烈度衰减模型是震后快速评估阶段各类模型计算的基础,包括点源和线源模型。点源模型研究相对比较成熟,目前用于云南地区进行震后影响场速判的模型有汪素云等(2000)、李世成等(2003)、李西等(2012)以及云南省地震局地震行业科研专项项目课题研究组^①提出的烈度衰减模型。

汪素云等(2000)选用中国西部190次5.0级以上地震回归得出的中国西部烈度衰减关系:

I_a=5.253+1.398M-4.164lg(R_a+26),

σ=0.632.(1)

I_b=2.019+1.398M-2.943lg(R_b+8),

σ=0.632.(2)

式中,I_a、I_b分别为长、短轴烈度,M为震级,R_a、R_b分别为烈度为I时长、短半轴的长度,σ为标准差。

李西(2012)选用1913～2008年在云南省境内及周边发生的140个破坏性地震,用140个地震的烈度等震线资料进行了回归分析,得到了云南地区的烈度衰减关系:

I_a=5.415 4+1.279 2M-3.873 8lg(R_a+21),

σ=0.520 4.(3)

I_b=3.342 1+1.171 9M-2.826 8lg(R_b+7),

σ=0.493 1.(4)

张方浩^①选用1900～2014年云南地区的146次M≥5.0地震的影响场数据,按照周光全等(2011)研究成果将云南分为滇西和川滇、川滇东部3个构造分区,将各分区内的烈度等震线作为样本,对这些数据进行统计回归分析,拟合出各分区的烈度衰减关系:

滇西区域:

I_a=6.805 3+1.306 7M-4.795 2lg(R_a+22),

σ=0.562 1.(5)

I_b=5.331 5+1.176 2M-4.082 9 lg(R_b+10),

σ=0.478 6.(6)

川滇区域:

I_a=4.245 6+1.402 5M-3.823 8lg(R_a+11),

σ=0.501 8.(7)

I_b=3.591 5+1.143 2M-2.854 6lg(R_b+5),

σ=0.442 6.(8)

川滇东部区域:

I_a=6.975 3+1.306 7M-4.795 2lg(R_a+23),

σ=0.489 1.(9)

I_b=5.561 5+1.176 2M-4.082 9lg(R_b+12),

σ=0.463 2.(10)

上述3套模型在云南地区震后多次地震影响场速判应用中,模拟得到的地震影响场能够满足应急快速评估需求,但具有一定的特点和适用范围,汪素云模型选用全国震例,M≥7.0地震样本多,在云南地区M≥7.0地震计算结果与实际拟合度高,李西模型选用云南地震M≤6.0地震样本数较多,M≤6.0地震影响场计算结果与实际拟合度高,张方浩根据云南不同的分区特点做了3套分区模型,区域适用性好。总之,在云南地区实际地震快速评估应用中,将3套模型都集成于在软件系统,根据震级大小、震中所在区域特点选用不同的模型进行计算,结合专家经验和历史地震影响场参数对生成结果进行调整评估,产出结果。

线源模型是对在地表破裂带上具有相同烈度的椭圆等震线做包络线,形成的包络线即为最终生成的线源模型等震线。破裂长度利用地震震级—破裂尺度经验关系式算出,本文采用两个模型来组成云南地震破裂长度与震级的经验关系,震级在M6.5～7.7地震使用李忠华等(1999)提出的地表破裂长度模型,M≥7.7地震使用秦嘉政等(1997)等提出地表破裂长度模型,将2个模型合并,模型算法如下:

lgL={0.39M_S-1.24 6.5≤M_S≤7.7,

M_S-5.9M_S>7.7. (11)

式中,L表示震源破裂长,M_S为震级。

对于烈度等震线长轴方向的判定,目前国家统一研发的评估系统采用的是以离微观震中最近的断层走向作为影响场展布方向,与实际有偏差。因此,在烈度等震线长轴方向确定上,基于地震行业专项研究成果,赵恒 地震行业科研专项项目课题研究组.2013.西南地震应急对策新模式与关键技术研究报告.对云南地区进行了构造分级分区研究,按地质构造的发震能力、活动性、历史地震的对应性进行了等级划分,提出了基于区域块体和基于地质构造(断层)两种方法进行影响场方向的快速预判。在实际地震应急快速评估应用中,除了考虑断层走向以外,应结合余震序列分布、震源机制解、地震破裂过程等资料来确定烈度等震线的长轴方向。

(1)死亡人员估算模型

对于云南地区人员死亡评估方法,王景来(2001)、晏凤桐(2003)、周光全等(2004)、施伟华等(2005,2012)从不同视角出发,选取影响因子建立了云南地区的人员死亡评估模型。李永强(2012)提出云南震亡多因子回归模型,把震级、极震区烈度、发震时刻、人口密度、烈度区面积、当地GDP、农民纯收入、财政收入作为地震人员死亡的主要影响因子,采用泊松分布统计方法进行多因子回归,模拟得出云南地区人员死亡评估模型,算法如下:

Y=exp(-1.109e+02+8.489e+01x-2.032e+01x²+1.499e+00x³+9.826e-04v-6.833e-08v²+8.963e-01z-3.175e-03ns+1.148e-06ns²-2.914e-02cs+6.502e-05cs²+2.772e-03GDP-4.768e-07GDP²+9.801e-01T+3.910e-04s+9.414e-05x*GDP).(12)

式中,Y为震亡人数,x为震级,T为地震时刻(T=1表示地震发生在夜间,T=0表示地震发生在白天),z为地震烈度,s为人口密度,v为烈度区面积(取该次地震的Ⅵ度区及以上烈度区面积之和),ns为农民人均纯收入,cs为人均财政收入,GDP为人均GDP,笔者选取该模型进行云南地区死亡人员估算。

(2)人员受伤估算模型

对于云南地区地震造成的重伤、轻伤估算,施伟华等(2012)给出各烈度地震伤亡人数及比率(表1),本文采用该研究结果进行模型系统集成,作为估算地震造成的人员受伤人数的算法。

表1 云南地震死亡与重伤、轻伤的比例
Tab.1 Ratios of deaths and serious injuries、earthquake minor injuries in Yunnan

(3)失去住所人数预测模型

失去住所人数是指因地震失去住所而在室外避难的人数。采用国家标准《地震现场工作第4部分:灾害直接损失评估》(GB/T18208.4—2011)算法:

T=(c+d+e/2)/a×b-f.(13)

式中,a为户均居住面积,b为户均人口,c为所有住宅房屋的毁坏面积,d为非简易房屋的严重破坏面积,e为非简易房屋中等破坏面积与简易房屋破坏面积之和,f为死亡人数。

震后总的经济损失主要由房屋直接经济和其他直接经济损失组成,可用下式计算得到:

L=L_h+L_h×R_a.(14)

式中,L为总经济损失,R_a为其他经济损失与房屋直接经济损失比例(表2),L_h为房屋直接经济损失,采用国家标准《地震现场工作第4部分:灾害直接损失评估》(GB/T 18208.4—2011)算法:

L_h=S_h×R_h×D_h×P_h.(15)

式中,L_h表示房屋直接经济损失,S_h为灾区房屋建筑总面积,R_h为破坏比,D_h为损失比,P_h为重置单价。根据灾区历史地震的震害矩阵、重置单价以及基础资料数据库快速统计计算得出灾区范围内各类房屋总面积,计算各评估子区各类房屋损失,将所有评估子区的房屋损失相加,得出整个灾区的房屋建筑破坏损失(周光全等,2006,2011)。

表2 云南地区破坏性地震其他经济损失
占房屋总损失的比例(1992～2013)
Tab.2 The ratio of other economic loss to total loss of houses of destructive earthquake in Yunnan(1992～2013)

注:表中用于计算的房屋直接经济损失数据来源于云南省地震局1992～2013年地震灾害损失评估报告.

本文以云南地震应急基础数据库、云南历史地震应急处置案例资料为基础,首先,针对云南地区烈度衰减模型、人员伤亡评估模型、房屋破坏模型、经济损失评估模型、滑坡风险评估模型等分层分级建立模型库,构建模型设计规范,设计统一的模型组件接口; 其次,建立模型字典和模型索引,包括模型的输入参数、数量和类型,输出参数、数量和类型等; 再次,根据模型应用需求设计专题图模板、对策建议模板等作为模型输出表达; 最后,采用COM技术在模型库支持下与GIS实现无缝集成,形成完整运行的快速评估系统,产出各类专题图件、评估报告及对策建议报告(杨昆等,2006)。技术路线如图1所示。

图1 系统模型集成设计
Fig.1 Integration and design of the system model

震后数十分钟内,基于行政区划、人口、经济、房屋等基础数据,从模型库中选取各类评估模型,通过GIS的空间分析、空间统计等功能,人工或自动触发地震三要素信息,快速生成烈度影响场,提取各类评估模型参数进行人员伤亡、经济损失、次生灾害等计算,快速判定应急预案响应启动等级,生成各类震害专题地图、统计表以及对策建议文档。模型与GIS集成流程如图2所示。

依据不同时段、不同震级、不同应急预案等级,确定对应的不同应急处置过程,形成对应的系列应急对策模板,软件输出基本模板分为文档模板和专题图模板两类,文档模板包括灾情简报、震区基本信息、快速评估报告、对策建议报告(表3),专题图模板包括基本专题图和评估专题图模板(表4)。

图2 模型与GIS集成计算流程
Fig.2 Calculation process of integration of the model with GIS

表3 文档模板设计
Tab.3 Design of the documents temples

表4 评估专题图模板设计
Tab.4 Temples design of the assessment map

云南地震应急快速评估系统是评估模型库与GIS的集成系统,考虑到系统的兼容性、稳定性和响应速度,在开发模式上采用了当前较为稳定和成熟的C/S系统构架,将外部数据库、模型库及Office办公软件与GIS平台系统无缝集成,具体的技术方法如表5(李西等,2009; 曹彦波等,2013)。

表5 系统实现技术方法
Tab.5 Technology method of the system realization

云南地震应急快速评估系统由权限管理、震害评估、动态修正、模板管理等7个功能模块组成。地震发生后30 min内,通过人工或自动输入地震三要素进行触发计算,评估地震影响范围、人员伤亡、经济损失、房屋破坏、次生灾害等情况,给出应急预案响应等级启动建议,快速产出评估文档和专题图。系统各功能模块如表6、图3所示。

图3 系统功能界面
Fig.3 Interface of the system function