城市防災減災能力指標體系研究

城市地震抗御能力評估模型20世紀末，聯合國國際救災委員會呼吁評估主要城市的現有防災能力，但由于缺乏有效的方法，這些呼吁被視為泡沫。1994年，中國政府提出，中國的省長、人口密集、經濟發達沿海地區有能力抵抗約6級的地震。應充分評估整個社會的防洪能力。這是一個值得特別關注的問題。城市防災能力的評估是當今社會迫切需要解決的一個極其挑戰的問題。它不僅可以量化城市災害的損失，而且可以為評估城市防滑能力提供客觀的測量標準，以指導城市防滑活動的決策。本文在充分利用目前城市防滑成果的基礎上，結合經濟領域方法，建立了城市防滑能力評價模型。然后，本文從城市防滑能力的概念和指標體系的建立、人員傷亡的評價和地震恢復時間的確定、城市防滑能力綜合指數的確定等四個方面介紹了城市防滑能力的評價模型。1經濟效益的計算所謂防震減災能力是指一個城市確保其地震安全的能力.根據地震災害對一個城市造成破壞和損失的特點,用以下3個方面來判斷一個城市對地震的安全性:①一次地震中人員傷亡的數量;②一次地震中的經濟損失的多少;③震后為了恢復社會正常的生產和生活秩序所必須的恢復時間長短.一般來說地震是一種具有極大破壞力的災象.但它發生的概率極小,因此不能為了片面追求高的防震減災能力而不顧經濟投入,兩者之間應有一個適當的平衡.另一方面,一個城市即使有了足夠的防震減災能力,也不能保證地震時無人員傷亡,無任何經濟損失,以及震后不需要任何恢復時間,而是指這3個要素能夠被控制在一定的程度內,這個程度就是社會可接受水平.因此,防震減災能力的強弱是相對于社會可接受水平而言的.還應該強調的是,城市防震減災能力的強弱也是相對于一個城市可能會遭遇到的地震烈度來說的.2城市防衛災害能力指標體系的確定圍繞上述3個評價準則,提出影響城市防震減災能力的社會、經濟、工程和非工程的具體內容,這些內容可概括為以下六大因素:地震危險性評價能力、地震監測預報能力、城市工程抗震能力、城市社會經濟防災能力、非工程減災能力及震后應急和恢復能力.詳細列出這六大因素的具體子因素,即發展了評價城市防震減災能力的框架體系(圖1),并用一些簡單、可測量的指標來代表這些因素和子因素,建立起指標體系的具體內容.在指標體系具體內容的建立過程中,利用層次分析法(趙煥臣等,1986),求出了3個評價準則和六大系統的權數,并采取相應的方法,確定了六大系統各分項內容的權數,具體的權值參見張鳳華和謝禮立(2002)文章.根據震害實例和經驗,制定了每個指標的評價標準,最后形成了整個城市防震減災能力指標體系的具體內容.有關指標體系的具體內容在此不一一列舉.3根據這一指標體系，確定工人的死亡、經濟損失和地震后恢復時間3.1工程措施造成的地震損失3.1.1建筑物的地震損失3.1.1.烈度與抗震能力分析城市建構筑物抗震能力主要與設防情況、建筑年代、建筑結構類型3個子因素有關.本研究采用一定的方法將它們結合成一個建構筑物抗震能力指數.根據謝禮立等(1996)提出的各類設防結構的按Ⅵ～Ⅸ度設防的建筑物,在遭遇不同烈度地震時的破壞概率矩陣和本研究定義的房屋的抗震能力指數:對應于建構筑物在地震作用下保持基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和毀壞取其抗震能力指數為1,0.8,0.6,0.4和0.2.可以得到設防等級不同的建構筑物在不同烈度下的抗震能力指數.具體計算方法如下:ΙL1(J,Ι)=Κ*Ρ(Di/J,Ι)(1)式中,IL1(J,I)表明設防烈度為J(J=Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ)的建構筑物遭遇I(I=Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ)烈度時的抗震能力指數;K為抗震能力等級矩陣{1,0.8,0.6,0.4,0.2};P(Di/J,I)表明設防烈度為J(J=Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ)的建構筑物遭遇I(I=Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ)烈度時的破壞概率矩陣(謝禮立等,1996).將計算結果綜合成如下矩陣(表1),并對上述抗震能力指數進行建筑結構類型和建筑年代修正,從而得到設防結構的建筑物在不同烈度下的抗震能力指數.對于未設防的建構筑物,抗震能力指數根據Ⅵ度的抗震能力指數確定.具體情況如表2所示.對上述抗震能力指數進行建筑結構類型和建筑年代修正,從而得到未設防結構的建筑物在不同烈度下的抗震能力指數.根據以上分析,得到城市建構筑物的抗震能力指數公式:ΙL=ΙL1×a%×(1×b1%+0.9×b2%+0.8×b3%)×(1×c1%+0.95×(1-c1%)+ΙL2×(1-a%)(0.8×d1%+0.75×d2%)×(1×f1%+0.95×(1-f1%))(2)式中,IL為建構筑物的抗震能力指數,IL1為設防建構筑物的抗震能力指數,a%為抗震設防的建構筑物面積占城市總建筑面積的百分比,b1%為20世紀90年代建造的設防建構筑物面積占所有設防建構筑物面積百分比,b2%為20世紀75～90年代建造的設防建構筑物面積占所有設防建構筑物面積百分比,b3%為20世紀1975年以前建造的設防建構筑物面積占所有設防建構筑物面積百分比,c1%為鋼和鋼砼結構建構筑物面積占所有設防建構筑物面積百分比,IL2為未設防建構筑物的抗震能力指數,d1%為20世紀50～70年代建造的未設防建構筑物面積占所有未設防建構筑物面積百分比,d2%為20世紀50年代以前建造的未設防建構筑物面積占所有未設防建構筑物面積百分比,f1%為鋼和鋼砼結構建構筑物面積占所有未設防建構筑物面積百分比.3.1.1.震后恢復時間的確定1)確定人員傷亡.本研究統計了“九五”期間作過震害預測城市的建構筑物抗震能力指數和它們所對應的人員死亡率.考慮到人員傷亡率在數值上跨越較大,而且這些震害預測城市對人員傷亡的預測只能說準確到量級上,而不是絕對意義的準確,所以把取負對數后的人員傷亡率為縱坐標,房屋抗震能力指數為橫坐標,進行回歸統計(數據來自福建省地震局,2000;2001;海口市地震局等,1999;四川省地震局,1999;中國地震局工程力學所,2000)1～2,統計結果如(圖3)所示.由以上的統計回歸得出建構筑物抗震能力指數與人員傷亡率之間的對應關系y=6.856x2-1.353x+1.7(3)式中,x為建構筑物抗震能力指數,y為人員傷亡率的負對數.2)確定經濟損失.建構筑物破壞造成的經濟損失,主要包括建構筑物本身破壞所造成的結構損失和室內財產破壞造成的損失.a)確定結構損失.類似于人員傷亡的確定,本研究統計了“九五”期間作過震害預測城市的建構筑物抗震能力指數和它們所對應的結構損失,取對數后的結構損失為縱坐標,取房屋抗震能力指數為橫坐標,進行回歸統計(數據來源同圖3),統計結果如圖4所示.根據上述分析,得到建構筑物抗震能力指數與結構損失之間的對應關系y=-4.11x2+1.67x+2.6(4)式中,x為建構筑物抗震能力指數,y為結構損失(萬元/萬平方米)對數值.b)確定室內財產損失.財產損失與建構筑物的抗震能力和城市的財富積累狀況(用城市近10年的人均GDP來代表)有關.類似于人員傷亡的確定,本研究統計了“九五”期間作過震害預測的城市建構筑物抗震能力指數和它們所對應的室內財產損失及城市近10年的人均GDP,取房屋抗震能力指數和取對數后的人均GDP為x,y坐標,取對數后的室內財產損失作為z坐標,進行回歸統計(數據來源同圖3),統計結果如圖5所示.城市中建構筑物抗震能力指數、近10年人均GDP與室內財產損失之間的對應關系z=(-1.24)×(-2.97x+0.71y)2+4.55×(-2.97x+0.71y)-1.91(5)式中,x為建構筑物抗震能力指數,y為近10年人均GDP對數值,z為室內財產損失(單位:萬元/萬平方米)對數值.本研究所建立的上述建構筑物抗震能力指數與人員傷亡率、經濟損失之間的關系式都是針對Ⅶ度設防的城市所得到的結果.關于其它烈度設防的城市建構筑物抗震能力指數與人員傷亡率、經濟損失之間的關系,還需要在以后的工作中進一步的研究.3)確定震后恢復時間.本研究根據ATC-13報告(AppliedTechnologyCouncil,1991),統計得出了城市35種社會功能類別的建構筑物在不同破壞狀態下所需要的平均恢復時間,并相應于我國的震害等級劃分標準,得到各級破壞狀態所需要的恢復時間.具體情況如表3所示.本研究定義的震后恢復時間是指恢復城市基礎設施和工程正常運行,恢復生命線,恢復生產,清除廢墟,給居民提供半永久性的生活條件,以及居民生活得以正常化.根據此定義,認為中等破壞和嚴重破壞狀態下功能恢復50%以上(因為功能在修復過程中,可以部分利用)和毀壞狀態下取完全恢復天數2/3(相應的替代建筑完成部分功能)城市功能能夠基本恢復.則定義出本研究在不同破壞狀態下的震后恢復時間如表4所示.由表4和本研究所定義的建構筑物抗震能力指數可知,相應于不同的建構筑物抗震能力指數所需要的恢復時間不同.具體情況如表5所示.首先根據前面第二部分中所示的方法確定城市建構筑物的抗震能力指數,然后利用線性插值法在表5中查出不同破壞狀態的建構筑物恢復功能所需要的時間.3.1.2震后應急災災能力指標體系利用線性加權法確定了生命線系統的抗震能力指數,把生命線系統對城市防震減災能力的作用體現在它作為一個影響因子在次生災害防御能力指標體系和震后應急救災能力指標體系中,最終實現它對城市防震減災能力的影響作用.本研究根據生命線系統的抗震能力指數,把其抗震能力分為好、中等、差3個等級,并由此確定它在指標體系中的取值(張風華,2002).3.1.3城市抗御地震以地震災害損失的能力等級本研究首先用線性加權法確定了城市抗御地震次生災害的能力指數,并根據Cobum等(1992)統計的本世紀以來已經發生造成人員死亡的1100起地震中次生災害所造成的人員傷亡,大約占所造成人員傷亡總數的15%.本研究取次生災害所造成的地震災害損失為建構筑物所造成損失的0%～30%.根據城市抗御地震次生災害的能力指數,將城市抗御次生災害的能力分為好、中等、差3個等級,不同的抗震能力等級造成的災害損失不同,表現為對建構筑物災害損失的修正取值不同,如表6所示.3.2城市5項因素對城市地震的影響本研究確定城市地震中工程性設施破壞所造成地震災害損失的方法和關系式,都是根據以往的震害經驗統計分析達到的.毋庸質疑,這種方法和關系產生于一定的社會經濟背景條件(即指標體系中工程性措施以外的其它5項因素).在作統計的地震地區中,有的震區社會經濟背景條件利于減少地震災害損失,有的地區則相反.總體來說,計算方法所依賴的社會經濟背景條件應該表示一種平均的趨勢.基于以上這種情況,在確定其它5項因素對人員傷亡、經濟損失和震后恢復時間的影響時,可以這樣考慮:假如這5項措施中的防御能力指數(由每項措施中的指標線性加權而得)處于一種平均狀態,則它們對由工程性設施破壞造成的地震災害損失不產生影響.假如這5項措施的防御能力有利于城市抗震能力,將起到減少損失的作用,否則將增加城市地震損失.可以把這種影響看作對城市工程性設施所造成損失的一個修正,具體修正數值計算如下:λ人員傷亡=1-5∑i=1(ai-ˉai)φi(6)λ經濟損失=1-5∑i=1(ai-ˉai)ηi(7)λ震后恢復時間=1-5∑i=1(ai-ˉai)πi(8)式中,λ人員傷亡為對工程性設施破壞造成人員傷亡的修正系數;λ經濟損失為對工程性設施破壞造成經濟損失的修正系數;λ震后恢復時間為對工程性設施破壞所需震后恢復時間的修正系數;ai為城市指標體系中5項因素中每項因素防御能力指數數值;ˉai為城市指標體系中5項因素中設定的每項因素防御能力指數的平均值;φi為相對于人員傷亡,城市5項因素中每項因素歸一化后的權數(張鳳華,2002);ηi為相對于經濟損失,城市5項因素中每項因素歸一化后的權數(張鳳華,2002);πi為相對于震后恢復時間,城市5項因素中每項因素歸一化后的權數(張鳳華,2002).3.3間接經濟作用與經濟增長的關系上述分析闡明了根據指標體系確定人員傷亡、直接經濟損失和震后恢復時間的計算方法.對于地震造成的間接經濟損失,本研究通過目前關于間接經濟損失的分析,取“間接經濟損失為直接經濟損失的0.4～2倍”,并認為間接經濟損失可以被表達為直接經濟損失、災區的社會經濟結構和修復損壞的物理設施所需要的時間等三者的函數(Kawashima,Kanoh,1990),即與城市建構筑物的抗震能力和社會經濟結構的防御能力有關.最后,由城市地震后的直接經濟損失與間接經濟損失之和構成了城市震后的總體經濟損失.通過上述分析可知,根據城市防震減災能力指標體系,可以得到城市在不同烈度地震下可能造成的地震災害損失——人員傷亡、經濟損失和震后恢復時間.4城市地震損失社會可接受水平評價指標城市防震減災能力評價是一個多目標的評價過程,用城市在地震中的人員傷亡率、經濟損失率和震后恢復時間等3個方面共同評價.本研究用灰色關聯分析方法,將這3個方面結合成城市的防震減災能力綜合指數來評價城市的防震減災能力,參考數列為城市地震損失社會可接受水平.具體方法如下所述.4.1各區域經濟發展水平比較根據以往的工作和其它自然災害的統計資料(馬玉宏,2000),提出了建議的社會可接受水平數值,并考慮下列兩個因素:①區分不同城市和地區的經濟發展水平;②區分不同烈度的影響.具體數值見表7.在進行城市防震減災能力評估時,可以根據不同的城市情況在表7中選取.當然也可以提出自己認為合適的地震損失可接受水平.4.2確定城市民防災害能力綜合指數4.2.1入轉換函數x為了達到不同評價準則的標準統一,引入相應的轉換函數(楊仕升,1997).下面以一般城市抗御Ⅵ度地震為例進行說明:對人員傷亡率引入轉換函數U(x)={1x<8×10-6lgxlg(8×10-6)x≥8×10-6(9)對經濟損失率引入轉換函數U(x)={1x<2%lgxlg(2%)x≥2%(10)對震后恢復時間引入轉換函數U(x)={1x<7lg7lgxx≥7(11)式(9)～(11)中,“8×10-6”代表社會可接受的人員傷亡率,“2%”代表社會可接受的經濟損失率,“7”為7天代表社會可接受的恢復時間(表8所示).4.2.2比較序列與參考序列關聯度的計算參照灰色關聯分析方法,設城市地震社會可接受水平為參考序列:U0(u0j)(u0j=1;j=1,2,…,m),并將其轉化為標準值1;具體城市地震中的災害損失為比較序列Ui(uij)(i=1,2,3,…,n;j=1,2,…,m);利用轉換函數將其轉化為相應的數值.模仿灰色關聯系數定義方法,引入比較序列與參考序列各項準則間的關聯系數為ζ0i(j)=11+Δoj(j)(12)式中,Δ0j(j)=|U0(u0j)-Ui(uij)|(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m),表示參考序列U0與比較序列Ui的第j項準則絕對差值.由于Δ0j(j)的取值區間為[0,1],故關聯系數的取值區間為[0.5,1].從式(12)得到了各比較序列與參考序列的各項準則的關聯系數值,并將各項準則的關聯系數集中體現在一個值上(關聯度),采用加權法進行處理,如下式:r0i=m∑j=1aiζ0i(j)(13)式中,ai為各項評價準則的權重;關聯度r0i的含義為比較序列與參考序列中各項準則關聯系數之加權和,集中反映了比較序列與參考序列的關聯(接近)程度.顯然,r0i的值域為[0.5,1].關聯度越大,說明城市抗御地震的能力愈強;反之,關聯度越小,則說明城市抗御地震的能力愈弱.由于關聯度的大小反映城市抗御地震能力的強弱,故將關聯度定義為城市防震減災能力指數.而且此方法確定的城市防震減災能力指數,可以定量地表示出城市防震減災能力的現狀,距我們可以接受的城市防震減災能力水平有多大的差距.本研究根據其差距的大小,把城市的防震減災能力分為強、中等、差3個級別,并提出了建議值(表8).5具體城市地震災害能力評價分析現將上述建立的城市防震減災能力評估模型,應用于以下10個具體城市進行防震減災能力評價分析1～⑩.關于具體城市的指標取值在此不一一詳述.下面將列出這10個具體城市的評價分析結果(表9).5.1工程因素的抗疲勞評價的確定11不同城市建筑的抗疲勞指數各城市建構筑物的抗震能力指數如圖6所示.2表10和表11生命系統的功能滿意度和次生破壞的耐受性表10和表115.2其他五個因素的抗強能力評價結果其它5項因素對工程性設施造成的人員傷亡、經濟損失和震后恢復時間的修正系數結果如圖7所示.5.3城市地震抗災能力指數的計算由10個城市防震減災能力指標體系中各因素,根據本文前面所敘述的方法可以計算城市在不同地震烈度下的人員傷亡率、經濟損失率和震后恢復時間,從而計算出城市防震