现代城市的地震易损性及其应对策略

导读：城市是一个地区的政治、经济、文化活动的中心，地震是严重危及人民生命财产的突发式自然灾害。中国正处于城市化高速发展时期，随着人口的愈加集中和经济集约化程度的越来越高，在遭受地震袭击方面，现代城市变得越来越脆弱。深入研究城市地震易损性、有效降低地震灾害风险、科学制定地震应对策略和提高城市防灾减灾能力，以更大程度地保障城市的安全运行和经济建设的可持续发展，已经成为各国政府和全社会关注的热点。

一、城市地震灾害与易损性

（一）城市地震灾害及其特点

1、城市地震

城市是一个地区的政治、经济、文化活动的中心，在国民经济发展过程中起着至关重要的作用。地震是严重危及人民生命财产的突发式自然灾害，巨大的地震灾害大多集中在城市地区。我国是一个多地震的国家，据统计，41%国土面积、50%城市、67%特大城市位于VII度以上高危险区，即23个省会城市、2/3百万以上人口的大城市位于VII度或以上的高危险区[1]。

2、城市地震灾害的特征

当今社会日益快速的城市化进程改变了社会的易损性，特别是随着高新技术的广泛应用，城市变成了一个错综复杂的高科技综合体，致使在遭受地震袭击方面，变得越来越脆弱，城市地震灾害损失亦呈现出越来越严重的趋势。城市地震灾害特点可归纳为以下几点：

其一，城市震害损失巨大。城市建筑物密集，产业集聚，一旦遭到地震破坏，将产生巨大的经济损失。同时，城市人口密度较高，地震人员伤亡的概率也相对较大。

其二，城市地震次生灾害严重。现代城市是靠生命线工程（如供水、供电、输气、交通、通信等）来维持运转的，这些工程的脆弱性是造成城市地震脆弱性的主要因素。一旦生命线工程遭受破坏，容易引发火灾、水灾、交通瘫痪、有毒气体泄漏、供电中断等严重次生灾害。

其三，城市地震间接经济损失巨大。地震间接经济损失是由于地震造成资产破坏等原因导致正常的社会经济活动受到影响所造成的经济损失，包括停减产损失、产业部门间的产业关联损失和投资溢价损失等。

其四，城市地震灾害影响广泛。城市是社会发展的动力源，那些在国民经济建设中发挥重要作用的中心城市，一旦发生灾害性破坏事件，影响不仅仅涉及该城市本身，甚至可以波及整个国家乃至全世界。

（二）城市地震的易损性

1、脆弱性

在灾害、环境和生态学等领域，“脆弱性”(vulnerability)是指人类社会相关系统及组成要素由于灾害等不利影响而遭受损害的严重程度。脆弱性越高，越容易遭受损害。中国正处于城市化高速发展时期，城市化率以空前的速度提高。随着人口的愈加集中，经济集约化程度越来越高，造成了现代城市的灾害风险越来越大，所发生的灾害损失亦日趋严重，城市抗御灾害能力变得越来越脆弱。如何有效降低城市脆弱性和提高城市防灾减灾能力，更大程度地保障城市的安全运行和经济建设的可持续发展，已经成为全社会关注的热点问题。

2、地震易损性

由于研究对象和学科视角不同，不同的研究领域对“脆弱性”的理解也存在一定的差异。在地震工程领域，常用“地震易损性”进行表述，包括结构地震易损性和城市地震易损性等。其中，城市地震易损性指的是地震作用下城市整体可能遭受的破坏程度。鉴于城市结构的复杂性，城市地震易损性既要考虑城市中各类承灾体（包括建筑物、构筑物、生命线系统或其它基础设施等受地震影响的主要工程结构或物体对象）的结构地震易损性，还应综合考虑社会、经济、人口、环境等多方面的综合承灾能力。

结合城市震害特点，开展地震易损性的分析研究，并进而预测地震灾害损失（包括人员伤亡和经济损失）和评估城市防震减灾能力，对城市抗震薄弱环节的分析、地震应对策略的确定、抗震防灾规划的制定，均具有十分重要的指导意义和参考价值。

二、城市地震的易损性分析

城市地震易损性分析是研究城市地震风险和评估城市防震减灾能力的一项基础性工作。结构地震易损性指的是在不同强度地震作用下承灾体发生各种破坏状态的条件概率，利用结构地震易损性可从宏观的角度描述地震动强度与结构破坏程度之间的关系，同时也为城市地震易损性分析提供技术支撑。实际上，包括建筑物、生命线系统和其它基础设施等工程结构在内的各类承灾体的易损性分析结果均为城市地震易损性的有机组成部分。因此，下文中以承灾体为对象，对结构地震易损性进行分析与探讨。

（一）震害分析的基本原理

震害程度 ＝ 地震作用×承灾体易损性×承灾体属性

根据震害机理分析，承灾体所遭受的震害严重程度可以用下列三个要素的卷积形式进行预测：

1.地震作用。可用地震影响场的分布来表征，地震影响场包括地震烈度影响场（震后实际调查或由经验衰减关系确定）与地震动参数影响场（强震台网观测提供）等。

2.承灾体易损性。这是指承灾体遭受某种强度的地震袭击后，产生一定程度损坏的可能性大小，一般用震害矩阵表示。承灾体易损性越高，抗震能力就越低。

3.承灾体属性。主要是指承灾体的特征数据，包括几何数据（如建筑物体型、生命线构件尺寸等）和性能参数（如结构类型、设防标准等）。

如果能够确定出未来地震可能的地震影响场（地震烈度或地震动参数）分布，同时，掌握承灾体（建筑物或生命线系统等）的易损性数据，即可结合承灾体的属性数据，通过计算预测得到可能的震害严重程度。可见，震害分析与预测的效果取决于地震影响场分布的准确性、易损性分析方法的科学性和承灾体基础数据的完整性。承灾体的地震易损性分析模型，是地震灾害严重程度计算的三大必备要素之一。

（二）结构地震的易损性分析

1、建筑结构的地震易损性

建筑结构的易损性分析是研究该结构在给定强度的地震作用下发生各种破坏程度的概率。目前已经提出了很多建筑结构易损性分析的方法，根据研究目的和评价方式的不同，这些方法采用的技术途径也有较大的差异。

尹之潜把房屋的破坏情况划分为五类，即基本完好、轻微损坏、中等破坏、严重破坏和倒塌，又将各种结构按照易损性指数大小归纳为四类。考虑到城市中建筑物的数量和质量随年代变化的特点，他提出了用概率方法计算房屋震害易损性的动态系统方法。经过对全国的建筑物结构类型逐一考察之后，总结出了几类典型的震害矩阵，并提出了震害损失预测的规范化方法。为了和我国新的以峰值加速度、特征周期为参数的第四代地震区划图接轨，尹之潜又提出了以地震加速度谱值为输入参数的地震易损性分析和地震损失评估方法。

杨玉成等人提出了震害预测智能辅助决策系统法，依靠专家的知识、经验建立震害预测专家系统知识库，根据建筑物基础资料调查，采集所需数据信息，通过搜索技术，进行易损性分析。

冯启民提出了基于Push-over的多步简化的方法，通过该方法进行结构变形验算可最终得到对应不同峰值加速度的建筑物各层的最大层间位移角反应曲线，以最大层间位移角表述建筑物对地震力的反应，从而用来判断建筑物的易损性。谢礼立从抗震设防“小震不坏，大震不倒”思想出发，原则性给出不同设防情况下房屋的易损性矩阵。

孙柏涛根据已有建筑物震害预测结果或震害统计分析结果，按照影响建筑物抗震能力的主要因素，由普查资料统计出的建筑物各影响因素的建筑面积比例得出模拟震害矩阵与已知矩阵的贴近度，最后进行加权平均，建立具体预测对象群体建筑物的震害矩阵。

美国联邦应急管理局和国家建筑科学研究所合作开发的应用软件Hazus99是一套地震损失评估软件。Hazus评估建筑物震害是以地震动加速度反应谱作为地震动输入参数，并由此估计建筑物的易损性[2]。

建筑物按结构类型可分为多层砖砌体房屋、钢筋混凝土框架、框剪房屋、单层厂房、内框架房屋、底层框架房屋、老旧民房、高层建筑等。根据结构类型的不同，地震易损性分析可分为：砖石结构的楼层单位面积平均抗剪强度系数法、钢筋混凝土框架结构的薄弱楼层延伸率法、单层厂房的逐步回归统计法、内框架房屋的顶层抗剪强度系数法、底层全框架房屋底框屈服剪力系数法、老旧民房的模糊综合评判法、高层建筑的依据抗震设计规范的抗震性能评价方法或简化结构动力分析方法等。

2、生命线系统的地震易损性

生命线系统一般包括交通、通信、供水、供电和输气等工程系统，还包括一些提供社会服务的其它网络系统，是城市基础设施的主要组成部分。除了人口增长和范围扩大之外，对生命线系统的强烈依赖也是现代化城市的特征之一。生命线系统的地震灾害并非仅仅造成财产的损失，对城市的功能同样会产生危害，甚至有可能带来严重的社会经济影响。生命线系统对城市功能的支撑是以所有生命线系统共同发挥作用的方式进行的，在地震情况下还存在着系统间的相互影响等问题。因而，生命线系统的易损性分析是非常复杂的。

从1971年圣费南多地震开始，生命线工程系统抗震问题受到了各国学者们的极大关注，其后，发展成为大中城市防震减灾研究的重要方向。一般认为，生命线系统易损性研究经历了两个阶段：生命线结构易损性和生命线系统易损性。前者的研究重点是生命线中的单体结构（包括发电主厂房、通讯枢纽构筑物、桥梁、堤坝、各种设施设备等），其易损性分析方法原理与常规建筑结构类似。后者将研究领域拓展到对生命线工程系统（如供水、输气管网等）的网络分析。美国和日本对生命线系统抗震问题的研究一直十分活跃。80年代初，以C?H?Lon为首的研究团体应用SMART-1台阵观测资料对生命线空间相关性做了一系列的研究。80年代后期，以Shinozuka为代表的研究小组一直致力于生命线网络系统的震害分析研究工作，开发了大型应用软件“Lifeline - W（II）”，并一再修改和完善，使其能考虑更多影响因素（如泵站失效和负水压力）等问题。进入90年代，计算机技术的新成果GIS被应用于生命线地震工程的研究领域中，利用其采集、处理和分析生命线系统的大量数据信息，更加完善了生命线系统的震害预测及损失分析方法[3]。

我国的生命线地震工程研究工作起始于1974年，当时的研究工作主要是针对地下管线进行的。进入80年代，我国的生命线地震工程研究得到了迅猛发展，许多大学、研究所相继开展了研究。熊占路、谢旭等对埋地管线的地震反应做了较深人的研究，林慧杰等研究了埋设管线在均匀场地中的地震反应，孙绍平在管道震害和管网可靠性方面做了大量的研究工作。90年代以后，我国的生命线地震工程研究进入了一个新的阶段。梁建文论述了管道经过两种不同介质的动力反应以及管道经过多种土壤时的动力反应。赵成刚等编写了《生命线地震工程》一书，详细讨论了生命线地震各系统的抗震问题，首次提出了“小震不坏，大震关键元件不失去功能”的抗震设计原则，给出了生命线系统受灾程度的定量分析方法。李小军、赵凤新等研究生命线系统的地震危险性分析方法，以空间离散点上的地震动来模拟地震动场，直接给出场地相对地面运动值。姚保华、谢礼立等对各类生命线系统相互影响的研究方法进行了系统的总结与分析，并对功能型系统相互影响，提出了一种综合性的研究方法。姜淑珍、柳春光等采用多种方法对城市交通系统中的桥梁道路等进行了易损性分析，通过找出其中的薄弱环节，为抗震规划提供了有效的依据。

3、结构地震易损性与震害预测

震害预测指的是在地震危险性分析和结构地震易损性评定的基础上预测城市在未来地震中可能发生的震害类型、震害程度和震害分布，以及震害导致的人员伤亡和经济损失，从而综合评估地震危害程度和社会影响。震害预测分析计算的基本原理同上述地震易损性分析中的震害分析基本原理。震害预测研究成果是各国政府和社会制订防震减灾决策的科学依据之一，而预测的基础则是建筑物和生命线系统等工程结构的易损性。

震害预测研究始于上世纪30年代，美国、日本和其它一些国家相继开展了地震灾害预测的研究工作，并进一步发展成为由地震学、地质学、地震工程学和社会学等多种学科相互交叉渗透形成的综合体系。80年代初期，我国学者提出了以宏观地震烈度为输入参数的震害分析方法(如杨玉成、尹之潜等的震害预测方法)。随着研究工作的逐步深入和应用范围的不断拓展，这些方法也不断得以充实，被广泛应用于我国地震防灾研究领域，并于2003年形成国家标准——《地震灾害预测及其信息管理技术规范（GB/T 19428-2003）》。随着数字强震动台网的大规模建设，在欧美被普遍应用的、基于实测地震动参数的震害分析方法(如FEMA的HUZUS方法)，近些年来也日益得到我国地震工程研究人员的重视。

三、城市防震减灾能力的评估

城市防震减灾工作事关经济建设和社会发展的可持续性。城市是一个异常复杂的大系统，城市地震易损性分析是涉及地震、工程、社会、经济、人口、管理等学科领域的一项系统工程。虽然目前结构地震易损性研究成果颇丰，但这些研究成果难以应用于对一个城市遭受地震灾害的整体特性研究，因为这些具体的物理实体结构只是城市组成成份的一部分。也就是说，目前的这些研究工作大都集中在单一结构的震害分析上，难以在整体上把握一个城市的地震易损性。由于城市防震减灾能力分析方法可以全方位地研究一个城市所面临的地震风险大小，以及所具备的抗御地震灾害影响的能力高低，因而，作为城市地震易损性研究拓展的一个新阶段，防震减灾能力的评估已成为一个新的研究热点。

（一）城市防震减灾的能力

所谓防震减灾能力指的是一个城市能确保其地震安全的能力，一个城市的防震减灾能力越强，其地震安全性就越高，地震风险相应地也就越低[4]。科学合理地对城市承受地震灾害的能力进行评估，并有针对性地加强其薄弱环节是有效降低城市地震易损性、减轻地震灾害影响的有效方法之一。目前，日本东京要求该城市需具有抗御8级地震的能力。20世纪末，联合国国际减灾10年委员会曾呼吁要对大中城市的防震减灾能力进行评估。我国政府早在1994年就已提出了我国城市防震减灾的十年目标，即“使我国大中城市和人口稠密、经济发达地区具备抵御6级左右地震的能力”。如何正确地定义和评价一个城市的防震减灾能力，这已经成为各国政府十分关心的社会问题。

（二）城市防震减灾能力的评估

城市防震减灾能力评估涉及到地震科学、社会科学和经济科学等多个交叉学科，其评估方法的创建过程包括：

1、确立城市防震减灾能力评估准则。即：城市遭遇地震时可能发生的人员伤亡、经济损失以及震后城市恢复正常功能所需的时间等三大准则。

2、根据城市特征及震害特点，围绕评估准则归纳出影响城市防震减灾能力的若干因素。即：地震危险性评价能力、地震监测预报能力、城市工程抗震能力、城市社会经济防灾能力、非工程减灾能力、震后应急和恢复能力等六大因素。

3、采用一些简单、可测量的指标来代表各个影响因素，并建立城市防震减灾能力指标体系（图1所示）。

4、根据现有震害经验与方法，分别建立指标体系中的各种因素或其子因素与三大准则中的人员伤亡、经济损失和恢复时间的联系。

5、利用灰色关联分析方法，将人员伤亡率、经济损失率和震后恢复时间三方面要素综合成城市防震减灾能力综合指数，来评价城市抗御某种烈度地震的能力强弱。

（三）城市防震减灾能力的指数与等级标准

根据城市防震减灾能力评估结果，可以定量地表示出城市防震减灾能力的现状距我们可以接受的城市防震减灾能力水平有多大的差距，从而为我们的防震减灾工作提供有益的理论依据。同时，借助于该评估方法，还可以比较不同城市之间的防震减灾能力高低。表1为乌兹别克的塔什干（亚洲）、印度尼西亚的万隆（亚洲）、中国的厦门（亚洲）、中国的泉州(部分)（亚洲）、埃塞俄比亚的亚的斯亚贝巴（非洲）、厄瓜多尔的瓜亚基尔（南美洲）、南斯拉夫的斯科普里（欧洲）、土耳其的伊兹密尔（欧洲）、墨西哥的提华纳（北美洲）、智利的安托法加斯塔（南美洲）等10个代表性国家城市的防震减灾能力综合指数分析数据以及防震减灾能力等级标准，由表可见[5]：

1、在Ⅵ度情况下，城市防震减灾能力强弱顺序是：

安托法加斯塔,伊兹密尔,厦门 > 斯科普里 > 万隆 > 泉州 > 瓜亚基尔 > 提华纳 > 塔什干 >亚的斯亚贝巴

2、在Ⅶ度情况下，城市防震减灾能力强弱顺序是：

伊兹密尔 > 厦门 > 安托法加斯塔> 泉州 >斯科普里 > 瓜亚基尔 > 提华纳 > 塔什干 >万隆 >亚的斯亚贝巴

四、城市地震应对策略的新趋势

（一）我国城市防震减灾对策现状

我国防震减灾事业的迅速发展特别是大规模地震预报的研究和实践，起始于1966年的邢台地震。此后，有过海城地震预报成功的喜悦，也经历了唐山地震、汶川地震预报的挫折。经过不断探索、总结和发展，逐步完善了防震减灾的工作方针、指导思想，提出了防震减灾十年目标，形成了“预防为主、防御与救助相结合”的工作方针，建立了“监测预报、震灾预防、紧急救援”三大工作体系，确立了“突出重点、全面防御，健全体系、强化管理，社会参与、共同抵御”的三大战略要求[6]。在监测预报、震灾预防和紧急救援三大工作体系中，地震监测预报被赋予防震减灾工作的基础地位，在建成覆盖全国的地震观测（包括测震、强震和前兆）网络的同时，对地震预报给予了足够的重视与期待。此外，突出了震灾预防工作的作用，先后编制了《全国地震动参数区划图》，制定并实施了“农村民居地震安全工程计划”，1998年颁布实施了《防震减灾法》。再者，加强了应急救援工作，并建立了国家、省市等多层次的地震应急救援队和地震现场工作队。

城市是防震减灾工作的重心。在《国家防震减灾规划（2006—2020）》中明确提出：到2020年，我国基本具备综合抗御6.0级左右、相当于各地区地震基本烈度的地震的能力，大中城市和经济发达地区的防震减灾能力达到中等发达国家水平。地震多、灾情重、预报难、设防差，是目前中国面临的客观现实。其中城市防震减灾最主要的两个薄弱环节，也是与发达国家最主要的差距是：城市综合防御能力低、公众防震减灾意识不强。震害预测结果表明，在中国大中城市地区发生一次6级地震仍然会造成数百人的死亡和数百亿元的经济损失，一旦发生7级以上的强震，很可能造成数千到数万人的死亡。与发达国家相比，日本2004年新潟地震6.8级，死亡31人；2003年美国加州6.5级地震，仅3人死亡。可见，中国城市抗震能力较弱。究其原因，除客观上受经济发展水平的制约外，实际上还包括政策法规、管理、技术支撑等方面的因素[6]。

（二）特大地震的反思与启示

进入21世纪以来，全球地震活动进入高活跃期，8级以上特大地震频繁发生，地震灾害损失呈非线性加速增长态势。例如2008年汶川8.0级地震，造成8万余人死亡或失踪，直接经济损失达到8000多亿元人民币。2011年日本9.0级地震，遇难或失踪人数达到2.7万余人，经济损失高达2000多亿美元。通过震后总结与回顾，反思我国防震减灾三大体系，可以得出若干方面的启示。

1、地震预报探索仍路途遥远

尽管布置有大量的地震前兆监测台网和各级地震会商制度，但汶川地震前没有发现足以促成预报的明显异常。而中国地震局在震后第六天所作出的“五月十九日至二十日在汶川震区附近将发生6～7级强余震”的判断意见却为虚报，并给震区紧张的救灾工作和灾民日常生活带来了混乱。日本东部海域发生震级达到9.0的特大地震，也同样是不期而至的。事实再次证明，以今天的科学技术水平和对地球的认识程度，要作出符合三要素的地震预报，实在是一件难以完成的任务。

2、地震应急救援实效尚待提高

实施应急救援的目的，是为了在灾害发生后能够尽快抢救生命，尽力减轻灾害所造成的后果。汶川地震时，虽举全国之力，出动千军万马，但实施地震救援工作所实际救出的人员数量却相当有限。日本9.0级地震发生后，日本政府的应急救援行动迟缓，力度不够，甚至发生灾民在避难所中因冻馁而死的现象。事实上，地震应急救援属震后补救措施，其效果不宜高估，更不能过分依赖。

3、地震预警系统建设成效明显

在日本9.0级地震中，日本的早期地震预警系统显现成效。距震中400公里左右的东京市，收到预警信息的时间比强烈地震动实际抵达时间提前了约一分钟，大批民众及时逃到户外避难，从而起到了很好的避险作用。有日本专家直言，如果使用了和日本类似的地震预警系统，汶川地震的伤亡人数或许可减少80%以上。

4、增强建筑物抗震能力是关键

汶川地震调查表明，经过抗震设防的建筑物，其震害程度明显较轻，即使在烈度为11度的极震区（如北川县城），仍有许多建筑物虽遭一定程度的破坏但未倒塌。另据调查，在日本9.0级地震遇难人员中，因海啸溺水而亡者约占90%。也就是说，地震破坏所直接造成的人员伤亡，占比很小，这正反映出日本政府多年来重视建筑物抗震设防所带来的实际效果。

5、提高民众防灾意识是基础

做好民众防护宣传教育工作，对增强全社会的抗震防灾意识和提高抗御地震灾害能力有着极其重要的意义。遭遇地震时，有无地震逃生技能和自救互救知识，决定了受灾人员是否可以挽救自己的性命，甚至救助他人的生命。汶川地震中，不乏由于平时防灾意识较强、抗震加固到位、防灾演练有素，而有效地减少了地震人员伤亡的事例。日本发生9.0级地震并引发海啸后，又遭受核辐射危机。在如此重创袭击下，日本国民从容应对，社会秩序井然有序，令外界印象深刻。其主要原因是通过持之以恒的安全知识宣传、灾害对策教育和防灾技能培训所产生的结果。

特大地震的惨痛教训，一次又一次地对我国防震减灾工作体系给予了警示。提高民众灾害防护意识、增强建筑结构抗震能力、加强地震预警系统研究、完善应急避难场所建设，是有效降低城市地震易损性、合理增强城市防震减灾能力的必然选择，这将越来越受到政府的认可，并成为全社会的共识，也是未来地震应对策略发展的新趋势。

参考文献:

[1]刘玉辰．中国城市防震减灾的现状与展望[J]．中国公共安全（综合版），2005(7)．

[2]郝敏，刘晶波．城市防震减灾规划研究综述[J]．自然灾害学报，2008，17(5)．

[3]张素灵，李亦纲．生命线地震工程的发展与前瞻[J]．世界地震工程，2001，17(2)．

[4]谢礼立．城市防震减灾能力的定义及评估方法[J]．地震工程与工程振动，2006，26(3)．

[5]张风华，谢礼立．城市防震减灾能力评估研究[J]．自然灾害学报，2001，10(4).

[6]陈建民．六十年的风雨六十年的发展——新中国的防震减灾事业[J]．防灾博览，2009(6)．

责任编辑：包焱