基于DEM的場(chǎng)地放大系數(shù)的烈度速報(bào)修正方法研究

姜金征，蔣 越，惠 楊

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

基于DEM的場(chǎng)地放大系數(shù)的烈度速報(bào)修正方法研究

姜金征，蔣 越，惠 楊

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

震后烈度速報(bào)是應(yīng)急輔助決策的重要依據(jù)，場(chǎng)地條件是影響烈度速報(bào)結(jié)果的重要因素。根據(jù)高程、坡度、剪切波速及土層放大因子系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特征，計(jì)算得到場(chǎng)地校正后的地震烈度分布圖。應(yīng)用于遼寧地區(qū)燈塔5.1級(jí)和蓋縣4.3級(jí)兩次實(shí)際震例，對(duì)場(chǎng)地校正前、后的烈度圖以及實(shí)際宏觀調(diào)查烈度進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：經(jīng)場(chǎng)地校正后的烈度分布圖更符合實(shí)際宏觀調(diào)查結(jié)果。

場(chǎng)地效應(yīng)；坡度；剪切波速比；烈度

0 引言

目前，震后烈度速報(bào)越來越受到關(guān)注，尤其是五級(jí)以上強(qiáng)震，其烈度影響范圍及強(qiáng)度更是震后應(yīng)急救援決策的依據(jù)。隨著強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，使震后儀器烈度速報(bào)成為了可能[1]。但強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站所獲取的記錄為加速度記錄，若直接用于制作烈度圖，其結(jié)果為儀器烈度圖，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高；但若經(jīng)一系列轉(zhuǎn)化計(jì)算及場(chǎng)地校正后的烈度圖，我們視為“近實(shí)際烈度圖”，其結(jié)果可作為震后應(yīng)急決策的重要參考資料。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，場(chǎng)地土層對(duì)基巖地震動(dòng)參數(shù)的放大效應(yīng)有時(shí)甚至能達(dá)到兩倍之多[2-4]，因此，考慮當(dāng)?shù)貓?chǎng)地效應(yīng)對(duì)地震參數(shù)的影響，并快速繪制出近似正確的烈度圖，使生成的信息與實(shí)際災(zāi)區(qū)震害程度相近，以便更好地服務(wù)于震后應(yīng)急救援決策的制定。

截至2014年,遼寧省共有強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)93個(gè)，其中82個(gè)臺(tái)是實(shí)時(shí)通訊的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字臺(tái)站，具備了震后烈度速報(bào)的硬件條件[5]，故結(jié)合遼寧省實(shí)際情況，建設(shè)適合遼寧省地區(qū)特點(diǎn)的烈度速報(bào)系統(tǒng)被提上日程。為了使烈度速報(bào)結(jié)果更加符合震后實(shí)際調(diào)查情況，首要解決的問題就是場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)加速度的影響如何處理。鑒于此，本文從場(chǎng)地影響出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外考慮場(chǎng)地影響的烈度速報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行情況，探討了適合遼寧地區(qū)基于DEM（數(shù)字高程模型Digital Elevation Model）的場(chǎng)地校正計(jì)算方法，并結(jié)合燈塔地震和蓋州地震兩次地震實(shí)例，驗(yàn)證了本文中場(chǎng)地校正計(jì)算方法的可用性。

1 計(jì)算方法

本文采用文獻(xiàn)[6]中的方法，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地校正：

（1）通過計(jì)算DEM地形數(shù)據(jù)，得到最大坡度值。之后利用地下30m 的平均剪切波速與坡度相關(guān)性，對(duì)每個(gè)格點(diǎn)賦于相應(yīng)的值。分類邊界值參照文獻(xiàn)[6]相關(guān)內(nèi)容。

（2）將中國分為構(gòu)造活躍地區(qū)和地形變化相對(duì)柔和穩(wěn)定地區(qū)[7-8]，遼寧地區(qū)大部屬于構(gòu)造活躍地區(qū)。

式中，0v是基巖的剪切波速，取1050m/s；v是地下30m 的平均剪切波速；am 和vm 是與基巖峰值加速度有關(guān)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

2 計(jì)算過程

2.1高程數(shù)據(jù)下載

通過http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inp utCoord.asp網(wǎng)址，cgiar-csi官方網(wǎng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)下載（圖1）。下載的數(shù)據(jù)文件是一個(gè)5度×5度的高程?hào)鸥裎募募閍sc格式，每單元格寬度為0.00083度，約等于1km。

2.2坡度計(jì)算方法

目前，通過DEM地形數(shù)據(jù)求解相應(yīng)的坡度值有兩種方法：

（1）使用GMT工具得到高程圖：計(jì)算所用方法是將地形坡度作為任一場(chǎng)點(diǎn)的場(chǎng)地條件分類指標(biāo)，通過GMT[9]的“grdgradient”命令完成地形數(shù)據(jù)中最大坡度值的計(jì)算[6]，最終得到的是sc格式的高程圖。

（2）理論計(jì)算獲得柵格數(shù)據(jù)

式中，xf是X方向高程變化率，yf是Y方向高程變化率。由式（1）知，求解地表某點(diǎn)的坡度，關(guān)鍵是求解xf和yf。格網(wǎng)DEM是以離散形式表示地曲面且曲面函數(shù)未知，因此在格網(wǎng)DEM上對(duì)xf和yf的求解，是在局部3×3移動(dòng)窗口中（如圖2所示）：

通過數(shù)值微分方法或局部曲面擬合方法進(jìn)行。AGRGIS和MAPGIS軟件計(jì)算坡度采用的都是三階差分算法，但各平臺(tái)對(duì)xf和yf的計(jì)算方法不盡相同。其中ARCGIS采用的是三階反距離平方權(quán)差分即算法1，MAPGIS采用的是三階反距離權(quán)差分即算法2，具體計(jì)算公式如下：

算法1：

其中，1v～8v為柵格高程值，d為網(wǎng)格間隔。當(dāng)DEM數(shù)據(jù)具有良好的精度時(shí)，即數(shù)據(jù)誤差可以忽略不計(jì)，xf和yf的結(jié)果主要受柵格分辨d的影響。此時(shí)，DEM地形描述的尺度效應(yīng)直接決定了坡度計(jì)算精度。在起伏變化比較劇烈區(qū)域，DEM對(duì)地形描述的精確度受空間分辨率影響很大，直接導(dǎo)致基于不同分辨率DEM提取的坡度也各不相同。

在計(jì)算坡度值時(shí)，采用ARCGIS的三階反距離平方權(quán)差分方法對(duì)上述柵格文件進(jìn)行處理，其處理步驟與文獻(xiàn)[11]相關(guān)步驟一致，基本是按照將高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)繪制成高程圖、由高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成坡度數(shù)據(jù)、根據(jù)剪切波速與坡度的關(guān)系賦值（剪切波速）、根據(jù)剪切波速與場(chǎng)地放大系數(shù)關(guān)系賦值（放大系數(shù)）。

3 實(shí)際震例應(yīng)用

將前述方法計(jì)算得到的場(chǎng)地放大系數(shù)運(yùn)用到烈度速報(bào)、地震預(yù)警系統(tǒng)中，校正震后理論計(jì)算所得到的基巖地震動(dòng)參數(shù)值，從而獲得其地表土層的地震動(dòng)參數(shù)分布。地震發(fā)生以后，首先獲得的是地震發(fā)生的震中位置和震級(jí)，選擇適宜的衰減關(guān)系[10]，設(shè)定研究區(qū)域，計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)30″間隔的網(wǎng)格化場(chǎng)點(diǎn)（虛擬臺(tái)站）的基巖地震動(dòng)參數(shù)值，從而得到基巖場(chǎng)地上地震動(dòng)參數(shù)的分布?？紤]到場(chǎng)地放大系數(shù)的放大作用，可以將其轉(zhuǎn)換到地表上來，得到地表的地震動(dòng)參數(shù)值，最后經(jīng)過插值得到地表上地震動(dòng)參數(shù)的分布。

由于根據(jù)前述方法計(jì)算出來的場(chǎng)地放大系數(shù)柵格文件數(shù)據(jù)量巨大，一個(gè)6000×6000的柵格文件只代表5o×5o的區(qū)域數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中很可能需要使用到4個(gè)或更多的柵格文件數(shù)據(jù)，這樣巨大的數(shù)據(jù)量如果全都需要進(jìn)行計(jì)算和繪制是相當(dāng)耗資源的，于是實(shí)踐中采用每隔10個(gè)點(diǎn)取一個(gè)值構(gòu)成 600×600的柵格文件的方法對(duì)該柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的抽樣優(yōu)化。

3.1地震記錄

2013年1月23日在遼寧省遼陽市燈塔市、沈陽市蘇家屯區(qū)（41.5oN，123.2oE）發(fā)生5.1級(jí)地震。燈塔5.1級(jí)地震共回收強(qiáng)震動(dòng)記錄共計(jì)22組，合計(jì)66條，獲取記錄震中距范圍從16至370km不等，距離震中最近的遼陽臺(tái)，強(qiáng)震記錄經(jīng)校正后，水平向加速度最大峰值為21gal。

2014年8月22日在遼寧省蓋州市老邊（40.5oN，122.3oE）發(fā)生4.3級(jí)地震。此次地震共獲取強(qiáng)震記錄51組，合計(jì)150余條，獲取記錄震中距從11～300km不等，震中距22km的暖泉臺(tái)，水平向最大加速度峰值達(dá)到31gal。

3.2實(shí)際應(yīng)用

本文應(yīng)用了燈塔地震和蓋州地震基巖臺(tái)站的強(qiáng)震記錄，繪制了場(chǎng)地校正前、后烈度圖，并進(jìn)行了對(duì)比分析。本文繪制的烈度圖主要考慮了兩方面的問題：一是震源的影響；二是臺(tái)站較少區(qū)域烈度線作了必要的擬合與平滑。

如圖3烈度圖所示，場(chǎng)地校正前、后圖示表現(xiàn)有兩方面不同。一方面，震中區(qū)烈度大小不同。燈塔地震場(chǎng)地校正前的震中烈度為Ⅴ度，而場(chǎng)地校正后烈度為Ⅵ度，如圖3（a）所示；蓋州地震，場(chǎng)地校正前震中區(qū)烈度為Ⅳ度，場(chǎng)地校正后烈度為Ⅴ度，如圖3（b）所示。另一方面，各級(jí)烈度區(qū)域范圍不同。由圖3可見，場(chǎng)地校正后的各級(jí)烈度區(qū)域范圍校正前明顯偏大。

3.3與實(shí)際宏觀調(diào)查烈度比較

表1 震中區(qū)烈度值比較

如表1所示，實(shí)際宏觀烈度調(diào)查結(jié)果表明，燈塔5.1級(jí)地震極震區(qū)烈度為Ⅵ度，這與場(chǎng)地校正后烈度相同；蓋州4.3級(jí)地震實(shí)際宏觀調(diào)查烈度為Ⅴ度，這與場(chǎng)地校正后烈度也相同。而兩次地震場(chǎng)地校正前極震區(qū)烈度均小于實(shí)際調(diào)查烈度I度，因此，由這兩次地震場(chǎng)地校正前、后烈度比較，場(chǎng)地校正后的烈度更符合實(shí)際情況。

4 結(jié)論

本文通過高程數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、剪切波速數(shù)據(jù)、放大因子系數(shù)數(shù)據(jù)之間存在關(guān)聯(lián)性，計(jì)算得到場(chǎng)地校正后的地震烈度分布圖。通過應(yīng)用遼寧地區(qū)兩次實(shí)際震例，對(duì)場(chǎng)地校正前、后的烈度圖以及宏觀調(diào)查烈度進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：

（1）通過燈塔地震和蓋州地震兩次地震實(shí)例應(yīng)用，經(jīng)過場(chǎng)地校正后的震中區(qū)烈度值比校正前大了1度，同時(shí)，各級(jí)烈度范圍也有明顯擴(kuò)大;

（2）場(chǎng)地校正后的震中烈度值與震后實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致，校正前震中烈度值比震后調(diào)查的烈度值小1度。

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CALCULATION METHOD AND APPLICATION RESEARCH OF SITE AMPLIFICATION FACTOR BASED ON DEM

JIANG Jin-zheng，JIANG Yue，HUI Yang

（Earthquake Administration of Liaoning Province, Liaoning Shenyang 110034, China）

ract: Earthquake intensity quick report is an important basis for emergency decision making after earthquake, the site condition is an important factor affecting the rapid intensity. Based on the relevance within altitude, slope, wave velocity and amplification actor coefficient, earthquake intensity scatter map after site correcting was gained. The method is applied to two actual earthquakes, the Dengta M5.1 and Gaixian M4.3, compared intensity map before and after checking with actual macroseismic survey intensity, it is found that the intensity scatter map with site checking more in line with the actual results of macroseismic survey.

ds: site influence; grade of slope; shear wave velocity ratio; intensity

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.04.006

1674-8565（2016）04-0038-05

遼寧省地震局研究生基金項(xiàng)目（LNDZBSJJ002）

2016-07-21

2016-08-18

姜金征（1979-），男，山東省聊城市人，2002年畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和強(qiáng)震觀測(cè)等工作。