的加速度值的2倍所對(duì)應(yīng)的烈度值)，并作為一個(gè)屬性賦給這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

根據(jù)本文調(diào)查的資料，臨汾地區(qū)共有各類(lèi)房屋建筑約7×107m2，詳見(jiàn)表1。

通過(guò)開(kāi)發(fā)的軟件系統(tǒng)分析比較每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的Ie(a)值和Ie(實(shí)際烈度值)值。實(shí)際的等震線(xiàn)與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范大震設(shè)防烈度存在差值，統(tǒng)計(jì)Ie＞Ie(a)的數(shù)據(jù)點(diǎn)得到臨汾地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)抗倒塌能力烈度殘差表2。

對(duì)于臨汾地區(qū)建筑物震害預(yù)測(cè)，我們采用確定的建筑結(jié)構(gòu)震害矩陣及群體工程的易損性分析方法(孫柏濤等，2005)。烈度為I時(shí)s類(lèi)建筑發(fā)生j級(jí)破壞的總數(shù)量用下式計(jì)算:

式(1)中，Bs為s類(lèi)建筑的總量。

利用以上模型及建立的地理信息數(shù)據(jù)計(jì)算，若1303年洪洞和1695年臨汾地震重演，圖3，4分別為其對(duì)應(yīng)建筑物震害預(yù)測(cè)圖。

1303年洪洞8級(jí)地震史料記載多為“傾圮”;據(jù)康熙《臨汾縣志》卷8資料，1695年臨汾7?級(jí)地震導(dǎo)致臨汾縣住房完全倒塌者占全縣總戶(hù)數(shù)的47%?？梢?jiàn)在現(xiàn)有房屋結(jié)構(gòu)狀況下，房屋倒塌率減小了很多，但盆地及盆地周邊地區(qū)房屋抗倒塌性仍待提高。

圖3 1303年洪洞地震臨汾市建筑物震害預(yù)測(cè)圖Fig.3 Earthquake damage prediction map to the buildings in Linfen City from a scenario earthquake like the 1303 Hongdong earthquake.

3.2 人員傷亡估計(jì)

本文人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于第5次人口普查資料，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合這幾年人口的增長(zhǎng)率進(jìn)行了調(diào)整。

地震時(shí)造成人員傷亡的因素很多，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一次地震的傷亡人數(shù)是較困難的。本文采用了尹之潛(1990)根據(jù)地震時(shí)間造成人員傷亡的方法。

(1)平均死亡人數(shù)。

式(2)中，D表示人員死亡比(死亡人數(shù)與本地區(qū)總?cè)藬?shù)之比);A表示房屋毀壞率。

(2)按時(shí)段和城鄉(xiāng)估計(jì)的死亡人數(shù)。2次歷史強(qiáng)震均發(fā)生在晚8時(shí)左右，按尹之潛(1990)在該時(shí)段農(nóng)村發(fā)生地震造成人員死亡人數(shù)的計(jì)算方法為:

圖4 1695年臨汾地震臨汾市建筑物震害預(yù)測(cè)圖Fig.4 Earthquake damage predictionmap to the buildings in Linfen City from a scenario earthquake like the 1695 Linfen earthquake.

式(3)中，AR表示農(nóng)村居住的建筑面積;A表示農(nóng)村住宅、公用房屋和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的車(chē)間的建筑面積;A1表示A或AR中毀壞的面積(m2);A2表示A或AR中嚴(yán)重破壞的面積(m2);A3表示A或AR中中等破壞的面積(m2);ρ表示房屋內(nèi)人員密度;d1，d2，d3是不同破壞程度的死亡率，見(jiàn)表3;m表示預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)的總?cè)丝跀?shù)。

式(4)中，a表示人均居住面積，A1、A2和A3的含義和計(jì)算方法同上。

由以上模型計(jì)算可得表4、表5分別為1303年洪洞8級(jí)和1695年臨汾7?地震重演人員傷亡預(yù)測(cè)值。

受傷人數(shù)的計(jì)算公式:

受傷人數(shù)一般是死亡人數(shù)的3～5倍。

無(wú)家可歸人數(shù)的計(jì)算公式:

按第5次人口普查數(shù)據(jù)推算，臨汾市常住人口約215萬(wàn)人，洪洞8級(jí)地震和臨汾7?級(jí)地震重演其死亡率分別為1.5%和0.1%，相對(duì)于2次歷史震亡率29.6%和18%，人口震亡率大幅降低。

3.3 經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)

本文未涉及生命線(xiàn)工程，主要是對(duì)各類(lèi)建筑物進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估(王景來(lái)等，2001)。

按災(zāi)害評(píng)估有關(guān)內(nèi)容，評(píng)估地震烈度為I時(shí)的損失值由下式計(jì)算:

式(5)中，bs(j)表示s類(lèi)建筑發(fā)生j級(jí)破壞的損失比;Bs(j)表示發(fā)生j級(jí)破壞的s類(lèi)建筑重建的總費(fèi)用;Qs(j)表示s類(lèi)建筑發(fā)生j級(jí)破壞時(shí)室內(nèi)財(cái)產(chǎn)損失比;Ws(j)表示發(fā)生j級(jí)破壞的s類(lèi)建筑室內(nèi)財(cái)產(chǎn)的總價(jià)值。

根據(jù)中國(guó)近幾年的震害損失和修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，房屋和室內(nèi)財(cái)產(chǎn)的損失比可按表6計(jì)算。

按模型計(jì)算，如果洪洞8級(jí)地震和臨汾7?級(jí)地震再次發(fā)生，在現(xiàn)有國(guó)民經(jīng)濟(jì)情況下，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)損失分別如表7，8。1303年、1695年中國(guó)經(jīng)濟(jì)遠(yuǎn)不如現(xiàn)在，毋庸置疑，現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的受損失程度比當(dāng)時(shí)要大很多。

4 對(duì)臨汾地區(qū)未來(lái)地震災(zāi)害的啟示意義

基于歷史強(qiáng)震的研究，修正模型計(jì)算結(jié)果，使得評(píng)估更為接近該區(qū)實(shí)際，更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。借助GIS的地震災(zāi)害損失預(yù)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，可提高信息的可視性和空間分析的快速性，提高評(píng)估的效率。

2次歷史地震實(shí)例在地震災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)中應(yīng)用，重建損失分析所得預(yù)測(cè)值對(duì)臨汾這一特定地理環(huán)境區(qū)域地震危險(xiǎn)性給予了警示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:面積超過(guò)105m2和人數(shù)超過(guò)20 000的鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要集中在臨汾盆地，而盆地效應(yīng)又會(huì)加大該區(qū)的震害，實(shí)際的等震線(xiàn)與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范大震設(shè)防烈度存在差值。預(yù)測(cè)值告訴我們，即使臨汾地區(qū)的房屋建筑全部按《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306－2010)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)，如果再發(fā)生同等規(guī)模的8級(jí)或7?級(jí)地震，仍有許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)不能保證抗倒塌的要求，會(huì)造成巨額損失和人員傷亡，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來(lái)地震的經(jīng)濟(jì)損失可能會(huì)更大。

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SEISM IC DISASTER ASSESSMENT AND PREDICTION BASED ON HISTORICAL MATERIALSOF TWO STRONG EARTHQUAKES IN LINFEN REGION AND GIS TECHNOLOGY

ZHAO Xiao-yun1，3)LIZi-hong2，3)YAN Xiao-bing3)BO Jian-jie3)LIHui-ling3)GAO Yun-feng3)
1)Jilin University，Changchun 130022，China
2)Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
3)Earthquake Administration of Shanxi Province，Taiyuan 030021，China

Through studies on the historical data of the two historical strong earthquakes in Linfen region，the characteristics of earthquake disaster distribution are summarized，and the actual isoseismal are drawn.By comparison of theoretic isoseismal maps obtained from different attenuation relationship models，themost suitablemodel and itsmodification part for differentmagnitudes in this region are determined.Using the spatial analysis function of GIS techniques，themore visual system of earthquake disaster prediction and evaluation is realized.In addition，the loss situation of earthquake damage in Linfen region under the present economic society is predicted based on the reconstruction data of the two historical strong earthquakes.This work provides reliable basis for practical work of earthquake prevention and disaster reduction in the future.

historical strong earthquakes，GIS，reconstruction of historical earthquake loss，disaster prediction and evaluation

P316

A

0253－4967(2011)03－0568－09

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.007

2010－11－23收稿，2011－02－23改回。

山西省科技廳“山西省地震災(zāi)害總結(jié)及其地理信息系統(tǒng)建設(shè)”項(xiàng)目(022069)資助。

趙曉云，女，1977年生，2000年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，工程師，現(xiàn)主要研究方向?yàn)闇y(cè)震數(shù)據(jù)分析、軟件開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)安全，電話(huà):0351－5610592，E－mail:zxy_yxz01@126.com。