基于PTVA 修正模型的建筑单体台风物理脆弱性评估
——以钦州市龙门港镇为例

2022-04-09 07:45杨杪薇严小敏许贵林
南方自然资源 2022年3期
关键词:龙门脆弱性单体

杨杪薇,严小敏,许贵林

南宁师范大学地理科学与规划学院,广西 南宁 530000

近年来,许多学者开展了关于快速估计自然灾害如台风、洪水、泥石流等灾害造成的人员伤害及经济损失的相关研究。这一类型的研究对致灾因子进行了深入分析,探究了致灾因子、人员伤害和经济损失之间的关系。承灾体受灾害的程度,除与致灾因子的强度有关,很大程度上取决于承灾体自身的脆弱性,所以典型承灾体的脆弱性会直接影响到灾后的应对与恢复能力[1]。从国内外已有的研究成果来看,目前建筑易损性模型的构建方法主要有专家经验法、灾后调查法以及概率可靠度法3 种。这些方法各有利弊。国内外研究中区域尺度的评估较多,这些研究并未详细分析建筑单体的物理脆弱性指标。2003年,Papathoma研究了一种评估建筑海啸脆弱性的方法,即PTVA(Papathoma Tsunami Vulnerability Assessment Model)模型[2],辜智慧等通过梳理建筑单体台风灾害影响因子,采用修正后的Papathoma 海啸脆弱性模型评估台风灾害影响下建筑单体的物理脆弱性,研究成功应用于广东沿海地区[1]。另外,辜智慧在建筑单体脆弱性评估的基础上进行了区域建筑群台风灾害综合脆弱性评估方法研究[3]。

研究小组基于PTVA 模型[2],总结钦州市龙门港镇的建筑属性特征,由实地调查得到的龙门港镇建筑特征筛选出北部湾地区建筑单体台风灾害下脆弱性指标,修正PTVA 模型,构建建筑单体脆弱性评价体系,利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)计 算各指标权重系数,并结合“威马逊”台风灾后实地调查结果,验证修正后的PTVA评估模型,就如何为自然灾害救助评估与灾害损失快速评估提供技术支持展开初步探索。

1 研究区概况

研究区位于北部湾沿海地区钦州市龙门港镇。龙门港镇是一个众多岛屿组成的岛镇,人口、经济中心都在岛上。位于茅尾海南端的龙门72 泾是龙门港镇的天然屏障,选择龙门港镇作为研究区具有代表性。

2 研究方法

2.1 传统PTVA 模型

第1 代到第4 代PTVA 模型经历经过了10多年的发展和应用,在建筑单体物理脆弱性评估上已经相对成熟和完善,可以为大部分海啸脆弱性的研究评估提供有意义的指导和参考。PTVA 模型方法的主要优势与收集原始数据的精细程度有关,该研究中数据单位涉及单个建筑或开放空间,而不是建筑的平均街区、城市或整个地区。

在PTVA 模型中,建筑单体的相对脆弱性(RVI)计算为两个独立属性的加权和,即建筑结构脆弱性(SV)和建筑对水入侵的脆弱性(WV)。计算公式为:

在式(1)中,SV为建筑结构脆弱性标准化分数;WV为建筑对水入侵的脆弱性。SV和WV的范围为1~5,SV的加权系数等于因为结构承载能力的严重损坏可能合理地导致需要昂贵的维修费;水入侵对脆弱性的贡献等于,这与Olivieri的发现一致[4]。

建筑结构脆弱性SV主要取决于建筑结构的属性(BV)、建筑所在位置的水深(EX)和任何物体对建筑物保护程度(Prot)3 个因素,计算公式为:

式(2)中,BV是一个标准化分数,它表示受台风灾害影响的建筑本身结构特征,例如建筑结构、地基深度、建筑年代等。EX为水深数据,估计值由建筑位置的预期水深计算得出。Prot表示建筑保护屏障。BV、EX和Prot的范围为1~5。

淹没脆弱性WV计算式为:

式(3)中,Wf为淹没层数;F为建筑总层数。建筑对水入侵的脆弱性用建筑单体被水淹没的层数表示。

以上各公式中各指标标准分为1~5 分,研究小组采用AHP 通过对所有要素进行两两比较,计算权重系数。

2.2 不同区域建筑属性特征整合

传统PTVA 模型的指标体系,包括了建筑单体结构脆弱性以及环境因子对建筑单体的影响。传统PTVA 模型需要经过区域修正,才能有效地评价研究区域范围内的建筑单体脆弱性。不同灾害作用下,房屋建筑抗灾表现和特征不同,指标选取各有差异,但其中部分指标在各类灾害的选取中基本上一致(例如结构类型、建筑层数、建筑保存状态等)。

2.3 修正后PTVA 模型

研究小组考虑到台风灾害中风和水对建筑单体的影响,从两个方面重点选取指标来评价北部湾沿海地区建筑单体台风脆弱性。一级指标是结构脆弱性指标和台风危险性指标,二级指标是结构指标和保护屏障指标。根据PTVA模型选取的北部湾沿海地区建筑单体台风脆弱性的指标如表1 所示,其中相应的三级指标得分设定如表2~4 所示。

表1 修正后建筑单体台风脆弱性指标表

表2 修正后PTVA 模型的建筑属性指标Bv 相应脆弱性表

根据表1,公式(1)修正为:

式(4)中,HV是台风危险性等级,由台风等级决定。

3 基于AHP 计算建筑物脆弱性指标权重

AHP 是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法。

(1)建立层次结构模型。建筑单体的相对脆弱性由两个一级指标决定,即结构脆弱性指标和台风危险性指标。其中结构脆弱性指标又分为两个二级指标,即建筑自身结构脆弱性指标和环境影响指标(保护屏障)[3]。研究小组将二级指标分成两个层次结构,用AHP 计算各自的指标权重。

(2)构造比较判断矩阵。判断矩阵的性质为:

(3)单准则排序和一致性检验。检验公式为:

式(6)中,λmax为最大特征根,W是对应经归一化的特征向量。

判断矩阵B具有完全一致性时,λmax=n。但是在一般情况下这是不可能的,所以要对判断矩阵进行一致性检验,检验公式为:

为了检验判断矩阵是否有合理的一致性,需要将一致性检验指标CI和随机一致性指标RI进行比较(见表5),得出检验系数CR。

式(8)中,当CR<0.10,即构造的判

断矩阵有合理的一致性,不需要重新调整判断矩阵;当CR>0.10,则需要调整判断矩阵,直到CR<0.10 为止。

表3 PTVA 区域修正模型的建筑保护Prot 指标得分设定表

表4 计算每栋建筑的RVI 时各指标的分级标准表

研究小组根据专家意见,构造建筑结构指标的判断矩阵,计算各指标特征向量、最大特征根和CI值。根据计算结果,λmax为7.331 5,CI为0.055 3,根据表5 查到对应的RI值为1.32,检验系数为0.042,一致性检验通过。

研究小组根据专家意见,构造建筑保护屏障指标的判断矩阵。建筑单体结构指标的权重计算结果如表6 所示。根据层次分析法计算各指标特征向量、最大特征根和CI值。λmax为4.010 4,CI为0.003 5,根据表5 查到对应的RI值为0.90,即检验系数为0.003 9,一致性检验通过。建筑单体保护屏障指标的权重计算结果如表7 所示。

表5 平均随机一致性指标表

表6 建筑单体结构指标权重系数表

表7 建筑单体保护屏障指标权重系数表

4 修正后PTVA 模型应用与验证

4.1 研究区历史灾情

为验证实验结果,研究小组选取2014年第9 号超强台风“威马逊”在龙门港镇造成的实际建筑物损毁情况与计算结果做对比。

“威马逊”在2014年7 月19 日于防城港市光坡镇沿海地区登陆,是我国1949年以来登陆广西的最强台风。据广西壮族自治区民政厅统计,“威马逊”共造成北部湾沿海地区500余间房屋倒塌,近1 800 间房屋受到不同程度的损坏[5]。强台风及超强台风会破环一些结构较为坚固的建筑物,龙门港镇的建筑类型有钢筋混凝土结构、砖混结构瓦顶房、钢结构棚房、木房,选取“威马逊”作为研究台风具有典型性。

4.2 研究区数据收集及处理

2020年6 月,研究小组结合无人机拍摄的龙门港镇高精度正射影像,对镇上的建筑单体进行了详细的实地调查。通过提取无人机拍摄的龙门港镇建筑正射影像,手动数字化建筑矢量文件并获得模型所需的特定建筑特征,研究小组得出部分脆弱性指标,构建建筑单体的脆弱性指标体系。之后,对其属性值进行评分,根据AHP 计算各指标权重,计算龙门港镇建筑单体的相对脆弱性。

“威马逊”在光坡镇登陆时已降格为强台风。在“威马逊”登陆期间,广西沿海出现了84~288 cm的风暴增水,铁山港增水达到288 cm,但各潮位站最大高潮位均未超过当地警戒潮位[6]。因此,在PTVA 模型中的EX(建筑所在地水深)被删除。建筑结构脆弱性指标由建筑结构指标BV和保护屏障指标Prot决定。

4.3 结果分析与验证

2020年6—7 月,研究小组通过对各建筑房屋的主人进行询问,收集龙门港镇建筑在“威马逊”台风期间建筑的损毁情况,进一步验证计算成果的准确性。

通过对房屋主人的询问得知,龙门港镇的绝大部分瓦房屋顶瓦片被摧毁,镇上沿海周边棚房被摧毁(见图1)。根据实地调查,108 栋建筑物中有38 栋建筑物严重受损,其中9 栋建筑物倒塌,其余建筑物受损情况较轻或无受损。计算模型中,有16 栋建筑呈低脆弱性,59 栋相对脆弱性一般,23 栋呈高脆弱性,10 栋相对脆弱性非常高。呈非常高脆弱性的建筑中,砖混结构瓦顶房有7 栋,铁棚钢结构房有2 栋,木结构房有1 栋。通过比较,模型计算结果与实际受损情况基本一致。

图1 龙门港镇建筑单体受损实地调查结果及相对脆弱性结果对比图

由此可知,龙门港镇在“威尔逊”登陆期间严重受损的建筑物大部分是临近海岸的铁棚或砖混结构瓦顶的房子。此外,从模型验证过程中可以看出,建筑单体的相对脆弱性差异主要集中在建筑结构、建筑年代、屋面坡度、建筑物位置等因素中。

5 结 语

研究小组根据梳理的北部湾沿海地区建筑和环境特征,改进了PTVA 模型并构建北部湾沿海地区的建筑单体脆弱性指标体系,对北部湾沿海地区的建筑物脆弱性进行评估。

(1)通过龙门港镇108 栋建筑单体的相对脆弱性分析结果可知,修正后的PTVA 模型能够比较精确地评估台风灾后的建筑受损情况。

(2)PTVA 模型可以灵活地选取指标,并且可以根据研究区的实际情况进行调整。研究小组使用AHP 来计算建筑单体脆弱性指标的权重值,减少了每个决策过程中不可避免的主观因素。但是,该方法仍需要收集大量的属性数据。在未来,应积极地推进全国自然灾害综合风险普查工作,构建全国自然灾害综合风险普查系统,进而提高收集数据的效率。

(3)根据PTVA 模型产出的建筑单体脆弱性指标体系,可以制作显示每栋建筑相对脆弱性指数的专题地图,为地方政府进行未来城市规划、制定应急方案、进行全国自然灾害综合风险普查等决策提供参考。

猜你喜欢
龙门脆弱性单体
工控系统脆弱性分析研究
锂离子电容器自放电检测方法研究
基于闪电定位和雷达资料的邵阳地区雷电预报预警研究
龙门石篆联
西岭金矿——中国最大单体金矿
龙门里的白居易
基于PSR模型的上海地区河网脆弱性探讨
基于DWT域的脆弱性音频水印算法研究
美国 风暴
煤矿电网脆弱性评估