基于DEM的场地放大系数的烈度速报修正方法研究

姜金征，蒋 越，惠 杨

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

基于DEM的场地放大系数的烈度速报修正方法研究

姜金征，蒋 越，惠 杨

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

震后烈度速报是应急辅助决策的重要依据，场地条件是影响烈度速报结果的重要因素。根据高程、坡度、剪切波速及土层放大因子系数之间的关联特征，计算得到场地校正后的地震烈度分布图。应用于辽宁地区灯塔5.1级和盖县4.3级两次实际震例，对场地校正前、后的烈度图以及实际宏观调查烈度进行了比较。结果发现：经场地校正后的烈度分布图更符合实际宏观调查结果。

场地效应；坡度；剪切波速比；烈度

0 引言

目前，震后烈度速报越来越受到关注，尤其是五级以上强震，其烈度影响范围及强度更是震后应急救援决策的依据。随着强震动台网已经进入到数字化、网络化时代，使震后仪器烈度速报成为了可能[1]。但强震动台站所获取的记录为加速度记录，若直接用于制作烈度图，其结果为仪器烈度图，实际应用价值不高；但若经一系列转化计算及场地校正后的烈度图，我们视为“近实际烈度图”，其结果可作为震后应急决策的重要参考资料。据相关文献研究表明，场地土层对基岩地震动参数的放大效应有时甚至能达到两倍之多[2-4]，因此，考虑当地场地效应对地震参数的影响，并快速绘制出近似正确的烈度图，使生成的信息与实际灾区震害程度相近，以便更好地服务于震后应急救援决策的制定。

截至2014年,辽宁省共有强震动观测台93个，其中82个台是实时通讯的网络化数字台站，具备了震后烈度速报的硬件条件[5]，故结合辽宁省实际情况，建设适合辽宁省地区特点的烈度速报系统被提上日程。为了使烈度速报结果更加符合震后实际调查情况，首要解决的问题就是场地条件对地震动加速度的影响如何处理。鉴于此，本文从场地影响出发，结合国内外考虑场地影响的烈度速报系统运行情况，探讨了适合辽宁地区基于DEM（数字高程模型Digital Elevation Model）的场地校正计算方法，并结合灯塔地震和盖州地震两次地震实例，验证了本文中场地校正计算方法的可用性。

1 计算方法

本文采用文献[6]中的方法，通过以下步骤实现场地校正：

（1）通过计算DEM地形数据，得到最大坡度值。之后利用地下30m 的平均剪切波速与坡度相关性，对每个格点赋于相应的值。分类边界值参照文献[6]相关内容。

（2）将中国分为构造活跃地区和地形变化相对柔和稳定地区[7-8]，辽宁地区大部属于构造活跃地区。

式中，0v是基岩的剪切波速，取1050m/s；v是地下30m 的平均剪切波速；am 和vm 是与基岩峰值加速度有关的统计参数。

2 计算过程

2.1高程数据下载

通过http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inp utCoord.asp网址，cgiar-csi官方网站进行数据下载（图1）。下载的数据文件是一个5度×5度的高程栅格文件，文件为asc格式，每单元格宽度为0.00083度，约等于1km。

2.2坡度计算方法

目前，通过DEM地形数据求解相应的坡度值有两种方法：

（1）使用GMT工具得到高程图：计算所用方法是将地形坡度作为任一场点的场地条件分类指标，通过GMT[9]的“grdgradient”命令完成地形数据中最大坡度值的计算[6]，最终得到的是sc格式的高程图。

（2）理论计算获得栅格数据

式中，xf是X方向高程变化率，yf是Y方向高程变化率。由式（1）知，求解地表某点的坡度，关键是求解xf和yf。格网DEM是以离散形式表示地曲面且曲面函数未知，因此在格网DEM上对xf和yf的求解，是在局部3×3移动窗口中（如图2所示）：

通过数值微分方法或局部曲面拟合方法进行。AGRGIS和MAPGIS软件计算坡度采用的都是三阶差分算法，但各平台对xf和yf的计算方法不尽相同。其中ARCGIS采用的是三阶反距离平方权差分即算法1，MAPGIS采用的是三阶反距离权差分即算法2，具体计算公式如下：

算法1：

其中，1v～8v为栅格高程值，d为网格间隔。当DEM数据具有良好的精度时，即数据误差可以忽略不计，xf和yf的结果主要受栅格分辨d的影响。此时，DEM地形描述的尺度效应直接决定了坡度计算精度。在起伏变化比较剧烈区域，DEM对地形描述的精确度受空间分辨率影响很大，直接导致基于不同分辨率DEM提取的坡度也各不相同。

在计算坡度值时，采用ARCGIS的三阶反距离平方权差分方法对上述栅格文件进行处理，其处理步骤与文献[11]相关步骤一致，基本是按照将高程栅格数据绘制成高程图、由高程数据转成坡度数据、根据剪切波速与坡度的关系赋值（剪切波速）、根据剪切波速与场地放大系数关系赋值（放大系数）。

3 实际震例应用

将前述方法计算得到的场地放大系数运用到烈度速报、地震预警系统中，校正震后理论计算所得到的基岩地震动参数值，从而获得其地表土层的地震动参数分布。地震发生以后，首先获得的是地震发生的震中位置和震级，选择适宜的衰减关系[10]，设定研究区域，计算研究区域内30″间隔的网格化场点（虚拟台站）的基岩地震动参数值，从而得到基岩场地上地震动参数的分布。考虑到场地放大系数的放大作用，可以将其转换到地表上来，得到地表的地震动参数值，最后经过插值得到地表上地震动参数的分布。

由于根据前述方法计算出来的场地放大系数栅格文件数据量巨大，一个6000×6000的栅格文件只代表5o×5o的区域数据，在实际应用过程中很可能需要使用到4个或更多的栅格文件数据，这样巨大的数据量如果全都需要进行计算和绘制是相当耗资源的，于是实践中采用每隔10个点取一个值构成 600×600的栅格文件的方法对该栅格数据进行相应的抽样优化。

3.1地震记录

2013年1月23日在辽宁省辽阳市灯塔市、沈阳市苏家屯区（41.5oN，123.2oE）发生5.1级地震。灯塔5.1级地震共回收强震动记录共计22组，合计66条，获取记录震中距范围从16至370km不等，距离震中最近的辽阳台，强震记录经校正后，水平向加速度最大峰值为21gal。

2014年8月22日在辽宁省盖州市老边（40.5oN，122.3oE）发生4.3级地震。此次地震共获取强震记录51组，合计150余条，获取记录震中距从11～300km不等，震中距22km的暖泉台，水平向最大加速度峰值达到31gal。

3.2实际应用

本文应用了灯塔地震和盖州地震基岩台站的强震记录，绘制了场地校正前、后烈度图，并进行了对比分析。本文绘制的烈度图主要考虑了两方面的问题：一是震源的影响；二是台站较少区域烈度线作了必要的拟合与平滑。

如图3烈度图所示，场地校正前、后图示表现有两方面不同。一方面，震中区烈度大小不同。灯塔地震场地校正前的震中烈度为Ⅴ度，而场地校正后烈度为Ⅵ度，如图3（a）所示；盖州地震，场地校正前震中区烈度为Ⅳ度，场地校正后烈度为Ⅴ度，如图3（b）所示。另一方面，各级烈度区域范围不同。由图3可见，场地校正后的各级烈度区域范围校正前明显偏大。

3.3与实际宏观调查烈度比较

表1 震中区烈度值比较

如表1所示，实际宏观烈度调查结果表明，灯塔5.1级地震极震区烈度为Ⅵ度，这与场地校正后烈度相同；盖州4.3级地震实际宏观调查烈度为Ⅴ度，这与场地校正后烈度也相同。而两次地震场地校正前极震区烈度均小于实际调查烈度I度，因此，由这两次地震场地校正前、后烈度比较，场地校正后的烈度更符合实际情况。

4 结论

本文通过高程数据、坡度数据、剪切波速数据、放大因子系数数据之间存在关联性，计算得到场地校正后的地震烈度分布图。通过应用辽宁地区两次实际震例，对场地校正前、后的烈度图以及宏观调查烈度进行比较，得出以下结论：

（1）通过灯塔地震和盖州地震两次地震实例应用，经过场地校正后的震中区烈度值比校正前大了1度，同时，各级烈度范围也有明显扩大;

（2）场地校正后的震中烈度值与震后实际调查结果一致，校正前震中烈度值比震后调查的烈度值小1度。

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[2] Allen T I，Wald D J. Topographic Slope as a Proxy for Seismic Site-Conditions （Vs30 ） and Amplification around the Globe [R]. U.S.Geological Survey Open-File Report 2007-1357，2007，69.

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[11]李永振,梁永朵,刘琳婷,等.基于DEM的场地方大因子计算方法研究及应用[J].国际地震动态——中国地震学会第十五次学术大会专题，2015，9.

CALCULATION METHOD AND APPLICATION RESEARCH OF SITE AMPLIFICATION FACTOR BASED ON DEM

JIANG Jin-zheng，JIANG Yue，HUI Yang

（Earthquake Administration of Liaoning Province, Liaoning Shenyang 110034, China）

ract: Earthquake intensity quick report is an important basis for emergency decision making after earthquake, the site condition is an important factor affecting the rapid intensity. Based on the relevance within altitude, slope, wave velocity and amplification actor coefficient, earthquake intensity scatter map after site correcting was gained. The method is applied to two actual earthquakes, the Dengta M5.1 and Gaixian M4.3, compared intensity map before and after checking with actual macroseismic survey intensity, it is found that the intensity scatter map with site checking more in line with the actual results of macroseismic survey.

ds: site influence; grade of slope; shear wave velocity ratio; intensity

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.04.006

1674-8565（2016）04-0038-05

辽宁省地震局研究生基金项目（LNDZBSJJ002）

2016-07-21

2016-08-18

姜金征（1979-），男，山东省聊城市人，2002年毕业于防灾科技学院，工程师，现主要从事地震监测预报和强震观测等工作。