基于临汾2次强震史料与GIS技术对未来强震灾害预测评估

赵晓云 李自红 闫小兵薄建杰 李慧玲 高云峰

1)吉林大学，长春 130022

2)太原理工大学，太原 030024

3)山西省地震局，太原 030021

基于临汾2次强震史料与GIS技术对未来强震灾害预测评估

赵晓云1，3)李自红2，3)闫小兵3)薄建杰3)李慧玲3)高云峰3)

1)吉林大学，长春 130022

2)太原理工大学，太原 030024

3)山西省地震局，太原 030021

通过对临汾2次历史强震史料的研究，总结出其震害分布特征，对比各类衰减模型绘制的等震线图，确定了对该地区不同震级地震最适用的衰减关系模型和修正值;应用GIS技术的空间分析功能，实现了临汾地区更为直观的震害预测评估系统。再将临汾2次历史强震损失重建，从而预测出临汾地区现有经济社会情况下的地震灾害的损失情况，为其未来防震减灾实际工作提供了可靠的依据。

历史强震 GIS 历史地震损失重建 灾害预测评估

0 引言

山西省临汾地区是历史强震的多发区，1303年洪洞8级和1695年临汾7¾级2次地震历史闻名，破坏巨大，并留下了大量的地震史料。1303年洪洞8级地震是中国第1次根据史料绘制出等震线的地震。至今，在这一范围内仍有大量中小地震发生，具有明显的大震区长期活动的特征(王泽皋，1985)。充分挖掘史料，总结2次强震的震害空间分布特征，建立该区的地理信息数据库，利用GIS的空间分析能力，对该区在现有社会经济条件下2次强震重演造成的地震灾害损失进行预测评估，为该区防震减灾实际工作提供依据。

1 临汾2次历史强震震害分布特征

本文依据收集的大量历史地震记载，采用临汾市1/5万电子地图、《山西省历史地图集》，经数字化采样后，利用GIS空间分析功能，绘制出2次历史强震实际等震线图(参考任雪梅等，2006)。

1303年洪洞8级地震和1695年临汾7¾级地震与构造有明显的对应关系，地震破裂方向已确定(王健等，2004)，因此计算这2次地震理论等震线时选用椭圆模型。临汾盆地常用的地震裂度衰减关系有3种，即东部地区、山西地区、中国东部地区8～8¼级地震衰减关系模型。

针对1303年洪洞8级地震和1695年临汾7¾级地震，用这几种烈度衰减关系分别计算了其理论等震线，并与实际地震等震线进行了对比。结果发现，由中国东部地区8～8¼级地震衰减关系模型计算得到的等震线符合1303年洪洞8级地震;而明显大于1695年临汾7¾级地震的数值，推断该模型不适合该区8级以下的地震(李小军，2006)。由山西烈度衰减关系计算得到的烈度分布比实际的又偏小，由东部衰减关系模型绘制的等震线更接近于该地震实际等震线。2次强震的烈度残差空间分布图分别见图1，2。

图1 烈度残差空间分布图(1303年实际等震线与8～4¼级衰减理论等震线对比)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 ～8¼).

从图1中看出，烈度偏大地区恰好是震中所在的临汾盆地和盆地周边。实际烈度等震线在盆地区沿盆地展布方向被拉长，很明显是盆地效应加大了这些地区的震害。烈度异常点主要沿汾河流域和其他河流流域分布，可见砂土液化等地震地质作用也加重了震害。

临汾凹陷是盆地的主体构造单元(宋惠珍等，1995)，断陷幅度较大，是一个沿凹陷的轴向为NNE走向的地堑式深槽，最大新生界厚度达2.2km，最大第四系厚度达0.8km，这种构造具有强烈的地震地面运动放大效应。

非震中所在的盆地烈度相当或有小部分地区烈度偏小，分布没有规律，推测为此地人口稀少、史料不够详实所致。

因此，针对该区发生的类似1303年和1695年的地震，2次地震震害空间分布特征和采用模型，即8级以上地震采用8～8¼级地震衰减关系模型，7～8级地震采用东部地区椭圆模型，震中在盆地内的地震理论等震线最高烈度修正提高Ⅰ度，来预测评估震害可能更为可靠。

图2 烈度残差空间分布图(1695年实际等震线与东部衰减理论等震线对比)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技术在地震灾害预测评估系统中的应用

开发一个地震灾害预测评估系统，其设计思路是:根据概率地震危险性分析或设定地震得到的对未来临汾地区的地震影响进行预测，通过确定给定目标的地震影响，结合目标抗震能力分析，在预测的地震影响下，估计目标可能遭受的破坏，并据此评价地震造成的经济损失和人员伤亡。这一分析处理过程，涉及大量的地理信息数据和地震信息的空间分析处理方法，采用GIS技术有明显的技术优势。

例如，要设定未来地震的空间位置，区域地震构造环境和地震活动性资料将是重要因素。GIS可以提供两方面帮助:一是可以为预测空间位置提供有效的分析工具;二是可以提供直接在背景图件上设定空间位置的功能。将各种需要的构造环境和地震活动性资料建立地理信息数据库，根据数据库中的信息，形成各种图件以便进行人工判断，或采用GIS空间信息叠加等方式获取多因素判断的基础信息，这为地震空间位置的确定提供了有效的分析工具。

又如，确定地震对给定评价目标的影响程度。这里的评价目标为各种类型的建筑物。利用GIS技术，可以建成单体建筑物在城市空间上分布的地理信息图层，在图层上可以存储每一栋建筑的各种信息(包括建筑的功能、性质、名称、建筑面积、高度、结构、建筑年代、人口分布等信息)以及抗震能力，利用GIS的空间查询功能得到建筑物的破坏程度。再利用GIS的图形显示功能以一定的可视化方式将预测结果展示出来。还可估计直接经济损失和人员伤亡情况形成专题图。

GIS技术在解决震害预测方面具有强大的空间分析功能(王继等，2002;王晓青等，2004)，可获得图面上任意点的空间信息，还可以直接在背景图件上设定空间位置，图层叠加可形成各种图件，可创建各种专题图:地震分布图、评估区分布图、烈度区分布图、建筑物毁坏分布图、异常点分布图、人员伤亡分布图等，这为震害评估和结果展示提供了最为直观便捷的方式，对提高震害预测的针对性，具有决定性的意义。

3 临汾地区2次历史强震重演的应用实例

不少研究者对历史地震损失重建进行了研究(郭恩栋等，2004)，有一种方法就是应用2次历史强震重演(徐爱信，2007)。对目前临汾地区进行地震损失评估，探察在同样的地点发生同等大小的地震，地震经济损失情况如何。这样一方面属于设定地震下的经济损失预测研究之一，另一方面是对模型可靠性进行验证的一种合理途径。

3.1 建筑物震害预测

中国抗震设防的基本原则是“三级”设防，即小震不坏、中震可修、大震不倒。在临汾市，设防基本加速度值为0.10g、0.15g和0.20g。按建筑抗震设计规范(GB50011－2010)的规定，大震设防加速度值为设防基本加速度值的2倍。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001)的资料，确定临汾市所有乡镇的抗倒塌烈度值Ie(a)(区划图表示的加速度值的2倍所对应的烈度值)，并作为一个属性赋给这些乡镇。

根据本文调查的资料，临汾地区共有各类房屋建筑约7×107m2，详见表1。

通过开发的软件系统分析比较每个数据点的Ie(a)值和Ie(实际烈度值)值。实际的等震线与抗震设计规范大震设防烈度存在差值，统计Ie＞Ie(a)的数据点得到临汾地区乡镇抗倒塌能力烈度残差表2。

对于临汾地区建筑物震害预测，我们采用确定的建筑结构震害矩阵及群体工程的易损性分析方法(孙柏涛等，2005)。烈度为I时s类建筑发生j级破坏的总数量用下式计算:

式(1)中，Bs为s类建筑的总量。

利用以上模型及建立的地理信息数据计算，若1303年洪洞和1695年临汾地震重演，图3，4分别为其对应建筑物震害预测图。

1303年洪洞8级地震史料记载多为“倾圮”;据康熙《临汾县志》卷8资料，1695年临汾7¾级地震导致临汾县住房完全倒塌者占全县总户数的47%。可见在现有房屋结构状况下，房屋倒塌率减小了很多，但盆地及盆地周边地区房屋抗倒塌性仍待提高。

图3 1303年洪洞地震临汾市建筑物震害预测图Fig.3 Earthquake damage prediction map to the buildings in Linfen City from a scenario earthquake like the 1303 Hongdong earthquake.

3.2 人员伤亡估计

本文人口统计数据主要来源于第5次人口普查资料，在此基础上，结合这几年人口的增长率进行了调整。

地震时造成人员伤亡的因素很多，准确地预测一次地震的伤亡人数是较困难的。本文采用了尹之潜(1990)根据地震时间造成人员伤亡的方法。

(1)平均死亡人数。

式(2)中，D表示人员死亡比(死亡人数与本地区总人数之比);A表示房屋毁坏率。

(2)按时段和城乡估计的死亡人数。2次历史强震均发生在晚8时左右，按尹之潜(1990)在该时段农村发生地震造成人员死亡人数的计算方法为:

图4 1695年临汾地震临汾市建筑物震害预测图Fig.4 Earthquake damage predictionmap to the buildings in Linfen City from a scenario earthquake like the 1695 Linfen earthquake.

式(3)中，AR表示农村居住的建筑面积;A表示农村住宅、公用房屋和乡镇企业的车间的建筑面积;A1表示A或AR中毁坏的面积(m2);A2表示A或AR中严重破坏的面积(m2);A3表示A或AR中中等破坏的面积(m2);ρ表示房屋内人员密度;d1，d2，d3是不同破坏程度的死亡率，见表3;m表示预测区内的总人口数。

式(4)中，a表示人均居住面积，A1、A2和A3的含义和计算方法同上。

由以上模型计算可得表4、表5分别为1303年洪洞8级和1695年临汾7¾地震重演人员伤亡预测值。

受伤人数的计算公式:

受伤人数一般是死亡人数的3～5倍。

无家可归人数的计算公式:

按第5次人口普查数据推算，临汾市常住人口约215万人，洪洞8级地震和临汾7¾级地震重演其死亡率分别为1.5%和0.1%，相对于2次历史震亡率29.6%和18%，人口震亡率大幅降低。

3.3 经济损失估计

本文未涉及生命线工程，主要是对各类建筑物进行经济损失评估(王景来等，2001)。

按灾害评估有关内容，评估地震烈度为I时的损失值由下式计算:

式(5)中，bs(j)表示s类建筑发生j级破坏的损失比;Bs(j)表示发生j级破坏的s类建筑重建的总费用;Qs(j)表示s类建筑发生j级破坏时室内财产损失比;Ws(j)表示发生j级破坏的s类建筑室内财产的总价值。

根据中国近几年的震害损失和修复经验，房屋和室内财产的损失比可按表6计算。

按模型计算，如果洪洞8级地震和临汾7¾级地震再次发生，在现有国民经济情况下，当地经济损失分别如表7，8。1303年、1695年中国经济远不如现在，毋庸置疑，现在经济的受损失程度比当时要大很多。

4 对临汾地区未来地震灾害的启示意义

基于历史强震的研究，修正模型计算结果，使得评估更为接近该区实际，更具有实际指导意义。借助GIS的地震灾害损失预测评估系统，可提高信息的可视性和空间分析的快速性，提高评估的效率。

2次历史地震实例在地震灾害评估系统中应用，重建损失分析所得预测值对临汾这一特定地理环境区域地震危险性给予了警示。统计数据表明:面积超过105m2和人数超过20 000的乡镇主要集中在临汾盆地，而盆地效应又会加大该区的震害，实际的等震线与抗震设计规范大震设防烈度存在差值。预测值告诉我们，即使临汾地区的房屋建筑全部按《中国地震动参数区划图》(GB18306－2010)抗震设计规范设计，如果再发生同等规模的8级或7¾级地震，仍有许多乡镇不能保证抗倒塌的要求，会造成巨额损失和人员伤亡，而且随着社会经济的发展，未来地震的经济损失可能会更大。

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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。

山西省科技厅“山西省地震灾害总结及其地理信息系统建设”项目(022069)资助。

赵晓云，女，1977年生，2000年毕业于西安电子科技大学计算机专业，工程师，现主要研究方向为测震数据分析、软件开发和网络安全，电话:0351－5610592，E－mail:zxy_yxz01@126.com。