天津地震灾害风险防治业务体系研究

姚新强, 王东明, 曹井泉, 纪 静, 林 逸

(1. 天津市地震局, 天津 300201; 2. 防灾科技学院, 河北 燕郊 065201; 3. 中国地震灾害防御中心, 北京 100029)

0 引言

我国地处全球两大地震带的交汇部位,三分之一的国土面积具备发生7级或更强地震的构造背景,同时人口众多,各种因素叠加,造成我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一。随着我国社会化进程的加快,尤其是经济总量已稳居世界第二,地震灾害风险防治已引起人们的高度重视。2015年联合国第三届世界减灾大会《2015—2030年仙台减灾框架》提出加强灾害风险工程治理以管理灾害风险,地震灾害风险防治业务体系建设已经迫在眉睫,促使更多学者对此进行研究。

截至2021年2月11日,中国(不含港澳台地区)共有663个设市城市。根据国家统计局发布的《经济社会发展统计图表:第七次全国人口普查超大、特大城市人口基本情况》,中国的超大城市有上海、北京、深圳、重庆、广州、成都、天津7个城市,特大城市有14个;这21个超特大城市常住人口达2.9亿人,约占全国总人口的20.7%;国土面积16.9万km2,约占全国市辖区面积7.5%;GDP总量为33.6万亿元,约占全国经济总量的33.1%。体量大、比重高,反映出其在全国经济社会发展中举足轻重的地位,而随着城市越来越“大”,其发展质量以及规模扩张背后潜藏的各种结构性问题也愈加受到关注。近年来,大城市超高、超大建筑等重大工程和高铁、地铁等重要基础设施大量涌现,但城市公共安全管理体系建设明显滞后,公民安全风险防范意识与自救互救能力没有随经济发展同步提升,公共安全管理的社会力量参与度、主动性明显不足。伴随着城市经济总量不断增加,人口、资源、财富、高新技术不断聚集,地震灾害风险底数将持续增高(表1),地震风险防控形势将更加严峻。未来一旦遭遇大震影响,很可能对城市乃至全国的社会经济发展都会产生重大影响。建立防大震、抗大灾又注重平时风险防范的地震灾害风险防治业务体系势在必行。

表1 强震下地震灾害风险因子和风险底数比较

国外对地震灾害风险防治业务体系的研究和建立较早,尤其是以美国、日本等为首的发达国家20世纪以来,针对地震灾害风险防治理论、方法和技术[1]开展了大量的研究。日本由于其地理位置特殊,深受地震灾害的危害,采用“行政首脑指挥,综合机构协调联络,中央会议制定对策,地方政府具体实施”的模式,建立了灾害管理的法律法规体系、组织体系、政府资金投入体系,建立了日本灾害管理系统(Phoenix DMS)[2]。美国的灾害管理工作实行“行政首长领导、中央协调、地方负责”的模式,建立了比较完善的灾害管理法律体系(组织体系、规划体系和救援体系),建立了美国多灾害评估管理系统(HAZUS-MH)[3]。澳大利亚的城市灾害管理工作[4]也实行的是“行政首长领导,中央协调,地方负责”的方式,灾害管理的主要特色是将城市综合防灾减灾与危机管理相结合,实施以风险管理为基本方式的灾害管理模式,颁布了《风险管理国家标准》,建立了风险识别、分析、评价、处理和监控的基本框架,形成了《应急风险管理应用指南》。孟加拉因印度洋上形成的飓风、洪水、滑坡、泥石流及地震等自然灾害造成严重的人员伤亡和经济损失,开展了灾害的综合管理工作,建立《灾害管理后勤法案》,规定了与备灾和紧急措施有关的灾害管理政策和计划的制定方法以及恢复计划,编制《灾害常用指令》作为各层级履职的基本实施工具。新西兰主要通过准备、响应、减轻和恢复4个环节来进行灾害管理[5],具有优良的应急反应指挥的软硬件设备和紧急调动、指挥权。意大利通过对受灾群众提供援助、防灾、急救、恢复经济等工作,并开展宣传教育和灾害信息管理等[6]。可以看出,各国均较为重视防灾减灾体系建设,地震灾害较多的国家正在或已经建立了较为完备的地震灾害风险防治业务体系,并在地震灾害风险防治和救援中发挥了重要作用。

国内方面,2016年习近平总书记在唐山考察时提出了我国防灾减灾工作的基本原则,即“两个坚持、三个转变”,主旨就是要实现减少灾害损失向减轻灾害风险转变。同年我国印发《国家综合防灾减灾规划(2016—2020年)》,提出建设国家自然灾害风险数据库,构建支撑自然灾害风险管理的全要素数据资源体系。从发展趋势看,2017年中国地震局“国家地震科技创新工程”提出实施“透明地壳”、“解剖地震”、“韧性城乡”和“智慧服务”四项计划[7],争取用10年左右的时间取得一批重要科技创新成果,查明中国大陆重点地区地下精细结构,深化地震发生机理认识,采取有效防御手段,丰富地震安全公共服务产品,显著提升我国抗御地震风险能力。2018年习近平总书记在汶川地震十周年国际研讨会的致信中强调了降低自然灾害风险的重要性。2019年中国地震局印发《地震灾害风险防治体制改革顶层设计方案》,提出了构建地震灾害风险调查、评估、治理服务的完整地震灾害风险防治业务新体系。

我国震灾防御基础业务体系逐步形成。中国地震局成立地震灾害风险区划工作推进领导小组,统筹设计谋划震灾防御业务工作,推动建立以国土地震区划为主线、以探查区划评估为重点、以标准规范为支撑、以科技创新为驱动的新时代震灾防御基础业务体系;基础能力建设取得新进展,自然灾害防治两项重点工程稳步推进,全国基本完成调查任务,44个试点区县完成风险评估与区划,229个重点区县扎实推进房屋设施加固任务;支持绵阳、宜宾等17个城市开展活断层探测,利用遥感技术完成全国3.2亿栋房屋抗震设防能力初判;强化抗震设防要求事中事后监管,开展地震安评报告质量抽查;基础工作逐步业务化;开展地震灾害风险评估和区划试点,编制地震构造图等12项技术规范,编制分省1∶25万地震构造图和分县1∶5万活断层分布图,初步建成全国地震灾害风险基础数据库和房屋设施抗震设防信息平台。

在综合分析这些因素和城市本身特点以及国内外防震抗震经验与教训的基础上,我国城市地震安全韧性特征中地震环境与影响认知水平有了很大的进步,地震灾害风险评估的精细化程度越来越高,工程韧性方面韧性技术的应用较为广泛,尤其减隔震技术的应用作为了工程韧性的强大支撑,但是目前我国在社会韧性、制度韧性和评估韧性等社会治理层面与发达国家相比仍具有较大的差距,相关法律法规、治理措施比较局限,社会参与度还不是很高,民众认同感还不是很强。随着电子信息技术的飞速发展,大数据与云计算和移动互联网技术已广泛应用于防灾减灾救灾领域。科学规划城市建设,有效防范和化解地震风险,提高城市对自然灾害的承受能力,建设韧性城市是城市公共安全现代化的必然要求。我国地震系统虽然都已经开展了相应的地震灾害风险业务建设,但是还远未形成体系,与国家顶层设计方案相比还有较大差距。本文以天津为例,结合天津地震灾害风险防治工作实际,研究地震灾害风险防治业务体系,以期推动防治业务体系的现代化建设。

1 天津地震灾害风险防治背景

天津市位于河北平原地震带与张渤地震带交汇部位,本市及周边具有发生8级或更强地震的构造背景,是我国唯一遭受过Ⅸ度地震破坏的特大城市。随着京津冀协同发展、雄安新区国家战略的深入推进和天津经济的集约化程度越来越高,尤其是天津危化企业量大面广,城市地震灾害风险不断升级,灾害链不断延长,以灾后救助和减少灾害损失为主的非常态救灾传统方式已无法满足天津可持续发展的迫切需求。

1.1 面临重大挑战

天津地处华北地块与燕山地块旋钮错断形成的边界破碎带上,华北4条主要地震带有2条贯穿并交汇于天津。有记载以来,华北北部最大的2次地震,即1679年三河—平谷8级地震[9]和1976年唐山7.8级地震[10]分别发生在天津两侧。特殊的构造环境和强震易发的构造条件,使天津长期面临破坏性地震的潜在威胁,尤其在华北6级地震长期平静背景下,2020年古冶5.1级地震[11]的发生,使天津震情形势更为严峻复杂,未来5年,破坏性地震风险增大。天津地质构造复杂,分布较大规模隐伏断裂19条,其中4条穿过中心城区,天津2/3的国土面积属于Ⅷ度高烈度设防区,1/3属于Ⅶ度强烈度设防区,2/3以上区域为软土场地,极易造成砂土液化、软土震陷等地震地质灾害。随着天津市经济社会快速发展,人口、资源、财富等不断聚集,高层建筑和生命线工程不断增加,地下空间开发快速增长,与之相适应的抗震设防要求监管体系尚不健全,城乡抗震设防水平参差不齐,地震灾害风险防控十分紧迫。危化企业聚集导致地震次生灾害风险工程治理难度巨大。天津现有危化企业180余家,涉危企业5 000余家,其中2/3聚集在滨海新区,一旦发生中强地震,极易引发火灾、爆炸、毒气泄漏等重大地震次生灾害,形成“多米诺”效应,地震次生灾害和衍生灾害风险不断增加,灾害链条不断延伸,地震灾害风险工程治理形势更加严峻。

1.2 防治水平现状

当前地震灾害风险防治体系还没有完全建立,“防大震、救大灾”应急能力不足,全社会地震灾害防范意识薄弱,“全灾种、大应急”体制下多部门地震应急联动机制亟待整合完善。地震应急管理信息化、智能化水平不足,地震灾情快速获取能力有待提高,支持震后辅助决策有待加强。应急避难场所标准化、规范化建设滞后,应急救援装备、物资储备不足。基层地震应急响应保障能力建设相对薄弱。防震减灾公共服务水平有待提高,公共服务局限于某一方面或领域,服务手段和服务产品单一,服务能力不强,服务方式落后,受体制机制的制约较大。信息化服务平台还不健全,规范统一的服务产品标准缺乏,精准服务能力弱,融入经济社会发展的机制还不健全。新的服务产品如抗震设防的新技术、新材料的研究和应用程度还比较低,减隔震技术的推广应用存在较大瓶颈;抗震性能鉴定、灾害风险评估等新的服务领域才刚刚开始起步。防震减灾宣传体系建设还不完善,宣传产品、宣传方式等方面创新不足,与相关行业、媒体的联动机制不够完善。从运用行政手段管理社会到通过信息服务、技术服务提升社会防灾能力的思想认识转变还不够彻底,从传统科研型工作思路向业务服务型工作思路转变还不到位。总的来看,公共服务基础薄弱、产品单一,不能满足政府、社会、公众的差异化和个性化需求。高质量、多样化防震减灾科普产品匮乏,社会力量参与和市场机制作用发挥不够,公众防震减灾意识有待提高,主动减灾的社会氛围尚未形成。

未来强烈地震对天津地区及京津冀协同发展重大国家战略实施的影响,目前都难以定量预估。建立天津地震灾害风险防治业务体系,快速精细的评估城市群灾害风险,提高高烈度区特大城市地震工程安全,建设韧性城市是当前一项非常重要的任务。

2 天津地震灾害风险防治业务基础

2.1 地震危险性调查与评估

在活断层探测方面,天津市地震局从“九五”开始,20余年通过开展高密度台阵观测[14],获取沉积层精细结构,结合航磁、重力、大地电磁测深、深地震测深及反射剖面资料,查明断裂的准确位置、展布特征、上断点埋深、最新活动时代及活动强度,科学评价其地震危险性,先后完成了海河断裂、天津断裂、沧东断裂、蓟运河断裂和渤海近海海域等9条断裂的探测与评价,探测断裂长度600余km。积累了大量的成果资料和图件(图1为成果之一),为天津市城市规划建设、滨海新区城市总体规划、海洋功能区划、重大工程选址提供了基础资料和科学依据。

图1 河西务断层中深地震剖面结构特征Fig.1 Structural characteristics of deep seismic profiles in Hexiwu fault

图2 天津市断裂活动性危险性分布图Fig.2 Risk distribution map of fault activities in Tianjin City

“十五”期间,国家做出了在大城市积极开展地震活动断层探测工作的重要决策,将天津活动断层探测项目纳入了首批国家“十五”重点科学工程计划,并确立了中央与地方共同投资实施的模式,以穿越中心城区的天津北、天津南断裂和穿越滨海新区的沧东断裂[15]为目标断层,开展科学探测和评价。通过对已有资料系统收集整理、地球化学探测、人工地震宽角反射/折射剖面探测、大地电磁测深、超浅层水上地震地层探测、浅层人工地震探测及联合钻孔剖面等手段对目标断裂进行了系统探测和危险性评价。

“十二五”期间,在原国土资源部与天津市政府联合资助下,开展天津市断裂活动性与区域地壳稳定性评价工作,对天津市第四纪以来活动[16]的主要断裂进行综合评价,查明其空间分布特征与活动性,编制了1∶25万天津市活动断裂分布图;基于GIS系统,根据9个评价要素,对天津市区域地壳稳定性进行了综合评价,明确天津市基本稳定区和次不稳定区,编制了1∶25万天津市区域地壳稳定性评价分区图,为天津市土地规划利用、产业布局及重大建设工程的选址、建设与抗震设防提供了基础资料与技术支撑。

图3 天津市区域地壳稳定性评价分区图(底图来源于天津市震灾风险防治中心)Fig.3 Zoning map of crustal stability assessment in Tianjin City

在工程项目选址可行性规划、重大工程和区域性地震安全性评价、地震小区划方面开展了大量的工作,为政府、社会和企事业单位等提供了地震危险性评价服务,解决了项目地震安全方面的关键技术问题。大众汽车华北整车生产基地项目是天津市委市政府着力引进的重点项目,项目建成后产值达2 400亿元,经济社会效益不可估量,但在项目选址规划时发现,沧东断裂可能从拟选场址区附近通过,可能会对拟建项目造成影响,加之天津市历史上曾经遭受过1976年唐山大地震的波及,导致对地震安全高度敏感的德国投资方对该区域断层活动影响及地震环境条件产生很大疑虑,甚至考虑放弃该选址,通过开展专项地震地质构造评价工作,对穿过场区的断裂进行了系统性探测,对场址地震危险性进行了科学的分析,确定了选址区的地震安全性,使得项目顺利落户天津市宁河区。对中央大道海河隧道工程选址规划,通过详细探测,对该段海河断裂进行了精确定位,发现断层虽然通过了海河隧道工程的陆地区段,但并未直接穿过隧道本身,其影响可以通过设计施工进行控制,在该区段建设隧道工程是基本可行的。承担了天津市多个轨道交通工程的地震安全性评价工作,为工程项目建设提供抗震设计地震动参数及场地选址评价,大力推动了天津大力推进轨道交通建设,构成了更加完整和安全的轨道交通路网,助力天津高质量发展。

地震场地条件[17]方面,天津市地震局对天津1 172个钻孔开展场地地震工程地质条件勘察,运用原位测试、土动力学试验等方法与手段,获取天津场地模型参数[18];开展场地类别划分,编制天津场地等效剪切波速分布图、覆盖层厚度分布图及场地类别分区图;建立地震工程地质标准钻孔数据库,构建场地土层力学模型,计算300个控制点(5个参数、4个概率)下的地震动响应,评价地震工程场地条件及地震地质灾害,编制场地类别分区图[19]、地震动参数影响系数分布图、地震地质灾害风险区划图。天津市地震局对天津市地震地质灾害风险评价从地震危险性、历史地震灾害、活动构造及地貌条件、工程地质条件考虑,采用层次分析法确定各因子对地震地质灾害易发性评价贡献的大小,并充分考虑到 GIS 空间分析功能[20]在处理多因子、多图层叠加处理评价方面的优势,最终建立天津市市地震地质灾害危险性评价模型:

Bj=0.321 9×Aj+0.181 3×Ej+0.161×Wj+

0.090 7×Gj+0.052 3×Fj+0.104 7×Oj+

0.058 8×Lj+0.029 4×Sj

(1)

式中:Bj为第j个评价单元的危险性评价值;Aj为地震动参数区评价值;Ej破坏性地震评价值;Wj砂土液化震害评价值;Gj地裂缝震害评价值;Fj活动断裂评价值;Oj故河道评价值;Lj砂土液化评价值;Sj软土震陷评价值。

根据地震地质灾害风险评估指数[21],按照风险指数值的高低,将风险等级划分为5档,分别为低风险、中低风险、中等风险、中高风险、高风险,编制了地震地质灾害风险区划图。

图4 天津市地震地质灾害风险区划图(底图来源于天津市震灾风险防治中心)Fig.4 Regional risk zoning of earthquake-induced geological hazards in Tianjin City

2.2 地震灾害风险调查与评估

房屋抗震性能方面。天津市地震局对天津市和平区全部5 746栋、宝坻城区1 336栋房屋开展了抗震性能调查,对震害矩阵进行了修正,采用房屋群体易损性指数计算方法,对和平区建筑房屋抗震性能进行了评价,对天津地区遥感建筑抗震能力快速判别,完成全天津市约11 960 km2遥感影像解译工作,共解译建筑1 460 550栋,建筑面积共约654.32 km2。通过以上工作分析了城市建筑物抗震性能调查的关键点与技术难点,探索了城市建筑物抗震性能评估的技术思路与工作方法,为城市筑物地震风险评价的开展奠定基础。

震害矩阵修正方法[22]假设相邻烈度间震害指数的期望值和方差的变化值与标准震害矩阵相对应的期望值和方差的变化值相同,均分布统一服从贝塔分布,贝塔分布函数概率密度数学表达形式:

(2)

这样由其他烈度下震害指数的期望值和方差可以得到贝塔分布的参数值α和β,即对应于该烈度下震害指数的贝塔分布就确定了。从而由公式

(3)

即可得到发生各等级破坏的超越概率值。最终建立了Ⅵ～Ⅹ度地震作用下的震害矩阵。

通过对天津涉农的静海、宁河、蓟州区研究了2万栋农居抗震能力研究,给出了承重墙体破坏等级双参数划分方法,给出了易损性指数计算的一种新方法,结合农村地斑块数据,给出了农居抗震能力分布图,从二维角度解决了农居抗震能力分布的评价问题,为新农村规划和防震减灾建设提供了科技支撑和技术支持。通过对京津冀农居基于强震记录的精细化地震灾害损失快速评估研究,研究华北地区强震记录与调查烈度的关系,建立谱烈度概率密度函数,形成京津冀强震台网烈度计算方法。研究农居性态抗震分析方法,形成京津冀农居基于性态的精准化易损性评价方法。利用互联网数据、实地调查和资料搜集方法建立农居精细化数据。研究农居易损性与损失比、动态人口伤亡率的关系并建立精准化公式,实现京津冀农居基于强震记录的灾害损失快速精准评估技术融合,产出农居灾害损失评估精细化数据。其中设置构造柱的墙体抗震受剪承载力:

0.08fycAsc+ζsfyhAsh]

(4)

式中:Ac为构造柱的横截面面积(m2);ft为构造柱的混凝土轴心抗拉强度设计值(kN/m2);Asc为构造柱的纵向钢筋截面总面积(m2),配筋率不应小于0.6%,大于1.4%时取1.4%;fyh、fyc分别为墙体水平钢筋、构造柱纵向钢筋的抗拉强度设计值(kN/m2);ζc为构造柱参与工作系数;ηc为墙体约束修正系数;Ash为层间墙体竖向截面的总水平纵向钢筋面积(m2)。

通过对天津近代老旧建筑(小洋楼)开展了基于持时的动态抗震能力评价研究,基于性态的近代老旧建筑抗震能力,研究结构耐久性(结构材料老化、荷载作用、环境的影响)、地震作用、抗震加固对结构地震抗力的影响,建立基于持时的结构动态地震抗力[23],研究基于性态的结构动态易损性方法;根据结构类型和数量的变化,研究基于性态的结构动态易损性矩阵方法[24];根据已有动态易损性矩阵,开展动态易损性矩阵数据异地应用方法研究,构建目标城市动态易损性矩阵,给出近代老旧建筑动态抗震能力分区图,将天津市地震动衰减关系修正后的烈度速报技术[25]与抗震能力分区研究[26]相融合,研究天津市近代老旧建筑动态抗震能力与地震灾害快速判定技术。其中基于持时的结构动态抗震能力为:

R(t)=R0f[km(t),kl(t),ke(t)]

(5)

式中:R0为结构在t=0时的抗力(kN);f(t)为随时间变化的影响结构抗力的确定性函数(kN)。时间因素中主要考虑材料内部作用、荷载作用和环境作用,根据这三个影响因素确定函数f(t)、km(t)结构材料内部作用影响确定的抗力(kN);kl(t)为荷载作用影响确定的抗力(kN);ke(t)为环境作用影响确定的抗力(kN)。

2.3 地震灾害风险预警

通过地震风险预警技术及服务产品研发与应用研究,以华北中长期强震风险源判定研究为基础,通过对强震风险源中短期风险跟踪研判,给出地震活动风险可能产生的烈度影响场和及其风险指数;以此建立复杂场地地震动场地效应风险指数评价方法,给出网格化地震烈度分布和地震动场地效应风险指数;根据场地效应风险指数,构建目标区建构筑物易损性风险评估系统。在此基础上,研发地震风险预警服务平台。最后以宝坻区为例,研究给出宝坻区地震风险综合指数,实现宝坻区地震风险预警服务。计算单位区域中短期地震风险指数WC,公式如下:

WC=(1+WC1)C2D

(6)

式中:WC1是地震活动动态风险指数;C2为基于场地效应的烈度或地震动参数修正系数;D为地震易损性风险指数。

(7)

(8)

式中:WC0为强震风险源的指数;WC2为场地效应风险指数。

(9)

式中:D为地震易损性风险指数;w为地震烈度或峰值加速度计算系数;N为参与计算的风险因子的个数;T为对应第i个风险因子的取值分类的类别数;d0为统计系数;dij为符合第j项分类的第i个震害因子;mij为幂函数。

研究项目采用地震风险指数计算方法,计算潜在震源区各震级档地震风险概率,获取高风险概率的震级上限,确定高风险概率的地震动峰值加速度,给出地震动加速度作用下房屋建筑的结构易损性风险指数,建立房屋震灾风险综合评价指标体系和地震风险预警等级判定方法,构建地震风险预警研判三维矩阵,实现地震风险预警研判技术实用化。

3 天津地震灾害风险防治业务体系

3.1 体系设计原则

坚持天津地震灾害风险防治的问题导向、需求导向和目标导向,建立以地震灾害风险调查、评估、治理、服务为主线,以法治建设为保障、科技创新为驱动、人才队伍为支撑,以地震灾害风险防治业务平台为依托的新时代地震灾害风险防治业务体系。

3.2 体系设计总架构(图5)

(1) 地震灾害风险调查

调查工作是地震灾害风险防治业务体系的工作基础。以摸清天津市地震灾害风险底数为目标,完善工作机制,组织开展系统化的地震灾害风险调查业务工作。查清房屋设施等主要承灾体的抗震性能基础数据,全面掌握城乡房屋建筑地震风险基础信息并动态更新;开展陆域和海域地震活动断层探察和海洋地震风险基础探测,掌握断层分布、活动特征,产出地震活动断层空间展布、近断层强地面震动预测结果、大地震三维震源模型库、避让对策等产品;开展地震工程地质条件调查,综合运用典型场地钻孔测试、场地背景噪声探测、土样动力特性测试等宏观、微观手段,评价场地土地震动影响特征,编制不同比例尺的地震工程地质条件分布图及场地地震动影响系数分布图。通过地震灾害风险调查为高效科学开展地震风险防治奠定基础。

(2) 地震灾害风险评估

评估工作是地震灾害风险防治业务体系的关键技术所在。基于地震活动断层和潜在震源特性、工程场地特征、房屋设施抗震能力等地震灾害风险基础信息,研发面向不同尺度精度需求的各类地震灾害风险评估产品。开展重大工程和区域性地震风险评估,科学合理地给出工程抗震设防要求相应的地震动参数,以及场址的地震地质灾害预测结果;开展地震灾害风险区划以概率地震危险性分析方法[27],编制天津市陆域和海域高精度、多概率、宽频带地震动参数区划图,评价地震地质灾害危险性及危害性,编制高精度天津区域地震地质灾害区划图;建立各类房屋设施地震易损性模型库,以地震动参数区划图、近断层强地面运动预测等为输入,系统性评价各类房屋设施及重大工程地震破坏风险及其导致人员伤亡和社会影响,编制地震灾害风险区划图;开展地震灾害风险防治区划建立天津地震灾害风险防治分类、分区、分级评估指标体系,基于地震监测预警、应急处置、救援救助、社会力量参与、社会治理等能力和经济发展水平综合评估区域防震减灾能力,提出多级、多性能水准地震风险防治的目标控制和措施要求,编制地震灾害风险防治区划图。

(3) 地震灾害风险工程治理

工程治理是地震灾害风险防治业务体系的核心内容。依据地震灾害风险调查和评估结果,推动规划选址、抗震设计、抗震加固、应急避难场所规划等方面地震灾害风险工程治理,提升地震安全水平。开展抗震防灾规划编制城市抗震防灾规划并纳入城乡规划管理体系,确定不同区域抗震设防标准、防御目标以及抗震建设、基础设施配套等抗震防灾规划要求与技术指标[28],开展城市用地抗震适宜性划分,提出城市规划建设用地选择与相应的城市建设抗震防灾要求和对策,制定重要建筑、超限建筑,新建工程,基础设施规划布局、建设与改造,建筑密集或高易损性城区改造,应急避难场所及疏散通道的建设与改造等抗震防灾要求和措施,并对规划的实施开展监督检查;开展地震易发区房屋设施抗震加固工程,建立健全地震易发区房屋设施加固政策体系、技术体系和标准体系,在地震灾害风险调查和重点隐患排查工作基础上,全面开展居民小区、大中小学校、医院、农村民居,以及重要交通生命线、电力和电信网络、水库大坝、危化品厂库、重要军事设施的抗震加固;开展应急避难场所规划和恢复重建规划,按照应急避难场所建设相关标准,规划、建设应急避难生活服务设施,作为居民紧急疏散、临时生活的安全场所,构建布局合理的应急避难场所体系;编制恢复重建规划,科学确定恢复重建区抗震设防标准,确保新建城乡建筑、重大工程、生命线工程的抗震能力和安全水平;开展抗震新技术应用,组织开展消能减震、隔震等抗震新技术和相关材料研发推广,在重大工程、可能发生严重次生灾害的建设工程上开展地震安全检测与健康诊断。

图5 地震灾害风险防治业务体系总框架图Fig.5 General frame diagram of the service system for the disaster risk prevention and control of earthquakes

(4) 地震灾害风险服务

风险服务是地震灾害风险防治业务体系的宗旨所在,也是业务体系的出口。通过建设和运行全市地震灾害风险防治业务平台,实现地震灾害风险调查、评估及治理信息数据的及时汇集、交换、处理和服务,面向各级政府、有关行业企业、社会公众提供普惠化、智能化、精准化的数据、资料、图件等产品服务。开展地震灾害风险预警,实现地震灾害全过程动态模拟[29],及时更新相关数据,实现地震灾害定量化风险动态评估,同时在重大工程布设结构地震安全检测和健康诊断系统;推广应用适宜于各类建筑结构的减震消能和隔震装置并推广应用,提高建设工程抗震效能,同时降低抗震成本,推广基于性态的抗震新技术和以碳纤维、纳米材料等绿色抗震新材料,科学、经济、高效地服务于抗震设防和抗震加固,开展重要工程和设施全生命周期的地震安全检测和健康诊断,提出风险预警解决方案,为安全运行提供保障,为地震安全民居提供抗震设防标准[30]确定、设计图纸绘制、工匠培训、施工指导和维护保养等技术服务;加强防震减灾科学普及,强化防震减灾科普阵地建设,编制科学权威的防震减灾科普教材,推进纳入国民教育体系,繁荣防震减灾科普作品创作,形成围绕地震基础知识、地震灾害风险防范、地震科学技术的科普作品体系,持续推进防震减灾科普“六进”及各类等活动。推进“互联网+防震减灾科普”,加强新媒体平台建设等;依托地震灾害风险防治业务平台,产出多样化地震灾害风险服务产品,开展地震灾害风险预评估和震后灾情快速评估,实时更新地震灾情,提供地震应急处置智能辅助决策,产出地震灾害应急“一张图”服务系列产品;开展地震巨灾保险咨询服务,为保险公司和社会公众提供地震灾害风险信息,研发为地震巨灾保险服务的地震风险模型,为分区分类的地震巨灾保险费率厘定提供精算基础,开展震后承保体灾害损失评估[31],为地震巨灾保险理赔,特别是紧急救援阶段实施保险赔偿提供地震灾害风险专业服务。

4 天津地震灾害风险防治规划

4.1 全域地震危险性调查与评价工程

(1) 全域地震危险源精细探察

建立全市三维地壳精细结构与潜在震源断层模型[32],给出潜在地震危险性图和强地面震动图,摸清天津全域地震危险源;推进与北京市和河北省地震危险源探测数据与成果共建共享,实现京津冀城市地震灾害风险防治体系一体化,为天津城市规划、土地利用、重大工程项目选址以及地震灾害风险评估、预警提供基础数据支撑。

(2) 全域地震工程地质条件精细探测

开展地震工程地质标准钻孔勘察,运用原位测试、土动力学试验等方法与手段,获取天津场地模型参数;开展场地类别划分,编制天津场地等效剪切波速分布图、覆盖层厚度分布图及场地类别分区图;建立地震工程地质标准钻孔数据库,构建场地土层力学模型,开展高精度地震危险性概率分析,编制多概率水平网格化、精细化场地地震动区划图,为天津基础设施建设与城市建设精细规划提供量化抗震设防参考,为天津地震灾害风险评估提供重要基础资料。

4.2 防治核心业务技术建设工程

(1) 全链条地震灾害情景构建与应急处置能力建设

基于天津及周边地区地震构造资料、地下三维模型、房屋设施和生命线系统分布及城市运行大数据,运用巨型复杂系统理论实现震源-传播介质-局部场地-城市工程系统全过程震害情景仿真[33]及灾害链分析,利用虚拟仿真技术建立可视化大震巨灾情景构建模拟系统平台,分析设定大震对天津带来的冲击,包括人员伤亡及分布,生命线系统震害,教育和医疗卫生系统震害,火灾、爆炸等典型次生灾害源震害形态及其链生灾害情景,应急物资处置需求等,建立天津地震灾害情景库和基于情景应对模式的地震应急预案,提升“全灾种、大应急”[34]下天津地震灾害风险管理和应急备灾、应急处置综合能力。

(2) 地震灾害风险防治业务平台建设

实施地震灾害风险防治基础数据库建设,构建天津地震灾害风险防治业务平台,涵盖风险调查、风险评估、风险工程治理和风险服务4大类功能模块,实现活动断层探察成果、建筑设施抗震设防要求、地震灾害风险评估与区划、大震灾害情景构建、公共服务与科普等成果集成;对接国家地震灾害风险防治业务平台,通过云基础设施实现京津冀三地的地震灾害风险防治业务融合,实现与天津各行业部门及各区地震灾害风险防治的“云+端”对接,建立天津地震灾害风险防治业务平台,为京津冀地震灾害风险的联防联控机制建立提供支撑平台。

(3) 天津地震工程与工程韧性实验基地建设

与地震工程大科学装置资源平台对接,以地震灾害风险监测与抗震韧性评估[35]为主线,建设“天津地震工程与工程韧性实验基地”;配备更新地震灾害危险源探测、房屋设施抗震性能监测与检测等仪器设备,形成地震地质灾害勘察与评估、地震危险源探测及危险性评价、工程结构抗震韧性评估、重要设施结构健康诊断监测与风险预警、结构地震反应台阵观测、仪器设备检定等实验业务,为天津市地震灾害风险监测预警能力、城市重大工程运行安全监测与检测、工程抗震韧性评估提供公共服务,为建立天津地震灾害风险防治业务体系提供支撑。

5 结语

当前我国防震减灾工作的重心已经开始从灾后救助向在灾前预防发生了重大转变,地震灾害风险防治业务体系的建设将为推动天津地震灾害风险防治业务现代化建设和提高地震灾害风险防治水平提供有力支撑和保障。本文回顾了国内外地震灾害风险防治体系的发展历程和差距,分析了天津地震灾害风险防治背景,具体分析了地震灾害风险防治面临的重大挑战和防治水平,围绕地震灾害风险调查、评估、治理和服务四个层面核心业务提出了天津市地震灾害风险防治业务体系架构,并给出了“十四五”时期支撑业务体系的两项重大工程,以期推进防治业务体系的建设。

不管放眼全球还是聚焦中国,特大城市已成为人口最稠密、生产生活最活跃、财富最集中的区域。然而,受地震分布的影响,特大城市将要面临地震灾害及次生、衍生灾害事故多发的严峻形势。因此,亟待建立并完善科学的地震安全风险监测、评估与管控体系,实现从地震灾后应急救援转向地震灾前风险防控,从单项地震灾害防御转变成地震综合防灾体系,从被动地震灾害止损转为主动降低地震灾害风险等理念。

持续开展地震灾害评估。科学有效地开展地震灾害评估包括工程场地、重点区域的地震危险性评估、地震灾害风险评估和震后灾害评估。加强地震安评关键技术研究,服务工程抗震设防和区域发展规划。发展地震灾害风险评估业务,继续推进精细化预评估试点,加强抗震能力评估和韧性评价研究。推进构建震前预评估、震后快速评估、灾害调查和烈度评定业务链条,完善地震灾害风险评估基础数据库,优化快速评估模型方法,加快提升评估结果准确性时效性。

开展城市群及大城市地震灾害风险防治服务。继续开展京津冀大震情景构建试点,推进京津冀、长三角、大湾区、黄河流域等重点城市群地震灾害防范联防联控机制建设,在特大城市推进韧性城乡建设试点及加强地震巨灾保险研究。