城市化过程中房屋地震灾害脆弱性和损失风险变化研究——以唐山市区及城乡过渡乡镇为例

齐文华 苏桂武* 张素灵 刘新圣 魏本勇 孙 磊

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震台网中心，北京 100045

3)北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875

0 引言

地震灾害风险问题是地震灾害科学研究的前沿，而地震灾害承灾体的脆弱性是认识震灾风险形成机理的关键环节(Cutter et al.，2000;White et al.，2001;Irasema，2002;史培军，2002;苏桂武等，2003)。关于地震灾害中的脆弱性和震灾风险问题，国内外已积累了大量成果。美国应用技术委员会开发的ATC-13及后续诸版本在全球范围内得到了广泛应用(美国应用技术委员会，1991);欧洲地震委员会发布的European Macroseismic Scale(EMS)98(Fah et al.，2001)也非常具代表性;20世纪末，基于ATC系列方法等，联合国和美国联邦紧急事务管理局(FEMA)还发起了2个大的计划——RADIUS和HAZUS，开发了一系列具有普及性质的实用化和网络共享化的地震灾害脆弱性和风险性分析软件包，以支持各界使用者自行选择使用(IDNDR(国际减轻自然灾害十年)，2005;FEMA，2006)。国内尹之潜等(1990，1991，1994，1996)建立了一系列地震灾害经济损失和人口伤亡预测方法;王瑛等(2009)通过内蒙古包头和云南姚安2次典型城乡地震案例的灾情对比，分析了承灾体的脆弱性对于灾情的放大缩小效应;苏桂武等(2007)在区域尺度上研究了京津唐地区区域宏观脆弱性的空间变化;吴琼(2008)从微观尺度分析了云南宁洱县农村地区家庭层次地震灾害脆弱性的基本产生机制。以往这些研究以讨论当前时期的地震灾害承灾体脆弱性和震灾损失风险状况的居多。但是，要深入理解自然灾害的成灾机理和自然灾害风险的形成机制，制定更加科学的防灾减灾特别是震灾风险控制对策，不仅需要研究当前时期的承灾体脆弱性和震灾损失风险状况，而且需要研究承灾体脆弱性和震灾损失风险的发展变化及其驱动力。

为此，苏桂武等(2008)研究了京津唐地区1985年以来的地震灾害区域宏观脆弱性变化，揭示了该地区地震灾害区域宏观脆弱性时空变化的若干基本模式和规律，分析了研究区地震灾害区域宏观脆弱性时空变化的驱动机制。本文将在此基础上，以群体房屋为例，继续从动态变化的角度，讨论该地区地方尺度上的地震灾害脆弱性和震灾损失风险时空变化的特点。进一步加深对地震灾害成灾机理和地震灾害风险形成机制的认识，同时为这类地区城市规划和防震减灾政策及应急预案的制定提供进一步的研究依据。

1 研究区范围、资料来源和方法

1.1 研究区范围和代表时期

研究区包括唐山市区和周边9个典型城乡过渡乡镇。9个乡镇分别是路南区女织寨乡，路北区果园乡，开平区开平镇、越河镇、郑庄子乡、洼里镇，丰南区丰南镇，古冶区大庄坨乡、习家套乡(图1)。

以1976年、1995年、2002年和2009年为代表时期，讨论研究区群体房屋地震灾害脆弱性和震灾损失风险的时空变化。选择以上年份作为代表，除考虑一定的时间尺度和时代代表性外，主要取决于相应年份基础资料的可获取性，主要涉及高分辨率遥感资料的完整程度。

1.2 基础资料及来源

所用基础资料为:1)1976年唐山大地震的相关研究资料，主要有《唐山地震灾害调查报告》①马春勤等，1992，唐山地震灾害调查报告。、《唐山大地震震害1～3》(刘恢先主编，1985，1986)、《瞬间与十年:唐山地震始末》(王子平主编，1986);2)高分辨率遥感影像，包括1995年航拍影像、2002年IKONOS卫星数据和2009年GeoEye-1卫星数据;3)代表时期的社会经济统计年鉴和地方志资料。利用上述基础资料获取或提取研究区各代表时期各种类型房屋的总建筑面积和相关经济指标。具体包括:利用1976年唐山大地震的相关研究资料，获取研究区1976年震前各类型房屋的建筑面积与震后各类型房屋的损毁面积、地震经济损失等;利用高分辨率遥感影像提取研究区各类型房屋的建筑面积;利用社会经济统计年鉴、地方志及相关档案资料，提取研究区各代表时期不同类型房屋的单位面积造价和单位面积室内财产量。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Sketch map of the study area.

1.3 分析方法

群体房屋地震灾害脆弱性和震灾损失风险分析主要运用我们前期研究给出的基于高分辨率遥感影像的房屋属性信息提取方法(齐文华等，2012)，设定地震情景分析法和震灾损失风险分析方法，流程见图2。

1.3.1 基于高分辨率遥感的房屋属性信息提取

在震灾评估中，房屋结构类型和面积至关重要，而高度与两者关系密切。遥感影像中，地物的阴影能够反映高度等空间三维信息。因此，通过房屋阴影长度能够提取房屋高度，公式为其中，H为要计算的房屋高度，M为影像上的阴影长度，φ为与成像参数(与太阳、卫星方位等相关的参数)有关的系数。

利用高度可以计算房屋层数。根据高度或层数、位置、形状等信息可以推断房屋结构类型;通过在影像上矢量化屋顶轮廓能够直接得到房屋的平面面积，乘以层数即为建筑面积。具体提取过程及精度验证见另文介绍(齐文华等，2012)。

1.3.2 设定地震情景分析法

情景分析又称情景描述，是在推测的基础上，对可能的未来一系列情景加以描述后，获得一系列情景下未来状态的预测集并形成一个总体的综合评价(贡金涛等，2011)。情景分析是沟通过去、现在和将来的一种对未来可能事件进行完备分析的技术(赵思健等，2012)，该方法被广泛应用于宏观环境分析和预测、建筑规划、土地利用、节能减排、灾害分析等领域(Klugel et al.，2006;丛沛桐等，2007;倪九派等，2011;王宝等，2011;黄毅宇等，2011;张荔等，2011;唐兰等，2011;田立新等，2012)。设定地震情景分析是震灾风险分析的主要方法之一，即在研究区设定一个或几个地震烈度，计算出在这些地震烈度作用下的各类房屋破坏、经济损失和人员伤亡情况(郭星全等，1999)。本文采用该方法估算研究区遭受Ⅵ～Ⅺ度地震烈度时和1976年唐山大地震实际烈度时，各代表时期的震灾损失风险。

图2 基于高分辨率遥感影像的建筑群震灾脆弱性和损失风险分析方法流程图Fig.2 Flowchart of analysis of seismic vulnerability and loss risk of buildings based on high-resolution remote sensing image.

1.3.3 震灾损失风险分析方法

震灾损失风险主要考虑房屋的破坏面积和房屋破坏造成的直接经济损失。分析上述内容的方法前人已有成熟的研究成果可供借鉴，本文主要参考尹之潜等(1990，1991，1994，1996)的相关成果进行计算。

2 结果分析

利用前述资料和方法，提取研究区1976年、1995年、2002年和2009年4期房屋属性数据，分析4个代表时期房屋暴露数量和结构脆弱性的变化。在此基础上，采用设定地震情景分析法，在设定研究区遭受Ⅵ～Ⅺ度地震烈度和1976年唐山大地震实际烈度下，模拟各代表时期的震灾损失风险，分析其变化规律。

2.1 房屋暴露数量及变化

图3和表1显示:研究区房屋暴露总量显著增加。1976年唐山地震前各类房屋总建筑面积约为1 751万多m2，1995年、2002年和2009年各类房屋总建筑面积分别是1976年地震前的2.82、3.26和4.08倍。从增长速度来看，30多年来，研究区房屋年平均增长面积约164万m2。其中1976年地震前至1995年年平均增长面积约168万m2，1995年至2002年年平均增长面积约111万m2，2002年至2009年年平均增长面积约205万m2，2002年以后年增长速度加快，表明该地区进入了一个快速发展的新时期。

图3 1976年震前至2009年研究区房屋数量柱状图Fig.3 Building area changes from 1976 to 2009 of the study area.

表1 1976年唐山地震前、1995年、2002年和2009年研究区房屋数量Table 1 Total area of buildings of each type in 1976 before the earthquake，and in 1995，2002 and 2009

图4显示房屋暴露数量的增长具有较大的空间差异。增长区主要分布在唐山市区与果园乡的邻接带、丰南镇北部、开平镇中部和习家套乡东北部。同时4个增长区也表现出不同的增长方式，市区西部主要沿边界带向果园乡扩展，丰南镇和习家套乡主要向南部扩展，开平镇向东、向南增长较快。其他地区增长相对较小。

2.2 房屋结构脆弱性及变化

结合实地调研和前人的房屋结构分类，本文将研究区各时期的房屋结构统一分成4类:土木结构平房、单层砖结构平房、砖混结构楼房和钢混结构楼房。30年来，随着城市化进程迅速推进，研究区房屋暴露数量显著增加的同时，其结构类型也发生了很大变化。

图5显示了研究区4个代表时期4种结构类型房屋的比例情况。1976年唐山地震前，房屋以土木结构为主，占总建筑面积的59%，钢混结构仅3%。并且，当时土木结构平房和砖结构平房不设防，钢混结构房屋也只按Ⅵ度设防。唐山地震后，由于整体规划和重建，土木房屋基本绝迹，砖混结构和钢混结构房屋的比例逐渐加大。尤其是钢混结构房屋比例增加明显，1995年、2002年和2009年钢混结构房屋比例分别为9%、12%和25%。砖结构平房所占比例下降明显，由1995年的50%下降到2009年的32%。总之30多年来研究区钢混结构房屋和砖混结构房屋比例逐渐增加，尤其是钢混结构房屋增长迅速，而抗震性能较差的砖结构平房不断减少，即该地区房屋的抗震性能越来越好，结构脆弱性越来越低。

图4 研究区1995年、2002年和2009年各类房屋的总体空间分布Fig.4 Distribution map of different type buildings in three representative periods.

图5 研究区各代表时期各类型房屋比例Fig.5 Proportion of different type buildings in four representative periods.

2.3 震灾损失风险变化

30多年来研究区房屋暴露数量显著增加，结构类型不断改善。在这样巨大的变化下，如若再次遭受地震打击，各代表时期将呈现出截然不同的破坏形式和震灾损失风险。本文在设定研究区遭受Ⅵ～Ⅺ度地震烈度和唐山大地震时实际烈度情况下，模拟了各时期的震灾损失风险，分析了其变化规律。

2.3.1 设定地震烈度Ⅵ～Ⅺ度条件下震灾损失风险整体变化

2.3.1.1 房屋总破坏面积及变化

图6显示:1976—2009年，在遭受各烈度地震条件下房屋破坏面积显著增加;同时随着烈度的增大，破坏面积增加的数量越来越显著。从Ⅵ度至Ⅺ度，2009年的房屋破坏量分别是1976年的 2.3、2.4、2.7、3.1、3.7 和4.1 倍。

图6 设定地震烈度Ⅵ～Ⅺ度下各时段房屋破坏面积和破坏率变化Fig.6 Damaged building areas and area ratios under the earthquake scenario intensityⅥ～Ⅺ.

对比相同烈度下不同时段的面积破坏率可以发现，从1976年至2009年房屋总破坏比例逐渐降低。但随着烈度的增大，面积破坏比例下降幅度减小。在遭受地震烈度Ⅵ度到Ⅷ度条件下，房屋破坏比例下降幅度明显较大;Ⅸ度和Ⅹ度时，破坏比例降低幅度较前3个烈度减小;当遭受地震烈度为Ⅺ度时，各时期房屋基本全部发生破坏。

2.3.1.2 经济损失变化

从图7中可见，1976—2009年，在任何烈度下，房屋破坏造成的直接经济损失都显著增大。并且随着烈度的增大，经济损失的增幅明显增大。从地震烈度Ⅵ度至Ⅺ度，2009年的房屋直接经济损失分别是1976年的7.7倍、6.9倍、7.7倍、9.3倍、11倍和15倍。

图7 设定地震烈度下各时段房屋破坏直接经济损失的变化Fig.7 Direct economic loss from damage of buildings under the earthquake scenario intensityⅥ～Ⅺ.

2.3.2 遭受高、低烈度条件下震灾损失风险差异

1976—2009年，随着研究区社会经济的发展和房屋结构脆弱性的变化，在遭受低地震烈度和高地震烈度条件下，其震灾损失风险显示出很大差异。这些差异主要体现在房屋破坏面积的变化、破坏率的变化、破坏等级的变化、破坏类型的变化等方面。为了便于分析这些差异，以Ⅶ度代表低烈度地震，以Ⅹ度代表高烈度地震，做了进一步的比较分析。

2.3.2.1 破坏面积和破坏率变化的差异

当遭受低烈度地震(Ⅶ度)时，1976—2009年，随着房屋总量的大量增加破坏面积也增加，但由于房屋结构脆弱性的降低使得破坏面积增加并不显著，房屋破坏率下降明显。2009年的房屋总量是1976年的4倍多(表1)，而破坏面积只比1976年增加了1倍多;破坏率却从1976年的63.64%下降到36.73%，下降了近27%(表2，图6中Ⅶ、Ⅹ度)。

表2 遭受Ⅶ度和Ⅹ度烈度地震下各时期房屋破坏面积和破坏率Table 2 Damaged building areas and area ratios under the earthquake scenario intensityⅦandⅩ

当遭受高烈度地震(Ⅹ度)时，近30年来，研究区房屋虽然结构脆弱性有明显降低，但房屋破坏面积仍然增长明显，且房屋破坏率降低量较低烈度地震时小得多。2009年房屋破坏面积是1976年的3.7倍，破坏率仅下降了9%(表2，图6中Ⅶ、Ⅹ度)。

2.3.2.2 破坏等级和破坏类型变化的差异

图8显示:当遭受低烈度地震时，被破坏的房屋类型以土木结构和砖结构平房为主，土木结构被破坏的比率达83.5%，砖结构平房为72%，而砖混结构和钢混结构房屋的破坏比分别只有22.5%和15%。从破坏等级来看，土木结构房屋和砖结构平房发生中等破坏和严重破坏的比率都超过了20%，被毁坏的比率分别为19%和8.36%，因此土木结构房屋以发生中等破坏、严重破坏和毁坏为主，砖结构平房以发生中等破坏和严重破坏为主，其破坏情况都比较严重。砖混结构房屋发生中等以上破坏等级的比率只有6.82%，只有1%的钢混结构房屋发生中等破坏，基本不会发生严重破坏和毁坏，两者主要发生轻微破坏，且绝大部分为完好。

图8 4类房屋在遭受Ⅶ度和Ⅹ度烈度地震时的破坏比Fig.8 Earthquake damage ratios under the earthquake scenario intensityⅦ andⅩ.

当遭受高烈度地震时，主要的房屋破坏类型虽还以土木结构和砖结构平房为主，但砖混结构和钢混结构房屋也发生了较大程度的破坏，且各类型房屋的破坏等级有较大程度升高。土木结构房屋全部发生破坏，发生中等以上破坏的比率达98.5%;只有2.2%的砖结构平房完好，近93%发生中等以上破坏;砖混结构房屋发生中等破坏、严重破坏和毁坏的比率分别为21.95%、17.64%和12.89%，钢混结构房屋发生3种等级破坏的比率分别为35%、10.5%和4.5%。

2.3.2.3 经济损失变化的差异

表3和图9显示:当遭受低烈度地震时，2009年的直接经济损失是1976年的6.9倍。从1976—2009年，各类房屋造成的直接经济损失中，都以土木结构房屋(1976年时)、砖结构平房为主，占总损失的73%以上;砖混和钢混结构房屋随着破坏面积的增加其造成的直接经济损失也有所增长，占总损失的比例从1976年的12%增加到2009年的27%，增长了16%。

当遭受高烈度地震时，2009年的直接经济损失是1976年的11倍。30多年来，随着砖混和钢混结构房屋破坏面积的增加其造成的直接经济损失大幅增长，占总损失的比例从1976年的33%增加到2009年的56%，增长了23%。

1976—2009年，随着研究区社会经济的发展和房屋结构脆弱性的降低，在遭受低地震烈度时，抗震性能好的房屋有效的降低了房屋破坏率和房屋破坏增长量，且房屋破坏等级低，对于减少房屋本身破坏损失和室内财产损失及降低震后救援难度都有积极作用。但在遭受高地震烈度时，这些抗震性能好的房屋也出现了大面积和高等级的破坏，在某种程度上增加了震灾损失风险。

2.3.3 1976年唐山地震模拟

图10显示研究区涉及到唐山地震时的Ⅸ度、Ⅹ度和Ⅺ度3个烈度等级。利用ArcGIS软件，将1995年、2002年和2009年3个时段的房屋分布图分别与烈度分布图相叠加，就可以得到各时段相应烈度下的房屋类型和数量，提取结果见表4。

表3 遭受Ⅶ度和Ⅹ度烈度地震下各时段房屋破坏直接经济损失Table 3 Direct economic loss from building damage under the earthquake scenario intensityⅦandⅩ

图9 遭受Ⅶ度和Ⅹ度烈度地震下各时期各类型房屋破坏直接经济损失比例Fig.9 Proportion of direct economic loss from damage of buildings of each type under the earthquake scenario intensityⅦandⅩ.

表4 3时段相应烈度下各类房屋数量Table 4 Total area of each type of buildings in the three periods

图10 1976年唐山地震烈度分布图Fig.10 Isoseismic map of the 1976 Tangshan earthquake.

利用上述震灾损失风险计算方法，计算出3个时段房屋建筑的破坏面积和直接经济损失，见表5和6。

1976年唐山地震时，唐山市区(路南区、路北区、古冶区和开平区)房屋破坏面积约为1，116.95万m2(刘恢先，1986)，房屋破坏造成的自身损失和室内财产损失约2.75亿元(当年价)(邹其嘉等，1990)，折合为现价约14.27亿元。计算得出，若该地区唐山地震分别于1995年、2002年和2009年重演，则房屋破坏面积分别达4 591万m2、5 306万m2和6 420万m2(表5)，分别是1976年唐山地震时的4倍、5倍和6倍;房屋破坏造成的自身损失和室内财产损失分别为140.33亿元、249.53亿元和397.07亿元(表6)，分别是1976年唐山地震的10倍、18倍和28倍。

在这里我们注意到，不论是在设定地震烈度Ⅵ～Ⅺ度条件下还是模拟唐山大地震实际烈度下，房屋破坏面积增加了4～7倍，经济损失却增长了十几到二十几倍。这说明造成经济损失增长的不仅是房屋破坏数量的增加，还与该地区社会经济的发展有关。随着经济的发展，人们生活水平的提高，房屋造价越来越高，尤其是钢混结构房屋，而且人们拥有的室内财产也越来越多，这就使得相同面积的房屋承载的经济数量越来越多，即房屋的经济脆弱性增加了。当房屋破坏时，其造成的经济损失也就越来越大。

表5 1976年唐山地震重演条件下时段房屋破坏面积Table 5 Damage area of buildings in three representative periods under the condition of simulating the 1976 Tangshan earthquake

表6 1976年唐山地震重演条件下时段的直接经济损失Table 6 Direct economic loss of buildings in three representative period under the condition of simulating the 1976 Tangshan earthquake

3 结论和讨论

本文基于我们前期构建的基于高分辨率遥感的房屋震灾风险评估方法，以1976年、1995年、2002年和2009年为代表时期，在设定遭受Ⅵ～Ⅺ度地震烈度和唐山大地震实际烈度的情景下，讨论了研究区1976年以来群体房屋的脆弱性和震灾损失风险变化。主要认识如下:

(1)1976年震前至2009年，研究区各类房屋总建筑面积增长了4倍多;房屋暴露面积的增长具有较大的空间差异和方向性，增长区主要分布在研究区的西部，并沿NNE向呈线状或片状增长。

(2)1976年震前至2009年该地区房屋的抗震性能越来越好、结构脆弱性越来越低。不设防的土木结构房屋基本绝迹，抗震能力较强的钢混结构和砖混结构房屋不断增加，并随城市化进程的加快呈现出迅速增长趋势，尤其是钢混结构房屋的增长速度最快。

(3)从1976年至2009年，在设定遭受Ⅵ～Ⅺ度烈度地震条件下房屋破坏面积和直接经济损失都显著增加，同时随着烈度的增大，破坏面积和经济损失增加的量越来越显著;但房屋破坏比例逐渐降低。

(4)从1976年至2009年，随着研究区社会经济的发展和房屋结构脆弱性的变化，在遭受低地震烈度和高地震烈度条件下，其震灾损失风险显示出很大差异。在遭受低地震烈度时，抗震性能好的砖混和钢混结构房屋的增加有效地降低了房屋破坏率和破坏面积增长量，且房屋破坏等级低，对于降低震灾损失风险及减轻震后救援难度都有积极作用;但在遭受高地震烈度时，这些抗震性能好的房屋也出现了大面积和高等级的破坏，在某种程度上增加了震灾损失风险，且由于房屋结构原因震后救援难度会大幅增加。

(5)若1976年唐山大地震重现，研究区房屋震灾损失风险显著增加。2009年房屋破坏面积是1976年唐山地震时的6倍;直接经济损失是1976年唐山地震的28倍。

基于以上对研究区地震灾害脆弱性和震灾损失风险时空变化特点的认识，在对这类地区进行城乡防震减灾规划和制定地震应急预案时应考虑以下情况:1)充分做好应对大地震的准备。房屋结构脆弱性的降低使得小地震造成的风险明显降低;遭受较大地震时，虽然结构脆弱性的降低减轻了震害程度，但高烈度地震仍使房屋破坏严重，且有相当部分的砖混和钢混结构房屋破坏等级达到中等及以上。同时，发生毁坏的砖混和钢混结构房屋还会给应急救援带来一定困难。因此，在提高房屋质量降低其脆弱性的同时，也要做好备灾和救灾措施，尤其是应对大地震的准备。2)城市化过程中，城镇发展具有方向性特点，城镇快速发展的地区，其震灾风险也会快速增大。在编制地方性地震应急预案时，应注意到不同地区震灾风险的空间差异，对于震灾风险大的地区应给予必要的关注。如在编制唐山地区的地方性地震应急预案时，除以核心区为重点外，还要注意到果园乡、丰南镇这些发展快速的地区。

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