张家口地区精细化地震灾害风险评估1

李 姜 张 合 刘志辉

1）河北省地震局，石家庄 050021

2）河北省地震动力学重点实验室，河北三河 065201

引言

近年来，随着城镇现代化程度的提高，所面临的地震灾害风险日益严重。早期主要针对地震危险性分析对地震灾害进行研究，引入风险管理理论后，逐步将地震灾害研究内容拓宽，综合评估地震灾害风险，并形成HUZUS 等较成熟的震害评估系统（Schneider 等，2006）。国际上通过选取风险指标、灾害暴露量和脆弱性指标，采用定量或定量与定性结合的方法开展风险评估。美国地震工程研究所认为，地震风险性是地震危险性、易损性和承灾体暴露性三者的乘积（Silva 等，2014）。

国内地震灾害风险评估研究工作起步较晚，聂高众等（2002）对我国地震灾害风险构成进行了论述；张春山等（2004）将泥石流灾害风险分析分为危险性、易损性、破坏损失和防止工程4 个方面进行评价；周寅康（1995）探讨了将自然灾害与风险区价值及抗灾性能作为整体进行风险评价的理论和方法。

目前，自然灾害风险评估主要有3 种方法，包括指标体系法（肖凯灵，2011）、情景建模法和风险概率法（吕大刚等，2013；李昌珑等，2019），其中基于指标体系的风险模型构建与评估是目前应用最广泛的方法。而地震灾害风险评价多围绕地震危险性、脆弱性（易损性、承载能力)、暴露量、救灾能力等方面进行（唐丽华等，2016）。指标权重确定方法主要包括专家打分法、层次分析法（AHP）、专家直观判断法、权值因子判断表法。通过不同方法对风险指标进行量化，建立的地震灾害风险评估体系向复杂化、精细化方向发展，在地震灾害、应急救援能力等指标上表现尤其明显（丁香等，2011；李皓等，2018；明小娜等，2018；侯林锋等，2019；赵真等，2020），但对人、建筑物等社会属性的研究相对较少，精细化程度有待进一步提高。

本文从地震灾害、建筑物、人口、经济、抗震救灾等多方面出发，利用自然灾害指数法建立评价指标体系，将自然属性与社会属性进行有效结合，对地震危险性、建筑物抗震性能进行详细分析，更加准确地得到评估指标，以中小尺度-县级市为评估单元，对张家口地区16 个区县进行精细化地震灾害风险评估，从而为制定防震减灾规划提供参考。

1 地震灾害风险评估指标体系构建

1.1 评估模型选择与构建原则

通过分析总结国内外自然灾害风险评估方法可知，选取危险性、易损性和承灾体暴露性等指标建立地震灾害风险评估指标体系更贴合实际。通过对城镇成灾机理与地震灾害影响进行分析，提出地震危险性、暴露性、脆弱性和抗震救灾能力为影响城镇地震灾害风险水平的4 个因素。

1.2 指标确定

恰当地选择评价指标对准确客观评价地震灾害风险具有重要意义。本文指标的选取借鉴城市自然灾害综合风险评估、美洲计划等国内外多种灾害风险评估指标体系，结合地震灾害特点、研究区域时空尺度特点及相关专家意见，通过综合分析、筛选得到精细化城镇地震灾害风险评价指标体系如图1 所示，其指标含义与解释如表1 所示。

表1 张家口地区地震灾害风险评估指标体系解释Table 1 Interpretation of index system of earthquake disaster risk assessment in Zhangjiakou area

1.3 城镇地震灾害风险划分

为评估风险，需要对风险程度进行等级划分。本文根据城镇地震灾害风险指数，将风险程度划分为5 级，分别为低、较低、中、较高和高风险。一般情况下，低风险可能造成很低的损失值；较低风险可能造成较轻的损失值；中风险可能造成一般的损失值；较高风险可能造成较高的损失值；高风险可能造成严重的损失值。

1.4 确定指标权重

由图1 可以看出，4 个影响因素影响程度不尽相同，每个因素下细分了若干指标，每个指标对每个因素的影响程度不同。因此，确定指标权重对计算城镇地震灾害风险指数非常重要。考虑专家打分法与层次分析法在定量分析与客观判断上具有较多优越性，本文采用专家打分法和层次分析法相结合的方式（专家-层次分析法）确定权重，具体步骤如下（杜栋等，2008）：

图1 城镇地震灾害风险评价指标Fig. 1 Urban earthquake disaster risk assessment index

（1）构造层次分析结构

建立树状层次结构模型，根据元素间的相互关系和隶属关系，对元素进行分组，同一层次的元素支配下一层次的元素，同时又被上一层次的元素所支配。

（2）构造判断矩阵

对各层n个元素进行两两比较，得到比较判断矩阵C=(Cxy)n×n。 其中Cxy表示元素x和y相对于目标的重要值。为将决策量化，需要根据一定的比例标度进行量化判断，常用的定量方法为1-9 标度法，如表2 所示。

表2 判断矩阵标度及其含义Table 2 The scale of judgment matrix and its meaning

（3）专家打分

按照指标体系分层次编制调查问卷，向10 位工程地震、地震地质、地球物理、社会科学等不同专业领域专家发放调查问卷，并附上判断矩阵标度表，专家根据表2 并结合自己的专业知识打分。分析汇总专家意见，将统计结果反馈给专家，专家再根据反馈结果修正自己的意见，经过多轮咨询和反馈，最终得出分析结论。

（4）矩阵一致性检验

收集问卷后，对问卷结果一致性进行检验，剔除不一致的数据，然后采用加权平均法得到剩余问卷结果的判断矩阵。

（5）权重确定

获得判断矩阵后，根据判断矩阵计算权重，具体方法如下：

①按式（1）将判断矩阵每一列正规化：

W即为所求特征向量，特征向量W1,W2, …,Wn为对应因素的权重。最终得出城镇地震灾害风险评价指标权重，如表3 所示。

表3 城镇地震灾害风险评价指标权重Table 3 Index weight of urban earthquake disaster risk assessment

1.5 城镇地震灾害风险评价模型的建立

构建城镇地震灾害风险评价模型：

式中，ICEDRI为城镇地震灾害风险指数，Dh、De、Dv、Dc分别为城镇地震灾害危险性、暴露性、脆弱性和防震减灾能力的大小，A为各评价指标量化值，W为各评价指标权重系数。

由于各评价指标量化值单位不统一，无法直接计算，因此需对各指标量化值进行无量纲化，计算公式如下:

式中，Aij与Aij相应表示j城镇中指数i的量化值和原始值，Aimaxj表示指数i在所有城镇中的最大值。

对比指标权重最终结果与相关文献指标权重结果（肖凯灵，2011；侯林锋等，2019）发现，地震危险性系数略有降低，但指标权重分配基本类似，符合数据本身代表的实际现象，体系构建具有合理性。通过对指标体系的分析可知，地震危险性分析对指标权重结果的影响较大，决定了该地区发生地震的可能性，地震风险评估需要依赖地震危险性研究结果；建筑物脆弱性分析是地震风险评估中不可或缺的环节，结合张家口地区建筑物数据和建筑物抗震性能分析，可将建筑物受灾程度进行量化分析。

2 地震危险性分析

我国在地震灾害损失评估和地震灾害风险评价方面已形成较系统的理论和方法，特别是第五代《中国地震烈度区划图及使用规定》的编制，使地震灾害风险评估技术日趋完善（李津津等，2017）。采用地震危险性概率分析法，对影响张家口地区地震安全性的潜在震源区、地震活动性参数进行确定，并采用适用于本地区的地震动衰减关系进行地震危险性分析。地震危险性资料来源于《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2016）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）。张家口及周围区域按0.2°×0.2°取225 个控制点进行计算，考虑张家口地区工程场地为非基岩场地，因此采用五代图的转换方法，计算平均场地（二类场地）地震动峰值加速度区划图 （50 年超越概率10%），如图2 所示，计算结果如表4 所示。

表4 张家口地区地震动参数（地震强度）Table 4 Parameter table of ground motion parameters (earthquake intensity) in Zhangjiakou area

图2 张家口地区地震动参数区域划分图Fig. 2 Regional division of ground motion parameters in Zhangjiakou area

3 建筑物脆弱性指标

地震风险评估体系中脆弱性是指人类社会在面对地震灾害时的承受能力。建筑物脆弱性是指建筑物在面对地震灾害时的承受能力，建筑物抗震性能情况为衡量指标。为准确得到建筑物脆弱性指标，本文开展了广泛调查，对张家口地区建筑物抗震性能现状进行深入研究。

3.1 调查点设置及调查内容

为确保调查结果能真实反映张家口地区城镇建筑物抗震性能现状，使结果能在地震风险评估体系中有效使用，依据张家口行政区划设置调查点。张家口现有16 个县（区），其中桥西区、桥东区、下花园区和宣化区的一部分是张家口市区所在地，因其建筑物多样性且经济较发达，将建筑物抗震性能均设为较好；剩余13 个县（区）共有232 个乡镇，每个乡镇随机选取1～3 点进行调查，且保证调查点在每个乡镇均匀分布，本次调查共选取630 个调查点。调查包括初步调查和普查2 种形式，对各调查点可能影响抗震性能分析的因素进行详细调查，主要包括调查点地形地貌、场地条件和各类结构占比等，形成建筑物抗震性能调查表（刘晓丹等，2019）。

3.2 建（构）筑物抗震性能指数的确定与计算

房屋结构分为砖混结构、砖木结构、土木结构、土坯结构4 种，具体分类地段参考《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）。本文以调查得到的数据为基础，结合已有城镇房屋震害经验及城镇房屋抗震性能研究方法，对张家口地区城镇房屋抗震性能进行评价（吕国军等，2016）。以县为基本评价单元，通过抗震性能指数表示每个评价单元建筑物抗震性能。

区域建筑物抗震性能分析是群体建筑分析，考虑张家口地区城镇房屋结构类型特点，采用半经验半理论判定法进行抗震性能评估（刘龙等，2019），具体计算公式如下：

式中，P为评价单元抗震性能指数；JG(i)，i=1，2，3，4分别代表表5 中砖混结构、砖木结构、土木结构、土坯结构对应的参数值；Cd(j)，j=1，2，3，4分别代表表6 中有利地段、一般地段、不利地段和危险地段对应的参数值；Cs(k)，k=1，2分别代表表7 中有措施和无措施对应的参数值；Ds(j)，j=1，2，3，4分别代表1 个评价单元内的1 种结构类型房屋处于有利地段、一般地段、不利地段和危险地段的房屋栋数；Ds(k)，k=1，2分别代表1 个评价单元内结构类型房屋有抗震措施和无抗震措施的栋数；B(i)，i=1，2，3，4分别代表1 个评价单元内不同结构房屋各自的栋数；S(i)，i=1，2，3，4分别代表1 个评价单元内不同结构房屋每栋平均面积，调查表明，该地区砖混结构、砖木结构、土木结构、土坯结构房屋平均房屋面积分别为120 m2、100 m2、80 m2和60 m2。

表5 张家口地区房屋建筑结构抗震性能参数表Table 5 Table of seismic performance parameters of building structures in Zhangjiakou area

表6 张家口地区房屋场地条件性能参数表Table 6 Table of performance parameters of house site conditions in Zhangjiakou area

表7 张家口地区房屋抗震措施抗震性能参数表Table 7 Table of seismic performance parameters of buildings in Zhangjiakou area

利用式（10）计算得到各区县抗震性能指数（表8、图3），采用插值法绘制抗震性能参数分布图（图4）。

图3 各区县房屋抗震性能指数分布图Fig. 3 Distribution of seismic performance index of buildings in different counties (districts)

图4 张家口房屋抗震性能参数分布图Fig. 4 Geomorphic distribution of seismic performance parameters of Zhangjiakou buildings

表8 张家口地区房屋抗震性能指数Table 8 Seismic performance index of buildings in Zhangjiakou area

4 张家口地区地震灾害风险损失评价结果分析

4.1 数据

灾害风险评估时空尺度包括空间范围、粒度、时间广度等要素（赵思健，2012）。本文以张家口市为空间广度，以各县区行政区划范围为空间粒度，同时作为相关指标的统计单元。增长率需要较长时间长度衡量，因此建筑物与人口增长率有效时间广度为5 年，其余指标有效时间广度为1～2 年。

本研究使用的经济、人口数据主要来源于《张家口年鉴》（张家口市人民政府，2019），大部分数据可直接引用（如人均收入、人口增长率、医生比例等），部分数据需要进行简单处理（如救援力量、每平方公里建筑物面积等），部分数据需要在查阅大量资料和统计分析后获得。地震强度指标数据来源于地震危险性分析结果，建筑物脆弱性指标数据来源于建筑物抗震性能分析结果。

结合张家口地区实际情况，将城镇地震灾害风险损失评价指标（图1）进行量化，如表9 所示。

表9 张家口地区地震灾害风险评估指标量化值Table 9 Normalized value of earthquake disaster risk assessment index in Zhangjiakou area

4.2 地震灾害风险指数计算

根据评价指标量化值和权重，利用城镇地震灾害风险评价模型，计算张家口地区16 个区县地震灾害风险指数，结果如表10 所示。

通过城镇地震灾害风险指数评价城镇地震灾害总风险，无法了解各因素对地震灾害风险的影响。因此，为比较16 个区县各因素的影响，本文重点量化分析了各区县危险性、暴露性、脆弱性和防震减灾能力的地震风险指数，结果如图5、图6、表11 所示。

表11 张家口地区16 个区县影响因素量化值Table 11 Quantitative value of influencing factors in 16 counties of Zhangjiakou

图5 张家口地区风险因子分析结果Fig. 5 Analysis result map of risk factors in Zhangjiakou

图6 张家口地区风险因子分析结果(叠加地形图)Fig. 6 Risk factor analysis result map of Zhangjiakou area(superimposed topographic map)

根据评价结果可知，怀来县地震灾害风险最大，桥东区、蔚县、涿鹿县、桥西区次之，康保县地震灾害风险最小。由表10 可知，怀来县危险性Dh为0.92，暴露性De为0.73，脆弱性Dv为0.8，抗震救灾能力Dc为0.53，前3 个指标相对于其他区县较高，而抗震救灾指标较低，从而导致地震灾害风险大。分析原因，可能与怀来县地震强度高、地震活动活跃、人口密度大、建筑物暴露性较强、防震救灾能力较弱等密切相关。从危险性角度看，仅有沽源县、张北县、康保县Dh均小于0.4，地震危险性影响较弱，其他区县受地震危险性影响均较强。从暴露性、脆弱性角度看，桥东区、桥西区、宣化区、蔚县、怀来县De均大于0.6，暴露性影响较强，其他区县暴露性影响较弱，整个地区脆弱性影响均较强，Dv都在0.45 以上。桥东区、桥西区抗震救灾能力影响相对较强，其他地区抗震救灾能力影响相对较弱。桥东区地震灾害风险较大的原因为暴露性和脆弱性均最大，虽然抗震减灾能力最强，但无法消减脆弱性和承灾体暴露性均相对较大带来的风险。

表10 张家口地区城镇地震灾害风险指数Table 10 Urban earthquake disaster risk index in Zhangjiakou

5 讨论与结论

本文在详细分析城镇地震灾害风险4 个影响因素的基础上，构建了城镇地震灾害风险评价指标体系，并综合分析现有风险评价模型，完善灾害风险指标体系，建立城镇地震灾害风险评估模型。本研究中以下几点值得讨论：

（1）本文在建立城镇地震灾害风险评价模型过程中，未对张家口市城区（桥东区、桥西区、下花园区）进行详细的建筑物抗震性能评价，使城区与城镇地震灾害风险评价存在一定差异性，但总体是合理的。在今后的研究中应将城市、乡镇、农村分别建立地震灾害风险评价模型，更好地解决指标合理提取与量化问题。

（2）本文建立的评价指标体系不仅考虑了地震灾害的自然属性，也考虑了人、建筑物等社会属性，解决了其他方法中社会属性关注不足的问题。选择的指标具有代表性、相关性、有效性，指标数据有据可查，评估结果较为合理，在今后的研究中还可考虑场地条件的影响。

本文得出的主要结论有：

（1）张家口地区地震风险指数与地形结构是相关的，海拔高的地区地震灾害风险较小，海拔低的地区地震灾害风险较大，且建筑物结构类型分布、建筑物抗震性能均与地形有密切关系。本文得到的城镇地震灾害风险评估结果与建筑物抗震性能结果具有相关性，表明本文结论具有适用性。

（2）怀来县地震灾害风险最大，建议怀来县增强抗震救灾能力，并加强村镇建设规划和城镇建房质量。桥东区地震灾害风险较大，应在加强抗震减灾能力的基础上，减小承灾体暴露性，如在人员密集地修建广场、提高建筑物抗震设防烈度等。

致谢 本文在专家打分调查问卷过程中，得到多位专家的宝贵建议与指导帮助，在此表示深深感谢。同时感谢张家口市统计局、河北省地震局在资料收集中给予的大力支持。