ShakeMap在2014年于田7.3级地震快速损失评估中的应用1

刘 军 宋立军 温和平 谭 明 古丽孜帕

（新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐 830011）

引言

破坏性地震发生后，快速、准确地提供震害损失评估结果及震区的各类基础信息是地震应急期间一项重要的任务（周文等，2012）。在震情研判、现场灾害调查策略制定中，准确的快速评估结果能为指挥长提供决策依据，显著提高救援效率。经历过汶川、玉树及近年新疆多次破坏性地震后，科研人员逐渐意识到快速、准确地进行震害评估，是地震应急工作亟需解决的问题之一（李东平等，2011a）。

本文结合2014年2月12日新疆于田7.3级地震，将ShakeMap烈度图应用到应急指挥中心的快速损失评估系统中，其评估结果与官方公布的直接经济损失结果较为接近。实践表明，应用考虑了场地因素的ShakeMap烈度图的快速评估结果具有较高的准确性，其相对于当前各省局运行的“十五”应急指挥系统有明显的改善。

1 震区及地震破坏概况

本次地震的震中主体位于新疆和田地区的于田县和民丰县以及与阿尔金山硝尔库勒盆地西部（北纬36°06'，东经82°30'），震中海拔高度4500—5000m。通过对灾区6个县216个调查点展开实地调查，并结合震源破裂和历史地震理论数据计算及地震的矩张量反演结果，推测Ⅸ度区及Ⅷ度区分布在高山无人区，等震线长轴呈北东东走向分布，Ⅵ度和Ⅶ度区为实际调查得出的结果（图1）。其中，高山极震区的Ⅸ度区长半轴为36km，短半轴为8km，面积约948km2；Ⅷ度区长半轴为65km，短半轴为22km，面积约3483km2；Ⅶ度区西南自策勒县奴尔乡，东北至民丰县叶亦克乡，长轴为252km，短轴为140km，面积23210 km2；Ⅵ度区西南自和田县喀什塔什乡，东北至巴音郭楞蒙古自治州且末县昆其布拉克牧场，长轴为508km，短轴为330km，面积105100km2。Ⅵ度区和Ⅶ度区总面积为128310km2。

图1 于田7.3级地震烈度图Fig. 1 Earthquake intensity map of Yutian 7.3 earthquake

本次地震震区位于昆仑山北麓平原区，总体地势呈南高北低，地势平坦，向北缓倾，坡度1°—3°。平原区河流呈扇形撒开，冲沟不发育，沉积物颗粒由南向北逐渐变细，靠近山前属于砾质平原区；在315国道两侧约10km范围（包括策勒、于田和民丰县城），属土质平原区，地下水位也逐渐抬升，形成绿洲；北部为风积平原区，多属移动式沙丘。根据对周围资料的收集整理，认为该地貌单元内场地类别为Ⅱ—Ⅲ类（刘军等，2014），如图2所示。震区受灾人口主要位于该区。灾区大部分位于山前溢出带，地下水位浅、地基土层软弱等场地条件对地震动有放大作用，震害影响范围较大。

图2 震区场地分布图Fig. 2 Site condition map of the earthquake effected region

在不同工程场地条件下，场地条件对震害和地震动具有明显的影响，这对震后应急指挥和灾情研判可起到积极的作用。在新疆地区多次破坏性地震中，因场地条件因素加剧局部地区的震害，出现烈度异常、构建筑物震害破坏加重或是引起砂土液化等灾害。因此，为了更加科学地描述本次地震的烈度等震线图，本文需要将上述ShakeMap的等值线图进行校正。

2 ShakeMap烈度图

现行的“十五”应急指挥系统中自动产出的地震影响场采用点源衰减关系模型，虽然进行了本地化参数拟合工作，但是仍未充分考虑震区的区域构造、地形地貌特征及场地效应等因素，影响场还不能客观地反映区域地震动形态。而基于ShakeMap影响场能更清晰地反映地震动的分布情况，甚至能考虑到震源机制等因素，因此，采用ShakeMap的地震影响场能更好地解决上述问题。

2.1 ShakeMap烈度图

ShakeMap地震动等值线图需要采用地震动的峰值地面加速度（PGA）和峰值地面速度（PGV）进行计算。首先根据对应地震动衰减关系和有限断层模型及计算出的研究区域的震动值，然后通过QTM地形高层数据或30m平均剪切波速计算场地效应对地震动进行校正，并通过GMT绘出等值线图（陈鲲等，2010）。

本文对研究区域进行了网格划分。首先利用于田7.3级地震加速度峰值衰减关系来确定网格点的PGA值，然后再用有记录站点的观测值来修正这个估计值，同时参考场地周边台站的峰值地表加速度值加以“平滑化”，即可估计该场地峰值加速度（泽仁志玛等，2006）。在本次地震震区周围，距震中610km的西克尔强震台记录到的加速度最大峰值为3.9gal（南北向）。利用自然临近法（王薇等，2005），通过强震台记录对其进行校正，可得到整个区域的ShakeMap烈度图（见图3）。

图3 ShakeMap烈度图Fig. 3 Chart of intensity based on the ShakeMap

2.2 ShakeMap烈度图校正

ShakeMap系统能在震后快速、自动地得到地震动图，并根据仪器烈度和地震震级、震中位置及当地的场地条件等因素来计算和校正该地震的烈度图，同时及时通过网络以多种形式来对信息和记录图进行发布，这在破坏性地震发生后的应急工作、现场救援规划和科学研究等多方面都具有非常重要的意义。

ShakeMap地震动等值线图需要采用地震动的峰值地面加速度（PGA）和峰值地面速度（PGV）进行计算。首先根据对应的地震动衰减关系和有限断层模型，可计算出研究区域的地震动值，然后通过QTM地形高层数据或30m平均剪切波速计算场地效应，对地震动进行校正，并通过GMT绘出等值线图（陈鲲等，2010）。

式中，V0是基岩的剪切波速，取1050m/s；是地下30m的平均剪切波速；ma和mv是与基岩峰值加速度有关的统计参数。

表1 场地放大系数Table 1 The site amplification factors

通过上述模型，可对ShakeMap烈度图进行改进，图4为考虑了区域场地效应的ShakeMap烈度图。由改进后的图4可以看出，于田、民丰与策勒县位于山前溢出带，地下水位浅、地基土层软弱等场地条件对地震动有放大作用，震害影响范围较大，符合现场灾害调查的事实。

图4 考虑了场地效应的ShakeMap等值线图Fig. 4 The ShakeMap with consideration of site effect

2.3 不同模型的烈度图比较

为了验证考虑了区域场地效应的烈度分布图，本文将其与“十五”系统烈度图、ShakeMap烈度图及现场调查的烈度图进行了比较。烈度调查结果来自新疆地震局官方公布的烈度分布图。通过对灾区各烈度区的长短轴的长度及烈度圈的面积进行比较，可以得到如表2所示的结果。

表2 不同模型的各烈度区破坏特征表Table 2 Estimated damage from different models

由表2可以看出，采用点源模型的“十五”应急指挥系统，在近场和远场地区，模拟出的灾区的各烈度区大小与实际都有明显的差距；未考虑灾区场地条件的ShakeMap烈度图，在Ⅸ度区和Ⅷ度区的烈度衰减关系与实际比较接近。在灾区的于田、策勒及民丰等地区，场地类别为Ⅱ—Ⅲ类，地下水位浅、地基土层软弱等场地条件对地震动有放大作用，原ShakeMap烈度图对场地条件因素的影响缺乏考量，Ⅶ度区和Ⅵ度区与实际的破裂大小有明显的差距。而考虑了区域场地效应的ShakeMap烈度图无论是在近场还是在远场，破裂大小与实际值都比较吻合，较客观地反映了灾区的地震动特征。

3 于田7.3级地震快速损失评估

通过对灾区各类房屋建筑面积的统计，并结合本次地震灾区的房屋破坏比、房屋损失比及房屋重置单价，可计算出灾区房屋建筑的经济损失（李东平等，2011b）。从上述4种烈度图产出的直接经济损失与现场调查的结果对比可发现（表3），考虑了场地效应的ShakeMap烈度图的直接经济损失为9.3亿元人民币，这与新疆地震局公布的直接经济损失10.8亿元最接近，误差为-13%，符合国家减灾委对灾情快速评估的误差（30%）要求。由此可见，在进行震害快速评估工作中，利用改进的ShakeMap烈度图能更准确地计算出灾区的直接经济损失，提高了震害快速评估的质量。

表3 不同模型下直接经济损失结果对比表Table 3 The direct economic loss estimated from different models

4 结语

本文尝试将ShakeMap烈度图利用在2014年2月12日新疆于田7.3级地震快速损失评估中，其结果表明，考虑了场地效应的ShakeMap烈度图明显优于当前“十五”应急指挥系统的点源衰减关系模型的等震线图，能更好地为地震灾害损失评估服务；与官方公布的灾区直接经济损失10.8亿元相比，误差为-13%，符合国家减灾委、民政部减灾中心对灾情快速评估的误差（30%）要求。此外还可发现，具体到各县市，利用 ShakeMap烈度图计算的结果与实际情况更为接近，而利用“十五”应急指挥系统的线性衰减关系模型会造成较大的评估误差，这在一定程度上可能会影响救灾的部署和决策。由此可见，采用了改进的 ShakeMap烈度图能显著提高快速震害损失评估的结果，在地震应急中发挥良好的实用价值。

随着ShakeMap系统的不断完善，其应用价值必将会进一步得到扩展。可以结合中国地震局震灾应急救援司颁布的《破坏性地震应急专题地图产出流程与操作规范》的要求，对专题图件进行绘制并为现场调查工作提供丰富的专题图件。在地震应急技术系统建设中，可以尝试利用大量历史破坏性地震的ShakeMap烈度图与当前“十五”应急指挥系统的地震影响场模型进行对比分析，进一步深入探讨ShakeMap烈度图的实用性和优势，更好地应用于地震快速评估工作中。

陈鲲，俞言祥，高孟潭，2010．考虑场地效应的ShakeMap系统研究．中国地震，26（1）：92—102．

李东平，姚远，2011a．GIS的发展趋势与数字地震应急救灾的实现技术．计算机技术与发展，21（1）：214—217．

李东平，龚俊，陈军徽，2011b．浙江省震害盲估属地化研究．地震研究，25（2）：226—233．

刘军，宋立军，胡伟华等，2014．新疆地区工程地质场地条件分区及其矢量化．内陆地震，33（1）：127—134．

王薇，罗宏，张征等，2005．渗流弥散的空间变异性及空间插值方法的比较研究．科学技术与工程，27（18）：266—274．

泽仁志玛，陈会忠，何加勇等，2006．震动图快速生成系统研究．地球物理学进展，21（3）：809—813．

周文，何琳，刘军等，2012．基于应急指挥技术系统的具有影响场的地震专题图绘制．内陆地震，26（3）：273—278．

Allen T.I. and Wald D.J.，2007．Topo Graphic Slope as a Proxy for Seismic Site．See：Conditions（V30）and Amplification around the Globe．U.S. Geological Survey Open-File Report 2007-1357，69．