地震灾害风险评估方法的对比分析——以乌鲁木齐市为例

唐丽华, 李山有, 宋立军

(1.中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080;2.中国地震局地震工程与工程振动重点试验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 3.新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)



地震灾害风险评估方法的对比分析
——以乌鲁木齐市为例

唐丽华1,2,3, 李山有1,2, 宋立军3

(1.中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080;2.中国地震局地震工程与工程振动重点试验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 3.新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)

基于指标体系的风险建模与评估是目前灾害风险分析与评估中应用最广泛的方法。本文首先分析评价不同学者的地震灾害风险评估指标体系;在此基础上,选取指标体系相对简单的城市防震减灾能力法和考虑因素较多的地震灾害风险系数法对乌鲁木齐市各区县开展地震灾害风险评估。评估结果表明:不同评价方法的侧重点不同,造成评估结果有一定的差异性,评估体系指标大而全并不意味着评估结果更加合理。地震灾害风险评估指标体系的建立需要兼顾可操作性、实用性、全面性及可量化性等要求。

乌鲁木齐市; 地震灾害; 风险评估

0 引言

国内外地震灾害经验表明,地震给人类社会造成的巨大灾害以发生在城市或城市附近时后果最为严重[1]。特别是随着城市现代化程度的提高,城市承载的功能日益庞杂,体量成倍增长,面临的地震灾害风险也逐渐增加。

灾害风险是指发生某种程度灾害的可能性与其造成后果的乘积,它与灾害本身危险性、承灾体的暴露性及易损性有关[2]。这里“灾”强调各种致灾因子,“害”强调因“灾”造成破坏的成害过程,“风险”强调在未来一定时间内特定地区由于“致灾”并“成害”的可能性水平[3]。灾害风险评估是风险管理中的重要内容,为有效应对灾害、减少灾害造成的损失提供基础依据。世界银行灾害管理部在总结印度洋特大地震海啸灾难后认为,实施以预防文化为基本理念的灾害风险管理可将自然灾害损失降低5～8倍[4]。

目前灾害风险评估主要基于构建风险评估模型展开,主要包括基于指标体系、基于GIS、基于情景模拟和基于风险概率的建模与评估[5],其中基于指标体系的风险建模与评估是目前应用最广泛的方法。

地震灾害是我国许多城市面临的重大自然灾害之一,地震灾害风险分析是对遭受不同强度地震灾害的可能性及其可能造成的后果进行的定量分析和评估[6-7]。通过对地震灾害范围、特性等的研究,将风险量化并进行评价是进行地震风险管理和决策的依据[8]。

为了实现基于指标体系的地震灾害风险建模与评价,首先要确定影响地震灾害风险的要素。众所周知,影响地震灾害风险的因素很多,包括地震的大小、地震影响大小、城市设施及建(构)筑的抗震能力、经济发展水平与人口密度、整个社会体系的减灾救灾能力、公民的减灾意识及城市的管理水平等[9]。因此不同学者从不同侧重点出发,建立了反映地震灾害风险评估要素及水平的指标体系,有的指标体系偏向于宏观,有的注重细节。总体说来,指标体系趋向精细化、复杂化发展,在灾害准备、应对及管理相关指标上表现尤其显著。那么不同指标体系的效用如何是在建立或完善地震灾害风险评估指标体系中首先需要考虑的问题。本文在对与地震灾害风险评估及相关指标体系的收集、归纳与整理的基础上,选取指标体系相对简单的城市防震减灾能力法和考虑因素较多的地震灾害风险系数法,以乌鲁木齐市各区县为对象,开展地震灾害风险评估,对比分析不同方法结果的差异性,指出地震灾害风险评估指标体系建立中应考虑的问题。

1 地震灾害风险评估指标体系对比

本世纪以来,国际上已经完成的灾害风险评估指标计划主要有三个,即灾害风险指标计划(DRI)、多发区指标计划 (Hotspots)和美洲计划 (American Programme)[10]。这三种体系给出在全球和地区尺度上单一灾种的风险评估方法,通过选择风险指标、灾害暴露指标和脆弱性指标,采用定量或定量与定性结合的方法来开展风险评估,为后续的研究提供了可借鉴的资料和参考[11-13]。

我国许多学者也致力于从危险性、易损性和承灾能力三个指标集[14]建立反映我国灾害、易损性及承灾能力特点的灾害风险评估指标体系。如聂高众等[15]利用地震的发生概率、易损性、防震减灾能力及社会总财产等指标计算某地震强度下的风险值来评估地震风险;张风华、谢礼立等[16-19]以人员伤亡、经济损失和震后恢复时间为评价准则,建立了城市防震减灾能力评估指标体系,刘莉[20]对该体系进行了细化;郑宇[21]确定了影响城市防震减灾能力五大系统的指标及其量化方法,提出了计算城市防震减灾能力评价值的公式;高庆华[22]提出减灾基础能力与基础减灾能力两种概念;吴新燕[23]从与地震应急有关的指标中提取了六大要素,基于此建立了城市应急准备能力指标体系;张明媛[24]将城市减灾能力分为防灾能力指数、抗灾能力指数、救灾能力指数和恢复能力指数;邓砚等[25-26]在对地震应急能力内涵讨论的基础上,提出区域绝对地震应急能力和相对地震应急能力的概念,建立了评价指标体系;唐丽华等[27]通过定义地震应急风险系数来评价县级行政单元的地震风险水平;郭燕等[28]从震前准备能力、地震应对能力及震后恢复能力的角度提出防震减灾能力评价的指标体系。这些研究成果都为评估城市地震灾害风险奠定了基础。为便于比较分析,表1列出了上述各评估分析方法中指标体系建立中采用的指标内容与数量。

表1 各指标体系中指标内容与指标数量统计表

从表1可以看出:

(1) 上述指标体系有些是针对地震灾害单一灾种的,有些是针对整个城市的综合防灾风险的,这种差异性主要体现在危险性指标集的选取上,在易损性和承灾体指标集中考虑的因素是一致的,因此适用于建立地震灾害风险评估指标体系;

(2) 在地震灾害风险评估指标体系中危险性指标集方面主要选用反映地震强度及发生概率的指标,如地震基本烈度等;在易损性集中主要是选择受地震影响的承灾体,如人员伤亡、经济损失、工程结构及设施破坏等;承灾能力指标集是发展最快、数量增加最多的指标集,反映了城市中与灾害承受能力相关因素认识的不断深入;

(3) 总体上来说,学者们建立的评估指标体系经历了从简单到复杂的过程,易损性指标集特别是承灾能力指标集的指标增长幅度很快,这表明地震灾害风险涉及社会经济、文化发展等各个方面,如何全面体现一个城市或区域防震减灾能力是目前关注的重点。

下面选用表1中的两种方法对乌鲁木齐市的地震灾害风险水平进行评估,以此来反映各个指标体系之间评估结果的特点。

2 城市防震减灾能力评估法及地震灾害风险系数法的结果比较

选用表1中谢礼立等的防震减灾能力评估法及唐丽华等地震灾害风险系数是基于以下几点考虑:

(1) 这两种方法均有危险性及易损性指标集,即需要在预测地震灾害强度的基础上通过易损性分析评价地震灾害的程度;

(2) 两种方法对承灾体能力的评价表达方式存在差异,防震减灾能力评估法是以人员伤亡、经济损失及恢复时间为准则来评价防震减灾能力;地震灾害风险系数方法在量化城市减灾能力的基础上评估地震灾害的风险;

(3) 就承灾体指标集而言,防震减灾能力评估法的承灾体相对地震灾害风险系数法简单,正好可以用来对比日趋精细化的承灾体指标的效果。

乌鲁木齐市分为七区一县,处在北天山山麓与准噶尔盆地接壤的山前冲洪积倾斜平原上,古河道发育,低山丘陵地貌散布[29]。根据前人研究成果,乌鲁木齐市分布有九家湾断层组、王家沟断层组、西山断层及雅玛里克断层等7条活动断层,构造断裂活动明显,地震构造环境复杂[30]。周边的地震也比较活跃,曾经发生过1934年6级、1965年两次6级以上地震。近二三十年来,市区范围内发生多次中等强度有感地震,2013年8月30日乌鲁木齐市发生了5.1级典型城市直下型地震[31]。潜在的地震灾害一直是乌鲁木齐市城市发展与人民生活需要面对的严峻问题。

从断层的发震能力来看,乌鲁木齐市区内的断层一般具备发生6～6.5级地震的能力,周边规模较大的断层一般具备发生7～7.5级地震的能力。从应对“大震巨灾”的角度出发,根据各断层的最大可能潜在震级,采用地震危险性确定性方法计算每条发震构造可能发生的最大潜在地震对各区(县)的最大影响烈度。综合计算结果可知,由于与高潜在震级断层的距离较近,乌鲁木齐县、达坂城区、水磨沟区的地震预测烈度可达Ⅹ度,市区大部分地区可能遭受Ⅷ～Ⅸ度的影响。这一预测烈度高于目前乌鲁木齐市的基本烈度Ⅰ～Ⅱ度,达到大震的设防水平;尤其是达坂城区的基本设计加速度分组为0.15g(Ⅶ),远低于最大预测烈度。

在乌鲁木齐市各区(县)选择有代表性的抽样点开展单位面积(1 km2)内房屋结构类型和人口密度的抽样调查,这些抽样点包括商业中心、住宅密集区、城市发展的新区及村镇,基本涵盖了现有房屋结构类型,体现了不同区域的人口密度分布特点。在此基础上,结合新疆1993年以来发生的破坏性地震震例的震害概率矩阵预测地震灾害。

从乌鲁木齐市的地形地貌特点、岩土分布特征来看,在预测烈度下,乌鲁木齐市有发生地震滑坡、崩塌、砂土液化、地裂缝和地面沉降塌陷的条件。其地质灾害主要集中在南侧依连哈比尔尕山基岩山区前沿、中部博格达山前碗窑沟断裂沿线以及北侧博格达山山前洪积扇前缘、乌鲁木齐河下游地下水溢出带内。地震地质灾害发生的行政区域主要集中于乌鲁木齐县、水磨沟区和米东新区。

上述震害预测结果是城市防震减灾能力评估方法及地震灾害风险系数法的数据基础。

2.1 城市防震减灾能力评估方法

谢礼立指出评价城市防震减灾能力高低的基本标准有三个,即:震害所造成的人员伤亡的多少、经济损失的大小以及震后恢复时间的长短。通过构建关联度函数定义为城市防震减灾能力,即:

式中:ai为各项评价准则的权重;ζoi(j)为模仿灰色关联度系数定义方法。

为计算各区(县)的防震减灾能力,从2013年乌鲁木齐市统计年鉴中得到各区(县)的基本数据[32-33]。其中高新区(新市区)的地区生产总值最高,乌鲁木齐县最低;而人均GDP则开发区(头屯河区)最高,乌鲁木齐县最低。常住人口天山区最高,达坂城区最低。

根据上述方法结合计算得到各区(县)防震减灾能力指数及抗震减灾能力分级结果见表2及图1(a)。由上述图表可知,除高新区(新市区)、开发区(头屯河区)及水磨沟区的防震减灾能力达到中等外,其余5区(县)均为差,其中乌鲁木齐县的防震减灾能力最弱,这与其预测烈度最高有关。从表2可以看出:乌鲁木齐市的中心城区天山区、沙依巴克区的防震减灾能力均为差,主要是因为这两个城区发展历史最久,人口密度大,老旧房屋及居民自建房的比例及分布均相对较高;而三个防震减灾能力中等的城区中高新区(新市区)与开发区(头屯河区)均是近20年来发展的新区,房屋的设防基础较好;水磨沟区的人口密度相对较低。可以看出防震减灾能力计算结果反映了各城区房屋建筑、人口分布的特点。

2.2 地震灾害风险系数方法

地震灾害风险系数是半定量化指标,其定义为:

式中:SR为地震灾害风险系数;EI为地震灾害综合程度指数,主要反映地震的危害性;PI为减灾能力指数。

表2 各区(县)防震减灾能力计算结果

图1 两种评估方法结果对比简图Fig.1 Comparison map of two different evaluation methods

按照地震风险系数的计算方法,根据各区(县)房屋建筑、生命线工程的震害及人员伤亡程度,在分析其减灾能力及地震灾害承受能力的基础上,评估乌鲁木齐市各区(县)的地震灾害风险,结果见表3及图1(b)。

从表3及图1(b)可以看出,三个距离中心城区较远的区县都属于极高风险区,从灾害程度来看,这三个区也是最重的。这主要是因为灾害综合程序指数重点考虑灾害(人员死亡、建筑物破坏及地震地质灾害)的相对量,这三个区县及水磨沟区是地震灾害相对量严重的主要区域,因此综合灾害程度较高;从减灾能力上看,由于将预测烈度与区县基本烈度的比值作为工程防灾能力的表征指标之一,达坂城区目前的设计基本加速度为0.15g,米东区也经历了从0.15g调整到0.20g的过程,因此在预测地震烈度的背景下考察各区县工程防灾能力,达坂城区最差。从减灾能力来看,中心城区,尤其是天山区、沙依巴克区、高新区(新市区)等在救灾准备、应急处置及社会支持等方面显然优于其他区县。

表3 各区(县)地震灾害风险系数计算结果

3 分析与结论

对比上面的计算和分析结果可以看出:

(1) 不同方法的评估结果不完全协调。如城市防震减灾能力评估方法与地震灾害风险系数法中三个非中心城区均表现出地震灾害风险大、防震减灾能力差的结果;但对天山区、沙依巴克区等中心城区的评估结果不完全一致。采用城市防震减灾能力评估方法,天山区、沙依巴克区的防震减灾能力差;而地震灾害风险系数则显示这两个区的地震灾害风险相对非中心城区低一些。造成这种局面的原因是每种评价方法的侧重点不同,如城市防震减灾能力评估方法注重对地震灾害程度的表述,三个指标中有两个是关于地震灾害本身的;而地震灾害风险指数方法不仅注重地震引起的灾害,同时也考虑了减轻地震灾害的手段与方法。因此反映在评估结果中存在一定的差异;

(2) 从目前评估体系的发展来看,存在指标过细、过全的问题。虽然指标多意味着对影响城市防震减灾能力的各项因素均进行了考虑,但同时也会造成指标难以提取及合理量化的问题。此外,一些指标的主观性较强,选取指标的标准不确定,各指标权重的确定并不完全是定量的过程,需要结合专家的意见和管理者的经验确定,可能造成评估结果的趋势发生变化。这需要在评估体系建设中特别加以注意;

(3) 两种评估方法本身均包括了生命线工程的损失和次生灾害的危险性,如经济损失应包括生命线工程损失,综合地震灾害程度指数中也有生命线工程震害部分,但从目前来看实施起来比较困难。一是生命线系统的基础数据由于专业性较强,管理部门众多,资料来源受到限制,造成评估面临不少困难;二是生命线系统的易损性研究尚在发展阶段,其结果往往是以破坏等级来划分的,指标量化也存在困难。

为提高城市抗御破坏性地震的综合能力,应对地震灾害进行科学管理,真正做到在震前能了解城市的薄弱环节,有预见性地采取各种防范加固和减灾措施。一旦破坏性地震袭击城市,所开展的工作也可以在震时帮助政府进行快速应急响应,在震后迅速向政府提供各种所需的地震灾害信息,促进震区早日恢复正常状态,将地震造成的直接和间接的经济损失降至最小程度。开展城市地震灾害风险评估的研究正是由震后应急处置的被动处置模式向灾前常态准备、事件预警、灾时处置及灾后重建的全过程一体化主动处置模式转变的有效尝试。

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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

中国地震局工程力学研究所科研业务专项(2014B08);新疆地震局基金(201512)

唐丽华(1974-),女,副研究员,主要从事工程地震与地震应急工作。

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