云南地震應(yīng)急快速評估模型本地化集成研究*

曹彥波，李兆隆，李永強，李 敏，張方浩，趙 恒，吳艷梅，楊 昆，張韶華

(1.云南省地震局，云南昆明650224;2.云南師范大學(xué)，云南昆明650500)

0 引言

汶川、玉樹地震應(yīng)急實踐表明，震后0～2小時的黑箱期內(nèi)，如何快速獲取災(zāi)情、快速判定救災(zāi)重點區(qū)域、合理部署救援隊伍、調(diào)度救援部隊、分配救災(zāi)任務(wù)等成為抗震救災(zāi)工作面臨的首要問題 (徐德詩，黃建發(fā)，2006;侯建盛，李民，2008)。21世紀(jì)初，在國家“十五”項目“數(shù)字觀測網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)推動下，云南地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)完成并投入使用，系統(tǒng)建成后，填補了云南省地震應(yīng)急科技保障技術(shù)平臺的空白，為云南省20余次5.0級以上破壞性地震應(yīng)急處置工作提供了科技保障服務(wù)，在提高破壞性地震應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)能力方面發(fā)揮了積極作用 (聶高眾等，2002;姜立新等，2003;李永強等，2006)。但是，由于云南地處我國第一級階梯向第二級階梯過渡地帶，地貌復(fù)雜多樣，地形高差懸殊，特殊多元化的地形地貌環(huán)境導(dǎo)致區(qū)域人口和經(jīng)濟分布很不均勻，目前在線運行的地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)具有一定的普適性，系統(tǒng)中核心的評估模型 (如烈度衰減模型、人員傷亡模型、房屋破壞模型、經(jīng)濟損失模型等)參數(shù)基本上還是全國或大區(qū)域的模擬參數(shù)，未進(jìn)行云南本地化處理，計算結(jié)果與云南地震應(yīng)急實踐存在較大差異，無法滿足現(xiàn)階段云南地震應(yīng)急處置工作需求。

因此，面對云南省嚴(yán)峻的地震形勢和應(yīng)急救援的實際需求，結(jié)合地震行業(yè)專項研究成果，筆者總結(jié)了云南地區(qū)的地震影響場模型、人員傷亡評估模型、經(jīng)濟損失評估模型、地震滑坡風(fēng)險評估模型，設(shè)計了應(yīng)急專題圖模板和對策建議模板，基于GIS技術(shù)將模型進(jìn)行本地化集成研發(fā)，為應(yīng)急救援投入、部署和行動提供可信的災(zāi)情服務(wù)，提高了地震災(zāi)情緊急處置效率和評估精度 (苗崇剛，聶高眾，2004;聶高眾等，2012)。

1 模型研究綜述

地震災(zāi)害損失評估模型是進(jìn)行震害評估的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，涉及到烈度衰減模型、人員傷亡評估模型、經(jīng)濟損失評估模型以及次生災(zāi)害評估模型等，本文重點分析總結(jié)了云南地區(qū)烈度衰減、人員傷亡、經(jīng)濟損失3個主要的評估模型。

1.1 烈度衰減模型

烈度衰減模型是震后快速評估階段各類模型計算的基礎(chǔ)，包括點源和線源模型。點源模型研究相對比較成熟，目前用于云南地區(qū)進(jìn)行震后影響場速判的模型有汪素云等 (2000)、李世成等(2003)、李西等 (2012)以及云南省地震局地震行業(yè)科研專項項目課題研究組①地震行業(yè)科研專項項目課題研究組.2013.西南地震應(yīng)急對策新模式與關(guān)鍵技術(shù)研究報告.提出的烈度衰減模型。

汪素云等 (2000)選用中國西部190次5.0級以上地震回歸得出的中國西部烈度衰減關(guān)系:

式中，Ia、Ib分別為長、短軸烈度，M為震級，Ra、Rb分別為烈度為I時長、短半軸的長度，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

李西 (2012)選用1913～2008年在云南省境內(nèi)及周邊發(fā)生的140個破壞性地震，用140個地震的烈度等震線資料進(jìn)行了回歸分析，得到了云南地區(qū)的烈度衰減關(guān)系:

滇西區(qū)域:

川滇區(qū)域:

川滇東部區(qū)域:

上述3套模型在云南地區(qū)震后多次地震影響場速判應(yīng)用中，模擬得到的地震影響場能夠滿足應(yīng)急快速評估需求，但具有一定的特點和適用范圍，汪素云模型選用全國震例，M≥7.0地震樣本多，在云南地區(qū)M≥7.0地震計算結(jié)果與實際擬合度高，李西模型選用云南地震M≤6.0地震樣本數(shù)較多，M≤6.0地震影響場計算結(jié)果與實際擬合度高，張方浩根據(jù)云南不同的分區(qū)特點做了3套分區(qū)模型，區(qū)域適用性好?？傊?，在云南地區(qū)實際地震快速評估應(yīng)用中，將3套模型都集成于在軟件系統(tǒng)，根據(jù)震級大小、震中所在區(qū)域特點選用不同的模型進(jìn)行計算，結(jié)合專家經(jīng)驗和歷史地震影響場參數(shù)對生成結(jié)果進(jìn)行調(diào)整評估，產(chǎn)出結(jié)果。

線源模型是對在地表破裂帶上具有相同烈度的橢圓等震線做包絡(luò)線，形成的包絡(luò)線即為最終生成的線源模型等震線。破裂長度利用地震震級—破裂尺度經(jīng)驗關(guān)系式算出，本文采用兩個模型來組成云南地震破裂長度與震級的經(jīng)驗關(guān)系，震級在M6.5～7.7地震使用李忠華等 (1999)提出的地表破裂長度模型，M≥7.7地震使用秦嘉政等(1997)等提出地表破裂長度模型，將2個模型合并，模型算法如下:

式中，L表示震源破裂長，MS為震級。

對于烈度等震線長軸方向的判定，目前國家統(tǒng)一研發(fā)的評估系統(tǒng)采用的是以離微觀震中最近的斷層走向作為影響場展布方向，與實際有偏差。因此，在烈度等震線長軸方向確定上，基于地震行業(yè)專項研究成果，趙恒①對云南地區(qū)進(jìn)行了構(gòu)造分級分區(qū)研究，按地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)震能力、活動性、歷史地震的對應(yīng)性進(jìn)行了等級劃分，提出了基于區(qū)域塊體和基于地質(zhì)構(gòu)造 (斷層)兩種方法進(jìn)行影響場方向的快速預(yù)判。在實際地震應(yīng)急快速評估應(yīng)用中，除了考慮斷層走向以外，應(yīng)結(jié)合余震序列分布、震源機制解、地震破裂過程等資料來確定烈度等震線的長軸方向。

2.2.2 莖粗 從玉米全生育期莖粗調(diào)查結(jié)果來看（表5），不同肥料處理對玉米莖粗有一定影響，且各處理莖粗在大喇叭口期達(dá)到峰值。其中，AO鄉(xiāng)喜、埃爾夫2個處理植株莖粗值較大，復(fù)合酵素、PK及NK處理植株莖粗值較小。

1.2 人員傷亡評估模型

(1)死亡人員估算模型

對于云南地區(qū)人員死亡評估方法，王景來(2001)、晏鳳桐 (2003)、周光全等 (2004)、施偉華等 (2005，2012)從不同視角出發(fā)，選取影響因子建立了云南地區(qū)的人員死亡評估模型。李永強 (2012)提出云南震亡多因子回歸模型，把震級、極震區(qū)烈度、發(fā)震時刻、人口密度、烈度區(qū)面積、當(dāng)?shù)谿DP、農(nóng)民純收入、財政收入作為地震人員死亡的主要影響因子，采用泊松分布統(tǒng)計方法進(jìn)行多因子回歸，模擬得出云南地區(qū)人員死亡評估模型，算法如下:

式中，Y為震亡人數(shù)，x為震級，T為地震時刻(T=1表示地震發(fā)生在夜間，T=0表示地震發(fā)生在白天)，z為地震烈度，s為人口密度，v為烈度區(qū)面積 (取該次地震的Ⅵ度區(qū)及以上烈度區(qū)面積之和)，ns為農(nóng)民人均純收入，cs為人均財政收入，GDP為人均GDP，筆者選取該模型進(jìn)行云南地區(qū)死亡人員估算。

(2)人員受傷估算模型

對于云南地區(qū)地震造成的重傷、輕傷估算，施偉華等 (2012)給出各烈度地震傷亡人數(shù)及比率 (表1)，本文采用該研究結(jié)果進(jìn)行模型系統(tǒng)集成，作為估算地震造成的人員受傷人數(shù)的算法。

表1 云南地震死亡與重傷、輕傷的比例Tab.1 Ratios of deaths and serious injuries、earthquake minor injuries in Yunnan

(3)失去住所人數(shù)預(yù)測模型

失去住所人數(shù)是指因地震失去住所而在室外避難的人數(shù)。采用國家標(biāo)準(zhǔn)《地震現(xiàn)場工作第4部分:災(zāi)害直接損失評估》(GB/T18208.4—2011)算法:

式中，a為戶均居住面積，b為戶均人口，c為所有住宅房屋的毀壞面積，d為非簡易房屋的嚴(yán)重破壞面積，e為非簡易房屋中等破壞面積與簡易房屋破壞面積之和，f為死亡人數(shù)。

1.3 經(jīng)濟損失評估模型

震后總的經(jīng)濟損失主要由房屋直接經(jīng)濟和其他直接經(jīng)濟損失組成，可用下式計算得到:

式中，L為總經(jīng)濟損失，Ra為其他經(jīng)濟損失與房屋直接經(jīng)濟損失比例 (表2)，Lh為房屋直接經(jīng)濟損失，采用國家標(biāo)準(zhǔn)《地震現(xiàn)場工作第4部分:災(zāi)害直接損失評估》(GB/T 18208.4—2011)算法:

式中，Lh表示房屋直接經(jīng)濟損失，Sh為災(zāi)區(qū)房屋建筑總面積，Rh為破壞比，Dh為損失比，Ph為重置單價。根據(jù)災(zāi)區(qū)歷史地震的震害矩陣、重置單價以及基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)庫快速統(tǒng)計計算得出災(zāi)區(qū)范圍內(nèi)各類房屋總面積，計算各評估子區(qū)各類房屋損失，將所有評估子區(qū)的房屋損失相加，得出整個災(zāi)區(qū)的房屋建筑破壞損失 (周光全等，2006，2011)。

表2 云南地區(qū)破壞性地震其他經(jīng)濟損失占房屋總損失的比例 (1992～2013)Tab.2 The ratio of other economic loss to total loss of houses of destructive earthquake in Yunnan(1992～2013)

2 模型集成方法

2.1 集成思路

本文以云南地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、云南歷史地震應(yīng)急處置案例資料為基礎(chǔ)，首先，針對云南地區(qū)烈度衰減模型、人員傷亡評估模型、房屋破壞模型、經(jīng)濟損失評估模型、滑坡風(fēng)險評估模型等分層分級建立模型庫，構(gòu)建模型設(shè)計規(guī)范，設(shè)計統(tǒng)一的模型組件接口;其次，建立模型字典和模型索引，包括模型的輸入?yún)?shù)、數(shù)量和類型，輸出參數(shù)、數(shù)量和類型等;再次，根據(jù)模型應(yīng)用需求設(shè)計專題圖模板、對策建議模板等作為模型輸出表達(dá);最后，采用COM技術(shù)在模型庫支持下與GIS實現(xiàn)無縫集成，形成完整運行的快速評估系統(tǒng)，產(chǎn)出各類專題圖件、評估報告及對策建議報告 (楊昆等，2006)。技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 集成流程

震后數(shù)十分鐘內(nèi)，基于行政區(qū)劃、人口、經(jīng)濟、房屋等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從模型庫中選取各類評估模型，通過GIS的空間分析、空間統(tǒng)計等功能，人工或自動觸發(fā)地震三要素信息，快速生成烈度影響場，提取各類評估模型參數(shù)進(jìn)行人員傷亡、經(jīng)濟損失、次生災(zāi)害等計算，快速判定應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)啟動等級，生成各類震害專題地圖、統(tǒng)計表以及對策建議文檔。模型與GIS集成流程如圖2所示。

2.3 輸出設(shè)計

依據(jù)不同時段、不同震級、不同應(yīng)急預(yù)案等級，確定對應(yīng)的不同應(yīng)急處置過程，形成對應(yīng)的系列應(yīng)急對策模板，軟件輸出基本模板分為文檔模板和專題圖模板兩類，文檔模板包括災(zāi)情簡報、震區(qū)基本信息、快速評估報告、對策建議報告 (表3)，專題圖模板包括基本專題圖和評估專題圖模板 (表4)。

表3 文檔模板設(shè)計Tab.3 Design of the documents temples

表4 評估專題圖模板設(shè)計Tab.4 Temples design of the assessment map

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 技術(shù)實現(xiàn)

云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)是評估模型庫與GIS的集成系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的兼容性、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，在開發(fā)模式上采用了當(dāng)前較為穩(wěn)定和成熟的C/S系統(tǒng)構(gòu)架，將外部數(shù)據(jù)庫、模型庫及Office辦公軟件與GIS平臺系統(tǒng)無縫集成，具體的技術(shù)方法如表5(李西等，2009;曹彥波等，2013)。

表5 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)方法Tab.5 Technology method of the system realization

3.2 系統(tǒng)功能

云南地震應(yīng)急快速評估系統(tǒng)由權(quán)限管理、震害評估、動態(tài)修正、模板管理等7個功能模塊組成。地震發(fā)生后30 min內(nèi)，通過人工或自動輸入地震三要素進(jìn)行觸發(fā)計算，評估地震影響范圍、人員傷亡、經(jīng)濟損失、房屋破壞、次生災(zāi)害等情況，給出應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)等級啟動建議，快速產(chǎn)出評估文檔和專題圖。系統(tǒng)各功能模塊如表6、圖3所示。

4 應(yīng)用分析

云南地震快速評估系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和測試，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的各項性能指標(biāo)，在2012～2013年云南6次地震應(yīng)急快速評估中，啟動該系統(tǒng)開展了烈度影響場、人員傷亡、經(jīng)濟損失、次生災(zāi)害風(fēng)險等評估工作，為地震應(yīng)急預(yù)案啟動、救援力量部署等提供了依據(jù)。筆者將“十五”軟件估算結(jié)果，本地化軟件估算結(jié)果和實際災(zāi)害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對比，如表7所示。

表6 系統(tǒng)各功能模塊描述Tab.6 Discription of each functions module of the system

表7 2012～2013年兩種評估方法結(jié)果與實際災(zāi)評結(jié)果對比Tab.7 Comparison of disaster survey results between two assessment methods and the actual from 2012 to 2013

從估算結(jié)果來看，原有地震快速評估軟件死亡人數(shù)和經(jīng)濟損失估算值與實際相比差距較大，基于本地化評估模型軟件估算值與實際結(jié)果數(shù)量級上基本一致，符合實際的地震災(zāi)情，評估結(jié)果滿足災(zāi)情速判和應(yīng)急決策要求。

5 結(jié)束語

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上開展了云南地區(qū)快速評估模型本地化集成研究工作，通過云南地區(qū)評估模型和對策模型的本地化集成應(yīng)用，實現(xiàn)了模型庫與GIS平臺無縫集成，開發(fā)完成了云南地震應(yīng)急快速評估軟件。經(jīng)過實際震例檢驗，與“十五”軟件相比較，系統(tǒng)模型、成果產(chǎn)出、空間可視化表達(dá)方面得到了進(jìn)一步的優(yōu)化和完善，提高了評估精度，為政府指導(dǎo)抗震救災(zāi)工作提供了基礎(chǔ)參考信息。該系統(tǒng)是以云南地區(qū)評估模型為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，應(yīng)用范圍有一定的局限性，有待于后續(xù)的進(jìn)一步研究和完善數(shù)據(jù)和模型計算方法，配置高性能硬件設(shè)備，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和運行效率。

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