河北省海啸灾害风险评估和区划研究

王平，左丽明，孙立宁，席明硕，王培涛，赵亚娟

（1.河北省水文工程地质勘查院，河北石家庄 050021；2.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

0 引言

进入21世纪以来，全球地震海啸活跃，海啸灾害频发。2004 年印度尼西亚苏门答腊岛海域9.1 级地震海啸和2011年日本9.1级地震海啸影响深远，全球沿海各国都开始重视海啸灾害风险评估和防范工作。从20世纪90年代开始，美国、欧洲、日本等发达国家已开展区域性、多灾种的自然灾害风险评估，并将其成果与减灾规划、社会发展相结合，取得了显著效果。

我国的海啸灾害系统工作研究起步较晚，自20世纪70 年代起，先后开展了历史海啸灾害分布、中国高精度海啸数值模式、全球海啸传播时间模式等相关研究工作。渤黄海海域历史上曾多次发生7级以上的大地震，但仅有部分地震会引发海啸，且该海域发生的海啸强度相对偏弱，但由于该区域主要受局地海啸影响，预警难度大，造成灾害的可能性仍不可低估。结合历史监测数据资料，环渤海地区遭受海啸灾害的影响较小，其中2011 年日本9.1 级地震海啸[1-2]、2010 年智利8.8 级地震海啸均未对该区域造成显著的海啸影响；大量数值模拟也表明，相较于局地海啸源，越洋及区域海啸对研究区域的影响均较小。

近年来，随着全球变暖等原因导致海平面不断上升，沿海地区面临海啸威胁的风险日益加大，也引起了当地政府和居民的广泛关注。位于我国沿海地区的河北省可能同样存在遭遇海啸灾害的风险，因此，前瞻性地开展此方面研究，对河北省海啸灾害进行风险评估并开展防灾减灾工作，具有重要的科研价值和社会经济效益。

本文在充分搜集渤海海域全球海洋通用水深数据2020（General Bathymetric Chart of the Oceans，GEBCO2020）、遥感影像、土地利用、岸线、承载体、历史海啸数据、历史地震数据、河北省沿海海洋站观测潮位等相关资料的基础上，采用了美国康奈尔大学研制的康奈尔多电网耦合海啸模型（Cornell Multi-grid Coupled Tsunami Model，COMCOT）数值模式[3-4]对河北省开展海啸灾害的数值计算和风险分析工作。

1 海啸数值计算

本次基于COMCOT 数值模式及搜集的河北省以及渤黄海海域0.5 arcmin、15 arcsec分辨率的地形水深数据、渤海湾主要断裂带特征数据等资料，建立了河北省海啸灾害风险评估数值模型，并结合历史真实地震海啸事件对模型精度进行了验证。

1.1 渤海及北黄海地震分析

首先分析渤海、北黄海主要断裂带特征，并针对该海域的地震活动性进行研究，分析其地震特征。

1.1.1 渤海海域主要断裂带特征

渤海海域存在的主要断裂带有NNE 向郯庐断裂带、NW 向张家口-蓬莱断裂带、NEE—EW 向断裂。主要特征如下：

①NNE向郯庐断裂带

郯庐断裂带渤海段是渤海海域中最重要的NNE 向断裂带[5-7]，也是渤海湾盆地的东侧边界。前人的研究表明郯庐断裂带并非一条完整连接的断裂，而是由多条次级断裂组成的复杂断裂带，并表现出明显的分段性。郯庐断裂带渤海段在新生代表现为右旋走滑，同时还叠加了明显的拉张裂陷作用，表现出明显的垂向运动特征。

②NW向张家口-蓬莱断裂带

张家口-蓬莱断裂带的影响深度大，控制了海域内次级构造的凸起和凹陷，并在渤海中部切过郯庐断裂带，是由20 余条不连续的走向为290°～310°的次级断裂所组成的复杂断裂带[8-9]。该断裂带海域段显示了走滑断裂的一些特征，断裂带内次级断裂还具有左旋特征；陆域段则主要表现了强烈的垂向运动特征，主要次级断裂都具有正断性质。

③NEE—EW向断裂

该断裂主要分布于凹陷或凸起上，呈现规模相对较小、数目多、密度大的特点。渤海地区新生代的NEE—EW 向断裂属于伸展系统，晚第四纪以来主要表现为张性断裂，具有强烈的垂向运动特征。

1.1.2 北黄海海域主要断裂带特征

北黄海区域构造走向为NE、NEE 向，在此背景上发育了NW—NWW 的优势构造走向。北黄海北缘断裂带分布于北黄海北缘，该断裂带控制了辽东半岛南端海岸线的形态，是分割辽东半岛与北黄海两大构造单元的地壳型深大断裂带。北黄海西缘断裂带分布于北黄海盆地西缘，属于郯庐断裂带的次级断裂，该断裂带的形成和活动与郯庐断裂带密切相关。刘公岛断裂带位于郯庐断裂带以东，是五莲-青岛-刘公岛-海州断裂带在海域内的部分，大致沿NE 向延伸，也是北黄海的南界。北黄海附近还存在着鸭绿江断裂的部分，由多条相同方向（NE向）延伸、成生密切的断裂组成，是辽宁东部规模较大的断裂带，也为著名的郯庐断裂带东侧一条多期活动的重要分支断裂带。

1.1.3 渤海及北黄海海域地震活动性

历史上，渤海和北黄海海域内发生过多次强震，其中渤海地区发生过3次震级超过7级和多次超过6级的地震[10-12]，震中主要集中在在张家口-蓬莱断裂带和郯庐断裂带，北黄海海域历史上发生过1 次震级超过7级和数次6级左右的地震，地震活动主要受张家口-蓬莱断裂带和鸭绿江断裂控制（见表1）。

表1 渤海与北黄海地区6级以上地震目录Tab.1 Earthquakes with M≥6 in the Bohai Sea and the northern Yellow Sea

结合周边陆地地震，我们发现渤海和北黄海周边地区存在4 个地震密集区，分别为1976 年唐山大地震区、1975 年海城大地震区、1969 年渤海大地震区以及山东半岛烟台外侧海域。

1.2 模型设置

1.2.1 震源参数的确定

通过时间相关危险分析的方法[13]，对美国地质勘探局（United States Geological Survey，USGS）获取的1900年以来渤海及周边地区5.0级以上地震事件目录进行分析并评估地震活动参数（给定震级的平均重现期、发生大于或等于给定震级的可能性），每个时窗的地震过程都符合泊松过程。结合历史大地震及USGS 记录的渤海及周边区域大于5 级的地震，确定该区内理论震级分布上限值为8.16。同时，根据已有的研究资料，渤海海域内地震的震源深度优势分布为6～30 km[14]，本次选取15 km 用于模拟计算。根据《中国活动构造图》或邻近其他近期地震的震源机制解本次模拟的断层走向；断层倾角为正断层65°，逆断层25°，走滑断层90°，正走滑75°，逆走滑35°；走滑角为正断层270°，逆断层90°，走滑断层0°，正走滑225°，逆走滑45°。结合已有资料确定渤海及北黄海周边区域6个模拟震源地震分布情况（见表2）。

表2 模拟震源情况Tab.2 Earthquake sources in numerical simulation

1.2.2 网格嵌套

根据潜在海啸源的分布位置、河北省所处的地理位置以及数值模型的特点，设定本次海啸的数值模拟采用两层网格嵌套进行计算。

第一层的高程水深数据是GEBCO 数据和实测数据的结合。GEBCO 是由联合国教科文组织政府间海洋学委员会（Intergovernmental Oceanographic Commission，IOC）国际水道测量组织（International Hydrographic Organization，IHO）联合成立的国际组织。目前，GEBCO水深数据的分辨率为0.5 arcmin，但是其大洋数据较准确，近岸数据误差较大，因此，需要用近岸实测数据对GEBCO 近岸水深数据进行校正。

第二层的高程水深数据是数字高程模型数据、GEBCO 数据和等深线数据的融合，数据经过统一参考面、插值、卫星影像订正等处理。水陆边界经过了卫星数据的详细刻画，分辨率为15 arcsec。

1.2.3 主要参数设置

海啸模式采用两层嵌套网格进行计算，具体网格设置见表3。

表3 网格设置参数情况表Tab.3 Model grid setting

根据地震海啸源地与河北省评估区的距离，设置海啸传播时间为15 h；数值模型均采用球坐标系。第一层网格控制方程采用线性浅水方程。但当海啸传播至近岸时，水深变浅，受地表因素的影响较大，因此线性浅水方程不再适用，因此第二层的控制方程设置为非线性浅水方程。根据河北省沿岸地形特征及沿海城市的分布情况，选取8 个典型位置作为模型计算结果的输出点。

1.3 模型验证

本次选取2011 年以来发生的4 次具有显著影响的海啸事件作为检验个例（见表4），同时搜集整理了相关事件中的海啸波动观测资料，对波幅超过5 cm的浮标资料（21个）和波幅超过10 cm的验潮站资料（41个）进行了筛选。

表4 4次海啸事件的地震基本信息Tab.4 The basic information of earthquakes in 4 tsunamis

以日本东北部9.0 级地震海啸事件为例，分别对太平洋区域沿岸和中国海域（浙江沿海）验潮站实际观测的时间序列和模拟结果、海啸最大波幅的模拟与计算结果进行对比，结果见图1—2、表5—6。

图1 太平洋区域浮标海啸波动模拟结果与观测时间序列Fig.1 Time series of the observed and modeled wave amplitudes in the Pacific Ocean

表5 太平洋区域沿岸21个验潮站海啸最大波幅和计算结果对比Tab.5 Comparison of maximum amplitude of tsunami between simulation and observations from 21 tide stations in the Pacific Ocean

从图1 和表5 中可以明显看出，太平洋区域沿岸浮标海啸波动模拟结果与观测结果的拟合性均较好。部分站位在模拟地震发生9 h 后出现了海啸波幅模拟不足的情况，相位的模拟结果稍有提前，随着首波到时的继续延长，这种相位提前现象更加明显。这是因为海啸波在长距离传播过程中，随着时间步长的迭代，海啸源的误差贡献会被逐渐放大。模拟计算的最大波幅与观测最大波幅的平均相对误差约为16%，其中最大误差为45.5%（浮标32411）。

从图2 和表6 可以看出，浙江海域验潮站海啸波动模拟结果与观测结果的拟合性相对较好，模拟计算的最大波幅与观测最大波幅的平均误差为11.8%（其中坎门验潮站相对误差最大，为20.6%）。

图2 浙江海域4个验潮站海啸波动模拟结果与观测时间序列Fig.2 Time series of the observed and modeled wave amplitudes in the coastal waters of Zhejiang Province

表6 浙江沿岸4个验潮站海啸最大波幅和计算结果对比Tab.6 Comparison of maximum amplitude of tsunami between simulation and observations from 4 tide stations in the coastal waters of Zhejiang Province

通过综合对比分析，以太平洋区域5次由8.0级以上地震引发的海啸事件作为个例，对海啸数值模型的模拟水平进行验证。结果显示，62 个站次的海啸波幅模拟结果的平均相对误差为15%（见图3），达到了《海啸灾害风险评估和区划技术规范》中规定的模拟精度，通过检验。

图3 5次海啸事件62个站次海啸波幅计算结果与观测对比结果Fig.3 Comparison of tsunami amplitude between simulation and observation from 62 stations in 5 tsunamis

2 综合分析与评价

由于可能对河北省造成灾害性影响的地震海啸源主要分布在渤海和北黄海附近海域，因此在对河北省进行海啸风险评估时，将主要考虑渤黄海局地海啸源的影响，对区域和越洋海啸源不进行具体评估。

2.1 危险性分析

利用海啸数值模型分别对6个不同地震海啸源（张家口-蓬莱断裂8.0 级地震海啸、乐亭外海8.1 级地震海啸、张家口-蓬莱断裂二8.1 级地震海啸、郯庐断裂8.1 级地震海啸、张家口-蓬莱断裂三8.1 级地震海啸、郯庐断裂二8.0 级地震海啸）情景下的最大波幅场进行模拟计算，同时在河北沿海选取8 个典型位置用以输出不同地震海啸情景下的海啸波面时空序列结果。在此基础上综合所有海啸源情景的海啸最大波幅数值模拟计算结果，对于同一位置不同海啸源情景下的计算结果取其最严重结果作为该处的最终结果。

2.1.1 张家口-蓬莱断裂8.0级地震海啸

在该地震海啸情景下，由于地震震源位于唐山市近岸海域，因此河北省最大海啸波幅出现在唐山市沿岸，最大波幅为1.2～1.5 m；沧州市沿岸、唐山市乐亭县部分岸段最大波幅为0.3～0.5 m；其他地区沿海岸段最大波幅为0.1～0.3 m。

2.1.2 乐亭外海8.1级地震海啸

在该地震海啸情景下，由于地震海啸源地位于曹妃甸、乐亭外海区域，因此河北省最大海啸波幅主要出现在唐山市曹妃甸区东部沿岸，最大波幅为2～3 m；秦皇岛市北戴河区部分岸段波幅同样达到2～3 m；唐山市乐亭县部分岸段最大波幅为1.2～1.5 m；其他地区沿海岸段最大波幅均超过0.5 m，为0.5～1.2 m。

2.1.3 张家口-蓬莱断裂二8.1级地震海啸

在该地震海啸情景下，由于海啸源位于渤海湾外部海域，受地形影响，位于渤海湾内部的沧州市受海啸波影响相对较小，最大波幅为0.1～0.3 m；河北省最大海啸波幅出现在其东部沿岸，唐山市乐亭县、秦皇岛市北戴河区最大波幅为0.9～1.2 m，东部沿海其他区域最大波幅为0.5～0.7 m。

2.1.4 郯庐断裂8.1级地震海啸

在该地震海啸情景下，由于海啸源位于渤海湾外部海域，受地形影响，位于渤海湾内部的沧州市受海啸波影响相对较小，最大波幅为0.3～0.5 m。河北省最大海啸波幅出现在其东部沿岸，唐山市、秦皇岛市东部沿海大部分岸段最大波幅达到2～3 m；受地形限制，唐山市南部沿海最大波幅较小，为0.1～0.3 m。

2.1.5 张家口-蓬莱断裂三8.1级地震海啸

在该地震海啸情景下，河北省最大海啸波幅出现在其东部沿岸，唐山市乐亭县、秦皇岛市北戴河区部分岸段最大波幅达到0.7～0.9 m，东部沿海其他区域最大波幅为0.5～0.7 m；唐山市曹妃甸区、沧州市沿海岸段最大波幅相对较小，为0.3～0.5 m。

2.1.6 郯庐断裂二8.0级地震海啸

在该地震海啸情景下，河北省最大海啸波幅出现在秦皇岛市昌黎县沿海岸段，最大波幅为0.5 ～0.7 m；秦皇岛市其他沿海岸段和沧州市沿海岸段最大波幅为0.3～0.5 m；唐山市沿海岸段最大波幅不超过0.3 m。

2.1.7 情景集成

由以上各情景数值模拟计算结果综合分析可知，秦皇岛市、唐山市东部沿海岸段在郯庐断裂8.1级地震海啸情景下，形成的最大波幅较大，为2～3 m；唐山市曹妃甸区部分沿海岸段在乐亭外海8.1 级地震海啸情景下，形成的最大波幅较大，为2～3 m；各地震海啸源情景下对唐山市其他沿海岸段和沧州市沿海岸段的影响均较小，最大波幅仅为0.3～0.5 m。

2.1.8 不同地震海啸情景下的海啸波面时空序列

分别根据6 个不同地震海啸源情景下8 个输出点模拟计算成果，制作了相应海啸波面时空序列分布图。以张家口-蓬莱断裂8.0 级地震海啸情景为例（见图4），该地震海啸情景下最早受到影响的区域为唐山市沿海（时间为0.5～2.4 h）；最大波幅出现在沧州市沿海，为0.46 m；唐山中南部沿海最大波幅为0.3 m 左右，唐山市北部、秦皇岛市最大波幅相对较小，约为0.1 m。

图4 局地海啸源张家口-蓬莱断裂8.0级地震海啸波时间序列图Fig.4 Time series of tsunami amplitude of the earthquake(magnitude 8.0)caused by Zhangjiakou-Penglai fault zone

2.2 危险性评估

在以上危险性分析结果基础上，以海啸数值模型的计算结果为依据，参照海啸危险性评估方法[15]，依据海啸波幅将海啸危险等级分为4级（见表7），其中Ⅰ级为最高，代表该海啸致灾强度最大；Ⅳ级为最低，代表海啸致灾强度最小。

表7 海啸灾害危险性等级划分标准Tab.7 The criteria of risk rank of tsunami

以海啸数值模型计算结果为基础，参照危险性等级划分标准，以沿海乡镇（街道）作为基本评估单元进行海啸灾害危险性等级评估。结果表明，河北省基本不会遭受危险性等级为I 级的海啸灾害影响；唐山北部和秦皇岛沿海区域（最大海啸波幅为1～3 m）遭受的海啸灾害影响相对较严重，危险性等级为Ⅱ级；其他区域遭受的海啸灾害影响相对较小，危险性等级为Ⅲ级或Ⅳ级。

2.3 脆弱性评估

以土地利用类型一级分类数据为基础[15]，根据河北沿海土地利用现状及土地利用脆弱性评估标准，确定了研究区承灾体脆弱性等级与脆弱性范围关系（见表8）。借助GIS 软件数据管理和可视化功能，划定各评估单元脆弱性等级分布。

表8 脆弱性等级与脆弱性范围关系Tab.8 The level and range of vulnerability

秦皇岛市沿海乡镇（除海港区沿海乡镇脆弱性等级为Ⅰ级）脆弱性等级均为Ⅳ级；唐山市乐亭县沿海乡镇脆弱性等级为Ⅳ级，曹妃甸区和滦南县沿海乡镇为Ⅰ级，丰南区为Ⅱ级；沧州市沿海乡镇脆弱性等级均为Ⅱ级。具体等级划分见表9。

表9 河北省沿海乡镇脆弱性等级表Tab.9 Vulnerability levels of the coastal towns in Hebei Province

2.4 风险评估

在以上成果基础上开展河北海啸灾害风险评估[15]。计算公式为：

式中：R代表灾害风险（Risk）；H代表危险性（Hazard）等级；V代表脆弱性（Vulnerability）等级分布；×为风险等级识别矩阵。根据危险性、脆弱性与风险性等级对应关系（见表10），可综合确定风险等级值R（取5级）。

表10 海啸灾害风险等级评估表Tab.10 Assessment form of tsunami disaster risk level

借助GIS 软件数据管理和可视化功能，划定各评估单元风险等级分布。结果表明（见表10），河北省沿海海啸灾害风险等级最高为Ⅱ级，主要位于秦皇岛市沿海区域以及唐山市曹妃甸区、乐亭县部分沿海乡镇区域；唐山市其他沿海乡镇海啸灾害风险等级为Ⅳ级；沧州市渤海新区沿海乡镇海啸灾害风险等级为Ⅲ级，其他区域均为Ⅳ级。

3 结论

本文基于COMCOT 数值模式建立了研究区海啸数值模型，通过4 次真实地震海啸事件的海啸波动观测资料与模型输出数据的分析与对比，验证了所建模型的合理性、可靠性。在此基础上进行了河北省海啸灾害风险评估和区划研究。结论如下：

①河北省不存在Ⅰ级危险区，唐山北部和秦皇岛沿海区域危险性等级为Ⅱ级，其他区域为Ⅲ级或Ⅳ级。

②河北省沿海脆弱性等级分Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅳ级，其中以Ⅳ级为主，主要分布在秦皇岛市大部分沿海乡镇、唐山市乐亭县沿海乡镇；秦皇岛市海港区及唐山市曹妃甸区和滦南县沿海乡镇脆弱性等级为Ⅰ级；唐山市丰南区及沧州市沿海乡镇脆弱性等级为Ⅱ级。

③河北省沿海海啸灾害风险等级有Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级，其中Ⅱ级区主要分布于秦皇岛市沿海区域以及唐山市曹妃甸区、乐亭县部分沿海乡镇区域；Ⅳ级区分布于唐山市其他沿海乡镇及沧州市黄骅市、海兴县沿海乡镇；Ⅲ级分布于沧州市渤海新区沿海乡镇。

本文的研究结果对于提升河北省海啸防灾减灾能力具有重要意义。但本文也存在一些不足之处，由于渤海地震海啸发生较少，没有准确的海啸记录，本次模型验证的站点都在渤海外，因此模型在渤海的结果存在一定的不确定性。与前人研究结果对比[4,16]，本次研究在渤海海域采用的潜在海啸震级更高，给出的渤海海域海啸危险性更加保守，这是由于在海啸震级确定时采用了不同的统计方法导致的。