论文部分内容阅读
摘 要：基于地震灾害损失预评估理论，结合华北地区地震高发区，构建了以地震灾害危险性、承灾体易损性、防震抗震减灾能力以及灾区环境稳定性等为基础的地震灾害生命损失风险预评估体系，运用层次分析法分别确定了研究区地震灾害生命损失风险的各项权重，并通过实例分析计算了研究区不同震级和烈度下的地震灾害生命损失风险结果，可为该研究区的防震减灾、震后应急等提供参考。
关键词：华北地区；地震灾害生命损失；预评估；体系；层次分析法
Pre assessment of earthquake disaster life loss in North China
Abstract：Based on the theory of earthquake disaster loss pre-assessment and combined with the high earthquake-prone areas in North China，a pre-assessment system of earthquake disaster life loss risk is established，which is based on the risk of earthquake disaster，the vulnerability of disaster-bearing body，the ability of earthquake prevention，earthquake resistance and disaster reduction，and the environmental stability of disaster areas.The weights of life loss risk of earthquake disasters in the study area are studied，and the results of life loss risk of earthquake disasters under different magnitude and intensity are calculated by an example，which can provide reference for earthquake prevention and disaster mitigation and post-earthquake emergency response in the study area.
Key words：North China；earthquake disaster life loss；pre assessment；system；analytic hierarchy process
地震会给政治、社会及经济带来巨大的危险，更是给人名群众的生命安全带来极大隐患。对此，需要提前对地震高发区进行应急的准备工作，对地震高发区进行生命损失的预评估工作就显得格外重要，可为高风险区的防震减灾策略、政策和措施等提供科学有效的理论依据，进而从最大程度上减轻地震灾害带来的生命损失[1-3]。
不同地区的地震灾害损失具有各自的特点，建筑物平均抗震设计能力对生命损失具有重要影响[4-6]，确定科学合理的抗震设防要求以及建筑物抗倒塌能力，能在很大程度上减轻人民的生命财产损失[7]。张桂欣等对分区分类的生命线工程地震直接经济损失进行了研究，建立了建筑物损失和生命线工程损失的数量关系模型[8]；聂颖颖则以灾害系统中的关键要素承灾体为核心，对区域灾害损失风险展开了系统研究[9]；朱永莉等[10]结合汶川地震相关数据，建立了考虑建筑地震易损性并与烈度相关的地震生命损失快速评估函数，可为强震下的生命损失进行预评估。
本文以华北晋冀蒙交界地震高发区为例，在前人研究理论基础上，建立起研究区的地震灾害损失风险预评估体系，并对不同烈度下的地震生命损失进行了预评估分析，可为该地区的防震减灾和灾后应急工作提供參考。
1 研究区概况
研究区位于华北晋冀蒙交界地带，地处山西地震带的北部，见图1。据统计，该地区自1970-2016年以来，共发生5.0级以上地震11次，给当地人民的生命财产带来巨大损失，是地震高发风险区之一。该地区的地震活动具有分布广，震源浅、致灾程度重等特点，也是华北地区强震（7级）集中地带之一，被列为全国的地震重点监视防御地带。研究区经济较为落后，受传统建筑习惯影响及各种条件制约，使得抗震能力较弱，尤其在乡村地区，建筑物普遍存在结构不合理，规划施工不科学等现象，故而在地震发生时，经常造成巨大的人员伤亡情况。因此，开展本地区的地震生命损失预评估是防震减灾工作的重要一环。
2 地震灾害生命损失预评估体系的建立
影响地震人员伤亡的原因有很多，主要包括地震强度、地震发生时间、震源深度、房屋抗震设计能力、人口密度、人们的抗震意识、地震预警情况、余震、次生灾害等，对影响因素考虑得越全面，那么预估的生命损失越准确。当然，考虑的因素越多，也就意味着获取数据的难度越大，在实际分析过程中，是很难做到面面俱到的，本文主要考虑地震灾害生命损失的主要因素情况。
其中，地震危险性因子：是所有因子中最关键的影响因子，是指某一特定地区在未来遭遇一定地震强度的概率大小，通常由概率分析或者确定性分析法得出；孕灾环境稳定性因子：是指形成灾害发生的场地，包括自然和社会环境；承灾体易损性因子：是指研究区人口组成情况，对地震伤亡人数起直接作用；防震减灾能力因子：是反映社会在遭遇地震时，拥有的应急处置能力。
结合以往地震损失评估报告及研究成果，选取致灾因子危险性（地震危险性）、孕灾环境稳定性（房屋结构、坡度、年平均降水量、地貌类型）、承灾体易损性（人口密度、老幼人口比例）、防震减灾能力（每千人拥有医生数量、人均财政收入、人均GDP）等4各主因子（10个关键指标）建立起本文地震灾害生命损失的预评估体系，见表1。 表1 地震灾害生命损失风险指标预评估体系
目标层 因子层 指标层
致灾因子危险性B1 地震危险性C11
房屋结构C21
孕災环境稳定性B2 坡度C22
年平均降雨C23
地震灾害生命 地貌类型C24
损失预评估 承灾体易损性B3 人口密度C31
老幼人口比例C32
每千人拥有医生数量C41
防震减灾能力B4 人均财政收入C42
人均GDPC43
3 层次分析法简介
对多目标呈分析方法有很多，主要包括模糊数学法、层次分析法、数据包络分析法、神经网络法、灰色关联法、主成分分析法等。其中：层次分析法具有客观公正、科学实用、精度较高等特性，能够对地震灾害的生命损失进行较为准确的定量预评估[11]。层次分析法的主要分析步骤为：
（1）建立层次模型，即上文提到的目标层、因子层以及指标层三层因素模型；
（2）构造相关判断矩阵，设因子为m个，指标为n个，那么即可得：
表2 判断矩阵形式
B1 C1 C2 C3….Cn
C1 c11 c12 c13 c1n
C2 c21 c22 c23 c2n
C3 c31 c31 c32 c3n
… … … … …
Cn cn1 cn2 cn3 cnn
（3）一致性检验：即判断矩阵需要满足：cijcjk=cik，其中，i＼j＼k=1，2，3，…，n，一致性指标计算公式为：
（1）
式中：CI表示一致性指标，λmax为判断矩阵的最大特征值。
然后再根据随机一致性指标RI，计算得到一致性比例CR：
（2）
（4）确定各因子的单层权重和总权重[12-13]，同时计算特征向量值，有：
（3）
式中：wij表示目标层的权重值，li表示因子层权重，aij表示指标层权重。
那么，通过式（3）即可得及上文研究结果，可以得到最终的地震灾害生命损失风险预评估模型：
L=P*E*V*R （4）
式中：L 表示地震灾害生命损失，P 表示研究区地震灾害危险性，E 表示孕灾环境稳定性，V 表示承灾体易损性，R 表示防震减灾能力。
4 研究区地震灾害生命损失预评估
4.1 模型精确度验证
将研究区历年来的几次地震数据代入模型，计算得到了历史地震中死亡人数与实际死亡人数的对比值，见图2。从图中可以看到：本文建立的指标预评估体系和层次分析计算模型可较为准确的预测不同地区、不同震级下的生命损失情况，其计算平均误差不超过实际值的20%，精度较为准确。
图2 历史地震中死亡人数与实际死亡人数对比值
4.2 地震生命损失预评估
将现有的当地资料和数据代入计算模型，同时将地震震级设定为5.5级、6.0级以及6.5级，得到山西部分、河北部分以及内蒙古部分地区的死亡人数对比，见图3。从图中可以看到，当地震震级为5.5级时，三个地区基本不会发生人员伤亡，当然不排除偶然情况；当地震震级为6.0级时，山西、河北、内蒙古地区的预估死亡人数分别为8人、15人以及17人；当震级为6.5级后，三地的死亡人数预估为83人、137人以及125人；造成三地死亡人数有差别的主要因素为各地区的房屋结构和其建筑的年代存在差异，同时各地区的次生灾害、天气情况以及医疗水平等也会存在一定的区别，故而会形成三地不同的地震灾害人员死亡情况。
图3 不用地区、震级地震伤亡人数对比
4.3 地震生命损失风险等级
在本文研究当中，地震等级最高为6.5级，最大烈度为VIII 度，那么可设定VIII 度区、VII 度区、VI 度区的半径分别未7.5km、27Km以及67km；同时根据地震生命损失计算结果，将地震风险等级划分为5个等级，即：一般风险、中等风险、较高风险、高风险以及特高风险，风险越高的地区其生命损失越大，带来的后果越严重，分析得到了研究区的地震风险等级分布情况，见图4。从图中可以对比看到：由于研究区东部地区的房屋抗震设计能力普遍低于底部地区，农村地区的抗震能力较差，使得东部地区的地震风险等级较高；由于北方地区的人口密度较小，使得北方地区的地震生命损失风险等级普遍低于南方地区，进而形成了山西、内蒙古、河北三地的地震灾害伤亡人数依次增加的情况，这也比较符合当地的实际情况。
图4 地震生命损失风险等级划分情况
5 结论
以华北晋冀蒙交界地震高发地带为例，建立了以地震灾害危险性、承灾体易损性、防震抗震减灾能力以及灾区环境稳定性等为基础的地震灾害生命损失风险预评估体系，以层次分析法为依托，对研究区不同震级下的生命损失情况进行了预评估，同时根据计算结果，划分出不同等级的地震灾害生命损失风险分布情况，可为研究区的抗震减灾和应急工作提供参考。
参考文献
[1]张永双.我国地震地质灾害特点与监测防治进展[J].城市与减灾，2018（3）.
[2]马贵臣.地震多发地区地质灾害防灾减灾体系的建设[J].西华大学学报（自然科学版），2018（1）.
[3]杨玉永，董翔，刘瑞峰，等.山东省地震灾情速报员应急响应能力[J].中国科技信息，2018（2）：47-48.
[4]孙柏涛，张桂欣.中国大陆建筑物地震灾害风险分布研究[C]// 2017“论坛”.2017.
[5]李小宝.公路桥梁的地震损害及对策[J].科技经济市场，2017（7）：38-39.
[6]董文龙，王鹏博.钢筋混凝土框架结构地震灾害分析[J].四川水泥，2017（6）：324-324.
[7]赵阿兴.减轻地震灾害造成的生命财产损失 标准化从供给侧助力产业结构改革——论颁布GB 18306—2015的作用和意义[C]// 中国标准化论坛.2016.
[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]聂颖颖.基于承灾体的区域灾害损失风险评估研究[D].大连理工大学，2017.
[10]朱永莉，黎大虎，朱建钢.基于强震动记录的地震生命损失快速评估方法[J].地震学报，2017，39（1）：143-154.
[11]郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008，18（5）：148.
[12]邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，42（7）：93-100.
[13]朱茵，孟志勇.用层次分析法计算权重[J].北京交通大学学报，1999，23（5）：119-122.
作者简介：
徐小远（1985-），女，天津，本科，地震观测与地震前兆数据方向，助理工程师，天津市地震局。
姚蕾，女，单位：天津市地震局。
关键词：华北地区；地震灾害生命损失；预评估；体系；层次分析法
Pre assessment of earthquake disaster life loss in North China
Abstract：Based on the theory of earthquake disaster loss pre-assessment and combined with the high earthquake-prone areas in North China，a pre-assessment system of earthquake disaster life loss risk is established，which is based on the risk of earthquake disaster，the vulnerability of disaster-bearing body，the ability of earthquake prevention，earthquake resistance and disaster reduction，and the environmental stability of disaster areas.The weights of life loss risk of earthquake disasters in the study area are studied，and the results of life loss risk of earthquake disasters under different magnitude and intensity are calculated by an example，which can provide reference for earthquake prevention and disaster mitigation and post-earthquake emergency response in the study area.
Key words：North China；earthquake disaster life loss；pre assessment；system；analytic hierarchy process
地震会给政治、社会及经济带来巨大的危险，更是给人名群众的生命安全带来极大隐患。对此，需要提前对地震高发区进行应急的准备工作，对地震高发区进行生命损失的预评估工作就显得格外重要，可为高风险区的防震减灾策略、政策和措施等提供科学有效的理论依据，进而从最大程度上减轻地震灾害带来的生命损失[1-3]。
不同地区的地震灾害损失具有各自的特点，建筑物平均抗震设计能力对生命损失具有重要影响[4-6]，确定科学合理的抗震设防要求以及建筑物抗倒塌能力，能在很大程度上减轻人民的生命财产损失[7]。张桂欣等对分区分类的生命线工程地震直接经济损失进行了研究，建立了建筑物损失和生命线工程损失的数量关系模型[8]；聂颖颖则以灾害系统中的关键要素承灾体为核心，对区域灾害损失风险展开了系统研究[9]；朱永莉等[10]结合汶川地震相关数据，建立了考虑建筑地震易损性并与烈度相关的地震生命损失快速评估函数，可为强震下的生命损失进行预评估。
本文以华北晋冀蒙交界地震高发区为例，在前人研究理论基础上，建立起研究区的地震灾害损失风险预评估体系，并对不同烈度下的地震生命损失进行了预评估分析，可为该地区的防震减灾和灾后应急工作提供參考。
1 研究区概况
研究区位于华北晋冀蒙交界地带，地处山西地震带的北部，见图1。据统计，该地区自1970-2016年以来，共发生5.0级以上地震11次，给当地人民的生命财产带来巨大损失，是地震高发风险区之一。该地区的地震活动具有分布广，震源浅、致灾程度重等特点，也是华北地区强震（7级）集中地带之一，被列为全国的地震重点监视防御地带。研究区经济较为落后，受传统建筑习惯影响及各种条件制约，使得抗震能力较弱，尤其在乡村地区，建筑物普遍存在结构不合理，规划施工不科学等现象，故而在地震发生时，经常造成巨大的人员伤亡情况。因此，开展本地区的地震生命损失预评估是防震减灾工作的重要一环。
2 地震灾害生命损失预评估体系的建立
影响地震人员伤亡的原因有很多，主要包括地震强度、地震发生时间、震源深度、房屋抗震设计能力、人口密度、人们的抗震意识、地震预警情况、余震、次生灾害等，对影响因素考虑得越全面，那么预估的生命损失越准确。当然，考虑的因素越多，也就意味着获取数据的难度越大，在实际分析过程中，是很难做到面面俱到的，本文主要考虑地震灾害生命损失的主要因素情况。
其中，地震危险性因子：是所有因子中最关键的影响因子，是指某一特定地区在未来遭遇一定地震强度的概率大小，通常由概率分析或者确定性分析法得出；孕灾环境稳定性因子：是指形成灾害发生的场地，包括自然和社会环境；承灾体易损性因子：是指研究区人口组成情况，对地震伤亡人数起直接作用；防震减灾能力因子：是反映社会在遭遇地震时，拥有的应急处置能力。
结合以往地震损失评估报告及研究成果，选取致灾因子危险性（地震危险性）、孕灾环境稳定性（房屋结构、坡度、年平均降水量、地貌类型）、承灾体易损性（人口密度、老幼人口比例）、防震减灾能力（每千人拥有医生数量、人均财政收入、人均GDP）等4各主因子（10个关键指标）建立起本文地震灾害生命损失的预评估体系，见表1。 表1 地震灾害生命损失风险指标预评估体系
目标层 因子层 指标层
致灾因子危险性B1 地震危险性C11
房屋结构C21
孕災环境稳定性B2 坡度C22
年平均降雨C23
地震灾害生命 地貌类型C24
损失预评估 承灾体易损性B3 人口密度C31
老幼人口比例C32
每千人拥有医生数量C41
防震减灾能力B4 人均财政收入C42
人均GDPC43
3 层次分析法简介
对多目标呈分析方法有很多，主要包括模糊数学法、层次分析法、数据包络分析法、神经网络法、灰色关联法、主成分分析法等。其中：层次分析法具有客观公正、科学实用、精度较高等特性，能够对地震灾害的生命损失进行较为准确的定量预评估[11]。层次分析法的主要分析步骤为：
（1）建立层次模型，即上文提到的目标层、因子层以及指标层三层因素模型；
（2）构造相关判断矩阵，设因子为m个，指标为n个，那么即可得：
表2 判断矩阵形式
B1 C1 C2 C3….Cn
C1 c11 c12 c13 c1n
C2 c21 c22 c23 c2n
C3 c31 c31 c32 c3n
… … … … …
Cn cn1 cn2 cn3 cnn
（3）一致性检验：即判断矩阵需要满足：cijcjk=cik，其中，i＼j＼k=1，2，3，…，n，一致性指标计算公式为：
（1）
式中：CI表示一致性指标，λmax为判断矩阵的最大特征值。
然后再根据随机一致性指标RI，计算得到一致性比例CR：
（2）
（4）确定各因子的单层权重和总权重[12-13]，同时计算特征向量值，有：
（3）
式中：wij表示目标层的权重值，li表示因子层权重，aij表示指标层权重。
那么，通过式（3）即可得及上文研究结果，可以得到最终的地震灾害生命损失风险预评估模型：
L=P*E*V*R （4）
式中：L 表示地震灾害生命损失，P 表示研究区地震灾害危险性，E 表示孕灾环境稳定性，V 表示承灾体易损性，R 表示防震减灾能力。
4 研究区地震灾害生命损失预评估
4.1 模型精确度验证
将研究区历年来的几次地震数据代入模型，计算得到了历史地震中死亡人数与实际死亡人数的对比值，见图2。从图中可以看到：本文建立的指标预评估体系和层次分析计算模型可较为准确的预测不同地区、不同震级下的生命损失情况，其计算平均误差不超过实际值的20%，精度较为准确。
图2 历史地震中死亡人数与实际死亡人数对比值
4.2 地震生命损失预评估
将现有的当地资料和数据代入计算模型，同时将地震震级设定为5.5级、6.0级以及6.5级，得到山西部分、河北部分以及内蒙古部分地区的死亡人数对比，见图3。从图中可以看到，当地震震级为5.5级时，三个地区基本不会发生人员伤亡，当然不排除偶然情况；当地震震级为6.0级时，山西、河北、内蒙古地区的预估死亡人数分别为8人、15人以及17人；当震级为6.5级后，三地的死亡人数预估为83人、137人以及125人；造成三地死亡人数有差别的主要因素为各地区的房屋结构和其建筑的年代存在差异，同时各地区的次生灾害、天气情况以及医疗水平等也会存在一定的区别，故而会形成三地不同的地震灾害人员死亡情况。
图3 不用地区、震级地震伤亡人数对比
4.3 地震生命损失风险等级
在本文研究当中，地震等级最高为6.5级，最大烈度为VIII 度，那么可设定VIII 度区、VII 度区、VI 度区的半径分别未7.5km、27Km以及67km；同时根据地震生命损失计算结果，将地震风险等级划分为5个等级，即：一般风险、中等风险、较高风险、高风险以及特高风险，风险越高的地区其生命损失越大，带来的后果越严重，分析得到了研究区的地震风险等级分布情况，见图4。从图中可以对比看到：由于研究区东部地区的房屋抗震设计能力普遍低于底部地区，农村地区的抗震能力较差，使得东部地区的地震风险等级较高；由于北方地区的人口密度较小，使得北方地区的地震生命损失风险等级普遍低于南方地区，进而形成了山西、内蒙古、河北三地的地震灾害伤亡人数依次增加的情况，这也比较符合当地的实际情况。
图4 地震生命损失风险等级划分情况
5 结论
以华北晋冀蒙交界地震高发地带为例，建立了以地震灾害危险性、承灾体易损性、防震抗震减灾能力以及灾区环境稳定性等为基础的地震灾害生命损失风险预评估体系，以层次分析法为依托，对研究区不同震级下的生命损失情况进行了预评估，同时根据计算结果，划分出不同等级的地震灾害生命损失风险分布情况，可为研究区的抗震减灾和应急工作提供参考。
参考文献
[1]张永双.我国地震地质灾害特点与监测防治进展[J].城市与减灾，2018（3）.
[2]马贵臣.地震多发地区地质灾害防灾减灾体系的建设[J].西华大学学报（自然科学版），2018（1）.
[3]杨玉永，董翔，刘瑞峰，等.山东省地震灾情速报员应急响应能力[J].中国科技信息，2018（2）：47-48.
[4]孙柏涛，张桂欣.中国大陆建筑物地震灾害风险分布研究[C]// 2017“论坛”.2017.
[5]李小宝.公路桥梁的地震损害及对策[J].科技经济市场，2017（7）：38-39.
[6]董文龙，王鹏博.钢筋混凝土框架结构地震灾害分析[J].四川水泥，2017（6）：324-324.
[7]赵阿兴.减轻地震灾害造成的生命财产损失 标准化从供给侧助力产业结构改革——论颁布GB 18306—2015的作用和意义[C]// 中国标准化论坛.2016.
[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]聂颖颖.基于承灾体的区域灾害损失风险评估研究[D].大连理工大学，2017.
[10]朱永莉，黎大虎，朱建钢.基于强震动记录的地震生命损失快速评估方法[J].地震学报，2017，39（1）：143-154.
[11]郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008，18（5）：148.
[12]邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，42（7）：93-100.
[13]朱茵，孟志勇.用层次分析法计算权重[J].北京交通大学学报，1999，23（5）：119-122.
作者简介：
徐小远（1985-），女，天津，本科，地震观测与地震前兆数据方向，助理工程师，天津市地震局。
姚蕾，女，单位：天津市地震局。