云南地震应急快速评估模型本地化集成研究*

2015-12-25曹彦波李兆隆李永强张方浩吴艳梅张韶华

地震研究 2015年1期

曹彦波，李兆隆，李永强，李敏，张方浩，赵恒，吴艳梅，杨昆，张韶华

(1.云南省地震局，云南昆明650224;2.云南师范大学，云南昆明650500)

0 引言

汶川、玉树地震应急实践表明，震后0～2小时的黑箱期内，如何快速获取灾情、快速判定救灾重点区域、合理部署救援队伍、调度救援部队、分配救灾任务等成为抗震救灾工作面临的首要问题 (徐德诗，黄建发，2006;侯建盛，李民，2008)。21世纪初，在国家“十五”项目“数字观测网络”建设推动下，云南地震应急指挥技术系统建设完成并投入使用，系统建成后，填补了云南省地震应急科技保障技术平台的空白，为云南省20余次5.0级以上破坏性地震应急处置工作提供了科技保障服务，在提高破坏性地震应急响应服务能力方面发挥了积极作用 (聂高众等，2002;姜立新等，2003;李永强等，2006)。但是，由于云南地处我国第一级阶梯向第二级阶梯过渡地带，地貌复杂多样，地形高差悬殊，特殊多元化的地形地貌环境导致区域人口和经济分布很不均匀，目前在线运行的地震应急快速评估系统具有一定的普适性，系统中核心的评估模型 (如烈度衰减模型、人员伤亡模型、房屋破坏模型、经济损失模型等)参数基本上还是全国或大区域的模拟参数，未进行云南本地化处理，计算结果与云南地震应急实践存在较大差异，无法满足现阶段云南地震应急处置工作需求。

因此，面对云南省严峻的地震形势和应急救援的实际需求，结合地震行业专项研究成果，笔者总结了云南地区的地震影响场模型、人员伤亡评估模型、经济损失评估模型、地震滑坡风险评估模型，设计了应急专题图模板和对策建议模板，基于GIS技术将模型进行本地化集成研发，为应急救援投入、部署和行动提供可信的灾情服务，提高了地震灾情紧急处置效率和评估精度 (苗崇刚，聂高众，2004;聂高众等，2012)。

1 模型研究综述

地震灾害损失评估模型是进行震害评估的数学基础，涉及到烈度衰减模型、人员伤亡评估模型、经济损失评估模型以及次生灾害评估模型等，本文重点分析总结了云南地区烈度衰减、人员伤亡、经济损失3个主要的评估模型。

1.1 烈度衰减模型

烈度衰减模型是震后快速评估阶段各类模型计算的基础，包括点源和线源模型。点源模型研究相对比较成熟，目前用于云南地区进行震后影响场速判的模型有汪素云等 (2000)、李世成等(2003)、李西等 (2012)以及云南省地震局地震行业科研专项项目课题研究组①地震行业科研专项项目课题研究组.2013.西南地震应急对策新模式与关键技术研究报告.提出的烈度衰减模型。

汪素云等 (2000)选用中国西部190次5.0级以上地震回归得出的中国西部烈度衰减关系:

式中，Ia、Ib分别为长、短轴烈度，M为震级，Ra、Rb分别为烈度为I时长、短半轴的长度，σ为标准差。

李西 (2012)选用1913～2008年在云南省境内及周边发生的140个破坏性地震，用140个地震的烈度等震线资料进行了回归分析，得到了云南地区的烈度衰减关系:

滇西区域:

川滇区域:

川滇东部区域:

上述3套模型在云南地区震后多次地震影响场速判应用中，模拟得到的地震影响场能够满足应急快速评估需求，但具有一定的特点和适用范围，汪素云模型选用全国震例，M≥7.0地震样本多，在云南地区M≥7.0地震计算结果与实际拟合度高，李西模型选用云南地震M≤6.0地震样本数较多，M≤6.0地震影响场计算结果与实际拟合度高，张方浩根据云南不同的分区特点做了3套分区模型，区域适用性好。总之，在云南地区实际地震快速评估应用中，将3套模型都集成于在软件系统，根据震级大小、震中所在区域特点选用不同的模型进行计算，结合专家经验和历史地震影响场参数对生成结果进行调整评估，产出结果。

线源模型是对在地表破裂带上具有相同烈度的椭圆等震线做包络线，形成的包络线即为最终生成的线源模型等震线。破裂长度利用地震震级—破裂尺度经验关系式算出，本文采用两个模型来组成云南地震破裂长度与震级的经验关系，震级在M6.5～7.7地震使用李忠华等 (1999)提出的地表破裂长度模型，M≥7.7地震使用秦嘉政等(1997)等提出地表破裂长度模型，将2个模型合并，模型算法如下:

式中，L表示震源破裂长，MS为震级。

对于烈度等震线长轴方向的判定，目前国家统一研发的评估系统采用的是以离微观震中最近的断层走向作为影响场展布方向，与实际有偏差。因此，在烈度等震线长轴方向确定上，基于地震行业专项研究成果，赵恒①对云南地区进行了构造分级分区研究，按地质构造的发震能力、活动性、历史地震的对应性进行了等级划分，提出了基于区域块体和基于地质构造 (断层)两种方法进行影响场方向的快速预判。在实际地震应急快速评估应用中，除了考虑断层走向以外，应结合余震序列分布、震源机制解、地震破裂过程等资料来确定烈度等震线的长轴方向。

2.2.2 茎粗从玉米全生育期茎粗调查结果来看（表5），不同肥料处理对玉米茎粗有一定影响，且各处理茎粗在大喇叭口期达到峰值。其中，AO乡喜、埃尔夫2个处理植株茎粗值较大，复合酵素、PK及NK处理植株茎粗值较小。

1.2 人员伤亡评估模型

(1)死亡人员估算模型

对于云南地区人员死亡评估方法，王景来(2001)、晏凤桐 (2003)、周光全等 (2004)、施伟华等 (2005，2012)从不同视角出发，选取影响因子建立了云南地区的人员死亡评估模型。李永强 (2012)提出云南震亡多因子回归模型，把震级、极震区烈度、发震时刻、人口密度、烈度区面积、当地GDP、农民纯收入、财政收入作为地震人员死亡的主要影响因子，采用泊松分布统计方法进行多因子回归，模拟得出云南地区人员死亡评估模型，算法如下:

式中，Y为震亡人数，x为震级，T为地震时刻(T=1表示地震发生在夜间，T=0表示地震发生在白天)，z为地震烈度，s为人口密度，v为烈度区面积 (取该次地震的Ⅵ度区及以上烈度区面积之和)，ns为农民人均纯收入，cs为人均财政收入，GDP为人均GDP，笔者选取该模型进行云南地区死亡人员估算。

(2)人员受伤估算模型

对于云南地区地震造成的重伤、轻伤估算，施伟华等 (2012)给出各烈度地震伤亡人数及比率 (表1)，本文采用该研究结果进行模型系统集成，作为估算地震造成的人员受伤人数的算法。

表1 云南地震死亡与重伤、轻伤的比例Tab.1 Ratios of deaths and serious injuries、earthquake minor injuries in Yunnan

(3)失去住所人数预测模型

失去住所人数是指因地震失去住所而在室外避难的人数。采用国家标准《地震现场工作第4部分:灾害直接损失评估》(GB/T18208.4—2011)算法:

式中，a为户均居住面积，b为户均人口，c为所有住宅房屋的毁坏面积，d为非简易房屋的严重破坏面积，e为非简易房屋中等破坏面积与简易房屋破坏面积之和，f为死亡人数。

1.3 经济损失评估模型

震后总的经济损失主要由房屋直接经济和其他直接经济损失组成，可用下式计算得到:

式中，L为总经济损失，Ra为其他经济损失与房屋直接经济损失比例 (表2)，Lh为房屋直接经济损失，采用国家标准《地震现场工作第4部分:灾害直接损失评估》(GB/T 18208.4—2011)算法:

式中，Lh表示房屋直接经济损失，Sh为灾区房屋建筑总面积，Rh为破坏比，Dh为损失比，Ph为重置单价。根据灾区历史地震的震害矩阵、重置单价以及基础资料数据库快速统计计算得出灾区范围内各类房屋总面积，计算各评估子区各类房屋损失，将所有评估子区的房屋损失相加，得出整个灾区的房屋建筑破坏损失 (周光全等，2006，2011)。

表2 云南地区破坏性地震其他经济损失占房屋总损失的比例 (1992～2013)Tab.2 The ratio of other economic loss to total loss of houses of destructive earthquake in Yunnan(1992～2013)

2 模型集成方法

2.1 集成思路

本文以云南地震应急基础数据库、云南历史地震应急处置案例资料为基础，首先，针对云南地区烈度衰减模型、人员伤亡评估模型、房屋破坏模型、经济损失评估模型、滑坡风险评估模型等分层分级建立模型库，构建模型设计规范，设计统一的模型组件接口;其次，建立模型字典和模型索引，包括模型的输入参数、数量和类型，输出参数、数量和类型等;再次，根据模型应用需求设计专题图模板、对策建议模板等作为模型输出表达;最后，采用COM技术在模型库支持下与GIS实现无缝集成，形成完整运行的快速评估系统，产出各类专题图件、评估报告及对策建议报告 (杨昆等，2006)。技术路线如图1所示。

2.2 集成流程

震后数十分钟内，基于行政区划、人口、经济、房屋等基础数据，从模型库中选取各类评估模型，通过GIS的空间分析、空间统计等功能，人工或自动触发地震三要素信息，快速生成烈度影响场，提取各类评估模型参数进行人员伤亡、经济损失、次生灾害等计算，快速判定应急预案响应启动等级，生成各类震害专题地图、统计表以及对策建议文档。模型与GIS集成流程如图2所示。

2.3 输出设计

依据不同时段、不同震级、不同应急预案等级，确定对应的不同应急处置过程，形成对应的系列应急对策模板，软件输出基本模板分为文档模板和专题图模板两类，文档模板包括灾情简报、震区基本信息、快速评估报告、对策建议报告 (表3)，专题图模板包括基本专题图和评估专题图模板 (表4)。

表3 文档模板设计Tab.3 Design of the documents temples

表4 评估专题图模板设计Tab.4 Temples design of the assessment map

3 系统实现

3.1 技术实现

云南地震应急快速评估系统是评估模型库与GIS的集成系统，考虑到系统的兼容性、稳定性和响应速度，在开发模式上采用了当前较为稳定和成熟的C/S系统构架，将外部数据库、模型库及Office办公软件与GIS平台系统无缝集成，具体的技术方法如表5(李西等，2009;曹彦波等，2013)。

表5 系统实现技术方法Tab.5 Technology method of the system realization

3.2 系统功能

云南地震应急快速评估系统由权限管理、震害评估、动态修正、模板管理等7个功能模块组成。地震发生后30 min内，通过人工或自动输入地震三要素进行触发计算，评估地震影响范围、人员伤亡、经济损失、房屋破坏、次生灾害等情况，给出应急预案响应等级启动建议，快速产出评估文档和专题图。系统各功能模块如表6、图3所示。

4 应用分析

云南地震快速评估系统经过反复调试和测试，达到了系统设计的各项性能指标，在2012～2013年云南6次地震应急快速评估中，启动该系统开展了烈度影响场、人员伤亡、经济损失、次生灾害风险等评估工作，为地震应急预案启动、救援力量部署等提供了依据。笔者将“十五”软件估算结果，本地化软件估算结果和实际灾害调查结果进行了对比，如表7所示。

表6 系统各功能模块描述Tab.6 Discription of each functions module of the system

表7 2012～2013年两种评估方法结果与实际灾评结果对比Tab.7 Comparison of disaster survey results between two assessment methods and the actual from 2012 to 2013

从估算结果来看，原有地震快速评估软件死亡人数和经济损失估算值与实际相比差距较大，基于本地化评估模型软件估算值与实际结果数量级上基本一致，符合实际的地震灾情，评估结果满足灾情速判和应急决策要求。

5 结束语

笔者在前人研究的基础上开展了云南地区快速评估模型本地化集成研究工作，通过云南地区评估模型和对策模型的本地化集成应用，实现了模型库与GIS平台无缝集成，开发完成了云南地震应急快速评估软件。经过实际震例检验，与“十五”软件相比较，系统模型、成果产出、空间可视化表达方面得到了进一步的优化和完善，提高了评估精度，为政府指导抗震救灾工作提供了基础参考信息。该系统是以云南地区评估模型为基础进行研发，应用范围有一定的局限性，有待于后续的进一步研究和完善数据和模型计算方法，配置高性能硬件设备，提高系统稳定性和运行效率。

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