城市震害快速评估方法及系统建立

袁 媛，徐永林，尹京苑，胡 俊

（上海市地震局，上海 200062）

城市震害快速评估方法及系统建立

袁 媛，徐永林，尹京苑，胡 俊

（上海市地震局，上海 200062）

结合上海地区的震害特点及地震动监测能力，探讨建立城市震害快速评估系统的内容以及实现方法。以地震动加速度值、加速度值的持时、软土地震动反应、地震动卓越周期与构作物周期联系等作为参数，进行地震加速度与烈度等值线图速绘，能快速有效地估算地区的震害影响分布情况，有助于及时实施应急处置与抗震救灾。

震害评估；震动图；易损性分析；地震监测网络

地震震害评估是对发生的地震对人类社会及生存环境造成破坏的定量估计，在地震发生以后对灾区进行科学的损失评估，对实施救援方案以及灾区恢复重建等都具有十分重要的意义。世界上对地震灾害减灾的科学研究距今已有100多年的历史，而发达国家对震后可能发生的各种致灾因素的快速后果评估都非常重视，日本根据1995年神户地震的抗灾减灾经验，推广开展了城市地震环境分析、建筑物震害预测、生命线工程震害预测、次生灾害预测、经济损失与人员伤亡估计等多方面工作[1]，大大减轻了地震灾害的损失。从近期日本的几次地震来看，其应急反应能力和成效得到了国际上的一致认可。所以在强震过后，及时了解地震对城市影响的空间分布具有重要作用。

就我国的地震研究发展现状而言，不断提升的地震动监测能力已经有助于科研工作者在震后快速获取震区的地震动响应数据，进而可以绘制峰值地面加速度等值线图、峰值速度等值线图、烈度图等，在第一时间大致了解地震灾害在空间的破坏分布情况。而针对上海这样一座位于软土层上、人口密集、建筑物高密度覆盖且类型繁多的大城市，建筑物的破坏情况直接决定地震所造成的损失大小。因此针对软土层地震动响应以及地震动参数与建筑物受损性之间的研究，也成为城市震害评估的重要内容之一。这些数据可以为震害快速评估提供定量地震动参数依据，其绘制的烈度图以及可能造成的建筑物损害等，可为政府决策部门提供快速而可靠的科学根据。

本文重点讨论建立城市震害快速评估系统的内容以及实现方法，认为城市震害快速评估系统应能实现震动图的快速绘制、以地震动参数和软土效应作为参考的建筑物受损性评价、可结合遥感数据进行震后受灾建筑物信息的快速提取等功能（图1），整个系统应与地理基础图件以及相关地质图件结合，增强图件的可读性。探讨了上海目前地震地质背景、震害特点以及现有的监测能力，并采用VB+ArcEngine+Surfer架构，编程实现了基于上海行政区范围的震后快速实时数据的震动图件绘制系统。

图1 城市震害快速评估结构图Fig.1 Method for rapid seismic hazard assessment

1 震动图的快速产生

震动图(Shake Map)最早是美国地质调查局减轻地震灾害计划与区域地震台网合作的产品[2]，能提供显著地震后的地运动及震动强度的近实时分布。当破坏性地震发生后，震中不一定是破坏最严重的地方，在地震应急时需要快速掌握地震烈度分布情况。通过现场对烈度的调查来获取破坏程度、急需物资等信息，可能需要几小时到几天不等，这对应急救援可造成不可低估的影响。如果在发布震情的同时就能发布不同地区的破坏程度信息，即使比较粗糙，其对应急救援工作也会有帮助作用[3]。此外，震动图还可以提供更加直观的信息。而近年来地震仪器以及通讯工具的进步，使得利用现有的数字资料快速生成震动图成为可能；并且还可利用因特网，快速发布公众服务和科学用途的地震图，或通过数据通信专线发送给震害紧急响应机构。震动图内容应包括地震烈度分布、峰值加速度分布、峰值速度分布、反应谱分布等。

震动图的快速生成，其依附于一个实时的强震台网。获取来自强震台网的数据后，才能根据数据生成各种地震参数的图件。此外，由于每个台站的场地条件不一致，首先需根据其记录到的地面运动数据进行场地校正。而在台站较为稀疏的地区需利用衰减关系估计地面运动值，如峰值加速度或速度，然后内插数据形成网格，再绘制出等值分布图。而仪器烈度图则可根据峰值地面加速度值或峰值地面速度值与仪器烈度值之间的简单回归关系得出。考虑到震动图所面向的对象包括地震专业人员和普通公众，震动图件应能借助WEB平台实现快速网络发布，并且应能与多种地理底图叠加显示，如行政边界矢量图、地质构造图等，以便用户更加直观获取有用信息。

在震动图中尤以峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)等值线图和峰值地面速度(Peak Ground Velocity, PGV)等值线图最为重要，这两个参数与地震破坏性和观测到的烈度相关性较好，而且参数本身具有实际的物理意义。以绘制PGA等值线图为例，其具体步骤为：

（1）收集各台站记录到的峰值地面运动参数，数据读取接口需依据数据文件格式而事先预留好，方便后续操作的快速实现；

（2）对因各个台站所处的地质条件不同而引起的地面运动放大作用的差异，则需进行场地校正，使其结果更准确地反映地面运动状况。台站的地质类别是基于QTM(Quaternary, Tertiary and Mesozoic)图，可以使用基于Park和Ellrick于1998年提出的放大倍数修正[4]，这样的地质分类能分别代表土壤、软岩石和硬岩石；

（3）以上海地区为例，“十五”期间建设有位于地表的强震动观测台和在浦东陆家嘴环球金融中心的超高层结构地震反应观测台阵。就地区分布而言相对较为稀疏，而有限的台站点上的地面运动并不能完全代表该区域的地面运动，因此需通过已有的台站数据，利用强震动质心的距离与强震动的地面运动之间的衰减关系来估计一些虚拟台站的地动信息，增加数据密度。可采用Joyner和Boore于1997年提出的在岩石场地上“距离衰减关系”来赋予峰值地面运动值[5]；

（4）等值线的绘制是基于网格数据，而各台站点数据为离散数据，因此在绘制等值线前需将其网格化。数据网格化通过插值方法来实现，插值的方法很多，各有特点，如克里金法基于无偏内插，试图表示出隐含在数据中的趋势，也克服了其它方法忽略各已知数据点之间空间相关性的缺点，受到广泛使用。数据网格形成后，就可进行等值点跟踪、线条平滑，至此，等值线便绘制完成。

2 结合地震动参数及软土地震动反应的建筑物易损性分析

震动图能直观显示地震所造成的地面运动情况，而从地震所造成的破坏作用讲，其造成的损失很大部分来自于建筑物的倒塌，因此，基于建筑物的地震灾害损失预测或评估具有非常重要的意义。尤其是对于人口密集、建筑物类别多、高密度覆盖的大城市，在震害评估或预测决不能缺少建筑物震害损失评估，估计建筑物地震后可能达到的破坏程度成为地震灾害损失评估的基础工作。目前我国的建筑物震害损失预测研究已取得可喜进展，但其结构易损性分析方法大多依然以地震烈度为依据。在现阶段，基于地震动参数的建筑物震害易损性分析方法已成为新的热点，一些技术先进的国家已经开始直接以地震动反应谱作为地震输入参数进行建筑物的易损性分析。如美国联邦应急管理局和国家建筑科学研究所合作开发的地震损失评估软件HAZUS99，其中就涵盖了以地震动反应谱作为地震输入的考察建筑物易损性的分析方法。其主要分析过程是首先依据建筑物类型、设防水准、建筑材料等，确定建筑结构设计点、屈服点及极限点等相关参数，根据这几个关键点建立建筑物抗震能力的能力曲线；然后将设防地震加速度反应谱转换成地震动需求谱；将已经建立的结构的能力曲线与地震动需求谱叠加在一起，得到的交点的横坐标及纵坐标即为对于给定的地震作用下，建筑物的地震动的谱位移反应及加速度反应；最后根据公式计算出对于特定地震动输入建筑物超越基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及倒塌等不同破坏状态的概率，建立以谱位移表示的建筑物地震易损性曲线[6]，进而计算出建筑物出现不同破坏的概率，即确定建筑物地震易损性。

3 上海地区震害特点及地震动监测能力

上海地处长江口南岸，大地构造位置处于扬子准地台的东部边缘，西北沿郯庐断裂和胶南断裂与华北地台相接；东南以江山—绍兴深断裂为界与华南褶皱系相邻，区域地震构造以断裂为主[7]。上海市及其周边虽不属中强地震多发区，但邻近的南黄海地区、长江口外及江苏省的中强地震，甚至台湾海峡的台湾地区发生的七级以上的强烈地震可时常波及上海。1980年以来，上海市已经历了三次强烈有感地震，分别是1984年5月南黄海6.2级地震、1990年2月常熟—太仓5.1级地震和1996年11月长江口以东的6.1级地震[8]。近年来的地震资料表明，上海地区的小震活动比较活跃，加之在400km远处还存在潜在8级地震震源（郯庐地震带），因此上海也远非一个风平浪静的避震港湾。1995年国务院更是将上海行政区列入“苏、鲁、皖、浙交界和上海地区”的国家一级地震重点监视防御区。尤其是2008年5月12日四川汶川8级地震发生后，专家普遍认为近十年我国很可能出现大地震连发的态势，毗邻上海的南黄海海域地震活动也有增强趋势。值得指出的是，由于上海浅部软土普遍发育，属于较典型的天然软土地基区，软土主要为滨海沼泽相堆积类型，地震动经过软土层的放大后再作用于地表建筑物，其造成的破坏性将更加巨大[9～11]，因此上海地区的宏观地震烈度比一般地区要高出一度左右。加之上海地震震源深度较浅，一般都不足10km，因此上海陆域发生Ms1.5级左右地震，震中区居民都可有感；若发生2.5级左右地震，可能出现以房屋裂缝为主的轻微损害；若发生3级左右地震就可能造成个别老旧民宅的局部坍塌。改革开放以来，随着大规模经济建设的开展，大批危房、旧居拆除重建，高层建筑如雨后春笋般崛起，城市面貌有了很大改善，新建筑一般都要求按VII度设防，建（构）筑物的抗震能力有所提高，但高层建（构）筑物的顶部地震敏感性也随之增加，几乎每年都有地震有感反映。

有效而快速地获取震后灾害损失情况也依赖于地区的地震动监测能力，目前上海测震台网台站达到30个，上海市行政区域内监控能力达到ML≥1.5级，周边地区的测震监控能力达到ML≥2.0级（图2）。上海市数字强震动观测台网主要侧重于对上海及邻近地区的中强地震地震加速度时程的观测，并利用该数字强震动观测台网获得的观测数据进行震后地震烈度速报、灾害快速评估等工作。截至2012年6月，上海市数字强震动观测台网已建成强震台站57个。利用这些地震观测网记录的响应数据，如张家港两次小震，金茂大厦强震仪记录到的汶川地震响应记录等等，发现在土层的优势频段放大倍数尤其高[12]，这对建筑物的设计有提示指导意义。在这一软土层地区，若设计的建筑物振型频率落在上述类似的高放大倍数区域，则要结构抗震，意味着需要更高的建设成本，或者设计时从结构振型频率避开这一地震波高放大频段。考虑到由于所用数据有限，还需不断积累大量的地震资料，以深入研究上海地区乃至长三角地区软土层的地震动响应。软土层的地震动响应与建筑物周期、抗震设计紧密相关，研究成果可结合以地震动作为参数输入而得到的建筑物易损性结果一起作为建筑物震害评估的依据，因此也是上海城市震害评估系统内的重要内容之一。此外，在汶川地震发生后，由于交通以及通讯手段瘫痪，地震工作者和救援人员无法及时赶赴灾区了解灾情并实施救援，遥感技术便发挥了重要作用。它能直观、大区域并迅速展示震后建筑物、道路、桥梁等受损情况，为震后应急指挥提供了最为快捷的依据；结合GIS技术，能对灾区的各种地质灾害进行危险性评价[13]。目前，上海地震监测系统已拥有上海地区高分辨率遥感影像，一旦有破坏性地震发生，通过快速更新震后影像，并通过影像变化检测模块，对比同一地区震前震后遥感影像，可迅速检测出变化区域，作为重要的辅助手段来了解建筑物受损情况。

图2 上海测震台网地震监测能力Fig.2 Earthquake monitoring capacity of Shanghai seismic network

4 城市灾害快速评估系统建立

基于以上讨论，在设计城市灾害快速评估系统时采用了VB+ArcEngine+Surfer架构，ArcEngine(简称AE)是ESRI公司推出的ArcGIS 9.0系列产品中新加入的一个产品，它包含完整类库的嵌入式GIS软件，支持多语言和多系统。能轻松实现多图层显示、地图漫游缩放、文本标注、属性查询编辑等实用功能，并且支持多种投影变换。而针对震动图的绘制，引入了Surfer Automation技术，用VB平台进行了二次开发，将Surfer强大的插值以及等值线绘制功能控件引入系统，绘制出简洁、美观的震动图件。利用VB良好界面设计和绘图功能，预留各地震动参数以及相关建筑物参数的数据读取接口，绘制成相应图件，并支持多窗口同时显示，便于地震工作者进行对比分析。目前由于地震资料以及相关建筑物资料相对较少，第一阶段使用上海地区内环线内的构筑物及道路基础信息数据库，根据构筑物类型以及楼层数等属性进行分类，确定各类型构筑物的第一本征周期范围(s)，通过对地震发生后实时记录的水平地震动加速度插值计算出每个街区地震动加速度，进而计算建筑物地震影响指数。图3所展示的是系统地震动图绘制模块界面截图，数据为模拟数据，各种参数均融合在后台计算中，若发生有影响性或破坏性地震，通过输入地震参数三要素（经纬度及震级大小），就可快速绘制出上海地区的烈度分布图，待分布在上海各区域的强震动台站记录到的地面加速度值以及速度值传回系统后，便可快速绘制出峰值加速度等值线图，从而可以快速判断哪些地区受到的震动强度较大，再结合数据库中该地区的建筑物类型分布，进而得出建筑物的易损性结果评价。

图3 系统地震动图绘制模块界面Fig.3 The mapping of shake map by system module

5 结语

强烈地震具有破坏性大、涉及面广、损失惨重等特点，国内外防震减灾的经验教训表明，凡是震后能及时有效地组织救灾的地方，就能大大地减少人员伤亡和经济损失，反之就会遭受惨重损失。震动图可在最快时间内得到粗略的区域地震动信息；区域建筑物易损性分析及震后遥感影像对比，可快速得到建筑物大致损毁情况。城市震害评估是一项庞大、复杂的工程，城市震害快速评估所依赖的关键在于城市基础信息的不断累积，城市地震动监测设施的分布密度、各大交通生命线工程的密切监控以及区域人口和构筑物信息数据库的不断丰富都将极大地促进震害评估的精确度，因此这也将是一项长期而艰巨的工作。

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A System for the Rapid Assessment of Urban Seismic Hazard

YUAN Yuan, XU Yong-Lin, YIN Jing-Yuan, HU Jun

(Shanghai Municipal Earthquake Administration, Shanghai 200062, China)

Based on seismic-related damage characteristics and the capacity for seismic monitoring in the Shanghai area, this paper seeks to establish a rapid assessment system for urban seismicity and a method for its implementation. Using ground acceleration, ground velocity, soft-land vibration reaction, and the predominant period of structures as the basic parameters, the system is able to quickly produce contour maps of seismic acceleration and seismic intensity, and to quickly and effectively estimate the regional distribution of seismic-related damage. Thus, the system could help the government to promptly conduct emergency measures and earthquake relief after a damaging seismic event.

seismic hazard assessment; shake map; vulnerability; seismic monitoring network

P315.6

A

2095-1329(2013)02-0059-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.02.014

2013-04-01

2013-05-09

袁媛(1983-),女,硕士,助理研究员,主要从事地震灾害分析研究.

电子邮箱：yuya83@163.com

联系电话：021-50791180

上海市科委科研项目(08DZ2292200)