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城镇地震应急快速评估系统研究
城镇地震应急快速评估系统研究
张莹*, 郭红梅, 陈维锋, 冉青, 申源
(四川省地震局,成都 610041)
 [收稿日期]: 2017-04-12
摘要

随着城镇化水平的快速提高,地震灾害高风险区域城镇数量不断增加,城镇人口密度增大,加剧了城镇地震灾害的风险。然而县市防震减灾工作部门大多对城镇地震应急的科技支撑能力薄弱,如缺乏专门的技术平台及时对地震灾情进行有效的评估等,影响了当地地震应急的成效。本文针对县市防震减灾工作部门在城镇地震应急快速评估工作中存在的问题,以国家可持续发展实验区丹棱县为例,设计并构建了城镇地震应急快速评估系统,为城镇地震应急快速评估提供了技术平台,可提升县市防震减灾工作部门的地震应急工作科技含量和管理服务能力。



引言

近年来,随着城镇化水平的快速提高,从布局规划来看,城镇主体地区有向地震高风险区域集中的趋势。因此,在城镇化过程中,迫切需要基层地震工作主管部门提高在城镇防震减灾各环节中的指导和服务水平,强化自身地震应急能力。县市防震减灾工作部门作为防震减灾工作体系的基层组织和地方政府防震减灾领导小组的办事机构,在防震减灾工作管理体系中处于最基础和最关键的地位,行使着防震减灾行政管理和公共服务的职能,既是政府面向社会、联系群众的桥梁和窗口,又是把地震科学成果转变成政府决策意识、协助政府组织协调社会各方面的力量做好防震减灾工作的纽带。但县市防震减灾工作部门在开展地震应急工作时却面临着较大困难,主要表现为对城镇地震应急的科技支撑能力薄弱,如缺乏专门的技术平台及时对地震灾情进行有效的评估等,而震后对灾情的快速评估和掌握是开展后续应急处置工作的基础。

自“九五”以来,我国先后进行了针对大中城市的震害预测等研究,先后有20余个城市和地区开展了震害预测工作,建立了各自的区域震害快速评估系统(蔡宗文等,2009)。“十五”期间,依托“国家数字地震观测网络项目”,充分吸收震害预测研究成果和已有地震应急系统实践经验,建设完成了覆盖全国的地震应急指挥技术系统。近年来,四川省在震害预测和快速评估研究的基础上,建成了覆盖全省80多个市县的防震减灾综合信息服务系统,在应对芦山地震等大地震中发挥了积极作用。上述国家、区域、城市三级层次的地震应急技术系统为各级政府防震减灾规划和地震应急指挥决策提供了重要依据,但其产出的评估结果大多以区域或城市为单位,对县市开展城镇地震应急处置的适用性不足。

本文针对县市防震减灾工作部门在城镇地震应急快速评估工作中存在的问题,对相关领域最新科学研究成果进行继承、发展与应用,以国家可持续发展实验区丹棱县为例,设计并构建了一套针对性强、操作简便的城镇地震应急快速评估系统,在地震发生后可快速评估受灾情况,为地震应急处置决策提供依据。系统的构建为城镇地震应急快速评估提供了技术平台,可提升县市防震减灾工作部门的地震应急工作科技含量和管理服务能力。

1 地震灾害损失评估基础数据及模型
1.1 地震灾害损失评估基础数据

地震灾害损失评估涉及到的基础数据包括基础地理数据、人口经济统计数据和地震专业数据等。

基础地理数据为1:5万—1:1万的行政区界限层、地名层、道路层、水系层、地物层和注记层等,以空间数据为主。

人口经济统计数据以属性数据为主,包括对人口、经济、建筑物等信息的统计。人口统计数据以乡镇(街道)级行政区为单元,收集总人口、家庭户数、大于65岁人数、0—14岁人数和本地户籍人数等。社会经济统计数据按县(区)级行政区为单元,根据当地统计部门的资料,收集地区生产总值、全社会固定资产投资总额、基本建设投资总额等统计数据。建筑物单体数据以抽样调查的方式,对抽样房屋的所属行政区划、名称、建造时间、结构类型、层数、面积、用途等属性进行统计。

地震专业数据包括地震地质构造背景数据、地震动参数区划图、地震活动性数据、建筑物易损性分析结果等。

1.2 地震灾害损失评估模型

地震灾害损失评估模型是进行地震应急快速评估的基础,主要包括烈度衰减、建筑物破坏评估、人员伤亡评估、直接经济损失评估及生命线工程破坏评估、次生灾害评估等模型,以下重点分析总结烈度衰减、建筑物破坏评估、人员伤亡评估几类主要的模型。

烈度衰减模型是震后快速评估过程中各类模型计算的基础,包括点源和线源模型。目前四川地区常用的烈度衰减模型有汪素云等(2000)利用我国丰富的地震烈度等震线资料,大致以东经105°将我国烈度衰减关系分为东、西部,并采用椭圆长、短轴联合衰减模型回归分析得出的适用于我国西部地区的烈度衰减模型:

$ {I_a} = 5.253 + 1.398M - 4.164\lg ({R_a} + 26) $ (1)
$ {I_b} = 2.019 + 1.398M - 2.493\lg ({R_b} + 8) $ (2)

式中I为地震烈度,M为震级,R为震中距(km),下标ab分别代表长轴和短轴,表征长轴和短轴计算结果离散程度的标准差σ均为0.632。随着地震资料的丰富和研究深入,雷建成等(2007)根据地震构造环境和震害分布特点,将四川及邻区划分为西南地区和四川盆地地区,基于长短轴联合椭圆模型,用最小二乘法进行回归分析,分别得到了适用于四川西南和盆地地区的烈度衰减模型。此外,孙继浩(2011)综合考虑震中位置的构造环境及影响范围的地形地貌条件,分别得到西南地区和盆地地区的川滇及邻区中强地震烈度衰减关系的烈度衰减模型。在四川地区震后地震影响场速判时,根据上述各类模型评估的地震影响场能够满足应急快速评估的需求,但不同的模型具有不同的特点和适用范围,在地震应急快速评估工作中,可将各类模型都集成到城镇地震应急快速评估系统,根据震级大小,震中所在区域特点等选择不同的模型进行计算。

根据中国地震局工程力学研究所在四川等地的实地调查资料,将南北地震带典型房屋类型分成5大类,总结了符合南北地震带具有区域特色的农村和城市典型房屋的震害特点和破坏特征。刘如山等(2014)进一步在四川进行了大规模的基础数据抽样,详细调查了地市级、区县级、乡镇等区域内不同建筑物的结构类型,收集并整理了南北地震带自1993年以来共22次6.0级以上大震房屋建筑的震害资料,得出了适用于四川地区的不同建筑物结构易损性矩阵。地震发生后,可将式(3)代入快速评估的地震烈度及不同建筑物结构易损性矩阵,评估建筑物的破坏情况:

$ {S_{sj}} = \sum\limits_i {\left( {\frac{{{S_i}}}{{100}} \times {S_s} \times \frac{{{L_{sji}}}}{{100}}} \right)} \times \delta I $ (3)

式中Ssj表示行政区s类建筑物j破坏等级的建筑物面积,i表示地震烈度,Si表示行政区i度区面积与行政区总面积的比值,s表示建筑物类型,Ss表示行政区各类建筑物面积,j表示破坏等级(包括基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏),Lsji表示s类建筑在烈度i下的j破坏级别的建筑物百分比(结构易损性矩阵),δI表示评估调整参数。

目前常用的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基于地震参数(震级或烈度)的人员死亡数或死亡率经验公式,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死亡率及受伤率模型。针对后者,肖东升等(2009)在分析研究地震压埋人员影响因素的基础上,对四川不同地区进行了人员在室率区划研究,地震发生后可按照发震时间的不同,在地震烈度及建筑物破坏率评估的基础上,根据式(4)、(5),计算人员伤亡率,快速评估人员伤亡情况。

$ {d_i} = \left( {{\rm{0}}{\rm{.000971}} \times {{\rm{e}}^{\frac{{\rm{1}}}{{\rm{2}}}(i - 7)}}} \right){P_i},{w_i} = \left( {{\rm{0}}{\rm{.008829}} \times {{\rm{e}}^{\frac{{\rm{1}}}{{\rm{2}}}(i - 7)}}} \right){P_i}\;\left( {6:00 < t < 18:00} \right) $ (4)
$ {d_i} = \left( {{\rm{0}}{\rm{.0126}} \times \frac{{i - 4.76}}{{i + 0.25}}{{\rm{e}}^{0.75(i - 7)}}} \right){P_i},{w_i} = \left( {\frac{{0.068}}{{i + 0.25}}{{\rm{e}}^{0.75(i - 7)}}} \right){P_i}\;\left( {18:00 \le t \le 6:00:00} \right) $ (5)

式中i表示地震烈度,di表示在烈度i下的人员死亡率,wi表示在烈度i下的人员受伤率,Pi表示行政区在烈度i下的建筑物破坏率,可根据(3)式评估的建筑物破坏面积求得。

2 城镇地震应急快速评估系统设计
2.1 逻辑架构设计

城镇地震应急快速评估系统软件总体逻辑架构如图 1所示。


图 1 系统总体逻辑架构图 Fig. 1 Logic architecture diagram of overall system

系统主要由系统平台、数据平台、业务应用平台、信息展示平台及标准规范体系、运行维护体系、信息安全保障体系等部分构成。其中,系统平台由软件和硬件平台组成;数据平台由灾情快速评估过程中所需的EQIM数据、应急基础数据、灾情数据对应的数据库和用于存放中间数据、结果数据的系统数据库组成;业务应用平台主要满足县市防震减灾工作部门在城镇地震应急快速评估中的基本需求,包括灾情快速评估、灾情动态评估、灾情评估查询和灾情文档生成等;为充分发挥客户端的处理能力,实现评估过程中相对复杂的业务流程,综合考虑县市用户的实际情况及数据存取的安全性、系统运行的稳定性等,系统以C/S模式进行展示。标准规范是指导系统构建的基础,需遵循相关的国家标准、行业标准和四川省地方标准等技术要求和规范进行。在信息安全保障体系中,除考虑硬件及网络安全外,还考虑了软件方面的系统安全,如用户权限、角色划分,系统日志记录等,通过从物理层到应用层的整体安全防御体系,保障系统的安全可靠运行。在运行维护体系的基础上,监测系统各部分的运行状态。

2.2 功能设计

城镇地震应急快速评估系统功能模块由快速评估、动态评估、评估查询、灾情文档生成和系统管理等构成,如图 2所示。


图 2 系统功能结构 Fig. 2 System function structure

(1) 快速评估

手动触发评估:根据手动输入的地震参数,选择相应的烈度衰减模型,计算地震影响场,然后对各类灾情进行盲估,给出灾情文档。

自动触发评估:根据地震速报信息,自动触发快速评估功能,给出灾情文档。

(2) 动态评估

影响场修改:根据专家意见或获取的最新灾情信息,对快速评估得出的影响场进行修改,包括选择、绘制面、合并、删除、修改烈度值等。基于修改后的影响场,重新对建筑物破坏、经济损失、人员伤亡等受灾情况进行评估。

建筑物破坏修改:编辑快速评估得出的各种建筑物破坏情况数据。

经济损失修改:编辑快速评估得出的各种经济损失数据。

人员伤亡修改:编辑快速评估得出的需救助人数、受伤人数和死亡人数。

其他损失评估修改:编辑快速评估得出的生命线工程破坏情况等其他损失评估结果。

(3) 评估查询

信息查询:对系统评估的结果信息进行查询,包括建筑物破坏查询、经济损失查询、人员伤亡查询等。

信息统计:对系统评估的结果信息进行统计,主要的统计方式有震害统计、行政区划统计和空间查询统计。震害统计按照不同的行政区划对建筑物破坏、经济损失、人员伤亡等受灾情况进行统计;行政区划统计是统计各行政区的烈度和在不同烈度下行政区的面积、人口等信息;空间查询统计是根据框选、点选等多种方式选中的地理要素,统计选中要素在所在烈度等信息。

(4) 灾情文档生成

在完成快速评估或动态评估后,把评估得到的影响场及建筑物破坏、经济损失、人员伤亡等结果汇总到一起,即可以自动生成灾情文档,以报表形式显示,Word格式输出。

(5) 系统管理

用户管理:实现对进入系统的用户进行身份认证、注册信息管理、访问控制、安全审计、用户统计等功能,确保系统的应用安全。

扩展模块管理:将符合系统接口规则的组件载入系统或删除载入系统的扩展模块,载入系统的组件可自动以菜单对象的形式加载到系统菜单相应位置,用于扩展系统功能。

系统帮助:主要包括系统的使用说明及注意事项,为用户提供系统帮助文档,以*.help格式存储,系统可直接调用。

2.3 业务流程设计

在应用城镇地震应急快速评估系统对灾情进行评估时,各功能模块之间需要按数据流向和一定的流程进行相互之间的调用,基于系统的总体逻辑架构和功能,设计其业务流程如图 3所示。


图 3 系统业务流程 Fig. 3 System operation process flowchart

地震发生后,通过手动输入地震参数或地震速报自动触发的方式,启动快速评估,根据地震参数得到快速评估结果,在快速评估结果的基础上,结合专家意见或获取的最新灾情信息,对影响场等进行修改,再重新生成动态评估结果。通过评估查询对快速评估及动态评估产出的评估结果进行查询与统计,通过灾情文档生成把评估结果输出到灾情文档。

其中,快速评估具体业务流程如图 4


图 4 快速评估业务流程 Fig. 4 Rapid assessment operation process flowchart

在手动输入地震参数并选择衰减公式或接到地震速报自动触发事件后,计算出地震影响场,并在地图上显示影响场图层。通过判断用户所在县市是否有乡镇数据图层及相应的基础数据等,选择以区县或乡镇为计算的行政单元,然后依次评估房屋等建筑物破坏情况、房屋经济损失情况、人员伤亡情况等,最后汇总生成灾情文档。

动态评估业务流程如图 5


图 5 动态评估业务流程 Fig. 5 Dynamic assessment operation process flowchart

在快速评估的基础上,结合专家意见或获取的最新灾情信息,对影响场等进行修改,再重新评估建筑物破坏、经济损失、人员伤亡等受灾情况,修改快速评估中相应的评估结果,重新生成灾情文档。

2.4 评估模型集成设计

针对适用于四川地区的烈度衰减模型、建筑物破坏、人员伤亡及经济损失评估模型及其他地震灾害损失评估模型分层级建立模型库,设计统一的模型组件接口。在此基础上,建立模型索引,包括模型的输入输出参数、数量和类型等(曹彦波等,2015),根据模型应用需求设计灾情文档、专题图等模板作为模型的输出表达,最后采用COM技术在模型库支持下与GIS实现集成,形成可完整运行的地震应急快速评估系统,模型集成设计如图 6所示。


图 6 模型集成设计 Fig. 6 Model integration design
3 城镇地震应急快速评估系统的实现
3.1 开发运行环境

综合考虑县市用户的实际情况及数据的安全性,以国家可持续发展实验区丹棱县为例,采用相对稳定的C/S模式对城镇地震应急快速评估系统进行开发,开发运行环境如表 1表 2所示。

表 1 系统开发运行硬件环境 Table 1 System develop and operate hardware environment
表 2 系统开发运行软件环境 Table 2 System develop and operate software environment
3.2 主要功能的实现与测试

基于上述开发运行环境完成了丹棱县城镇地震应急快速评估系统的开发,系统主要功能模块操作界面如下:

(1) 快速评估模块

地震发生后,通过手动输入地震参数或地震速报自动触发的方式,可启动快速评估,实现对地震影响场、建筑物破坏、人员伤亡及经济损失等受灾情况的快速评估,产出灾情文档,模块界面如图 7所示。


图 7 快速评估模块界面 Fig. 7 Rapid assessment module interface

(2) 动态评估模块

在快速评估的结果的基础上,结合专家意见或获取的最新灾情信息,对影响场等进行修改,重新生成动态评估结果,产出灾情文档,模块界如图 8所示。


图 8 动态评估模块界面 Fig. 8 Dynamic assessment module interface

(3) 评估查询模块

实现对快速评估及动态评估产出评估结果的查询与统计,模块界面如图 9所示。


图 9 评估查询模块界面 Fig. 9 Assessment query module interface
4 总结

本文从县市防震减灾工作部门在城镇地震应急快速评估工作中存在的问题入手,以国家可持续发展实验区丹棱县为例,设计并构建了城镇地震应急快速评估系统,为城镇地震应急快速评估提供了技术平台,可提升县市防震减灾工作部门的地震应急工作科技含量和管理服务能力。

系统充分利用地震灾害损失评估基础数据及模型,以行政村为计算单元,实现了丹棱县的震害快速评估,可在1分钟内产出震害评估结果,同时生成灾情简报、辅助决策报告及各类专题图等资料。在城镇地震应急中,评估结果相对于现有其他震害评估系统,具有更好的针对性和适用性,且随着系统动态评估模式的引入,保证了系统数据的动态更新能力。系统采用导航式界面设计,具有人性化的交互界面,简化了复杂的操作流程,为县市防震减灾工作部门高效地开展地震应急工作提供了技术保障。模块化的软件设计技术,使系统易于维护,而开放式的软件架构,便于将系统移植到其他县市,有利于形成成熟产品后的推广应用。但由于地震是小概率事件,系统在丹棱县的实际运行和使用效果还有待进一步的检验,在后续工作中还将继续对系统进行优化,利用CSS等技术对其界面进行更合理的布局与构建,将使用过程中需要的参数及用户操作通过更加智能的方式体现,使城镇地震应急快速评估更加便捷易用。

参考文献
蔡宗文, 付剑国, 危福泉, 等, 2009. 市县防震减灾信息化管理系统的设计与实现[J]. 震灾防御技术, 4(4): 448-454. DOI:10.11899/zzfy20090411
曹彦波, 李兆隆, 李永强, 等, 2015. 云南地震应急快速评估模型本地化集成研究[J]. 地震研究, 38(1): 148-154.
雷建成, 高孟潭, 俞言祥, 2007. 四川及邻区地震动衰减关系[J]. 地震学报, 29(5): 500-511.
刘如山, 余世舟, 颜冬启, 等, 2014. 地震破坏与经济损失快速评估精细化方法研究[J]. 应用基础与工程科学学报, 22(5): 928-940.
孙继浩, 2011. 川滇及邻区中强地震烈度衰减关系的适用性研究. 北京: 中国地震局地震预测研究所. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-85405-1011159290.htm
汪素云, 俞言祥, 高阿甲, 等, 2000. 中国分区地震动衰减关系的确定[J]. 中国地震, 16(2): 99-106.
肖东升, 黄丁发, 王旭, 等, 2009. 在室率先验区划在地震压埋率的应用研究[J]. 地震研究, 32(4): 395-401.


Research of Urban Earthquake Emergency Rapid Assessment System
Zhang Ying*, Guo Hongmei, Chen Weifeng, Ran Qing, Shen Yuan
(Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China)
Abstract

With the rapid development of urbanization, town quantity and population density in earthquake disaster high-risk areas increasing constantly, which increases the earthquake disaster risk of urban. However, most county departments are lack of technical support ability for urban earthquake emergency, such as in lack of specialized technical platform for earthquake disaster effectively in time and so on, so that affecting the results of local earthquake emergency. In this paper, we aim at rapid assessment problems in urban earthquake emergency work, taking Danling County in the national sustainable development experimental area as an example, we design and build the urban earthquake emergency rapid assessment system. This system is capable of providing a technology platform for urban earthquake emergency rapid assessment, and promoting the content of science and technology in earthquake emergency work and management service ability for county department.



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城镇地震应急快速评估系统研究
张莹*, 郭红梅, 陈维锋, 冉青, 申源
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170418