引言

地震灾害风险评估是针对区域内遭受不同强度地震后造成的人员伤亡和财产损失等可能后果的定性、定量分析和评价工作（黄崇福，1999；姚清林等，2002；刘吉夫等，2008），开展地区地震灾害风险评估工作是践行新时期防震减灾工作的必然要求，是由震后应急处置被动模式向灾前常态准备模式的有效尝试（唐丽华等，2016），也是震前充分了解抗震薄弱环节和高风险地区，有针对性地采取防范加固和减灾措施，切实提高地震灾害风险防御能力，有效降低地震灾害损失的有效途径（唐丽华等，2013；Kircher等，2006）。

目前国内外已有众多专家学者、科研机构开展了地震灾害风险评估分析研究，国外现有灾害风险评估系统相对成熟，如美国HAZUS系统（Kircher等，2006）、联合国RADIUS系统、挪威SELENA系统（Molina等，2006）等。国内地震灾害风险评估的研究起步较晚，王晓青等（2000）以地震危险性分析、建筑物易损性分析、数理统计方法等为依据，研发了地震灾害损失预测系统；高杰等（2005）通过归纳总结防震减灾系统的特点，利用VB语言研发了基于GIS平台的地震灾害风险评估系统；陈焜浩等（2017）基于模块化思想，利用MEF插件式开发框架，构建了城镇地震灾害风险评估系统。上述地震灾害风险评估系统主要应用对象为国家、省、市等，产出的评估结果多以区域或城市为单位，提供的地震灾害防御对策和应急辅助决策也较宏观，对市县层级开展地震灾害风险评估适用性和针对性不强，且基本未考虑由地震引发的次生地质灾害的影响。

市县作为依法履行政府防震减灾社会管理职能的行政主体，是防震减灾工作面向社会最直接、最有效的力量，是发挥政府职能、强化社会管理和公共服务的基础。基于现有地震灾害风险评估系统存在市县层级应用薄弱、针对性不强、未考虑地质灾害影响等问题，本文在总结最新研究成果的基础上，以宝兴县为例，设计并构建操作方便简单、针对性强的地震灾害风险评估系统。为地方政府地震灾害风险管理、防御和风险处置等提供方法和方案，切实提高地震灾害防御能力，有效降低地震灾害损失。

1.   地震灾害风险评估基础数据及模型

1.1   基础数据

地震灾害风险评估系统涉及的基础数据主要包括基础地理数据、房屋建筑数据、统计数据、地质灾害隐患点数据和地震地质构造数据等。

基础地理数据包括行政区划数据、地形地貌数据、道路数据、河流水系、重点目标数据等。房屋建筑数据是以天地图中的单体建筑物数据为基础，搭建GIS服务器和Web服务器，开发基于微信平台的数据采集软件，实现现场定位采集单体建筑物的属性信息，并完成数据入库。统计型数据主要指人口统计数据和经济统计数据，源自2017年宝兴县统计年鉴。其中人口统计数据包括总人口、总户数、户籍人口、不同年龄段的人口；经济统计数据指地区生产总值、三大产业生产总值和社会固定投资总额。地质灾害隐患点数据包括滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害隐患点。地震地质构造数据主要包括活动断裂数据、历史地震数据、场地类别数据、地震区划和地震带数据等。部分数据库表结构如图 1所示。

图 1  数据库表结构

Figure 1.  Database table structure

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1.2   模型

地震灾害风险评估模型是进行地震灾害风险评估的基础，主要包括烈度衰减关系模型、地质灾害稳定性评估、火灾分析、建筑物破坏预评估、人员伤亡预评估、直接经济损失预评估、危旧房屋评估、高风险小区评估等系列模型。以地质灾害稳定性评估、高风险小区评估等主要模型为例，介绍如下：

（1）地质灾害稳定性评估模型

根据烈度衰减关系模型生成的影响场，结合地质灾害隐患点所处的地震地质构造、地形地貌条件，选取坡高、岩性构造、坡角、地震、降雨作为影响地震触发地质灾害的主要因子，采用综合指标法建立地质灾害稳定性模型，并与地质灾害发生的临界值进行对比，判断地质灾害发生的危险程度。本文采用丁彦慧等（2000）提出的地震崩滑稳定性计算模型，具体公式如下：

式中，Z为边坡危害程度，P为坡角影响系数；H为坡高影响系数；S为岩性条件系数；W为降水强度系数；Q为地震强度系数。

坡高是影响地震触发崩滑泥石流的主要因子，一般坡高越大，越易发生崩滑。坡高因子是依据DEM生成的，利用DEM提取山谷线，搜索距离位置点最近的山谷线，计算该位置点与谷底之间的高差将坡高划分称为5类，分别进行赋值，坡高越高对应的分类值越大。

岩性构造主要控制地质灾害类型，不同类型岩体触发的地质灾害类型、概率和规模不同，一般硬岩主要发生大型崩滑，而软岩以浅层滑坡为主。通过分析新构造运动强弱、历史上发生6级以上地震的频率、主干断裂带分布、岩体类型及结构等影响因素，将其划分为5类，并分别赋值。

坡角是控制地震触发崩滑泥石流具体发生位置的重要影响因子，一般地形坡度角越大越易触发，利用研究区DEM生成。该因子被分为5类，坡度越大，对应的分类值越大。

地震强度因子采用地震动参数，根据烈度与地震动加速度的对应关系进行转换，地震动加速度越大，对应的分类值越大。

年均降雨量是影响地震触发崩滑泥石流的外部因素，根据年降雨及降雨强度角将其划分为5类，分别进行赋值。降雨量＞800mm且多暴雨的分类值最大，降雨量 < 400mm且分布均匀的分类值最小。

（2）高风险小区评估模型

高风险小区是预测未来发生地震时，地震灾害及其引发的次生地质灾害、城镇潜在的各种隐患与不利因素等相互作用下，划定的危险性系数较高的小区。在建筑物震害预评估的基础上，综合考虑次生灾害等危险源的影响，采用综合指标法确定高风险小区，选取老旧房屋占有率、各类建筑物综合震害指数、距次生灾害源的距离、距断裂带的距离及距滑坡隐患点的距离，采用空间叠加的方式得到格网综合指数，采用分级分类方法将危险性等级划分为严重、中等和轻微3个等级，并以专题图的形式展示（图 2）。

图 2  高风险小区业务流程图

Figure 2.  High-risk community business flow chart

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2.   地震灾害风险评估系统设计

2.1   逻辑架构设计

地震灾害风险评估系统总体采用分层架构，包括运行环境层、支撑平台层、数据层和应用层，如图 3所示。运行环境层主要包括系统运行需要的硬件环境和网络环境。支撑平台层包括系统运行需要的一系列辅助软件系统，如数据库管理系统、GIS Runtime、应用中间件、Office和操作系统。数据层主要包括基础数据库、评估模板库、评估结果库和管理数据库。应用层是在前端直观展示及操作该软件系统的所有功能，包括地震危险性分析、次生灾害风险分析、地震灾害损失预评估、地震灾害防御对策、基础数据调查与管理和系统管理。

图 3  系统架构图

Figure 3.  System architecture diagram

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2.2   系统功能设计

地震灾害风险评估系统功能由地震危险性分析、次生灾害风险分析、地震灾害损失预评估、震害防御对策和系统管理构成（图 4）。

图 4  系统功能结构

Figure 4.  System functional structure

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（1）地震危险性分析

地震危险性分析包括地震地质构造、地震活动性、危险性分析结果及地震事件管理等，即包括地震活动性、地质构造评价等方面的研究成果，以地图的形式将地震活动性、活动断裂分布、地质构造及不同超越概率的地震动参数等可视化展示。地震事件管理包括设定地震管理和设定烈度管理，在设定地震评估的基础上，系统增加了设定烈度评估的方式。设定烈度评估的方式可将评估区域在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ度下的地震灾害损失评估出来，作为分烈度损失计算图层，在破坏性地震发生后，可大大提高应急评估计算效率。

（2）次生灾害风险分析

次生灾害风险分析主要包括地质灾害风险分析、火灾风险分析和其他潜在危险源风险分析等。考虑宝兴县自然地理、社会经济等原因，全县褶皱密集，断裂发育，以高山地貌为主，地势起伏大，导致全县地质灾害较严重，且通过实地调研过程中发现宝兴县建筑物结构类型以木结构为主，若遇火灾后，易加剧灾情，快速蔓延，因此本文重点对地质灾害风险和火灾风险进行分析。基于地质灾害隐患点（滑坡、泥石流和崩塌）数据，并结合隐患点所处地形、地质条件和烈度，根据地质灾害稳定模型计算地质灾害点的稳定系数，从而判定其稳定程度，以图表的形式显示地质灾害稳定、失稳及可能失稳的比例，并根据失稳的地质灾害隐患点坡向和坡高计算其影响范围。火灾分析是通过综合考虑单体建筑物结构类型、用途、建筑物在地震后的破坏状态及天气、风速等环境条件因素，根据火灾着火概率模型，计算单体建筑物着火概率，以专题图和图表的形式综合展示。

（3）地震灾害损失预评估

地震灾害损失预评估由建筑物震害预评估、道路交通震害预评估、人员伤亡预评估和经济损失预评估等模块构成。建筑物震害预评估是在基于用户选择的设定地震或设定烈度模式下进行评估，在设定地震下根据地震烈度衰减关系生成影响场，结合建筑物易损矩阵及建筑物实际信息，对建筑物受损程度进行量化，并在此基础上考虑由地震引发的次生地质灾害的影响，综合评定建筑物损毁情况，以图表的形式进行展示。根据地震影响场范围及次生地质灾害范围，利用道路阻断模型对道路震害情况进行预测。在建筑物震害预评估的基础上，调用人员伤亡模型和经济损失模型对人员伤亡和经济损失进行预测，并以图表的形式进行展示。

（4）震害防御对策

震害防御对策包括建筑物加固措施、防灾规划及危旧房屋、高危险小区、次生灾害、地质灾害等地震灾害风险处置对策。该模块在次生灾害风险分析和地震灾害损失预评估的基础上，找出各类建筑物、生命线工程系统的抗震薄弱环节，通过设置建筑物年代与建筑物破坏程度等特征识别危旧房屋和高风险小区；根据地质灾害稳定性分析结果，在地图上绘制其大概影响范围，并给出失稳或可能失稳状态的地质灾害隐患点应对措施；根据区域内其他危险源在地震中的损毁程度，在地图上绘制其大概影响范围，并给出应对措施；综合地震地质灾害危险性和影响范围，划分出不利建设区、有利建设区和危险建设区；根据设定地震的预测受灾情况，给出储备仓库、储备物资及应急避难场所的需求建议，并结合辅助决策报告模板生成地震灾害防御辅助决策报告，为政府部门制定防震减灾规划提供依据。

（5）系统管理

系统管理由基础数据预处理、用户权限管理、数据采集移动设备管理和日志管理构成，其中基础数据预处理主要提供统计型数据的编辑更新操作及预先计算建筑物在各烈度下的损毁情况等。该系统基于角色访问控制权限，通过角色与权限管理用户，明确不同用户的权限。

2.3   业务流程设计

利用地震灾害风险评估系统进行灾害风险评估时，各功能模块之间的数据流按一定数据导向进行相互调用，基于系统的总体逻辑结构和功能结构，设计总体业务流程如图 5所示。

图 5  系统业务流程

Figure 5.  System business process

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首先进行地震危险性分析，根据地震危险性分析结果，选择设定地震或设定烈度方式进行评估。在设定地震下根据地震烈度衰减关系生成影响场，结合滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害隐患点数据，分析由地震引发的地质灾害危险及影响范围。在此基础上，利用地震灾害损失评估模型预测地震灾害损失，得到建筑物震害分布图、人员伤亡分布图、经济损失分布图、单体建筑震害分布图、道路震害分布图、危旧房屋分布图、高风险小区分布图、地质灾害稳定性分布图、次生灾害分布图等。根据地震灾害损失预评估结果，给出对应的防震措施，包括建筑物防震措施、危旧房屋集中地段防震措施、高风险小区防震措施、薄弱生命线工程防震措施、地质灾害抗震措施、次生灾害抗震措施、物资储备信息展示、应急场所建议及措施、防灾规划等，并将所有措施、建议整理成报告文档，生成地震灾害风险处置对策，为政府部门采取有针对性的防范加固措施提供信息支撑。

3.   地震灾害风险评估系统的实现

采用C/S模式对地震灾害风险评估系统进行开发，系统硬件环境包括客户端和服务器端，服务器端包括数据库服务器和应用服务器。对于系统软件环境，服务器端操作系统需安装Windows Server 2008及以上版本，数据库选择SQL Server 2008及以上版本，中间件采用ActiveMQ，客户端操作系统为Windows 10（32/64位）、ArcGIS Engine 10.0及以上版本。借助Eclipse、Visual Studio集成开发环境，采用Java语言定制开发。系统主要功能操作界面如下：

（1）地震危险性分析

地震区划查询界面如图 6所示，左侧界面展示地质分布图，通过在地图上随机选点，以对话框的形式展示该点位置信息，且能在右侧界面中部展示地震动峰值加速度及地震动加速度反应谱特征周期，并在界面右下方绘制该点在不同场地类型条件、超越概率下地震动参数对应的地震动峰值加速度及地震动加速度反应谱特征周期折线图。

图 6  地震区划查询

Figure 6.  Query of earthquake zoning

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（2）次生灾害风险分析

地质灾害分析结果界面如图 7所示，左侧界面控制地图图层的显示，中部以地图的形式展示地质灾害分析结果，依据地质灾害点稳定性判断结果以颜色区分，右侧界面提供按灾害类型、稳定程度条件进行查询的结果，以表格形式展示，并将表格内容进行统计分析生成文本，默认统计全部灾害类型和稳定程度。火灾分析结果界面如图 8所示，中部根据单体建筑物火灾发生概率对其进行分级显示，右侧界面以表格的形式展示单体建筑物着火概率。

图 7  地质灾害分析结果

Figure 7.  Geological disaster analysis results

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图 8  火灾分析结果

Figure 8.  Fire analysis results

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（3）地震灾害损失预评估

单体建筑物地震灾害损失预评估结果界面如图 9所示，左侧界面展示单体建筑物震害结果，根据损坏情况进行符号化分级显示。右侧界面以柱状图和表格的形式展示以乡为单位的建筑物损坏情况。

图 9  单体建筑物地震灾害损失预评估结果

Figure 9.  Pre-assessment results of earthquake disaster losses of single buildings

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（4）震害防御对策

危旧房屋主界面如图 10所示，左侧界面地图显示根据不同建筑物年代、建筑物损毁情况等绘制的危旧房屋区域，右侧界面以表格的形式展示危旧房屋模型分析结果，且可单击表格中的某组数据在地图上进行定位，点击详情可弹出对话框，显示具体的防震措施，并以饼状图的形式统计分析不同灾害程度占比。高风险小区主界面如图 11所示，左侧界面地图显示高风险小区分析结果，右侧界面以表格的形式展示分析结果，且可单击表格中的某组数据在地图上进行定位，点击详情可弹出对话框，显示具体的防震措施，并以饼状图的形式统计分析不同灾害程度占比。

图 10  危旧房屋主界面

Figure 10.  Main interface of dilapidated house

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图 11  高风险小区主界面

Figure 11.  Main interface of high-risk community

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4.   结语

本文介绍了地震灾害风险评估系统所需的基础数据源和主要评估模型，阐述了系统的逻辑结构设计、系统功能设计和业务流程设计，利用Visual Studio开发平台，结合SQL Server数据库，采用组件式开发框架完成了系统研发。地震灾害风险评估系统丰富了市县层级防震减灾部门工作手段，为平时地震灾害防御提供辅助决策建议，提高了市县层级防震减灾能力。

本系统采用C/S模式，不同城市和地区需根据当地具体情况建设，从而造成资源浪费。同时对于市县而言，因缺乏专业的技术人员，会导致系统更新维护困难。为此，可引入云计算思想，在以后的研究中解决上述问题。