地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系构建

张 莹，尹文刚，郭红梅，何雅枫

（1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.武警警官学院，四川 成都 610213）

地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系构建

张 莹1，尹文刚2，郭红梅1，何雅枫1

（1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.武警警官学院，四川 成都 610213）

针对目前常用的地震灾害人员伤亡评估模型和方法评价指标单一，难以有效体现不同区域人员伤亡的差异等问题，通过归纳总结历史地震案例中造成人员伤亡的原因，提炼出影响地震人员伤亡的主要因素，应用层次分析法构建地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系，为人员伤亡评估方法的改进奠定了基础。

地震灾害；人员伤亡；影响因素；层次分析

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.016

1674-8565（2017）04-0087-08

四川省地震局科技专项（LY1613）；地震应急青年重点任务（CEA_EDEM-201614）

2017-06-12

2017-09-12

张莹（1989-），女，四川省会理县人，2014年毕业于西南交通大学，硕士，助理工程师，现主要从事市县地震应急和地震灾情信息处理等方面的研究工作。E-mail: 179585473@qq.com

0 引言

人员伤亡等地震灾害应急评估是一项应考虑诸多影响因素的非线性复杂问题，实际影响取决于地面运动特征、工程结构特征和人口分布等情况。评估结果准确程度的提高，有赖于全面、综合反映其各方面影响的地震人员伤亡关键影响因素指标体系的建立。

因此，本文通过归纳总结目前常用的地震灾害人员伤亡评估模型和方法，针对现有评估模型和方法中存在的不足，结合历史地震案例中造成人员伤亡的主要原因，分析发震时刻、次生灾害、地形地貌、人口密度等影响人员伤亡的关键因素，对各种因素进行合理的分类和分层设计，建立易于获取、易于量化且可靠的人员伤亡关键影响因素指标体系，为人员伤亡评估方法的改进奠定基础。

1 地震灾害人员伤亡评估常用模型和方法

目前常用的地震灾害人员伤亡评估方法大致可分为两类：一类是不考虑建筑破坏情况，通过回归分析历史震害数据得到的基于地震参数（主要是震级和烈度）的人员伤亡数或伤亡率经验公式，如：

式中，RDj表示烈度为Ij时每单位建筑面积的人员平均死亡率，ρ为人口密度，ND为死亡人数，Aj表示烈度I≥Ij的面积，Imax为灾区内遭受的最大烈度。受伤人数取死亡人数的3倍[1]。

另一类是通过建筑易损性分析得到的基于建筑破坏率的人员伤亡率模型，如：

式中，RD为死亡比，A为房屋毁坏比，可采用震害预测结果。受伤人数取死亡人数的3～5 倍[2]。

其中，基于震级或烈度的经验模型优点是需要输入的参数少，可适应于震后快速评估的需要，但由于各地区的历史强震数据有限，建立的经验公式多是全球尺度或国家尺度，相对宏观，应用到不同区域的准确程度不是很高。基于建筑物易损性分析方法充分考虑建筑物结构类型、抗震设防等级等参数的影响，对地震人员伤亡进行了系统的计算，但需要对地区的建筑进行详细分类和细致调查，而实际的建筑数据收集具有一定难度，难以建立完整详细的建筑数据库，数据精确度的欠缺将影响人员伤亡评估结果的准确性。此外，两类模型在对人员伤亡进行评估时，都未充分考虑除震级和烈度外的其他震情、次生灾害、自然及社会条件等影响人员伤亡的因素，评估指标相对单一，难以有效体现不同区域间人员伤亡的差异。

2 地震灾害人员伤亡影响因素分析

正确认识影响地震灾害人员伤亡的因素，构建综合反映其各方面影响的地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系，是改进现有评估方法不足的基础。

通过分析历史破坏性地震中的人员伤亡案例，可将地震造成人员伤亡的主要原因概括为房屋等建筑物的破坏和倒塌、地震引发的次生灾害、社会环境的破坏三类。其中，不是所有的破坏性地震都会引发次生灾害，且随着经济社会的发展,人类知识素养和医疗技术等社会条件的进步，饥饿、社会动乱等社会环境的破坏现象将会很少发生。根据对1900—1949年、1950—1989年两个时间段全球地震致死人员死因进行的饼状图描述分析，如图1所。

可见在两个时间段内，因建筑物倒塌致死的总人数约均占地震死亡总人数的75%，地震引起的建筑物倒塌是造成人员死亡最直接和最主要的原因。

图1 1900—1949年、1950—1989年间全球地震人员死亡原因饼状图[3]Fig.1 1900-1949, 1950-1989 global earthquake deaths pie chart

而影响地震人员伤亡数量和程度的因素是多方面的，不仅与地震本身的活动强度等特性有关，还与所处的建筑物结构和用途、发震时刻、人口密度和人员在室率等因素相关，是多种因素综合作用的结果。根据对地震造成人员伤亡的原因分析，将影响地震人员伤亡的因素归纳为地震震情因素、次生灾害因素、自然环境因素及经济社会因素，各类因素对人员伤亡的影响分析如下。

2.1 地震震情因素

2.1.1 地震震级

地震震级是表征地震强弱的量度，震级越高地震释放能量越大，由此引发的地震破坏力越强。一般情况下，不同地区地震造成的人员伤亡总数会随震级的增大而增大。

2.1.2 地震烈度

地震烈度是某一地区的地面和各类人工建筑物遭受一次地震影响的强弱程度[4]，作为一种描述地震影响大小的宏观尺度，通常烈度越高的地区，房屋破坏程度越高。如果房屋倒塌率高且倒塌速度快，室内人员逃出户外的几率就越小, 因而人员伤亡数就会有所增加。

2.1.3 震源深度

震级相近的地震，震源深度决定着地震破坏性的强弱，地震释放的能量在传播过程中不断耗损和衰减，震源较深，则能量的耗损和衰减越多，地表烈度就越小，破坏性越弱，人员伤亡就越小；反之，震源浅，地表烈度就越大，破坏性越强，人员伤亡就越大。

2.1.4 发震时间

通常而言，夜晚地震比白天地震造成的人员伤亡大，主要是因为时间决定了人员的行动能力和室内人口密度，在深夜或凌晨时，室内人口密度最高，人们正处于酣睡状态，行动能力较弱，当地震发生后，无法采取及时有效的保护和逃离措施。

2.2 次生灾害因素

地震次生灾害是地面强烈震动后，以震动的破坏后果或以地震发生为导因而引起的一系列其它灾害。表现为工程结构和自然环境破坏而引发的灾害,如火灾、水灾、爆炸、有毒有害物质污染、泥石流、滑坡和瘟疫等对居民生产和生活造成的破坏[5]。在1906年的旧金山大地震中，因煤气管道损坏等原因引发的火灾造成了严重的人员伤亡和财产损失；在2008年的汶川大地震中，滑坡、泥石流等次生地质灾害造成10000人死亡，约占死亡总人数的14.4%。

因此，在破坏性地震的作用下，除因建、构筑物的倒塌和破坏导致人员伤亡外，还经常伴随次生灾害的发生而造成人员伤亡。

2.3 自然环境因素

2.3.1 地形地貌

位于高原、山地等高山深谷的地区由于地形地貌等自然环境的影响，相比平原地区在震后易发生次生地质灾害，其交通条件等也可能对震后人员搜救造成制约。

2.3.2 气候类型

震后如果出现暴雨、冰雹、大风等极端天气也可能造成人员伤亡，并影响救援的开展；震区气温、降雨量等气候因素则可能影响被压埋人员的存活。

2.4 经济社会因素

2.4.1 人口密度

人口密度主要包括室内人口密度和地震区人口密度。在其它条件相同的情况下，人口密度越高，人员伤亡越大；反之，人员伤亡越小。

2.4.2 抗震设防水平

地区抗震设防水平及设防烈度越高，对建筑修建的要求和标准越严格，建筑物抗震性能就越好，震后房屋倒塌和破坏数量越少，人员伤亡就越小，反之，人员伤亡就越大。

2.4.3 区域救援能力

根据生命救援黄金72小时定律，震后救援开始的时间越早，则获救的人员越多，人员伤亡数就会有所减少；同时，救援中的医疗水平和救援队伍组成人员的素质越高、救援能力越强、救援装备越好，被困人员获救的机率就越大，从而人员伤亡数也越少。

2.4.4 公众自救互救能力

在震后第一时间，灾区的幸存者、受轻伤的青壮年及一些救援人员可主动对被困人员提供救助，这种互救首先表现在帮助挖掘或背负被困废墟中的人脱离险境，初期实施的这种自发救助相对难度较低，不需要太多的技巧和工具，虽然资源有限，但救出受困者的可能性较大，人的互助行为在拯救幸存者时可起到十分重要的作用。

除上述因素外，影响地震灾害人员伤亡的因素还有如震区断层性质、地质构造、建筑物结构构件和内部设施情况、人员作业方式、地震时人员所处的周围囤陷环境等[6]。

3 地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系

通过对地震灾害人员伤亡影响因素的分析，可以看出影响地震灾害人员伤亡的因素众多，包括地震震情、次生灾害、自然环境及经济社会等多方面的因素。在建立地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系时，为提炼影响地震灾害人员伤亡的几类关键因素与相关性的定量指标，在底层指标全面的同时，应考虑选取的指标要便于进行定量分析等问题。

3.1 层次分析法基本原理

目前，针对多指标体系构建与分析的方法主要有层次分析法、主成分分析法等。其中，层次分析法（AHP）将决策分析有关的要素分解成目标、准则、指标等层次，在此基础上进行定量和定性分析，能利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，对要素结构复杂且指标需要在经验性判断的基础上进行量化的情况最为适用[7,8]。其指标量化过程如下：

3.1.1 构造判断矩阵

假设以准则层A1为准则，A1的下属指标层为B1，B2，…，Bn，在对调查问卷进行整理、归纳、分析的基础上，按照层次分析法的相对重要性比例标度，可形成如下判断矩阵：

用数值表示Bi相对于Bj的重要性时，通常采用九级标度法[9]，取bij为1，2，3，…，9或它们的倒数。

3.1.2 同一准则下指标相对权重的计算

在同一准则下求指标相对权重，即是计算判断矩阵的最大特征根及其特征向量。记矩阵[bij](n×n)为B，矩阵B的特征根及其特征向量可表示为Bα=λα,可以计算出B的最大特征根λmax及其对应的特征向量α，α为n维向量，将向量α进行归一化处理，n维向量α中的n个元素就是准则层A1下，指标层B1，B2，…，Bn的权重值。详细计算步骤如下：

（1）分别计算判断矩阵[bij]n×n中每行各元素的乘积

（2）计算mi的n次方根

（4）根据特征向量计算矩阵B的最大特征值λmax：

式中，()i为向量的第i个分量。

由于层次分析法所研究客观事物的复杂性，还需通过对判断矩阵的随机性和一致性检验，判断指标权值的合理性，检验公式如下：

式中，CR是判断矩阵随机一致性比率，CI是判断矩阵一致性指标：

λmax为判断矩阵B的最大特征根，m为判断矩阵B的阶数，RI为判断矩阵B的平均随机一致性指标，1-11阶矩阵的RI值如表1所示。

可以看出，广西的金融英语翻译存在不稳定性，也缺乏协调性和一致性，在某些词汇的翻译上，一部分借鉴香港的翻译，然而在某些场合又保留了原有的翻译。

当一致性比率CR＜0.1时，认为判断矩阵B的不一致性在容许范围内，可通过一致性检验，计算出的指标权值具有可靠性；当一致性比率CR＞0.1时，需要对bij加以调整，重新构造判断矩阵B。

表1 判断矩阵平均随机一致性指标[10]

3.2 指标体系构建

影响地震灾害人员伤亡的因素众多，其指标的量化过程需要基于专家经验进行，因此采用层次分析法在前述分析中得出的众多因素中总结出指标大类，分目标层、准则层、指标层构建地震人员伤亡关键影响因素指标体系。目标层为地震人员伤亡关键影响因素；准则层包括地震震情、自然环境、经济社会因素；指标层中包含13个指标。指标体系的详细内容如表2所示。

表2 地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系表

对于震区断层性质、地质构造、场地条件、建筑物结构构件和内部设施情况、人员作业方式等因子，因存在历史地震案例中数据难以收集、难以进行定量分析等问题，因此，在构建地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系，选择指标的过程中暂未加以考虑。

在确定指标体系的层次结构后，为衡量指标层中各因素对人员伤亡影响的大小，需对其进行量化，根据上述层次分析法指标量化过程，基于相对重要性比例标度，对同一准则层下的各指标两两比较构造判断矩阵，计算各指标的权重值，完成由定性指标到定量指标的转化。

3.2.1 地震震情

针对地震震情对人员伤亡影响的大小，确定地震震情准则层下地震震级、地震烈度、震源深度、发震时间四个指标的权重，根据专家意见应用层次分析法构造的判断矩阵如下。

表3 地震震情指标判断矩阵

计算出判断矩阵的最大特征向量为：

即地形地貌下各因素指标权重值，根据判断矩阵和其最大特征向量计算最大特征值λmax：

通过最大特征值对判断矩阵进行一致性检验：

3.2.2 自然环境

针对自然环境对人员伤亡影响的大小，确定自然环境准则层下地形地貌、极端天气、次生地质灾害覆盖率三个指标的权重，根据专家意见应用层次分析法构造的判断矩阵如下。

表4 自然环境指标判断矩阵

计算出判断矩阵的最大特征向量为：

即断层性质下各因素指标权重值，根据判断矩阵和其最大特征向量计算最大特征值λmax：

通过最大特征值对判断矩阵进行一致性检验：

CR= 0.0516 ＜ 0.1，可见该判断矩阵满足一致性要求，权重计算结果具有可靠性。

3.2.3 社会环境

针对社会环境对人员伤亡影响的大小，确定社会环境准则层下人口密度、建筑物抗震性能、震时人员在室率、重大危险源密度、区域紧急救助能力、物资储备六个指标的权重，根据专家意见应用层次分析法构造的判断矩阵如下：

表5 社会环境指标判断矩阵

计算出判断矩阵的最大特征向量为：

即地震震级下各因素指标权重值，根据判断矩阵和其最大特征向量计算最大特征值λmax：

通过最大特征值对判断矩阵进行一致性检验：

CR=0.0976＜0.1，可见该判断矩阵满足一致性要求，权重计算结果具有可靠性。

通过上述量化过程，地震人员伤亡关键影响因素指标体系各指标量化结果如下表所示：

表6 地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系指标权重表

根据指标量化结果的大小，对各指标进行排序，如图2所示：

图2 地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系指标权重图Fig.2 Index weight of earthquake casualties key affecting factors index system

通过计算人员伤亡关键影响因素指标体系中各指标的权重值，可衡量出各因素对人员伤亡影响的大小。为减少信息冗余和指标体系多因素对人员伤亡评估模型统计回归的影响，同时考虑指标体系中的关键因素信息，在解决现有地震人员伤亡评估模型和方法评价指标单一等问题时，可选择权重值排序靠前的地震震级、人口密度、地震烈度、建筑物抗震性能、发震时间等因素作为主要影响指标，考虑其他因素对模型评估结果的修正。

根据上述指标体系及解决思路，对现有评估模型进行了初步的改进，基于收集整理的四川地区2001—2015年间发生的22例5级以上破坏性地震死亡人数统计数据，得出评估及改进后死亡人数与实际死亡人数对比折线图如图3所示。

图3 评估及改进后死亡人数与实际死亡人数对比折线图Fig.3 Assessment and the improved death compared with the actual death toll line chart

结果显示，除汶川8.0级地震评估及改进后结果与实际值偏差较大外，震级从5.0～6.0级的地震死亡人数评估结果与实际死亡人数均较为接近或相同，震级从6.0～7.0级的地震死亡人数评估结果总体比实际死亡人数偏小，通过基于地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系，对模型进行初步改进后的死亡人数评估值总体与实际值更为接近，表明本文构建的地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系具有一定的可靠性。

4 结论与建议

本文基于对历史地震案例中地震灾害人员伤亡影响因素的分析，将造成人员伤亡的原因归纳为地震震情、次生灾害、自然环境和经济社会因素四大类。应用层次分析法对各种因素进行整合，构建了以地震灾害人员伤亡关键影响因素为目标，地震震情、自然环境、社会环境为准则，地震震级、地震烈度、震源深度、发震时间等13个因素为指标的地震灾害人员伤亡关键影响因素指标体系，对指标层中的各指标进行了量化，衡量了不同因素对地震灾害人员伤亡影响的大小，并通过初步的实际应用验证了指标体系具有一定可靠性。为改进目前常用的地震人员伤亡评估模型和方法评价指标单一，难以有效体现不同区域人员伤亡的差异等问题提供了科学依据。但影响地震灾害人员伤亡的因素众多，除指标体系中列出的因素外，还包括震区断层性质、地质构造、场地条件、建筑物结构构件和内部设施情况、人员作业方式等因子，如何引入这些因素并加以科学量化仍是后续需要进一步研究的内容。

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The Construction of Earthquake Disaster Casualties Key Influence Factors Index System

ZHANG Ying1, YIN Wen-gang2, GUO Hong-mei1, HE Ya-feng1

（1. Earthquake Administration of Sichuan Province , Sichuan Chengdu 610041,China;2. College of Armed Police Officer, Sichuan Chengdu 610213, China）

In view of the current commonly used earthquake casualty assessment model and method to evaluate the single,it is difficult to effectively reflect the differences in regional personnel casualties and other issues or deficiencies, through make summary the cause of historical earthquake casualties,extracting the earthquake casualties’ mainaffecting factors, thenapply analytic hierarchy process to construct earthquake disaster casualties key influence factors index system,which lay the foundation for improving personnel casualty assessment method.

earthquake disaster; casualties; influence factor; analytic hierarchy process