多维损失指标的灾度计算模型.pdf
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1、第43卷第3期2023年6 月文章编号:10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 198-10地震工程与工程振动EARTHQUAKEENGINEERING ANDENGINEERING DYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0320多维损失指标的灾度计算模型徐国栋12,薄景山1.2,李巨文12,张云霞3(1.防灾科技学院,河北三河0 6 52 0 1;2.河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室,河北三河0 6 52 0 1;3.应急管理部国家减灾中心,北京10 0 12 4)摘要:科学合理的灾害等级定量评定模型,有利
2、于合理划分地震等自然灾害的影响程度等级和灾害分级管理。采用“直接经济损失/年人均GDP”处理方法对直接经济损失进行无量纲化,简化和统一不同年代、不同地区的直接经济损失相对值。在已有灾度计算模型的基础上,以地震灾害为例,定义了灾害等级及相应的灾度值下限,考虑直接经济损失相对值、死亡人数、受伤人数等三个损失指标,以椭球面为灾度等值面,构建了三维灾度计算模型。本模型通过严格的数学推导得出,模型本身对所用的各损失指标进行了无量纲化处理,能定量比较不同发生时间和地点的地震灾害损失程度,可推广到其他灾害的灾度值计算及等级评定。三维灾度模型能方便地扩展到更高维度的灾度模型上去,而灾害分级与灾度分级值D,保持
3、不变。通过部分中国实际地震灾例的灾度计算和灾害分级,检验了模型的科学性和适用性。初步讨论和分析了一维退化灾度计算模型:将人口损失粗略折算为当量经济损失,计算结果表明,即使采用较高的赔偿标准,地震灾害导致人口损失的折算经济当量占总经济损失当量的份额是比较小的。关键词:灾害等级;灾度;损失指标;人均GDP;人口损失;经济损失;灾度计算模型中图分类号:TU4文献标识码:ADisaster magnitude calculation model of multi-dimensional loss indicatorsXU Guodong,BO Jingshan2,LI Juwen-2,ZHANG Yu
4、nxia(1.Institute of Disaster Prevention,Sanhe 065201,China;2.Hebei Key Laboratory of Earthquake Disaster Preventionand Risk Assessment,Sanhe 065201,China;3.National Disaster Reduction Center of China,Beijing 100124,China)Abstract:A scientific and reasonable quantitative assessment model of disaster
5、grade is conducive to the rationalclassification of the impact of earthquakes and other natural disasters and the hierarchical management of disasters.The“direct economic loss/annual per capital GDP treatment method is adopted to nondimensionalize the directeconomic loss,in order to simplify and uni
6、fy the relative value of direct economic loss in different years and regions.On the basis of the existing disaster magnitude calculation model,taking the earthquake disaster as an example,thedisaster grade and the corresponding lower limit value of disaster magnitude are defined.Considering the rela
7、tivevalue of direct economic loss,the number of deaths and the number of injuries,a three-dimensional disastermagnitude calculation model is developed with the ellipsoid as the isosurface of disaster magnitude.This model isderived through strict mathematical derivation.The model itself carries out d
8、imensionless treatment on all lossindicators used,which can quantitatively compare the loss of earthquake disasters at different times and places,andcan be extended to the disaster magnitude and grade evaluation of other disasters.The three-dimensional disastermagnitude model can be easily extended
9、to a higher dimensional disaster magnitude model,while the disaster收稿日期:2 0 2 2-0 1-17;修回日期:2 0 2 2-0 7-2 2基金项目:国家重点研发计划(2 0 2 2 YFC3006400);防灾科技学院校内项目(2 17 12 310 18)Supported by:National Key Research and Development Program of China(2022YFC3006400);Campus Project of Institute of Disaster Preventio
10、n(2171231018)作者简介:徐国栋(197 4),男,副教授,博士,主要从事地震工程研究。E-mail:g d x u 18 50 q q.c o m通讯作者:薄景山(1957 一),男,教授,博士,主要从事地震工程研究。E-mail:b o j i n g s h a n 16 3.c o m第3期classification and corresponding lower limit of disaster magnitude D;remain unchanged.The scientificity andapplicability of the model are tested
11、through the calculation of disaster magnitude and grade classification of someactual earthquake disasters in China.The calculation model of one-dimensional degradation disaster magnitude ispreliminarily discussed and analyzed that the population loss is roughly converted into equivalent economic los
12、s.Thecalculation results show that even with a higher compensation standard,the economic equivalent of population losscaused by seismic disasters accounts for a relatively small share of the total economic loss equivalent.Key words:disaster grade;disaster magnitude;loss indicators;per capital GDP;po
13、pulation loss;economic loss;disaster magnitude calculation model徐国栋,等:多维损失指标的灾度计算模型1990引言灾害等级划分是灾害理论研究和灾害分级管理中的一个关键问题。目前,中国的国家地震应急预案(2 0 12 年8 月2 8 日修订)综合考虑死亡人数、直接经济损失等因素,将地震灾害分为特别重大、重大、较大、一般等四级。国家地震应急预案对地震灾害的分级属于定性或半定量方法,其中,将30 0 人以上死亡或直接经济损失占地震发生地省(区、市)上年国内生产总值1%以上的地震灾害划分为顶级的特别重大地震灾害。当人口较密集地区发生7.0
14、 级以上地震,人口密集地区发生6.0 级以上地震,初判为特别重大地震灾害。应对特别重大地震灾害,启动I级响应。由灾区所在省级抗震救灾指挥部领导灾区地震应急工作;国务院抗震救灾指挥机构负责统一领导、指挥和协调全国抗震救灾工作。对中国地震频发且严重的国家,这种分级不利于“巨灾”等重大地震灾害的分级管理,有必要对地震等自然灾害影响程度做出更合理的等级划分,给出定量的灾害等级评定模型,为灾害分级管理提供更有效的依据。马宗晋1根据我国自然灾害情况提出了“灾度”(disaster magnitude)概念,认为灾度是某次灾害所造成的损失大小和影响程度,灾度是灾害等级大小的定量表述,可根据死亡人口、直接经济
15、损失、灾损财政收入比、倒房数量、成畜死亡数量等指标,将自然灾害根据灾情划分为巨灾、大灾、中灾、小灾、微灾等五个灾度,并把死亡人数达1万人、直接经济损失达10 0 亿元人民币(1990 年价格)以上的划为巨灾,以下每降低一个数量级,降低一个灾度。“灾度”和“灾害分级”概念的提出,使我国对灾害等级划分有了明确的标准。于庆东2 对灾度等级判别方法进行了改进和完善,通过调整死亡人数和直接经济损失的单位,采用椭圆模型来确定灾害等级,在第一象限的角平分线上选定一些临界值来确定灾害等级,巨灾等级下限值采用了死亡10 万人且直接经济损失100亿元,标准明显偏高。高建国3强调用“灾度”来评估自然灾害造成社会损失
16、的影响程度,建议用死亡人数和财产损失来衡量灾度大小,并给出了灾度计算模型;在划分各灾种灾度时,应当有所差异,各类标准既不能划得太高,又不能划得太低。冯利华4对灾害等级的分级及评价进行了全面回顾,在研究中采用的损失指标有单因子指标,即直接经济损失;双因子指标,即直接经济损失和死亡人数;三因子指标,即直接经济损失、死亡人数、重伤人数;多因子指标,如直接经济损失、人员伤亡数量、受灾人口、受灾面积、倒损房屋数量等,并提出了灾害等级评价应具备科学性、可比性、实用性等原则。史培军5提出并完善了区域灾害系统理论,把灾害形成过程划分为突发性灾害过程和渐发性灾害过程,这两类灾害造成的损失分为财产损失、人员伤亡、
17、资源与环境破坏等三大类,但所用指标和划分标准应当存在差异。地震灾害为突发性灾害,造成的损失表现在多个方面,如人员伤亡、受灾和转移安置人口、成灾面积、房屋倒损、经济损失等。史培军6 在区域灾害系统的基础上构建了由死亡和失踪人口、房屋倒塌、转移安置人口、平均地震烈度和地质灾害程度等多指标组成的综合灾情指数(DI),用综合灾情指数来评定汶川地震灾区不同地区的受灾严重程度。张卫星等7 研究了巨灾(catastrophe)(包括突发性巨灾和渐发性巨灾)的定义及划分标准,指出由于每个国家的经济发展情况差异,国际上对灾害等级划分尚没有统一标准和方法,对灾害等级的定量评价也没有一个成熟或通用的计算模型,多以定
18、性或半定量的指标或模型来确定灾害等级。ILAN8 提出聚合灾害影响度量的新方法,用“生命年”作为衡量灾害损失的量化指标,定量评价灾害的影响。赵秀娟等9用模糊多维象限法,构建了评估灾害等级的定量模型;张鹏等10 提出了基于几何平均的综合灾情指数计算方法,在时间200和空间两个维度对给定区域的灾害损失进行定量化的评价;陶正如等11全面总结了灾害分级标准,用损失比和“生命年”对汶川地震各地区的灾害等级进行了评定。本文“灾度”定义采用马宗晋1“表征灾害损失量大小和影响程度的一个量度”。以地震灾害为例,构建能够用于不同灾害、不同地区、不同年代的三维和多维灾度计算模型,计算灾度值并评定灾害等级。维数即损失
19、指标(如直接经济损失、人员伤亡数量、房屋倒损数量、转移安置人口等)的数量。通过部分中国实际地震灾例进行灾度计算和灾害分级以检验模型的科学性和适用性。1三维损失指标的地震灾度模型地震工程与工程振动第43卷表1生产安全事故的分级Table 1 Classification of production safety accidents1.1灾害等级与其灾度下限值设定本文采用马宗晋1地震灾害等级划分方法,将地震灾害分级为巨灾、大灾、中灾、小灾、微灾、无灾;采用“灾度”值D(i=1,2,3,4,5)作为灾害等级之间的划分界线,这里设定:巨灾灾度下限D,=10,大灾灾度下限D4=8,中灾灾度下限D,=6,
20、小灾灾度下限D,=4,微灾灾度下限D,=2,灾度小于D,的为无灾,无灾也可能有一些小的损失。1.2对直接经济损失的无量纲化处理直接经济损失是重要的灾情指标之一。如果直接采用直接经济损失这个指标,由于不同年份、不同国家的货币值不同,需要进行经济方面的换算,增加模型复杂程度。这里采用简单的无量纲化处理,将“灾害直接损失值/年人均GDP”定义为直接经济损失相对值(无量纲),用直接经济损失相对值来表示灾害对社会经济的影响程度。例如,在1990 年由于地震灾害造成了10 0亿元的直接经济损失,1990 年的人均国民生产总值为1558 元,10 0 亿元/1558 元=6 418 48 5.2 4,即直接
21、经济损失相对值可近似取6.418 510,表示灾害直接经济损失相当于6.418 510 单位的人均GDP。在对直接经济损失进行无量纲化处理时,有时需要考虑本年度的大灾或巨灾对人均GDP的影响。这里借鉴赵阿兴等12 的处理方法:对大灾或巨灾,可以使用(灾害年前一年人均GDPx物价指数)进行无量纲化,即“灾害直接损失值/(灾害年前一年人均GDP物价指数)”定义为直接经济损失相对大小(无量纲)。这是因为如果是大灾或巨灾,由于灾害及其恢复重建的影响,会对灾害年的人均GDP产生影响。结合地震灾例实际情况,本文采用简化处理方法:如果大灾或巨灾年人均GDP比上一年减少,可直接采用上一年的人均CDP(如唐山地
22、震);如果大灾年或巨灾年人均GDP依然增加,可采用这一年的人均GDP(如汶川地震)。这种处理方法是由于本文的多指标灾度计算模型,当经济损失指标或其他指标有5%左右的偏差,对灾度计算值影响不大。这种无量纲化处理消除了空间和时间对直接经济损失值大小的影响,不需要依据汇率或物价指数对直接经济损失进行处理,再考虑到本文灾度计算模型的稳定性,可直接用“所在地(国)当年价格的直接经济损失值/当年或相邻年人均GDP”确定直接经济损失相对值。1.3单损失指标的分级本文用直接经济损失相对值、死亡人数、受伤人数等三个损失指标来确定灾度。马宗晋建议死亡人数在1万以上、直接经济损失(按1990 年价格计算)10 0
23、亿元以上(含10 0 亿元)可划为巨灾。用a,表示第级灾度的直接经济损失相对值下限值。1990 年人均GDP为1558 元,10 0 亿元/1558 元=6418485.24,则a,可近似取6.0 10%。依次地,a4=610、a s=6 10 4、a z=6 10 3、a,=6 10;用b,表示第i级灾度的死亡人数下限值,b1=110bz=110、b=110 b 4=110 3、b,=110 4;用c,表示第i级灾度的受伤人数下限值。在设定参数c,时,参考了国务院2 0 0 7 年4月9日发布的生产安全事故报告和调查处理条例(国务院令第439号),根据生产安全事故造成的人员伤亡或直接经济损失
24、,对事故进行的分级,见表1所示。事故分级特别重大事故重大事故较大事故一般事故死亡人数/人30103501010直接经济损失/千万元10 00050001 0001 000第3期表1按“或”的原则和“就高”原则确定事故等级。从表1可以看出,按“当量”原则,1人死亡,相当于35人重伤,本文取1人死亡“当量于4人重伤;另初步设定1人重伤相当于5人轻伤。依据这些设定,1万人死亡,相当于4万人重伤,又相当于2 0 万人轻伤,受伤人数为(重伤人数+轻伤人数)。与1万人死亡的“当量”受伤人数为(2 4万人/2)=12 万人。故本文对第i级灾度的受伤人数下限值取:c,=1210、c=1210、c s=12 1
25、0、c 4=12 10 3、c s=12 10*。(这里还应当考虑地震灾害中死亡、重伤和轻伤的统计比例来确定c;,但由于缺少相关统计数据,本文假设死亡:重伤:轻伤=1:4:2 0,粗略设定c,值)冯利华4建议第三个损失指标宜选择为重伤人数,但只有较少地震灾例对受伤人数进行了分级和统计。受数据详细程度影响,本文第三个损失指标选为受伤人数。综上所述,灾害等级及其灾度下限D,参数;b,vc,等的设定见表2。表2 灾害等级划分及其分界面方程参数Table2Disaster severity classification and interface equation parameters灾害第1个等级i
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