張家口地區精細化地震災害風險評估1

李 姜 張 合 劉志輝

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）河北省地震動力學重點實驗室，河北三河 065201

引言

近年來，隨著城鎮現代化程度的提高，所面臨的地震災害風險日益嚴重。早期主要針對地震危險性分析對地震災害進行研究，引入風險管理理論后，逐步將地震災害研究內容拓寬，綜合評估地震災害風險，并形成HUZUS 等較成熟的震害評估系統（Schneider 等，2006）。國際上通過選取風險指標、災害暴露量和脆弱性指標，采用定量或定量與定性結合的方法開展風險評估。美國地震工程研究所認為，地震風險性是地震危險性、易損性和承災體暴露性三者的乘積（Silva 等，2014）。

國內地震災害風險評估研究工作起步較晚，聶高眾等（2002）對我國地震災害風險構成進行了論述；張春山等（2004）將泥石流災害風險分析分為危險性、易損性、破壞損失和防止工程4 個方面進行評價；周寅康（1995）探討了將自然災害與風險區價值及抗災性能作為整體進行風險評價的理論和方法。

目前，自然災害風險評估主要有3 種方法，包括指標體系法（肖凱靈，2011）、情景建模法和風險概率法（呂大剛等，2013；李昌瓏等，2019），其中基于指標體系的風險模型構建與評估是目前應用最廣泛的方法。而地震災害風險評價多圍繞地震危險性、脆弱性（易損性、承載能力)、暴露量、救災能力等方面進行（唐麗華等，2016）。指標權重確定方法主要包括專家打分法、層次分析法（AHP）、專家直觀判斷法、權值因子判斷表法。通過不同方法對風險指標進行量化，建立的地震災害風險評估體系向復雜化、精細化方向發展，在地震災害、應急救援能力等指標上表現尤其明顯（丁香等，2011；李皓等，2018；明小娜等，2018；侯林鋒等，2019；趙真等，2020），但對人、建筑物等社會屬性的研究相對較少，精細化程度有待進一步提高。

本文從地震災害、建筑物、人口、經濟、抗震救災等多方面出發，利用自然災害指數法建立評價指標體系，將自然屬性與社會屬性進行有效結合，對地震危險性、建筑物抗震性能進行詳細分析，更加準確地得到評估指標，以中小尺度-縣級市為評估單元，對張家口地區16 個區縣進行精細化地震災害風險評估，從而為制定防震減災規劃提供參考。

1 地震災害風險評估指標體系構建

1.1 評估模型選擇與構建原則

通過分析總結國內外自然災害風險評估方法可知，選取危險性、易損性和承災體暴露性等指標建立地震災害風險評估指標體系更貼合實際。通過對城鎮成災機理與地震災害影響進行分析，提出地震危險性、暴露性、脆弱性和抗震救災能力為影響城鎮地震災害風險水平的4 個因素。

1.2 指標確定

恰當地選擇評價指標對準確客觀評價地震災害風險具有重要意義。本文指標的選取借鑒城市自然災害綜合風險評估、美洲計劃等國內外多種災害風險評估指標體系，結合地震災害特點、研究區域時空尺度特點及相關專家意見，通過綜合分析、篩選得到精細化城鎮地震災害風險評價指標體系如圖1 所示，其指標含義與解釋如表1 所示。

表1 張家口地區地震災害風險評估指標體系解釋Table 1 Interpretation of index system of earthquake disaster risk assessment in Zhangjiakou area

1.3 城鎮地震災害風險劃分

為評估風險，需要對風險程度進行等級劃分。本文根據城鎮地震災害風險指數，將風險程度劃分為5 級，分別為低、較低、中、較高和高風險。一般情況下，低風險可能造成很低的損失值；較低風險可能造成較輕的損失值；中風險可能造成一般的損失值；較高風險可能造成較高的損失值；高風險可能造成嚴重的損失值。

1.4 確定指標權重

由圖1 可以看出，4 個影響因素影響程度不盡相同，每個因素下細分了若干指標，每個指標對每個因素的影響程度不同。因此，確定指標權重對計算城鎮地震災害風險指數非常重要。考慮專家打分法與層次分析法在定量分析與客觀判斷上具有較多優越性，本文采用專家打分法和層次分析法相結合的方式（專家-層次分析法）確定權重，具體步驟如下（杜棟等，2008）：

圖1 城鎮地震災害風險評價指標Fig. 1 Urban earthquake disaster risk assessment index

（1）構造層次分析結構

建立樹狀層次結構模型，根據元素間的相互關系和隸屬關系，對元素進行分組，同一層次的元素支配下一層次的元素，同時又被上一層次的元素所支配。

（2）構造判斷矩陣

對各層n個元素進行兩兩比較，得到比較判斷矩陣C=(Cxy)n×n。 其中Cxy表示元素x和y相對于目標的重要值。為將決策量化，需要根據一定的比例標度進行量化判斷，常用的定量方法為1-9 標度法，如表2 所示。

表2 判斷矩陣標度及其含義Table 2 The scale of judgment matrix and its meaning

（3）專家打分

按照指標體系分層次編制調查問卷，向10 位工程地震、地震地質、地球物理、社會科學等不同專業領域專家發放調查問卷，并附上判斷矩陣標度表，專家根據表2 并結合自己的專業知識打分。分析匯總專家意見，將統計結果反饋給專家，專家再根據反饋結果修正自己的意見，經過多輪咨詢和反饋，最終得出分析結論。

（4）矩陣一致性檢驗

收集問卷后，對問卷結果一致性進行檢驗，剔除不一致的數據，然后采用加權平均法得到剩余問卷結果的判斷矩陣。

（5）權重確定

獲得判斷矩陣后，根據判斷矩陣計算權重，具體方法如下：

①按式（1）將判斷矩陣每一列正規化：

W即為所求特征向量，特征向量W1,W2, …,Wn為對應因素的權重。最終得出城鎮地震災害風險評價指標權重，如表3 所示。

表3 城鎮地震災害風險評價指標權重Table 3 Index weight of urban earthquake disaster risk assessment

1.5 城鎮地震災害風險評價模型的建立

構建城鎮地震災害風險評價模型：

式中，ICEDRI為城鎮地震災害風險指數，Dh、De、Dv、Dc分別為城鎮地震災害危險性、暴露性、脆弱性和防震減災能力的大小，A為各評價指標量化值，W為各評價指標權重系數。

由于各評價指標量化值單位不統一，無法直接計算，因此需對各指標量化值進行無量綱化，計算公式如下:

式中，Aij與Aij相應表示j城鎮中指數i的量化值和原始值，Aimaxj表示指數i在所有城鎮中的最大值。

對比指標權重最終結果與相關文獻指標權重結果（肖凱靈，2011；侯林鋒等，2019）發現，地震危險性系數略有降低，但指標權重分配基本類似，符合數據本身代表的實際現象，體系構建具有合理性。通過對指標體系的分析可知，地震危險性分析對指標權重結果的影響較大，決定了該地區發生地震的可能性，地震風險評估需要依賴地震危險性研究結果；建筑物脆弱性分析是地震風險評估中不可或缺的環節，結合張家口地區建筑物數據和建筑物抗震性能分析，可將建筑物受災程度進行量化分析。

2 地震危險性分析

我國在地震災害損失評估和地震災害風險評價方面已形成較系統的理論和方法，特別是第五代《中國地震烈度區劃圖及使用規定》的編制，使地震災害風險評估技術日趨完善（李津津等，2017）。采用地震危險性概率分析法，對影響張家口地區地震安全性的潛在震源區、地震活動性參數進行確定，并采用適用于本地區的地震動衰減關系進行地震危險性分析。地震危險性資料來源于《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2016）、《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2010）。張家口及周圍區域按0.2°×0.2°取225 個控制點進行計算，考慮張家口地區工程場地為非基巖場地，因此采用五代圖的轉換方法，計算平均場地（二類場地）地震動峰值加速度區劃圖 （50 年超越概率10%），如圖2 所示，計算結果如表4 所示。

表4 張家口地區地震動參數（地震強度）Table 4 Parameter table of ground motion parameters (earthquake intensity) in Zhangjiakou area

圖2 張家口地區地震動參數區域劃分圖Fig. 2 Regional division of ground motion parameters in Zhangjiakou area

3 建筑物脆弱性指標

地震風險評估體系中脆弱性是指人類社會在面對地震災害時的承受能力。建筑物脆弱性是指建筑物在面對地震災害時的承受能力，建筑物抗震性能情況為衡量指標。為準確得到建筑物脆弱性指標，本文開展了廣泛調查，對張家口地區建筑物抗震性能現狀進行深入研究。

3.1 調查點設置及調查內容

為確保調查結果能真實反映張家口地區城鎮建筑物抗震性能現狀，使結果能在地震風險評估體系中有效使用，依據張家口行政區劃設置調查點。張家口現有16 個縣（區），其中橋西區、橋東區、下花園區和宣化區的一部分是張家口市區所在地，因其建筑物多樣性且經濟較發達，將建筑物抗震性能均設為較好；剩余13 個縣（區）共有232 個鄉鎮，每個鄉鎮隨機選取1～3 點進行調查，且保證調查點在每個鄉鎮均勻分布，本次調查共選取630 個調查點。調查包括初步調查和普查2 種形式，對各調查點可能影響抗震性能分析的因素進行詳細調查，主要包括調查點地形地貌、場地條件和各類結構占比等，形成建筑物抗震性能調查表（劉曉丹等，2019）。

3.2 建（構）筑物抗震性能指數的確定與計算

房屋結構分為磚混結構、磚木結構、土木結構、土坯結構4 種，具體分類地段參考《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2010）。本文以調查得到的數據為基礎，結合已有城鎮房屋震害經驗及城鎮房屋抗震性能研究方法，對張家口地區城鎮房屋抗震性能進行評價（呂國軍等，2016）。以縣為基本評價單元，通過抗震性能指數表示每個評價單元建筑物抗震性能。

區域建筑物抗震性能分析是群體建筑分析，考慮張家口地區城鎮房屋結構類型特點，采用半經驗半理論判定法進行抗震性能評估（劉龍等，2019），具體計算公式如下：

式中，P為評價單元抗震性能指數；JG(i)，i=1，2，3，4分別代表表5 中磚混結構、磚木結構、土木結構、土坯結構對應的參數值；Cd(j)，j=1，2，3，4分別代表表6 中有利地段、一般地段、不利地段和危險地段對應的參數值；Cs(k)，k=1，2分別代表表7 中有措施和無措施對應的參數值；Ds(j)，j=1，2，3，4分別代表1 個評價單元內的1 種結構類型房屋處于有利地段、一般地段、不利地段和危險地段的房屋棟數；Ds(k)，k=1，2分別代表1 個評價單元內結構類型房屋有抗震措施和無抗震措施的棟數；B(i)，i=1，2，3，4分別代表1 個評價單元內不同結構房屋各自的棟數；S(i)，i=1，2，3，4分別代表1 個評價單元內不同結構房屋每棟平均面積，調查表明，該地區磚混結構、磚木結構、土木結構、土坯結構房屋平均房屋面積分別為120 m2、100 m2、80 m2和60 m2。

表5 張家口地區房屋建筑結構抗震性能參數表Table 5 Table of seismic performance parameters of building structures in Zhangjiakou area

表6 張家口地區房屋場地條件性能參數表Table 6 Table of performance parameters of house site conditions in Zhangjiakou area

表7 張家口地區房屋抗震措施抗震性能參數表Table 7 Table of seismic performance parameters of buildings in Zhangjiakou area

利用式（10）計算得到各區縣抗震性能指數（表8、圖3），采用插值法繪制抗震性能參數分布圖（圖4）。

圖3 各區縣房屋抗震性能指數分布圖Fig. 3 Distribution of seismic performance index of buildings in different counties (districts)

圖4 張家口房屋抗震性能參數分布圖Fig. 4 Geomorphic distribution of seismic performance parameters of Zhangjiakou buildings

表8 張家口地區房屋抗震性能指數Table 8 Seismic performance index of buildings in Zhangjiakou area

4 張家口地區地震災害風險損失評價結果分析

4.1 數據

災害風險評估時空尺度包括空間范圍、粒度、時間廣度等要素（趙思健，2012）。本文以張家口市為空間廣度，以各縣區行政區劃范圍為空間粒度，同時作為相關指標的統計單元。增長率需要較長時間長度衡量，因此建筑物與人口增長率有效時間廣度為5 年，其余指標有效時間廣度為1～2 年。

本研究使用的經濟、人口數據主要來源于《張家口年鑒》（張家口市人民政府，2019），大部分數據可直接引用（如人均收入、人口增長率、醫生比例等），部分數據需要進行簡單處理（如救援力量、每平方公里建筑物面積等），部分數據需要在查閱大量資料和統計分析后獲得。地震強度指標數據來源于地震危險性分析結果，建筑物脆弱性指標數據來源于建筑物抗震性能分析結果。

結合張家口地區實際情況，將城鎮地震災害風險損失評價指標（圖1）進行量化，如表9 所示。

表9 張家口地區地震災害風險評估指標量化值Table 9 Normalized value of earthquake disaster risk assessment index in Zhangjiakou area

4.2 地震災害風險指數計算

根據評價指標量化值和權重，利用城鎮地震災害風險評價模型，計算張家口地區16 個區縣地震災害風險指數，結果如表10 所示。

通過城鎮地震災害風險指數評價城鎮地震災害總風險，無法了解各因素對地震災害風險的影響。因此，為比較16 個區縣各因素的影響，本文重點量化分析了各區縣危險性、暴露性、脆弱性和防震減災能力的地震風險指數，結果如圖5、圖6、表11 所示。

表11 張家口地區16 個區縣影響因素量化值Table 11 Quantitative value of influencing factors in 16 counties of Zhangjiakou

圖5 張家口地區風險因子分析結果Fig. 5 Analysis result map of risk factors in Zhangjiakou

圖6 張家口地區風險因子分析結果(疊加地形圖)Fig. 6 Risk factor analysis result map of Zhangjiakou area(superimposed topographic map)

根據評價結果可知，懷來縣地震災害風險最大，橋東區、蔚縣、涿鹿縣、橋西區次之，康保縣地震災害風險最小。由表10 可知，懷來縣危險性Dh為0.92，暴露性De為0.73，脆弱性Dv為0.8，抗震救災能力Dc為0.53，前3 個指標相對于其他區縣較高，而抗震救災指標較低，從而導致地震災害風險大。分析原因，可能與懷來縣地震強度高、地震活動活躍、人口密度大、建筑物暴露性較強、防震救災能力較弱等密切相關。從危險性角度看，僅有沽源縣、張北縣、康保縣Dh均小于0.4，地震危險性影響較弱，其他區縣受地震危險性影響均較強。從暴露性、脆弱性角度看，橋東區、橋西區、宣化區、蔚縣、懷來縣De均大于0.6，暴露性影響較強，其他區縣暴露性影響較弱，整個地區脆弱性影響均較強，Dv都在0.45 以上。橋東區、橋西區抗震救災能力影響相對較強，其他地區抗震救災能力影響相對較弱。橋東區地震災害風險較大的原因為暴露性和脆弱性均最大，雖然抗震減災能力最強，但無法消減脆弱性和承災體暴露性均相對較大帶來的風險。

表10 張家口地區城鎮地震災害風險指數Table 10 Urban earthquake disaster risk index in Zhangjiakou

5 討論與結論

本文在詳細分析城鎮地震災害風險4 個影響因素的基礎上，構建了城鎮地震災害風險評價指標體系，并綜合分析現有風險評價模型，完善災害風險指標體系，建立城鎮地震災害風險評估模型。本研究中以下幾點值得討論：

（1）本文在建立城鎮地震災害風險評價模型過程中，未對張家口市城區（橋東區、橋西區、下花園區）進行詳細的建筑物抗震性能評價，使城區與城鎮地震災害風險評價存在一定差異性，但總體是合理的。在今后的研究中應將城市、鄉鎮、農村分別建立地震災害風險評價模型，更好地解決指標合理提取與量化問題。

（2）本文建立的評價指標體系不僅考慮了地震災害的自然屬性，也考慮了人、建筑物等社會屬性，解決了其他方法中社會屬性關注不足的問題。選擇的指標具有代表性、相關性、有效性，指標數據有據可查，評估結果較為合理，在今后的研究中還可考慮場地條件的影響。

本文得出的主要結論有：

（1）張家口地區地震風險指數與地形結構是相關的，海拔高的地區地震災害風險較小，海拔低的地區地震災害風險較大，且建筑物結構類型分布、建筑物抗震性能均與地形有密切關系。本文得到的城鎮地震災害風險評估結果與建筑物抗震性能結果具有相關性，表明本文結論具有適用性。

（2）懷來縣地震災害風險最大，建議懷來縣增強抗震救災能力，并加強村鎮建設規劃和城鎮建房質量。橋東區地震災害風險較大，應在加強抗震減災能力的基礎上，減小承災體暴露性，如在人員密集地修建廣場、提高建筑物抗震設防烈度等。

致謝 本文在專家打分調查問卷過程中，得到多位專家的寶貴建議與指導幫助，在此表示深深感謝。同時感謝張家口市統計局、河北省地震局在資料收集中給予的大力支持。