基于GIS的农村震害分析及抗震能力评价研究——以山东省为例

马银，单宝艳，史同广，李兵

（山东建筑大学测绘地理信息学院，山东济南250101）

0 引言

地震即通常所说的地动或者地振动，是由地壳快速释放能量时产生的振动。地震作为21世纪破坏性最大的自然灾害，其突发性和巨大的破坏性对建筑物、经济、人员的影响更加显著和深远［1］。近年来，我国地壳较活跃，地震频发，相对于城市地区，由于农村地区防震意识薄弱、建筑抗震性能较低、经济发展水平落后等原因，其抗震能力较弱，震时人员伤亡和经济损失均较为严重［2-5］，农村地震成为政府部门及研究人员关注的焦点。

目前对于农村地震的研究主要包括：农村抗震性能及脆弱性研究、震时经济损失和人口伤亡预测、防震减灾对策研究等。其中，李萍等利用灰色层分析与灰聚类相结合的方法，在建立农居抗震性能评价指标体系的基础上，构建了农居抗震性能评价模型［5］；农村地震脆弱性研究是基于问卷调查和现场访谈等方法进行的，发现农村地区的民众地震灾害认知与响应能力较低，农村地震脆弱性整体偏高［1，6］；震时经济损失的评估模型主要有：HAZUSMH评估模型［7］、生命线工程地震直接经济损失分析模型［8］、基于震级的评估模型、基于震中烈度与震级的评估模型等［9］，震时人员伤亡的评估模型主要包括：基于地震参数的经验模型［10-12］、基于历史资料的震害矩阵经验模型［13］、基于性能的易损性分析模型［14］、基于最优化方法的经验模型［15］和基于时间序列的动态模型［16］；建筑物结构加固［17］、发展经济提高农民收入和提高民众的防灾意识是防震减灾的主要对策［1］。国内外学者对农村抗震做了大量实验和分析，但是以县、镇为单位预测震时人员伤亡及经济损失、研究农村抗震能力应用模型的相对较少。山东省陆地及周围海域共分布有6条地震带，位于山东省中部的郯庐地震带和西部的聊考地震带对山东影响较大，且山东省地质条件复杂，农村地区所占比例较高，分析农村震害并研究其抗震防灾能力，是制定可行的抗震防灾措施的基础和前提，所以研究山东农村地区震害和抗震问题具有重要现实意义。

文章以山东的县、镇为研究单元，采用GIS空间分析方法和数学模型，分析震时人口伤亡和经济损失的影响因素并进行了预测，对震时损失区域性进行空间分析，并选取农村建筑结构类型、经济状况和人口年龄结构比例等指标，对山东农村进行了抗震性能综合评价，对应分析了山东各镇抗震性能和经济、人口损失的空间关系，对编制山东省抗震防灾规划、统筹利用防灾减灾资源、制定相应抗震措施具有借鉴意义。

1 山东农村地震人员伤亡及经济损失评估

山东省是国家的人口、经济大省，据2017年统计年鉴数据［18］可知：山东省总人口达到9947万人，经济总产值达到67008.19亿元。山东省作为一个人口众多、经济较发达且地震多发的省份，预测震时人口伤亡和经济损失值对于编制相关防震文件、调度防灾资源、尽最大可能减少震时损失具有积极的意义。

1.1 地震人员伤亡评估模型

1.1.1 基于地震烈度的地震人员伤亡评估模型

陈尧研究认为［19］，随震中烈度增加，地震造成的平均死亡人数也相应增加，即地震造成的平均死亡人数与震中烈度成正相关，震中烈度越大，震时平均死亡人数越多。死亡人数均值变化区间相对较大，不方便统计。利用死亡人数均值的自然对数进行分析计算，拟合得到基于震中烈度的震时平均死亡人数数学模型，由式（1）表示为

式中：PM为地震平均死亡人数；i为震中基本烈度。

文章以乡镇为研究尺度，根据第五代《中国地震动参数区划图》获取山东省各个乡镇对应的地震基本烈度，山东县（市）级边界数据来源于山东天地图（http：／／www.sdmap.gov.cn／page／ResourceCenter.html），以下所用山东县（市）级边界数据均来源于此。根据式（1）预测山东各乡镇的地震平均死亡人数，并运用ArcGIS做空间分布分析，分析结果如图1所示。

图1 基于地震烈度预测的山东各乡镇地震人口伤亡分布图

由图1可知，基于地震烈度预测的山东各乡镇地震人员伤亡可分为4类：第一类人口伤亡数为0，即如果地震基本烈度≤6度，则几乎不造成人员伤亡。山东地震烈度为6度的乡镇约占全省乡镇总数的21%，主要分布在烟台南部、威海南部、滨州、济南和德州市；第二类人口伤亡数为1～4人，其对应的地震基本烈度为7和7.5度，若发生地震烈度约为7.5度的地震时，伤亡人数相对较少，第二类乡镇的数量约占全省乡镇总数的66%，主要分布在山东西部和中部地区；第三类地震基本烈度为8度的乡镇人口伤亡预估数量，伤亡人数5～16人，其乡镇数量约占全省乡镇总数的11%，主要分布在潍坊南部和临沂东部地区；第四类地震基本烈度为8.5度的乡镇，如青云镇、大店镇、冷泉镇、板泉镇和道口镇，此类乡镇震时的伤亡人口数约为62人，人员伤亡相对较多。

1.1.2 基于地震烈度和人口密度的地震人员伤亡评估模型

除地震烈度外，人口密度也是地震人口伤亡的重要影响因素［19］。人口密度对地震人口伤亡数量评估模型的影响，可以通过加入人口密度的修正系数对震中烈度的震中人口伤亡评估模型式（1）进一步的完善和修正。陈尧统计了37次历史地震数据，获得人口密度的影响系数，通过回归分析、拟合分析等方法，得到震中死亡人数和人口密度之间的关系，定义了人口密度的修正系数Fp，即人口密度修正系数由式（2）［19］表示为

式中：Fp为人口密度修正系数；p为震区的人口密度。

联合式（1）、（2）得到基于震中烈度和人口密度的震中伤亡人数P的数学模型，由式（3）表示为

式中：P为震中伤亡人口数；PM为基于地震烈度的人口伤亡数。

经验证，式（3）预测结果与实际地震人口伤亡结果之间的误差在允许范围内［19］。以山东各乡镇为研究单元，利用式（3）预测各乡镇震时人口伤亡数量，并运用ArcGIS做空间分布分析，分析结果如图2所示。

由图2可以看出，基于地震烈度和人口密度预测的山东各乡镇地震人员伤亡分为4类：伤亡人数为45～245人的第四类乡镇约占全省乡镇总数的20%，主要分布在山东中部和西部地区，包括潍坊东部、临沂大部分地区、聊城和菏泽西部地区，其分布与郯庐地震带、聊考地震带分布基本一致；伤亡人数为13～44人的第三类主要分布在郯庐地震带和聊考地震带周围，乡镇数量约占全省乡镇总数的30%；伤亡人数为5～12人的第二类乡镇在山东省分布较广，主要分布在泰安、济宁、淄博和枣庄北部等地区；伤亡人数为0～4人的第一类乡镇主要分布在半岛地区、济南、滨州、东营和聊城北部地区。可见，山东境内的郯庐地震带和聊考地震带震时人口伤亡严重。

综合以上2种方法的预测结果可知，临沂东部、日照西部、潍坊南部、聊城南部和菏泽市西部是震时人口伤亡惨重地区，应引起高度重视，通过加固房屋和提高民众抗震意识切实增强农村抗震能力；威海南部、烟台南部、德州北部、东营、滨州和济南是震时人口伤亡较轻的城市。

图2 基于地震烈度和人口密度预测的山东各乡镇震时人口伤亡分布图

1.2 地震经济损失评估模型

地震发生会造成房屋倒塌、基础设施受损等多方面经济损失，严重的受灾地区灾后重建也将承受巨大的压力。因此，快速而准确的地震经济损失评估对于整个抗震救灾工作至关重要，主要表现在（1）地震经济损失评估数据可以作为国家管理部门应急指挥决策的依据，同时也便于政府部门快速合理的分配和调动救灾物资；（2）准确的地震经济损失评估为灾后重建提供第一手重要资料；（3）准确快速评估地震经济损失对于受灾区的社会秩序至关重要。

陈尧等对地震直接经济损失的快速评估方法进行了详细研究［9］，研究者对261次地震数据进行处理，包括对各地震按不同的烈度进行分类、对经济损失取对数、计算各地震烈度下经济损失对数的算术平均值及标准差、对概率分布进行研究等，再利用最小二乘法拟合得到地震经济损失的对数和震中烈度之间的函数关系，则地震经济损失数学模型，由式（4）表示为［9］

式中：E为地震经济损失，万元。

文章以乡镇为研究尺度，根据第五代《中国地震动参数区划图》，利用式（4）预测山东各乡镇的经济损失，并运用ArcGIS做空间分布分析，分析结果如图3所示。

图3 基于地震烈度预测的山东省地震经济损失分布图

从图3可知，基于地震烈度预测的山东省地震经济损失分为4类：震时经济损失较严重的地区主要分布在山东中部和西部，包括潍坊东部、临沂大部分地区、聊城和菏泽西部地区，其经济损失区间为31790.70～222197.93万元，此类乡镇数量约占全省乡镇总数的20%，且分布与郯庐地震带和聊考地震带基本一致；经济损失12024.87～31790.69万元的第三类乡镇主要分布在郯庐地震带和聊考地震带的周围，数量约占全省乡镇总数的30%；经济损失1720.45～12024.86万元的第二类乡镇在全省分布较广，主要分布在泰安、济宁和枣庄北部等地区，约占全省乡镇总数40%；经济损失约为1720.44万元的第一类主要分布在半岛地区、济南、滨州、东营和聊城北部地区。可见，山东境内的郯庐地震带和聊考地震带及2个地震带周围地区的地震经济损失较为严重。

2 山东省农村抗震防灾能力综合评价

一个地区的抗震能力往往取决于多种因素，抗震能力的计算分析可以折射出山东省整体农村抗震防灾水平，为提高农村抗震能力提供数据基础。

2.1 农村抗震防灾能力综合评价指标构建

农村抗震能力是指农村地区的经济发展水平、医疗水平、房屋建筑类型、人口年龄段分布、基础设施建设情况等因素应对地震发生的能力及震后自救、恢复重建的能力。农村抗震能力受多种因素影响，且对抗震能力的影响程度不同，因此应选取对抗震能力影响较大的因素作为研究指标，并根据影响力大小赋予相应权重，构建数学模型计算各县区的抗震能力。经过对山东省农村地区的研究分析，文章分别从建筑类型、人口和经济等3个方面选取指标研究山东农村抗震防灾能力。

山东农村地区房屋多数由当地施工队自行建造，在建造过程中受到当地经济发展水平、生活居住习惯、风俗习惯等因素的影响，没有统一的建筑标准和严格的验收要求，因此很多农村房屋达不到建筑抗震要求。自建房屋在结构类型、圈梁结构、开窗大小、施工材料等方面都具有一定的地域特点，不同类型、材料农居的抗震能力也存在差异，而房屋类型是农村抗震能力大小的主要影响因素，因此文章选取“建筑类型比例”作为山东省农村抗震防灾能力建筑物指标。在人口因素方面，不同年龄段的人口对于抗震能力的影响也存在差异，年幼的孩子和年迈的老人在地震发生时逃震的能力较中青年较差，中青年在震后救援和震后重建中都起到了至关重要的作用。综上可知，中青年的比例是影响农村抗震防灾能力强弱的重要因素，则选取“14～65岁人口比例”作为山东省农村抗震防灾能力人口指标。地区经济发展水平往往影响该地区的房屋建造、人口比例、医疗水平、基础公共设施建设、救灾物资的储备等方面，同时经济水平还与地震灾后救援和地震灾后重建息息相关，选取“人均收入”作为农村抗震防灾能力经济指标，评价指标的部分结果，见表1。

表1 山东农村抗震防灾综合评价指标表

2.2 数据获取

人口数据来源于“第六次人口普查数据”，并根据《山东统计年鉴—2016》［20］的人口数据做了对应比例修正，同时计算了14～65岁人口数占总人口数的比例，作为评价指标。经济数据来源于《山东统计年鉴—2016》［20］。山东省农村建筑类型比例是通过克里金插值法获得，其是基于包含自相关统计模型的插值方法，是用空间上所有已知点的数据加权求和来估计未知点的值。有关学者对山东农居建筑类型进行了调查研究，选取31个县（市）进行了农居建筑结构调研［21］，调研选取的31个县（市）的位置在全省分布相对均匀，具有一定的代表性。采用其调研基础数据，计算所调研31个县的各类建筑类型比例，所得比例数据作为克里金插值的已知数据，插值出山东省其他乡镇的建筑物比例数据，如表1所示。山东农村建筑结构类型主要有砖混结构、砖木结构、生土结构和石木结构，根据《地震现场工作大纲和技术指南》、国家建筑破坏等级划分标准和相关研究成果，并向专家发出调查问卷，得出4类建筑结构中，砖混结构建筑在各烈度下抗震性能较强，因此选择“砖混结构比例”作为山东农村建筑抗震指标。

2.3 数据标准化处理

文章所选的“砖混比例”、“人均收入”、“14～65岁人口比例”数据度量单位不同，应对数据进行标准化处理，文章采用标准差标准化方法进行处理，采用MATLAB中ZSCORE函数进行计算。标准差标准化由式（5）表示为

式中：X′ij为标准化处理后的新数据；Xij为原始数据；为原数据中的列平均值；Sj为原数据中的列标准差。

2.4 山东农村抗震防灾能力评价

首先采用专家打分法获取抗震评价指标权重，其中砖混比例权重为0.5，人均收入权重为0.3，14～65岁人口比例权重为0.2，则山东省农村地区综合抗震能力由式（6）表示为

式中：K为综合抗震能力；Z为砖混比例标准化后的数据；S为人均收入标准化后的数据；R为14～65岁比例标准化后的数据。运用式（6）计算所得山东各县（市、区）农村抗震防灾能力，其部分结果见表2，总抗震能力数值越大，表明抵御地震能力越强；数值越小，表明抵御地震能力越弱。运用ArcGIS进行空间分布分析，分析结果示意图如图4所示。

表2 山东各县（市、区）农村抗震防灾能力评价结果表

图4 山东农村抗震防灾能力空间分布图

见表2和如图4所示，广饶县、东营区、张店区、垦利县、文登市5个县（市、区）的总抗震能力＞1，抵御地震能力较强；沂南县、莒南县、蒙阴县、莒县、胶南市、临沭县等10个县（市、区）总抗震能力＜-1，抵御地震的能力较弱；其他县（市、区）的总抗震能力在-1～1之间，抵御地震的能力居中。以设区市为尺度分析可知：东营、淄博、威海的抗震能力较强；烟台和临沂抗震能力较弱，尤其是位于郯庐地震带上的临沂市有5个县的总抗震能力＜-1，即临沂市不但发震率高，其自身的抗震能力也较其他城市弱，因此发震率高且抗震能力较弱的地区要注意加强抗震防范，通过加固建筑物、发展经济、调整人口结构等措施提高抗震能力。

3 山东农村震害损失与抗震防灾能力耦合分析

根据上述山东省农村地区地震人口伤亡和经济损失评估结果，分别对伤亡人数及经济损失预测数据做归一化处理，然后将两者的归一化处理结果相加得到震害综合损失数据，并将结果从大到小排序，采用三分位数方法进行分类，分别对应震害损失较重、损失适中和损失较轻。同样，对上述抗震防灾能力综合评价结果从大到小排序，采用三分位数方法进行分类，分别对应抗震能力较强、抗震能力适中和抗震能力较弱。运用ArcGIS软件对震害损失与抗震防灾能力进行空间定位和空间分布分析，分析结果如图5所示。

图5 山东农村抗震防灾能力与震害损失空间分布图

如图5所示，抗震能力较弱——损失较重的266个乡镇主要位于临沂大部分地区、枣庄东北部、日照西北部和菏泽西北部，应该引起高度关注，大力提高其抗震防灾综合能力；抗震能力适中——损失较重的152个乡镇主要位于菏泽北部、聊城东部和潍坊西部，应引起重点关注，尽力提高其抗震防灾能力；抗震能力较强——损失较重的158个乡镇主要位于潍坊东部和青岛西部，抗震能力较弱——损失适中的157个乡镇主要位于莱芜、泰安东南部、菏泽东南部、枣庄南部和日照南部，此类地区也应引起积极关注；抗震能力较强——损失适中的185个乡镇主要位于淄博西部、威海北部、潍坊西北部，抗震能力适中——损失较轻的175个乡镇主要位于威海西南部、济宁南部和德州北部，也应引起一定关注；抗震能力适中——损失较轻的154个乡镇、抗震能力较弱——损失较轻的172个乡镇，也应适当关注；抗震能力较强——损失较轻的245个乡镇主要位于济南、滨州、东营和威海市，其农村抗震防灾压力相对较小。

4 结论

通过上述研究可知：

（1）山东农村震时人口伤亡和经济损失区域差异明显，人口伤亡与经济损失分布在空间上具有一致性，震时经济损失较大的地区同时也是震时人口伤亡较多的地区，郯庐地震带和聊考地震带及周边地区震时人口伤亡和经济损失惨重，尤其是临沂东部、聊城西部和菏泽西部，此类地区要提高警惕，增强抗震防灾意识，切实提高抗震防灾能力；烟台南部、威海南部、济南、滨州等地区震时人口伤亡和经济损失相对较轻。

（2）山东省各县（市、区）综合抗震能力存在明显地域差异，抗震能力较强的县（市、区）主要位于东营、滨州和威海，其中东营区、广饶县、张店区、垦利县、文登市的总抗震能力＞1，抗震能力较强；抗震能力较弱的县（市、区）主要位于临沂、烟台和菏泽市，其中沂南县、蒙阴县、莒县等10个县的总抗震能力＜-1，抗震能力最弱；其他地区的抗震能力介于-1～1之间，抗震能力适中。

（3）山东省农村震害预测损失与抗震防灾能力耦合关系空间分布中，抗震防灾综合能力较弱且震时预测损失较重的乡镇主要位于山东境内的郯庐地震带南部和聊考地震带西北部，其中，临沂市的大部分地区、日照市西北部更应引起高度重视，采取有力措施，大力提高其抗震防灾综合能力；威海市南部、东营市、滨州市和济南市是抗震能力较强且震时损失较轻的地区，其农村抗震防灾形势比较乐观。相关部门应根据震时损失预测和抗震防灾能力的耦合关系采取不同的抗震防灾政策和措施。

参考文献：

［1］魏本勇，苏桂武，齐文华，等.云南宁洱地震灾区农村家庭生计脆弱性分析［J］.地震地质，2017，39（1）：158-171.

［2］姚新强.天津农居易损性与抗震能力分布研究［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研所，2016.

［3］张守洁，朱泽，哈辉，等.我国农村震害及农居地震安全工程典型案例分析［J］.地震工程学报，2013，35（4）：936-944.

［4］何申海，王秋良，龚平，等.十堰市农村房屋震害预测研究［J］.地震工程学报，2017，39（s1）：195-201.

［5］李萍，高惠瑛，孙海.基于灰色层次分析法与灰聚类相结合的农居抗震性能评价［J］.世界地震工程，2014，30（3）：163-168.

［6］薛界兰，文彦君，李彪，等.基于认知与响应的宝鸡地区农村民众地震灾害脆弱性研究［J］.江西农业学报，2017，29（3）：130-134.

［7］杨妍，李霖.中外两种地震灾害经济损失评估模型比较研究［J］.国际地震动态，2016（7）：27-31.

［8］张桂欣，孙柏涛，陈相兆.分区分类的生命线工程地震直接经济损失研究［J］.地震，2017，37（4）：69-79.

［9］陈尧，林均岐，刘金龙，等.地震直接经济损失快速评估方法研究［J］.世界地震工程，2017，33（1）：188-193.

［10］Chen Q F，Hongliang M I，Huang J.A simplified approach to earthquake risk in Mainland China［J］. Pure＆ Applied Geophysics，2005，162（6-7）：1255-1269.

［11］Samardjieva E.Estimation of the expected number of casualties caused by strong earthquakes［J］.Bulletin of the Seismological Society of America，2002，92（6）：2310-2322.

［12］刘吉夫，陈颙，史培军，等.中国大陆地震风险分析模型研究（Ⅱ）：生命易损性模型［J］.北京师范大学学报（自然科学版），2009，45（4）：404-407.

［13］何玉林，黎大虎，范开红，等.四川省房屋建筑易损性研究［J］.中国地震，2002，18（1）：52-58.

［14］Molina S，Lang D H，Lindholm C D.SELENA-An open-source tool for seismic risk and loss assessment using a logic tree computation procedure［J］.Computers＆Geosciences，2010，36（3）：257-269.

［15］Jaiswal K S，Wald D J.An empiricalmodel for global earthquake fatality estimation［J］.Earthquake Spectra，2010，26（26）：1017-1037.

［16］Li Y C，Wu Z L，Zhao Y Z.Estimating the number of casualties in earthquakes from early field reports and improving the estimate with time［J］.Natural Hazards，2011，56（3）：699-708.

［17］姚新强.天津地区典型农居抗震能力评价与防震减灾对策［J］.城市与减灾，2017（6）：50-57.

［18］山东省统计局.山东统计年鉴2017［M］.北京：中国统计出版社，2017.

［19］陈尧.破坏性地震人员伤亡快速评估方法研究［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2015.

［20］山东省统计局.山东统计年鉴2016［M］.北京：中国统计出版社，2016.

［21］王召进.山东省村镇建筑抗震能力分析及抗震措施研究［D］.济南：山东建筑大学，2015.