京津冀地區再現三河-平谷8.0級地震的人員傷亡分析

姜鵬飛，張桂欣，陳相兆，孫柏濤

（1.中國地震局工程力學研究所中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2.地震災害防治應急管理部重點實驗室，哈爾濱 150080）

引言

京津冀地區位于我國華北中部地區，地震地質構造環境復雜，區域內有順義-良鄉斷裂、南苑—通縣斷裂、大興凸起東緣斷裂、海河斷裂和廊坊-武清斷裂等多條活動的斷裂帶，是我國歷史上地震活動較為活躍的地區之一。京津冀地區歷史上曾發生多次強烈地震，造成了嚴重的人員傷亡和社會經濟影響，其中1679年的三河-平谷8.0級地震和1976年唐山7.8級地震影響尤為顯著，分別造成4.5萬和24.2萬人死亡。唐山地震以后，京津冀地區暫未再發生強烈地震，但該地區仍是潛在的地震危險區，具有較高的地震風險。同時，京津冀地區政治、經濟和文化高度發達，人口異常密集。據統計，京津冀地區共有人口近1.2億，約占全國人口的7.5%，生產值總量達到9.6萬億元，約占國內生產總值的8.4%，并且維持著持續增長的趨勢。因此，京津冀協同發展、“一帶一路”建設和長江經濟帶發展是我國新時期的三大國家戰略，對我國具有重大的戰略意義。

在社會財富如此密集的地區如果再次遭受8.0級地震，會造成怎樣的人員傷亡對摸清京津冀地區的地震災害風險底數具有重要意義。自1954年建筑設計規范頒布以來，提高和完善了建筑物抗震設防要求，因此不同年代的房屋的抗震能力差異較大。京津冀地區房屋建筑結構具有新老結構并存，結構種類豐富，城鎮和農村建筑抗震性能差異大等特點［1］。人口數量及時空分布對地震人員傷亡評估結果具有重要影響。京津冀地區的人口具有季節、月份和每日不同時段流動性大的特征，因此，本文引入人口熱力圖數據來預測該地區人口時空分布。基于最新的建筑物竣工面積統計資料，對建筑物公里網格數據進行更新，得到符合實際情況的建筑數據。采用普查數據更新人口公里網格數據，并采用熱力圖對人口的時空流動進行了預測，得到了符合當地人口流動特征的人口分布。基于以上數據，設定三河-平谷8.0級地震原地再現，開展基于當前經濟和社會發展水平下造成人員傷亡分析，分析預測結果可為京津冀地區的應急備災，預案編制以及風險防治提供參考。

1 三河-平谷8.0級地震基本信息

三河-平谷8.0級地震發生于1679年9月2日（清康熙18年7月28日），震中位于今北京平谷與河北三河一帶（東經117°，北緯40°）。據地震學家推算，此次地震主震震級為里氏震級約8.0級，震中烈度達Ⅺ（11度），三河-平谷8.0級主震發生之后一個月內發生強余震10余次。

據史料記載，此次地震是北京周邊有記載以來的最大震級地震，從通縣到三河，城墻全部倒塌，死尸堆成山丘，幸存者寥寥無幾。地震造成房屋倒塌無數，死亡約4.55萬人，按照當時地震影響區域內的受災總人口估算（700余萬人），死亡人數占比高達0.65%。地震影響所及范圍至河北、山西、陜西、遼寧、山東以及河南等省，共計200多個縣市。

為了確定地震影響范圍，通過縣志記載和衰減關系分別計算其地震烈度影響場。地震烈度影響場是指某次地震的影響范圍，一般是指地震造成建筑物破壞的區域；地震烈度一般分為12個等級，按照國家標準《中國地震烈度表》規定，一般將VI（6度）及以上區域作為某次地震的受災區域［2］。以往地震烈度影響場是該領域有關專家根據地震現場建筑物震害調查結果繪制而成的，而對于古地震由于缺乏詳實的現場調查資料，往往根據縣志等古文獻資料記載推斷而得到。三河-平谷8.0級地震影響場分布情況見圖1，圖中不同深淺的紅色區域表示通過烈度衰減關系獲得的各烈度范圍［3］，灰色虛線代表現代地震考古學者根據縣志和地震史料等文獻推演得到的各烈度范圍［4］。地震衰減關系和縣志統計的各烈度區面積見表1。根據圖1對比可得，衰減關系得到的Ⅵ（6度）區面積稍大，Ⅶ（7度）區面積大致相當，Ⅷ（8度）～Ⅺ（11度）區面積稍小。

圖1 三河-平谷8.0級地震烈度分布圖Fig.1 Sanhe-Pinggu MS8.0 earthquake intensity distribution map

表1 三河-平谷8.0級地震烈度區范圍Table 1 Sanhe-Pinggu MS8.0 earthquake intensity zone range

2 承災體數據獲取和處理

2.1 建筑物基礎數據

建筑物數據是地震災害損失評估最為重要的基礎數據。陳相兆［5］以谷歌高分辨遙感影像為基礎，基于遙感識別技術提取建筑物輪廓，獲取建筑物的空間分布的基礎上，根據《地震災害預測及其信息管理系統技術規范》（GB/T 19428-2014）［6］，按照易損性差異將建筑物劃分為五種結構類型，即高層建筑、混凝土框架房屋、砌體房屋、單層民宅和其他房屋，最后進行公里網格化處理，建立了地震災害應急數據庫。本文以該數據為基礎，結合統計局發布的歷年建筑物竣工面積數據，更新了建筑物公里網格。

基于專家經驗和房屋抽樣調查數據，在確定不同結構類型房屋面積的占比的基礎上，根據統計局公布的京津冀地區各區縣2010年后歷年的建筑物竣工面積以及2010年以前的總竣工面積，重新計算不同結構類型的建筑面積，記為A竣工。基于GIS軟件平臺，作如下處理以更新建筑物公里網格：

（1）以京津冀區縣行政邊界為統計單元，統計以公里網格為單元的五種結構類型的面積，記為A網格。

（2）對同一行政區內，計算當前五種結構類型的建筑面積增長率，即r=A竣工/A網格。

（3）將基于行政邊界的建筑物面積增長率轉化為公里網格數據，并和已有的建筑物公里網格數據相乘。

更新后京津冀地區不同結構類型建筑物面積及占比見表2。

表2 京津冀不同結構類型的房屋面積及占比Table 2 Area and proportion of different structures in the Beijing-Tianjin-Hebei region

不同結構類型房屋的抗震能力差別明顯，其中高層建筑的抗震能力最好，其他房屋（一般指土石木結構的房屋）抗震能力最差。高層建筑通常是指10層及10層以上或房屋高度大于28 m的住宅建筑和房屋高度大于24 m的其他高層民用建筑，這類結構均嚴格按照我國各類設計規范進行設計，部分結構進行了超限設計，因此這類結構具有很強的抗震冗余度。其次是框架結構，從我國近些年來發生的地震災害來看：經過合理設計的框架結構在地震中表現比較好，抗震能力較強，多數框架結構沒有發生完全倒塌的震害現象。砌體結構次之，對砌體結構的抗震能力調查分析表明：只要經過正規的設計、施工和采取必要的抗震措施，砌體結構的抗震能力是不錯的。單層民宅和其他房屋抗震能力較差，該類房屋大量分布在農村地區，遭遇地震時震害一般較重。從表2可以看出：北京天津建筑物以高層和框架結構為主，占比超過50%，河北省單層民宅的數量較多。

2.2 人口基礎數據

人口空間數據作為重要的社會基礎數據，在資源配置、城市規劃、災害傷亡評估以及防災救災等方面具有重要的應用價值［7-8］。傳統人口數據主要通過統計年鑒或人口普查等方式獲取，存在更新時效慢、獲取成本高和空間分辨率低等缺陷。隨著互聯網和計算機等技術的發展，以手機信令數據為代表的多源時空大數據以其時效性高和人力成本低等優勢彌補了傳統人口數據的缺陷，為制作高精度的人口空間數據提供了可靠的數據來源［9］。騰訊人口熱力圖是實時反應人群聚集情況的大數據可視化產品，其以騰訊位置大數據為基礎，用不同的顏色來表示像素范圍內的活動人口，可以較為準確地反應人口的流動特征［10］。根據人口熱力圖生成原理，活動人口是在一定空間范圍一段時間內使用騰訊位置服務的人次數，用戶每使用一次位置服務則產生一次記錄。

本文基于北京市人口統計數據和2019年1月至6月的夜間2時的人口熱力圖數據，建立目標區域不同月份人口的數學模型，用于更新現有的人口公里網格數據。主要的研究和計算步驟為：

（1）基于GIS軟件平臺，將熱力圖和統計單元投影到統一坐標系，應用空間分析工具統計單元內活動人口。常用的統計單元有基于行政區劃的市、區縣和鄉鎮街道邊界數據，或不同大小的空間格網數據，如1km×1 km，500 m×500 m。以北京市為例，采用區縣一級行政邊界作為統計單元，北京市活動人口變化見圖2，圖中空白部分表示人口熱力圖數據缺失。從圖中可以看出：不同月份人口變化明顯，隨機選取某一天的活動人口作為當月的代表值離散性太大，故以月平均活動人口作為代表值。

圖2 北京市活動人口變化Fig.2 Change of activesin Beijing

（2）假設單元內總人口與活動人口的比值不變，則不同月份的人口可由下式計算：

式中：i表示區域內第i個統計單元；Pk表示k月的人口；Pij表示單元i在j月的人口；Aik表示單元i在k月的活動人口；Aij表示單元i在j月的活動人口。

從公式（1）可以看出：計算各月份人口的關鍵是確定各單元在j月的人口。北京市各城區常住人口及1-6月活動人口占比見圖3，從圖中可以看出1月份活動人口的占比與常住人口的占比最為接近，故將常住人口作為1月的人口。為更詳細地描述區域內人口的空間分布及變化，采用鄉鎮街道的邊界為統計單元。在統計街道活動人口的基礎上，經過以下處理步驟，即可獲得2月至6月的人口公里網格：

圖3 北京市各區活動人口及常住人口占比Fig.3 Proportion of actives and permanent residential in each district of Beijing

（1）以1月各街道活動人口為基準，計算各街道2月至6月人口變化率；（2）利用GIS軟件中“要素轉柵格”工具，將街道矢量數據轉為街道人口變化率公里網格數據；（3）借助“柵格代數”工具，將人口公里網格數據和街道人口變化率公里網格數據相乘，即可得各月份的人口公里網格。京津冀地區不同月份人口見表3。

表3 京津冀地區1月至6月人口Table 3 Population of the Beijing-Tianjin-Hebei region

圖4分別是北京市2月份和5月份的人口分布，從圖中可以看出同一區域不同月份的人口分布差異顯著，說明采用人口熱力圖對常住人口進行修正更能反應真實的人口時空分布。

圖4 北京2月和5月人口分布Fig.4 Population distribution of Beijing in Feb and in May

3 地震人員傷亡評估

3.1 人員評估方法

建筑物倒塌是造成人員死亡的主要影響因素，但是建筑物倒塌不一定都造成人員大量傷亡，地震造成的人員傷亡與人的空間位置和地震發生的時間有關［11］。因白天和夜晚人們的活動狀態不同，夜晚的傷亡率要比白天高；城市和農村居民因生活和工作活動的空間不同，也有很大差異；不同的結構類型其在地震作用下的破壞狀態不同，造成的人員傷亡情況也不同［12］。本文采用張桂欣等［1］和孫柏濤等［13］提出的分區分類的地震人員死亡分析模型對三河-平谷8.0級地震再現人員傷亡進行分析，具體公式見式（2）。

式中：PL為地震人員傷亡數量；r為不同分級區域；s為結構類型；j為破壞等級；Dj為建筑結構在破壞等級j下的人員傷亡率；Cr為區域r分級修正系數；Bs為第s類建筑結構的修正系數；I為地震烈度；Ps[]Dj|I為結構破壞比；As為第s類建筑結構的總面積（平方米）；ρ MrAr室內人口密度（人/平方米），ρ為不同時段室內人員的影響系數，Mr為該區域的總人口數，Ar為該區域的總建筑面積。

3.2 人員傷亡評估結果

基于更新和修正后的建筑物公里網格數據和人口公里網格數據，采用分區分類的人員傷亡評估模型和衰減關系得到的地震烈度影響場，計算白天和夜晚的人員傷亡和需安置人數，并繪制人員傷亡分布圖。

根據計算結果，三河-平谷8.0級地震原地重現預計造成5.0～9.0萬人死亡，25.0～30.0萬人受傷，1 500～2 000萬人需要安置。死亡人口分布見圖5，人口死亡數量統計見表4。與1679年地震相比，盡管災區受災人口由原來的700余萬人上升為如今的9 500余萬人，但是人員死亡率由原來的0.65%減小為0.10%。

表4 三河-平谷8.0級設定地震死亡人數Table 4 Death of the Sanhe-Pinggu Ms8.0 scenario earthquake

圖5 三河-平谷8.0級設定地震死亡人口分布圖Fig.5 Death distribution of Sanhe-Pinggu Ms8.0 scenario earthquake

3.3 結果分析

通過計算分析發現，三河-平谷8.0級地震如果原地重現，將會給北京市、天津市和河北省造成不同程度的巨大人員傷亡，分析其主要原因為：（1）河北省死亡人數在2.0～4.5萬人之間，其主要原因為河北省受災面積大，且災區存在大量的農村自建民房，其建筑物抗震能力總體相較于北京市和天津市偏差，導致其人員傷亡巨大；（2）北京市全市基本都落在了Ⅶ（7度）及以上災區范圍內，受災面積大，其中朝陽區、西城區和東城區等經濟和人口高度集中的區域都在Ⅷ（8度）及以上地區；且北京市人口（常住人口+流動人口）高度集中，導致死亡人數較多；（3）天津市主要在Ⅵ（6度）區和Ⅶ（7度）區，受災面積和嚴重程度較北京市和河北省偏小，造成的死亡數量也偏小。

根據三河-平谷8.0級地震原地重現計算結果分析，盡管死亡人數有所增多，但人員死亡率顯著降低，其主要原因為：（1）隨著國家標準《建筑抗震設計規范》（GBJ 11-1989）的頒布實施，將城市建筑工程抗震設防全面納入政府監管，我國城鎮建筑工程抗震設防水平和能力得到極大的提升；（2）隨著我國人口穩步增長、經濟持續快速發展且城鎮化進程加速，城鄉建筑物數目增多且不同結構類型分布比例發生了很大變化，北京和天津為高層結構和多層框架結構占比超過54%，多層砌體結構次之，整體上建筑工程抗震設防水平和抗震能力得到了很大的提升。

4 結論

本文通過對京津冀地區原地再現8.0級地震的人員傷亡情況進行了分析，結果表明：

（1）本文提出的基于人口熱力圖、人口公里網格數據和人口統計數據計算區域不同時間人口的數學模型，為計算不同時刻發生的地震人員死亡數量和分布情況提供了更為準確的動態更新的人口數據資料；采用建筑物竣工面積對建筑物分布進行更新和修正，得到更為合理的房屋數量和空間分布。

（2）原地再現8.0級地震預計造成京津冀地區數萬人死亡，如果地震發生在白天預計造成5.01萬人死亡，如果地震發生在夜晚預計造成8.73萬人死亡，雖然死亡人數較1679年的三河-平谷地震有所增加，但死亡率大幅降低，由原先的0.65%減小為0.10%。

（3）分析人員傷亡率降低的主要原因是各類城鎮建筑抗震設防水平和監管力度逐步提高以及城鄉建筑抗震能力強的結構類型占比增大。

本文的分析結果可為京津冀地區抗震備災和韌性城鄉建設提供有意義的參考。