震后生命線系統(tǒng)功能恢復(fù)初步研究

鐘江榮 張令心

摘要：針對(duì)地震造成的供電、通訊、供水和燃?xì)?類生命線系統(tǒng)破壞的功能恢復(fù)開展初步研究?；谌毡緦m城地震和阪神大地震的這4類生命線系統(tǒng)功能的震后恢復(fù)時(shí)序調(diào)查資料，結(jié)合我國(guó)生命線系統(tǒng)特點(diǎn)，建立了指數(shù)形式的生命線系統(tǒng)震后功能恢復(fù)函數(shù)，并定義了恢復(fù)函數(shù)衰減指數(shù)A。在總結(jié)我國(guó)幾次地震生命線工程震害特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定了4個(gè)系統(tǒng)衰減指數(shù)取值區(qū)間和原則。最后，將唐山大地震震后供電、通訊和供水3個(gè)系統(tǒng)和汶川地震震后綿陽市供氣系統(tǒng)的實(shí)際恢復(fù)時(shí)間與由功能恢復(fù)函數(shù)計(jì)算所得時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明2組數(shù)據(jù)符合度較高，驗(yàn)證了所建立的生命線功能恢復(fù)函數(shù)的有效性，且A是可反映各生命線系統(tǒng)重要程度、修復(fù)難易程度及震后應(yīng)急決策修復(fù)措施有效性的綜合變量。

關(guān)鍵詞：生命線系統(tǒng);功能恢復(fù)函數(shù);恢復(fù)函數(shù)衰減指數(shù);功能失效;地震損失

0 引言

城市生命線工程是指維持城市生存功能系統(tǒng)和對(duì)國(guó)計(jì)民生有重大影響的工程，主要包括供電、供水、交通、通訊、燃?xì)?大系統(tǒng)。每類生命線系統(tǒng)包含不同的建（構(gòu)）筑物和不同的設(shè)備設(shè)施，并且彼此相互聯(lián)系，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);每種生命線系統(tǒng)都是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的復(fù)合體系，不同的生命線系統(tǒng)有其獨(dú)有的特征。歷史震害表明，發(fā)生于現(xiàn)代城市的破壞性地震，都會(huì)對(duì)城市的生命線工程造成嚴(yán)重的破壞。如1995年1月17日，日本兵庫(kù)縣南部阪神·淡路地區(qū)發(fā)生了7.2級(jí)強(qiáng)烈地震，死亡5 438人，傷24 523人，直接經(jīng)濟(jì)損約800億美元，生命線工程遭到普遍的破壞，城市生活受到很大影響，幾個(gè)月后其功能才基本恢復(fù)（中國(guó)赴日地震考察團(tuán)，1995）。

地震不但給城市生命線工程本身造成破壞，由此產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)損失，更為重要的是，生命線工程自身的破壞會(huì)使其應(yīng)有的功能受到影響，這將帶來更為嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的影響和損失。因此，生命線工程地震破壞評(píng)估研究，既包括生命線工程自身破壞研究，也包括由此引起的功能失效的研究。地震造成的這種生命線工程功能失效不是瞬間即逝的，也不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，需要隨時(shí)間變化逐步恢復(fù)。對(duì)于不同的生命線系統(tǒng)，其本身的特點(diǎn)、恢復(fù)的難易程度和震后恢復(fù)的重要程度都不同，其恢復(fù)的過程也不盡相同。總的來說，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)城市造成的影響越大，損失也越嚴(yán)重。

目前，生命線工程對(duì)震后城鄉(xiāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活秩序的恢復(fù)影響巨大，是韌性城鄉(xiāng)評(píng)估體系中的一個(gè)重要指標(biāo)，但在我國(guó)相關(guān)研究中還未見報(bào)道，因此，亟需開展相關(guān)研究。由于國(guó)內(nèi)缺乏生命線工程震后功能恢復(fù)和時(shí)序的調(diào)查資料，本文將基于日本宮城地震和阪神大地震的相關(guān)調(diào)查資料，結(jié)合我國(guó)唐山大地震、汶川地震和蘆山地震后生命線工程損失調(diào)查資料，從宏觀層面對(duì)供電、通訊、供水和燃?xì)?類生命線系統(tǒng)震后功能恢復(fù)模式進(jìn)行初步探討，初步建立了這4類生命線系統(tǒng)震后功能損失恢復(fù)曲線，為今后該系統(tǒng)震后因自身功能下降帶來的損失評(píng)估提供參考。

1 生命線系統(tǒng)特點(diǎn)及其震害特點(diǎn)

要建立生命線系統(tǒng)的震后功能損失恢復(fù)曲線，首先需要對(duì)生命線系統(tǒng)的特點(diǎn)有正確的認(rèn)知。與房屋建筑結(jié)構(gòu)相比，生命線系統(tǒng)具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)性：生命線系統(tǒng)大多以一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形式存在，且在空間上覆蓋一個(gè)很大的區(qū)域范圍。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能不僅與組成系統(tǒng)的各個(gè)單元的功能密切相關(guān)，而且與各個(gè)單元之間的聯(lián)系方式（主要表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鳎┟芮邢嚓P(guān)。

（2）復(fù)雜性：各類生命線系統(tǒng)都是由一批工程結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，工程結(jié)構(gòu)是生命線工程系統(tǒng)的客觀載體。這些工程結(jié)構(gòu)不但各自特征復(fù)雜，而且其所處周圍環(huán)境也各不相同，既有埋地管線、通訊設(shè)施;也有復(fù)雜場(chǎng)地下的構(gòu)筑物，如隧道、跨海大橋等;還有各種復(fù)雜設(shè)施、設(shè)備等。這些工程結(jié)構(gòu)或者元件的破壞，也會(huì)影響到生命線工程系統(tǒng)所提供的社會(huì)功能。

（3）耦聯(lián)性：不同的生命線工程系統(tǒng)在功能上往往具有耦聯(lián)性，一個(gè)系統(tǒng)的功能失效可能會(huì)影響到其它系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)等。在強(qiáng)烈地震發(fā)生時(shí)，這種耦聯(lián)作用甚至更加顯著和廣泛（鐘江榮，2001）。

由以上分析可以看出，這些生命線系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)震后生命線功能失效和恢復(fù)時(shí)間都會(huì)產(chǎn)生重要影響。

本文收集了我國(guó)唐山大地震（楊文忠，2006）和汶川地震以及蘆山地震生命線工程震害資料 中國(guó)地震局汶川地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作隊(duì).2008.2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)地震災(zāi)害損失評(píng)估報(bào)告.（葉飛等，2013a，b;劉如山等，2013;劉金龍等，2013），通過分類總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地震對(duì)生命線工程地震破壞及其功能損失影響和恢復(fù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）地震震級(jí)越大，災(zāi)區(qū)的影響范圍越大，生命線工程的破壞分布范圍也將更加廣泛，并且其功能損失影響范圍也將隨震級(jí)的增大而增加。

（2）隨著地震烈度的增加，生命線工程破壞愈發(fā)嚴(yán)重。在烈度Ⅸ度及以上地區(qū)，對(duì)于供電和通訊系統(tǒng)，由于一些站點(diǎn)和核心設(shè)施的破壞，其功能將受到顯著影響;而對(duì)于交通系統(tǒng)，由于山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響交通系統(tǒng)的通行;而對(duì)于供水、燃?xì)夤芫W(wǎng)，由于其埋置于地下，大面積的破壞和功能影響也都出現(xiàn)在Ⅸ度及以上烈度區(qū)。

（3）生命線系統(tǒng)功能恢復(fù)與災(zāi)害程度和災(zāi)區(qū)范圍密切相關(guān)，一般來說，輕災(zāi)區(qū)比重災(zāi)區(qū)的恢復(fù)時(shí)間短得多;災(zāi)害范圍越廣，恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)（指發(fā)生同一烈度地震造成的破壞程度相當(dāng)時(shí)）。

（4）同一次地震，就生命線系統(tǒng)功能的恢復(fù)時(shí)間來看，供電系統(tǒng)恢復(fù)得最快，通訊系統(tǒng)與供電系統(tǒng)大體相當(dāng)，交通系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間相對(duì)居于中間，供水系統(tǒng)相對(duì)較慢，而供氣系統(tǒng)恢復(fù)得最慢。

（5）在低烈度（Ⅵ度及以下烈度）區(qū)域，供電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)在沒有出現(xiàn)設(shè)施破壞時(shí)，也可能出現(xiàn)短暫停電和通訊中斷等現(xiàn)象，通訊系統(tǒng)中發(fā)生這種情況尤為明顯。

鑒于生命線系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和重要性，在震后應(yīng)急和救災(zāi)中，必須優(yōu)先考慮其功能恢復(fù)。各生命線系統(tǒng)的恢復(fù)模式主要取決于各系統(tǒng)震害特點(diǎn)和影響程度?；诖?，研究不同生命線系統(tǒng)的恢復(fù)模式，建立各系統(tǒng)的功能恢復(fù)函數(shù)，可很好地評(píng)估震后各生命線系統(tǒng)的功能影響，從而能較為準(zhǔn)確地評(píng)估由此產(chǎn)生的損失和影響。

2 生命線系統(tǒng)功能恢復(fù)函數(shù)

本文基于日本學(xué)者栗林榮一給出的1978年宮城縣近海地震時(shí)主要生命線系統(tǒng)功能恢復(fù)的實(shí)例（Kazuhiko，Takashi，1990），對(duì)其數(shù)據(jù)重新分析處理后，給出了供電、通訊、供水、燃?xì)庀到y(tǒng)功能失效率隨時(shí)間的關(guān)系;同時(shí)對(duì)日本的阪神大地震生命線系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)序關(guān)系（中國(guó)赴日地震考察團(tuán)，1995）做了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)。需要說明的是，本文在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，將由原始數(shù)據(jù)中得到的震后初始功能失效率定義為無量綱的量，為1。隨著系統(tǒng)功能逐步恢復(fù)，漸漸恢復(fù)到震前水平。當(dāng)功能達(dá)到震前水平，即全部恢復(fù)時(shí)，則定義為0。

由于生命線系統(tǒng)功能在城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)日常生活中的重要性，相比于其他系統(tǒng)，震后總是優(yōu)先考慮其恢復(fù)，而且要求其恢復(fù)時(shí)間比其它系統(tǒng)要迅速。歷史震害表明生命線系統(tǒng)功能從地震后的功能初始失效后恢復(fù)到震前水平是一個(gè)漸進(jìn)的、逐步恢復(fù)的過程。功能恢復(fù)是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，且這個(gè)過程很難用一條直線來模擬。鑒于生命線的網(wǎng)絡(luò)化特征，在系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)，可能由于系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)的修復(fù)，而使其功能大大恢復(fù)，也就是說這種關(guān)系將是一種指數(shù)關(guān)系。

基于2次日本地震的供電、通訊、供水、燃?xì)庀到y(tǒng)的恢復(fù)時(shí)序關(guān)系，采用數(shù)學(xué)擬合方式給出了上述4類生命線系統(tǒng)的功能恢復(fù)函數(shù)表達(dá)式為：

式中：y為生命線系統(tǒng)功能失效率與初始最大功能失效率的比值;x為震后恢復(fù)時(shí)間，以d為單位，從地震當(dāng)天開始算起;A是一個(gè)反映該生命線系統(tǒng)重要程度、修復(fù)難易程度及震后應(yīng)急決策修復(fù)措施有效性的綜合變量，決定該生命線系統(tǒng)功能的恢復(fù)快慢，將其定義為生命線系統(tǒng)恢復(fù)函數(shù)衰減指數(shù)。

按上述方法分別給出了基于宮城縣近海地震和阪神地震的4類重要生命線系統(tǒng)的恢復(fù)關(guān)系曲線，如圖1所示。圖中散點(diǎn)數(shù)據(jù)為通過震后統(tǒng)計(jì)得出的2次地震的系統(tǒng)功能恢復(fù)的原始數(shù)據(jù)，曲線為按式（1）得出的擬合曲線，其中，縱坐標(biāo)為一個(gè)無量綱的量，其最大值1對(duì)應(yīng)的是本次地震中該系統(tǒng)初始功能失效值，也就是地震后各生命線系統(tǒng)遭受到的最大影響;橫坐標(biāo)為功能恢復(fù)時(shí)間，0為地震當(dāng)天，對(duì)應(yīng)功能初始失效的最大值。隨著時(shí)間增加，功能逐漸恢復(fù)，功能失效逐漸減少。

從圖1可以看出，這2次地震的擬合曲線與原始數(shù)據(jù)擬合較好，表明使用本文給出的生命線系統(tǒng)功能指數(shù)型恢復(fù)函數(shù)對(duì)評(píng)估生命線系統(tǒng)震后功能失效造成的損失是可行的。

經(jīng)進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，2次地震按照公式（1）得出的擬合參數(shù)A見表1，表中R2為擬合曲線的均方差。

由表1可知，通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的恢復(fù)速度基本上屬于同一量級(jí)，A為0.2～5;供水系統(tǒng)的恢復(fù)則較為困難，A為2～15;燃?xì)庀到y(tǒng)恢復(fù)最慢，A為5～150。從圖1b中還可以看出，由于阪神地震燃?xì)庀到y(tǒng)的實(shí)際功能失效率恢復(fù)曲線的衰減指數(shù)較大，具體形狀與直線下降的擬合結(jié)果較為一致。

在震后的實(shí)際評(píng)估和預(yù)測(cè)中，可以參考初始損失，結(jié)合當(dāng)?shù)厣€系統(tǒng)的各部件的重要性、恢復(fù)難易程度以及當(dāng)?shù)厣€系統(tǒng)及應(yīng)急對(duì)策等具體情況，給出一個(gè)合理的衰減指數(shù)A，即可采用式（1）快速得到各生命線系統(tǒng)的初始功能損失評(píng)估結(jié)果。

結(jié)合我國(guó)生命線系統(tǒng)震害和功能恢復(fù)特征，本文給出衰減指數(shù)A的取值原則：①對(duì)于同一生命線系統(tǒng)，震害越輕，則A取值越小;震害越重，A取值越大;②在同等烈度下，災(zāi)害范圍越廣，取值越大;③當(dāng)供電系統(tǒng)電廠或者大型變電站、通訊系統(tǒng)中心站點(diǎn)建筑和設(shè)施、供水系統(tǒng)水處理系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)門站等出現(xiàn)毀壞時(shí)，A應(yīng)取上述建議值的上限。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證4類生命線系統(tǒng)功能恢復(fù)函數(shù)的正確性，本文以1976年唐山大地震后通訊、供電、供水系統(tǒng)和2008年汶川地震后綿陽市燃?xì)庀到y(tǒng)的實(shí)際震后恢復(fù)時(shí)間為例，將按本文方法計(jì)算得到的4類生命線系統(tǒng)震后恢復(fù)時(shí)間與實(shí)際恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行了對(duì)比。

1976年7月28日，唐山7.8級(jí)地震發(fā)生后，唐山地區(qū)的生命線系統(tǒng)幾乎全部癱瘓（楊文忠，2006），地震后通訊、供電、供水系統(tǒng)的恢復(fù)情況如下所述：

（1）通訊系統(tǒng)。按照先溝通后恢復(fù)，先干線后支線，先保證重點(diǎn)后逐步擴(kuò)大的原則進(jìn)行，9月初，通訊初步恢復(fù)。

（2）供電系統(tǒng)。利用京、津、唐電網(wǎng)先供電后發(fā)電，先簡(jiǎn)易供電后健全。8月6日，地震破壞的8個(gè)110 kV變電站有7個(gè)恢復(fù)供電，55個(gè)35 kV變電所恢復(fù)供電24個(gè)。8月中旬唐山電廠開始并網(wǎng)發(fā)電。

（3）供水系統(tǒng)。以盡快恢復(fù)供水能力的原則，首先解決飲用水，然后分區(qū)搶修管網(wǎng)、設(shè)備，用機(jī)泵統(tǒng)一調(diào)度，恢復(fù)多水源統(tǒng)一管網(wǎng)供水。10月初，恢復(fù)水源31處，平均日供水量5.2萬噸，飲用水與生產(chǎn)用水基本解決。

2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震后，綿陽地區(qū)遭受嚴(yán)重破壞，根據(jù)震后對(duì)綿陽地區(qū)燃?xì)庀到y(tǒng)調(diào)查（郭恩棟等，2012）顯示，綿陽市燃?xì)庹鹎叭展饬?2.8萬m3，供氣壓力為0.25 MPa。地震發(fā)生后立即停止供氣，24小時(shí)后供氣量為11.6萬 m3，全部恢復(fù)正常供氣是在60 d以后，日供氣量約為22萬m3，但供氣壓力為0.20 MPa。

考慮到唐山大地震和汶川地震震級(jí)大，生命線系統(tǒng)破壞程度和功能喪失程度大，波及和影響范圍廣，在這種極端情況下，本文對(duì)唐山地震中通訊系統(tǒng)和供電系統(tǒng)A取5，供水供水系統(tǒng)A取15，汶川地震中綿陽宏觀地震烈度為Ⅸ，燃?xì)庀到y(tǒng)A取30。考慮各系統(tǒng)的恢復(fù)程度不同，得出各生命線系統(tǒng)基本恢復(fù)時(shí)間，見表2。從表中可以看出，計(jì)算得出的唐山大地震中3個(gè)系統(tǒng)的震后恢復(fù)時(shí)間與實(shí)際恢復(fù)時(shí)間基本一致;汶川地震綿陽市的燃?xì)夤饬繌?1.6萬m3到22萬m3的計(jì)算時(shí)間和實(shí)際恢復(fù)時(shí)間也較為一致，驗(yàn)證了本文方法的有效性和實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文考慮了生命線系統(tǒng)自身及其震害與功能失效的特點(diǎn)，基于日本宮城地震和阪神地震的生命線系統(tǒng)震后恢復(fù)時(shí)序統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用本文建立的生命線系統(tǒng)功能恢復(fù)函數(shù)，并通過擬合的方式，確定了供電、通訊、供水和燃?xì)?大系統(tǒng)的指數(shù)形式恢復(fù)函數(shù)中重要的參數(shù)——恢復(fù)函數(shù)衰減指數(shù)A。

由于國(guó)內(nèi)目前還沒有詳細(xì)的生命線系統(tǒng)功能隨時(shí)間不斷恢復(fù)的詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)，選擇日本地震后詳細(xì)的生命線功能恢復(fù)時(shí)序進(jìn)行擬合，為了得到不同生命線系統(tǒng)的恢復(fù)模型，從而得到的衰減指數(shù)A，更多的是一個(gè)反映不同生命線系統(tǒng)恢復(fù)特征的變量。因此，衰減指數(shù)A對(duì)我國(guó)震后生命線系統(tǒng)恢復(fù)預(yù)測(cè)有一定的借鑒意義?；趪?guó)內(nèi)震后生命線系統(tǒng)的震害和功能恢復(fù)特點(diǎn)，分析給出了詳細(xì)的取值區(qū)間及取值原則，為我國(guó)評(píng)估由生命線系統(tǒng)破壞造成的功能損失及恢復(fù)過程提供了可行的評(píng)估方法。選取唐山大地震震后供電、通訊、供水和汶川地震綿陽市燃?xì)庀到y(tǒng)的實(shí)際恢復(fù)時(shí)間，與本文方法計(jì)算得到的恢復(fù)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，該方法基本可行，由此驗(yàn)證了本文所建立的4類生命線系統(tǒng)震后功能恢復(fù)函數(shù)能夠較為準(zhǔn)確地評(píng)估各生命線系統(tǒng)的功能恢復(fù)模式，從而可作為進(jìn)一步評(píng)估由此產(chǎn)生的影響和損失的基礎(chǔ)。

本文提供的方法是對(duì)生命線系統(tǒng)震后恢復(fù)過程的初步探討，由于生命線系統(tǒng)的復(fù)雜性和不同地區(qū)同一類生命線系統(tǒng)的差異等原因，該方法還需要更為豐富的震害資料的支持，開展進(jìn)一步的深入研究。為了更好地選擇A，就需要在以后震后調(diào)查或者科學(xué)考察中，收集相關(guān)生命線破壞、恢復(fù)措施、功能恢復(fù)等詳細(xì)數(shù)據(jù)，從而得到更為準(zhǔn)確的A。因此，建議在今后震害調(diào)查中，專門開展針對(duì)生命線系統(tǒng)震后功能破壞情況及恢復(fù)情況的專項(xiàng)調(diào)查，并且，應(yīng)由地震部門和相關(guān)專業(yè)管理人員參與震后調(diào)查，收集更為有效、詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

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