基于GIS的地震應(yīng)急分類響應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)

馮 駿，李向新，李付偉

(1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650000；2.畢節(jié)市防震減災(zāi)局，貴州 畢節(jié) 551700)

我國是世界上受地震災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，其中20世紀(jì)全球死亡人數(shù)較多的地震均發(fā)生在我國。我國許多地區(qū)都有強(qiáng)烈地震活動(dòng)的歷史，據(jù)20世紀(jì)資料統(tǒng)計(jì)，我國平均每年發(fā)生1次7級以上和6次6級以上強(qiáng)烈地震[1]。2012年9月7日，云南省昭通市彝良縣和畢節(jié)市威寧彝族回族苗族自治縣交界發(fā)生5.7級地震，造成74.4萬人受災(zāi)，死亡人數(shù)達(dá)到80人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到37.04億元。因此，作為地震應(yīng)急管理體系中的地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)(EERS)的研究也越來越受到國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。

目前，在一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了一些較為成熟的災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)，且已在一些災(zāi)害中發(fā)揮了重要的作用，如美國FEMA的“緊急事務(wù)管理系統(tǒng)”(EMS)、日本東京都的“災(zāi)害響應(yīng)系統(tǒng)”(DRS)和日本兵庫縣的菲尼克斯災(zāi)害管理系統(tǒng)(Phoenix)[2-3]。中國地震局則在“九五”期間就專門設(shè)立了構(gòu)建地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)重點(diǎn)項(xiàng)目，初步提出了大陸尺度的交互式全國地震應(yīng)急快速響應(yīng)系統(tǒng)的基本框架[4]。本文在前人研究總結(jié)的基礎(chǔ)上，基于ArcEngine、SQL Server、C#語言等，針對畢節(jié)市防震減災(zāi)局的具體需求，進(jìn)行了地震應(yīng)急分類響應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的研究。

1 研究區(qū)域概況

畢節(jié)市地處北緯26°21′～27°46′、東經(jīng)103°36′～106°43′，位于貴州西北部川、滇、黔三省交界處，是烏江、赤水河、北盤江的發(fā)源地。全市最高海拔2 900.6 m，最低海拔457 m，平均海拔1 400 m，國土面積26 853平方公里，居住著漢、彝、苗、回等46個(gè)民族，920萬人口。

畢節(jié)市屬于貴州中部山地丘陵過渡的傾斜地帶，地形起伏大，切割強(qiáng)烈，總體地勢為西高東低呈階梯狀分布；境內(nèi)多山地，主要包括西部的烏蒙山、北部的大婁山和西南部的老王山。畢節(jié)地區(qū)位于我國南北地震帶的東緣，南嶺東西向構(gòu)造帶北側(cè)，境內(nèi)總體構(gòu)造特性形成于燕山期，定型于喜馬拉雅期，歷史地震比較活躍。畢節(jié)市境內(nèi)地質(zhì)斷裂較為發(fā)育，各種構(gòu)造疊加且相互交錯(cuò)，境內(nèi)主要分布的活動(dòng)性構(gòu)造帶包括：埡都-紫云深斷裂帶、威寧石門坎斷裂帶、金沙巖孔斷裂帶、大方馬場斷裂帶等。

2 地震風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 地震峰值加速度衰減模型

地震峰值加速度是指地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜最大值相應(yīng)的水平加速度。本文中結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)地理地貌特征綜合考慮，采用中國地震局地球物理研究所王培德等提出的衰減公式，即通過瀾滄-耿馬地震的強(qiáng)震資料擬合出的水平方向加速度衰減公式

lgAmax=2.29+0.38M-1.971lg(R+10)

(1)

變換后峰值加速度公式為

Amax=102.29×100.38M×(R+10)-1.97

(2)

2.2 地震烈度衰減模型

在進(jìn)行地震風(fēng)險(xiǎn)損失評估中，目前較為流行的是采用應(yīng)用地震動(dòng)衰減模型的計(jì)算方法來預(yù)測地震動(dòng)參數(shù)以評估地震危險(xiǎn)性。地震烈度衰減模型則是在發(fā)生地震斷層明確的區(qū)域內(nèi)，采用分別在長軸和短軸進(jìn)行烈度擬合的橢圓形等震線來描述地震衰減規(guī)律。本文中建立地震動(dòng)衰減模型的公式采用貴州省地震局徐祥通過大量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析所得出的，公式為

Ia=4.043 9+0.927 8M-0.841 9ln(R1+10)+ε1
Ib=2.973 2+0.986 3M-0.769 2ln(R2+5)+ε2

(3)

式(3)中，Ia和Ib分別為長軸和短軸衰減值，M為震級，Ra和Rb分別為長震中距和短震中距，ε為隨機(jī)誤差；根據(jù)插值回歸分析得出，長軸隨機(jī)誤差ε1=0.73，短軸隨機(jī)誤差ε2=0.74。

3 建筑物易損性分析

目前，建筑物地震風(fēng)險(xiǎn)損失評估的方法總體可分為4類：(1)以分析歷史地震災(zāi)害為依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法；(2)基于統(tǒng)計(jì)抽樣的現(xiàn)場調(diào)查法；(3)基于遙感圖像的識(shí)別法；(4)建筑物震前易損性分析法。而在眾多地震風(fēng)險(xiǎn)損失評估研究中，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示大多數(shù)損失均來源于建筑物的損壞。而在評估震害損失的過程中可依據(jù)建筑物的震害矩陣來進(jìn)行損失評估。

本文采用基于建筑物震前易損性分析方法對研究區(qū)域境內(nèi)的建筑物進(jìn)行地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)損失評估。鑒于建筑物在地震中的受損程度最主要的是建筑物的結(jié)構(gòu)類型，因此本文在研究建筑物的震害矩陣的過程中按照建筑物的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。在統(tǒng)計(jì)調(diào)查研究區(qū)域內(nèi)建筑物，考慮將其分為4種類型：鋼筋混凝土框架構(gòu)造、多層砌體房屋、磚木構(gòu)造、土木構(gòu)造。而研究過程中建筑物在不同程度的損失平均值設(shè)定參考如下：建筑物完全破壞時(shí)設(shè)為1.00；嚴(yán)重破壞時(shí)設(shè)為0.70；中等破壞時(shí)設(shè)為0.40；輕微破壞時(shí)設(shè)為0.15；基本完好時(shí)設(shè)為0.00。

建筑物震害矩陣是指在特定的研究區(qū)域在各個(gè)地震烈度下其建筑物的損毀狀況比率。鑒于研究區(qū)域的地震活動(dòng)與馬鞍山相似，且經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也相似，故本文參考馬鞍山地區(qū)建筑物調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果上建立的不同建筑結(jié)構(gòu)類型的震害矩陣數(shù)據(jù)。表1～表3為所建立的建筑物震害破壞矩陣。

表1 不設(shè)防多層磚混建筑物震害矩陣 /%

表2 單層民宅建筑物震害矩陣 /%

表3 磚混結(jié)構(gòu)建筑物的震害矩陣 /%

目前，依據(jù)建筑物震害矩陣可以計(jì)算出構(gòu)造不一致建筑物在不同損壞級別下的建筑面積，但不能直觀表達(dá)出研究區(qū)域內(nèi)受地震影響的整體受災(zāi)情況，因此本文將建筑物在地震中損毀情況作為度量整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)受災(zāi)狀況的重要指標(biāo)。通過結(jié)合建筑物的破壞比率、損失比率、單位面積及造價(jià)可計(jì)算出建筑物的破壞總損失，計(jì)算公式為

(4)

式(4)中，Q為研究區(qū)域內(nèi)房屋震害總損失，λ(m,j|I)為房屋震害矩陣中所處m類型建筑物的損壞比例，T(m)為m類型建筑物的建筑面積，η(m,j)為m類型建筑物所處j損毀級別時(shí)的損失比率，B(m,j)為m類型構(gòu)造房屋的單價(jià)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

在地震危險(xiǎn)性及震害損失模型的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與研發(fā)出適合研究區(qū)域震情的地震應(yīng)急分類響應(yīng)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊、地震信息管理模塊、地震知識(shí)庫模塊、震時(shí)評估模塊4大模塊，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。系統(tǒng)主要可分為基本數(shù)據(jù)管理和地震專題應(yīng)用功能兩大部分，細(xì)分的四大模塊詳見如下：(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊：主要包含人口、建筑物、道路、輔助決策等數(shù)據(jù)的管理；(2)地震信息管理模塊：包括歷史震源目錄、震中位置、震級大小查看管理等內(nèi)容；(3)地震知識(shí)庫模塊：主要是地震相關(guān)的圖庫，具體則包含有研究區(qū)域內(nèi)的斷層構(gòu)造圖、地形圖、國家設(shè)置的地震重點(diǎn)監(jiān)視圖、地震帶圖等數(shù)據(jù)的查看與管理；(4)震時(shí)評估模塊：主要是實(shí)現(xiàn)快速的震害評估，自動(dòng)生成地震影響場并自動(dòng)匯總災(zāi)害損失情況；可以圖表等的形式展現(xiàn)地震造成的災(zāi)害損失等信息，并發(fā)布出災(zāi)害等級及應(yīng)對情況。

圖1 系統(tǒng)框架圖

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊包括用戶登錄及其角色權(quán)限的管理及對連接的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫連接配置管理，是地震應(yīng)急分類響應(yīng)信息的基礎(chǔ)配置管理部分。其中登錄子模塊部分，通過用戶輸入用戶名及密碼，并將密碼通過MD5加密算法進(jìn)行加密后進(jìn)行校驗(yàn)，通過后進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖2所示。

4.2 地震信息管理

地震信息管理模塊主要實(shí)現(xiàn)了對畢節(jié)市歷史地震信息的管理、震中位置分布查看功能。其中歷史地震目錄及震中分布查看采用屬性表與主地圖顯示操作結(jié)合實(shí)現(xiàn)，詳見圖3。系統(tǒng)提供對選取指定震級大小、地震區(qū)域等屬性條件或在主地圖中矩形或多邊形選框來進(jìn)行查詢歷史地震信息，通過對屬性表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙擊，還可以實(shí)現(xiàn)在地圖控件中縮放及地震點(diǎn)高亮等功能。此模塊是系統(tǒng)中地震要素的重要管理模塊。

4.3 地震知識(shí)庫模塊

地震知識(shí)庫模塊主要實(shí)現(xiàn)了對研究區(qū)內(nèi)部分重要地震地質(zhì)參考圖件的查看，主要采用主地圖控件中加載專題圖的方式來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容包括畢節(jié)市地形圖、畢節(jié)市地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖、畢節(jié)市地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖、畢節(jié)市地震烈度區(qū)劃圖、畢節(jié)市地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)圖、畢節(jié)市地質(zhì)圖、畢節(jié)市斷層圖等7張專題圖。

圖2 系統(tǒng)主界面及地圖工具條、圖層管理

圖3 歷史地震目錄與震中分布查看管理

4.4 地震動(dòng)損失評估

地震動(dòng)損失評估模塊主要實(shí)現(xiàn)了對模擬地震后進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析及損失評估和得出分類響應(yīng)結(jié)果。該模塊通過獲取交互輸入的震源點(diǎn)空間位置坐標(biāo)，使用式3中的地震烈度衰減模型、結(jié)合烈度、破裂方向等地震參數(shù)，計(jì)算出地震影響場中4、5、6三級等烈度線長短軸數(shù)值，再利用橢圓圓心(即震元點(diǎn))坐標(biāo)，即可繪制出烈度分布圖，模擬計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 計(jì)算生成的地震影響場

將計(jì)算出的地震烈度分布與建筑物分布情況進(jìn)行疊加分析，可得出不同構(gòu)造房屋在不同烈度下的分布情況；之后結(jié)合上文中所設(shè)置的建筑物震害矩陣，便可計(jì)算出不同烈度下各個(gè)建筑物的損毀情況；最后通過對各個(gè)建筑物破壞結(jié)果進(jìn)行累積可以得出全部損失情況。通過對總體損失情況進(jìn)行判斷，計(jì)算出地震損失處于“特別重大地震災(zāi)害”、“重大地震災(zāi)害”、“較大地震災(zāi)害”、“一般地震災(zāi)害”、“輕度地震”5類中的哪一級別，并提供相應(yīng)的響應(yīng)結(jié)果以供參考。

圖5 地震造成損失情況及信息發(fā)布

5 結(jié)束語

畢節(jié)市地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)是根據(jù)研究區(qū)域震情而進(jìn)行的本地化研究工作，實(shí)用性較強(qiáng)，對地震自然災(zāi)害的應(yīng)急演練和應(yīng)對發(fā)揮了重要作用。但隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，系統(tǒng)中所使用的模型也應(yīng)按時(shí)進(jìn)行修改和整理。