地震災害風險評估方法的對比分析
——以烏魯木齊市為例

唐麗華, 李山有, 宋立軍

(1.中國地震局工程力學研究所,黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國地震局地震工程與工程振動重點試驗室,黑龍江 哈爾濱 150080; 3.新疆維吾爾自治區地震局,新疆 烏魯木齊 830011)

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地震災害風險評估方法的對比分析
——以烏魯木齊市為例

唐麗華1,2,3, 李山有1,2, 宋立軍3

(1.中國地震局工程力學研究所,黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國地震局地震工程與工程振動重點試驗室,黑龍江 哈爾濱 150080; 3.新疆維吾爾自治區地震局,新疆 烏魯木齊 830011)

基于指標體系的風險建模與評估是目前災害風險分析與評估中應用最廣泛的方法。本文首先分析評價不同學者的地震災害風險評估指標體系;在此基礎上,選取指標體系相對簡單的城市防震減災能力法和考慮因素較多的地震災害風險系數法對烏魯木齊市各區縣開展地震災害風險評估。評估結果表明:不同評價方法的側重點不同,造成評估結果有一定的差異性,評估體系指標大而全并不意味著評估結果更加合理。地震災害風險評估指標體系的建立需要兼顧可操作性、實用性、全面性及可量化性等要求。

烏魯木齊市; 地震災害; 風險評估

0 引言

國內外地震災害經驗表明,地震給人類社會造成的巨大災害以發生在城市或城市附近時后果最為嚴重[1]。特別是隨著城市現代化程度的提高,城市承載的功能日益龐雜,體量成倍增長,面臨的地震災害風險也逐漸增加。

災害風險是指發生某種程度災害的可能性與其造成后果的乘積,它與災害本身危險性、承災體的暴露性及易損性有關[2]。這里“災”強調各種致災因子,“害”強調因“災”造成破壞的成害過程,“風險”強調在未來一定時間內特定地區由于“致災”并“成害”的可能性水平[3]。災害風險評估是風險管理中的重要內容,為有效應對災害、減少災害造成的損失提供基礎依據。世界銀行災害管理部在總結印度洋特大地震海嘯災難后認為,實施以預防文化為基本理念的災害風險管理可將自然災害損失降低5～8倍[4]。

目前災害風險評估主要基于構建風險評估模型展開,主要包括基于指標體系、基于GIS、基于情景模擬和基于風險概率的建模與評估[5],其中基于指標體系的風險建模與評估是目前應用最廣泛的方法。

地震災害是我國許多城市面臨的重大自然災害之一,地震災害風險分析是對遭受不同強度地震災害的可能性及其可能造成的后果進行的定量分析和評估[6-7]。通過對地震災害范圍、特性等的研究,將風險量化并進行評價是進行地震風險管理和決策的依據[8]。

為了實現基于指標體系的地震災害風險建模與評價,首先要確定影響地震災害風險的要素。眾所周知,影響地震災害風險的因素很多,包括地震的大小、地震影響大小、城市設施及建(構)筑的抗震能力、經濟發展水平與人口密度、整個社會體系的減災救災能力、公民的減災意識及城市的管理水平等[9]。因此不同學者從不同側重點出發,建立了反映地震災害風險評估要素及水平的指標體系,有的指標體系偏向于宏觀,有的注重細節。總體說來,指標體系趨向精細化、復雜化發展,在災害準備、應對及管理相關指標上表現尤其顯著。那么不同指標體系的效用如何是在建立或完善地震災害風險評估指標體系中首先需要考慮的問題。本文在對與地震災害風險評估及相關指標體系的收集、歸納與整理的基礎上,選取指標體系相對簡單的城市防震減災能力法和考慮因素較多的地震災害風險系數法,以烏魯木齊市各區縣為對象,開展地震災害風險評估,對比分析不同方法結果的差異性,指出地震災害風險評估指標體系建立中應考慮的問題。

1 地震災害風險評估指標體系對比

本世紀以來,國際上已經完成的災害風險評估指標計劃主要有三個,即災害風險指標計劃(DRI)、多發區指標計劃 (Hotspots)和美洲計劃 (American Programme)[10]。這三種體系給出在全球和地區尺度上單一災種的風險評估方法,通過選擇風險指標、災害暴露指標和脆弱性指標,采用定量或定量與定性結合的方法來開展風險評估,為后續的研究提供了可借鑒的資料和參考[11-13]。

我國許多學者也致力于從危險性、易損性和承災能力三個指標集[14]建立反映我國災害、易損性及承災能力特點的災害風險評估指標體系。如聶高眾等[15]利用地震的發生概率、易損性、防震減災能力及社會總財產等指標計算某地震強度下的風險值來評估地震風險;張風華、謝禮立等[16-19]以人員傷亡、經濟損失和震后恢復時間為評價準則,建立了城市防震減災能力評估指標體系,劉莉[20]對該體系進行了細化;鄭宇[21]確定了影響城市防震減災能力五大系統的指標及其量化方法,提出了計算城市防震減災能力評價值的公式;高慶華[22]提出減災基礎能力與基礎減災能力兩種概念;吳新燕[23]從與地震應急有關的指標中提取了六大要素,基于此建立了城市應急準備能力指標體系;張明媛[24]將城市減災能力分為防災能力指數、抗災能力指數、救災能力指數和恢復能力指數;鄧硯等[25-26]在對地震應急能力內涵討論的基礎上,提出區域絕對地震應急能力和相對地震應急能力的概念,建立了評價指標體系;唐麗華等[27]通過定義地震應急風險系數來評價縣級行政單元的地震風險水平;郭燕等[28]從震前準備能力、地震應對能力及震后恢復能力的角度提出防震減災能力評價的指標體系。這些研究成果都為評估城市地震災害風險奠定了基礎。為便于比較分析,表1列出了上述各評估分析方法中指標體系建立中采用的指標內容與數量。

表1 各指標體系中指標內容與指標數量統計表

從表1可以看出:

(1) 上述指標體系有些是針對地震災害單一災種的,有些是針對整個城市的綜合防災風險的,這種差異性主要體現在危險性指標集的選取上,在易損性和承災體指標集中考慮的因素是一致的,因此適用于建立地震災害風險評估指標體系;

(2) 在地震災害風險評估指標體系中危險性指標集方面主要選用反映地震強度及發生概率的指標,如地震基本烈度等;在易損性集中主要是選擇受地震影響的承災體,如人員傷亡、經濟損失、工程結構及設施破壞等;承災能力指標集是發展最快、數量增加最多的指標集,反映了城市中與災害承受能力相關因素認識的不斷深入;

(3) 總體上來說,學者們建立的評估指標體系經歷了從簡單到復雜的過程,易損性指標集特別是承災能力指標集的指標增長幅度很快,這表明地震災害風險涉及社會經濟、文化發展等各個方面,如何全面體現一個城市或區域防震減災能力是目前關注的重點。

下面選用表1中的兩種方法對烏魯木齊市的地震災害風險水平進行評估,以此來反映各個指標體系之間評估結果的特點。

2 城市防震減災能力評估法及地震災害風險系數法的結果比較

選用表1中謝禮立等的防震減災能力評估法及唐麗華等地震災害風險系數是基于以下幾點考慮:

(1) 這兩種方法均有危險性及易損性指標集,即需要在預測地震災害強度的基礎上通過易損性分析評價地震災害的程度;

(2) 兩種方法對承災體能力的評價表達方式存在差異,防震減災能力評估法是以人員傷亡、經濟損失及恢復時間為準則來評價防震減災能力;地震災害風險系數方法在量化城市減災能力的基礎上評估地震災害的風險;

(3) 就承災體指標集而言,防震減災能力評估法的承災體相對地震災害風險系數法簡單,正好可以用來對比日趨精細化的承災體指標的效果。

烏魯木齊市分為七區一縣,處在北天山山麓與準噶爾盆地接壤的山前沖洪積傾斜平原上,古河道發育,低山丘陵地貌散布[29]。根據前人研究成果,烏魯木齊市分布有九家灣斷層組、王家溝斷層組、西山斷層及雅瑪里克斷層等7條活動斷層,構造斷裂活動明顯,地震構造環境復雜[30]。周邊的地震也比較活躍,曾經發生過1934年6級、1965年兩次6級以上地震。近二三十年來,市區范圍內發生多次中等強度有感地震,2013年8月30日烏魯木齊市發生了5.1級典型城市直下型地震[31]。潛在的地震災害一直是烏魯木齊市城市發展與人民生活需要面對的嚴峻問題。

從斷層的發震能力來看,烏魯木齊市區內的斷層一般具備發生6～6.5級地震的能力,周邊規模較大的斷層一般具備發生7～7.5級地震的能力。從應對“大震巨災”的角度出發,根據各斷層的最大可能潛在震級,采用地震危險性確定性方法計算每條發震構造可能發生的最大潛在地震對各區(縣)的最大影響烈度。綜合計算結果可知,由于與高潛在震級斷層的距離較近,烏魯木齊縣、達坂城區、水磨溝區的地震預測烈度可達Ⅹ度,市區大部分地區可能遭受Ⅷ～Ⅸ度的影響。這一預測烈度高于目前烏魯木齊市的基本烈度Ⅰ～Ⅱ度,達到大震的設防水平;尤其是達坂城區的基本設計加速度分組為0.15g(Ⅶ),遠低于最大預測烈度。

在烏魯木齊市各區(縣)選擇有代表性的抽樣點開展單位面積(1 km2)內房屋結構類型和人口密度的抽樣調查,這些抽樣點包括商業中心、住宅密集區、城市發展的新區及村鎮,基本涵蓋了現有房屋結構類型,體現了不同區域的人口密度分布特點。在此基礎上,結合新疆1993年以來發生的破壞性地震震例的震害概率矩陣預測地震災害。

從烏魯木齊市的地形地貌特點、巖土分布特征來看,在預測烈度下,烏魯木齊市有發生地震滑坡、崩塌、砂土液化、地裂縫和地面沉降塌陷的條件。其地質災害主要集中在南側依連哈比爾尕山基巖山區前沿、中部博格達山前碗窯溝斷裂沿線以及北側博格達山山前洪積扇前緣、烏魯木齊河下游地下水溢出帶內。地震地質災害發生的行政區域主要集中于烏魯木齊縣、水磨溝區和米東新區。

上述震害預測結果是城市防震減災能力評估方法及地震災害風險系數法的數據基礎。

2.1 城市防震減災能力評估方法

謝禮立指出評價城市防震減災能力高低的基本標準有三個,即:震害所造成的人員傷亡的多少、經濟損失的大小以及震后恢復時間的長短。通過構建關聯度函數定義為城市防震減災能力,即:

式中:ai為各項評價準則的權重;ζoi(j)為模仿灰色關聯度系數定義方法。

為計算各區(縣)的防震減災能力,從2013年烏魯木齊市統計年鑒中得到各區(縣)的基本數據[32-33]。其中高新區(新市區)的地區生產總值最高,烏魯木齊縣最低;而人均GDP則開發區(頭屯河區)最高,烏魯木齊縣最低。常住人口天山區最高,達坂城區最低。

根據上述方法結合計算得到各區(縣)防震減災能力指數及抗震減災能力分級結果見表2及圖1(a)。由上述圖表可知,除高新區(新市區)、開發區(頭屯河區)及水磨溝區的防震減災能力達到中等外,其余5區(縣)均為差,其中烏魯木齊縣的防震減災能力最弱,這與其預測烈度最高有關。從表2可以看出:烏魯木齊市的中心城區天山區、沙依巴克區的防震減災能力均為差,主要是因為這兩個城區發展歷史最久,人口密度大,老舊房屋及居民自建房的比例及分布均相對較高;而三個防震減災能力中等的城區中高新區(新市區)與開發區(頭屯河區)均是近20年來發展的新區,房屋的設防基礎較好;水磨溝區的人口密度相對較低?？梢钥闯龇勒饻p災能力計算結果反映了各城區房屋建筑、人口分布的特點。

2.2 地震災害風險系數方法

地震災害風險系數是半定量化指標,其定義為:

式中:SR為地震災害風險系數;EI為地震災害綜合程度指數,主要反映地震的危害性;PI為減災能力指數。

表2 各區(縣)防震減災能力計算結果

圖1 兩種評估方法結果對比簡圖Fig.1 Comparison map of two different evaluation methods

按照地震風險系數的計算方法,根據各區(縣)房屋建筑、生命線工程的震害及人員傷亡程度,在分析其減災能力及地震災害承受能力的基礎上,評估烏魯木齊市各區(縣)的地震災害風險,結果見表3及圖1(b)。

從表3及圖1(b)可以看出,三個距離中心城區較遠的區縣都屬于極高風險區,從災害程度來看,這三個區也是最重的。這主要是因為災害綜合程序指數重點考慮災害(人員死亡、建筑物破壞及地震地質災害)的相對量,這三個區縣及水磨溝區是地震災害相對量嚴重的主要區域,因此綜合災害程度較高;從減災能力上看,由于將預測烈度與區縣基本烈度的比值作為工程防災能力的表征指標之一,達坂城區目前的設計基本加速度為0.15g,米東區也經歷了從0.15g調整到0.20g的過程,因此在預測地震烈度的背景下考察各區縣工程防災能力,達坂城區最差。從減災能力來看,中心城區,尤其是天山區、沙依巴克區、高新區(新市區)等在救災準備、應急處置及社會支持等方面顯然優于其他區縣。

表3 各區(縣)地震災害風險系數計算結果

3 分析與結論

對比上面的計算和分析結果可以看出:

(1) 不同方法的評估結果不完全協調。如城市防震減災能力評估方法與地震災害風險系數法中三個非中心城區均表現出地震災害風險大、防震減災能力差的結果;但對天山區、沙依巴克區等中心城區的評估結果不完全一致。采用城市防震減災能力評估方法,天山區、沙依巴克區的防震減災能力差;而地震災害風險系數則顯示這兩個區的地震災害風險相對非中心城區低一些。造成這種局面的原因是每種評價方法的側重點不同,如城市防震減災能力評估方法注重對地震災害程度的表述,三個指標中有兩個是關于地震災害本身的;而地震災害風險指數方法不僅注重地震引起的災害,同時也考慮了減輕地震災害的手段與方法。因此反映在評估結果中存在一定的差異;

(2) 從目前評估體系的發展來看,存在指標過細、過全的問題。雖然指標多意味著對影響城市防震減災能力的各項因素均進行了考慮,但同時也會造成指標難以提取及合理量化的問題。此外,一些指標的主觀性較強,選取指標的標準不確定,各指標權重的確定并不完全是定量的過程,需要結合專家的意見和管理者的經驗確定,可能造成評估結果的趨勢發生變化。這需要在評估體系建設中特別加以注意;

(3) 兩種評估方法本身均包括了生命線工程的損失和次生災害的危險性,如經濟損失應包括生命線工程損失,綜合地震災害程度指數中也有生命線工程震害部分,但從目前來看實施起來比較困難。一是生命線系統的基礎數據由于專業性較強,管理部門眾多,資料來源受到限制,造成評估面臨不少困難;二是生命線系統的易損性研究尚在發展階段,其結果往往是以破壞等級來劃分的,指標量化也存在困難。

為提高城市抗御破壞性地震的綜合能力,應對地震災害進行科學管理,真正做到在震前能了解城市的薄弱環節,有預見性地采取各種防范加固和減災措施。一旦破壞性地震襲擊城市,所開展的工作也可以在震時幫助政府進行快速應急響應,在震后迅速向政府提供各種所需的地震災害信息,促進震區早日恢復正常狀態,將地震造成的直接和間接的經濟損失降至最小程度。開展城市地震災害風險評估的研究正是由震后應急處置的被動處置模式向災前常態準備、事件預警、災時處置及災后重建的全過程一體化主動處置模式轉變的有效嘗試。

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Comparative Analysis of Earthquake Risk Assessment Methods: A Case Study on Urumqi City

TANG Li-hua1,2,3, LI Shan-you1,2, SONG Li-jun3

(1.InstituteofEngineeringMechanics,CEA,Harbin150080,Heilongjiang,China; 2.KeyLaboratoryofEarthquakeEngineeringandEngineeringVibration,CEA,Harbin150080,Heilongjiang,China; 3.EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830011,Xinjiang,China)

At present,risk modeling and assessments based on an index system are widely used to assess and analyze earthquake risk.In this paper,various index systems for seismic risk assessment are compared and analyzed.Most of the index systems include three parts: risk,vulnerability,and disaster bearing capacity.As a whole,index systems have tended to become more elaborate and complex,especially the parts related to disaster preparation,emergency response,and management,which belong to the disaster bearing capacity set.Evaluating the effects of different index systems is the primary step when using or improving them.In order to compare different index systems in a general sense,two typical methods were chosen and applied to Urumqi city.One is the ability for urban earthquake disaster reduction method,whose index system is relatively simple and macroscopic; the other is the seismic risk index method,which includes many more detailed factors.Earthquake hazard risks for each district in Urumqi city were evaluated using the methods above.By comparing the results we reached the following conclusions: (1) evaluating results from different index systems does not coordinate well because each one has its own research focus.For example,the ability for urban earthquake disaster reduction method focuses on seismic disaster,which relates to two of its three criteria,whereas the seismic risk index method not only considers disasters,but also considers ways and means to mitigate them.So,the results embody their own characters.(2) Regarding the development of the evaluation system,one notable phenomenon is that the index sets become increasingly huge and complicated.Although more indexes may express the earthquake mitigation ability of cities more comprehensively,the extraction and quantification of those indexes is a big challenge.Moreover,the determination of some indexes relies on personal experience and judgment,which can lead to a shift away from the original trend.An index system with more detailed and comprehensive factors will not always attain better,reasonable,and valid results.A sound,efficient,and effective index system must be a combination of ease of manipulation,utility,and accuracy.

Urumqi; seismic disaster; risk evaluation

2015-07-20

中國地震局工程力學研究所科研業務專項(2014B08);新疆地震局基金(201512)

唐麗華(1974-),女,副研究員,主要從事工程地震與地震應急工作。

李山有。E-mail:lishanyou@126.com。

P315.9

A

1000-0844(2016)05-0838-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.05.0838