Population Expousure in the High Seismic Hazard AREA of Low-elevation Coastal Zone in China from 1990 to 2015
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摘要: 中国沿海低地人口稠密、经济发达，是包括地震在内的自然灾害频发地区。由于已有研究成果缺乏对地震灾害暴露和风险的研究，本文利用CoastalDEM、Worldpop人口和中国地震动参数区划等数据，分析1990—2015年中国沿海低地地震高危险性地区人口暴露时空变化特征。研究结果表明，中国沿海低地地震高危险性地区面积为15.1×104 km2，约占全国沿海低地总面积的70.6%；1990—2015年，沿海低地地震高危险性地区暴露人口不断增加，2015年暴露人口达16869万人，与此同时，城市人口快速增长，而农村人口大幅下降。Abstract: The low-elevation coastal zone in china is densely populated and economically developed. It is also prone to natural disasters, including earthquakes. However, previous studies had a research gap on the exposure and risks of earthquakes. In this work, we analyzed the spatiotemporal patterns of population exposure in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zone in China from 1990 to 2015, based on datasets of CoastalDEM, Worldpop population data and seismic ground motion parameters zonation map of China, etc. Our results show that, the high seismic hazard area of low-elevation coastal zone is 0.151 million km2, accounting for 70.6% of the low-elevation coastal zones in China. The population in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in 2015 was approximated 168.69 million. The exposured population of the high seismic hazard area in low-elevation coastal zones increased continuously, while the urban population grew rapidly and the rural population decreased significantly over the period.1) 2
https://go.climatecentral.org/coastaldem/ 2) 3http://www.worldpop.org -
引言
2022年6月1日四川雅安地区发生6.1级地震，现场震害调查发现地震造成道路中断，隧道及公路破坏严重。这种灾害情况一方面与地形结构较复杂、山区落石较多有关，另一方面还应关注场地条件导致的震害表现，尤其是峰值加速度、峰值速度、峰值位移等参数的放大效应影响。大量研究表明，场地的地震效应与场地结构特征密切相关，场地条件不同对基岩运动的放大缩小效应不同，引起的地震灾害形式不同。近年来，越来越多的学者关注近地表土壤条件对地面运动的影响，冯希杰等（2001）通过实际土层地震反应结果的统计分析和强震加速度观测结果的对比，讨论了不同场地条件对基岩峰值加速度的放大效应及特点；薄景山等（2003a，2003b）通过构造场地计算剖面，研究了不同土层结构对地表加速度峰值及反应谱平台值的影响；陈党民等（2013）基于西安地区大量钻孔资料，进行了典型场地剖面的地震反应计算，得到场地峰值放大系数随等效剪切波速、覆盖层厚度及基岩输入地震动强度的变化关系。综上所述，学者们关于场地效应的研究多集中于峰值加速度及加速度反应谱，对峰值速度、峰值位移等其他地震动参数的研究较少。
通过工程实践及相关研究表明（O’Rourke等，2001；陈波，2013），峰值速度、峰值位移可表征地震动的中低频信息，对中长周期结构影响较大，尤其是峰值速度与地震震级有较好的相关性，可提供有关地震动频率含量和强震持时的有关信息，相较于其他强度指标，峰值速度与变形需求的相关性更好（Akkar等，2005），同时，O’Rourk等（2001）在生命线工程岩土性能研究中发现峰值速度与埋深管道的地震破坏有密切关系，推测本次隧道与公路的严重破坏及峰值速度的变化关系有关。本文在全面分析雅安地区场地地震动特征的基础上，以峰值速度作为地震动参数指标，研究四川雅安地区场地条件引起的峰值速度放大效应，分析等效剪切波速与覆盖土层厚度及峰值速度的变化关系，研究雅安地区峰值速度引发震动反应的一般特征。本文研究成果可用于雅安地区场地峰值速度放大倍数指标的确定，为地震备灾工作提供技术支持。同时，本文明确指出本地区软土场地更易引起场地峰值速度的放大，可为生命线工程的抗震选址等工作提供参考。
1. 雅安地区钻孔基础资料
雅安地区钻孔基础资料的获取来源于已通过评审的雅安地区重大工程场地地震安全性评价项目，通过收集整理，获取雅安地区钻孔有效数据27个，基本可描述雅安地区的场地情况。根据对钻孔数据的土层分布、剪切波速、覆盖层厚度、成孔信息进行梳理后，建立相应钻孔的土层反应模型，同时，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）中场地类别划分标准，建立的27个模型均属于Ⅱ类场地，钻孔分布情况如表1所示。
表 1 场地钻孔资料分布情况Table 1. Site borehole data distribution map参数分布 等效剪切波速 ${V}_{\mathrm{s}\mathrm{e} }$分布/m·s−1 覆盖层厚度 $ {d}_{\mathrm{s}\mathrm{e}} $分布/m 200～250 250～300 300～350 350～400 400～450 10～15 15～20 20～25 25～30 30～35 钻孔数/个 2 2 9 10 4 4 4 7 9 3 为更清楚地认识雅安地区的地形条件及场地土层情况，图1给出了本次地震震中及芦山县地形地貌，图2给出了所选雅安地区场地钻孔土层的剪切波速随埋深的变化曲线。由图1和图2可知，该地区地形有一定起伏变化，周边山区较多，选取的场地土层较坚硬，大部分土层等效结构剪切波速大于350 m/s，且场地上覆盖土层较浅。
图 1 雅安及周边芦山县地形地貌Figure 1. Topographic and geomorphological map of Ya'an and surrounding Lushan2. 时程输入信息
由于发震时间距今较短，未搜集到本次地震较有效的强震观测记录信息，但地震备灾及灾后重建需建立在基于场地条件的地震灾害影响分析基础上。本文为全面分析雅安地区场地条件对强震输入峰值速度的影响效应，为本地区今后的地震灾害防御工作提供技术支撑，本文采用可搜集到的雅安芦山县7.0级地震的强震记录作为基岩输入时程（表2、图3）。同时，为全面考虑当地震输入峰值加速度一致时，峰值速度及频谱分布特征不同造成的结果变化，从NGA数据库中选取震级和震源深度较相近的地震事件作为补充，NGA强震数据如表3、图3所示。
表 2 输入基岩时程信息（芦山地震强震数据）Table 2. Input bedrock time-histories information（Data from Lushan earthquake）地震名称 台站名称 记录编号（简称） 震级/级 震源距离/km PGA/Gal PGV/cm·s−1 芦山7.0级地震 51 TQL 051 TQL130420080202(TQL-0202) 7.0 13 280.7 12.62 51 PJD 051 PJD130420080201(PJD-0201) 7.0 13 153.6 9.87 51 LDG 051 LDG130420080202(LDG-0202) 7.0 13 86.8 5.73 51 HYT 051 HYT130420080201(HYT-0201) 7.0 13 70.7 4.39 51 MNC 051 MNC130420080202(MNC-0202) 7.0 13 25.3 1.39 51 PXZ 051 PXZ130420080202(PXZ-0202) 7.0 13 12.3 1.71 表 3 输入基岩时程信息（NGA强震数据）Table 3. Input bedrock time-histories information（Data from NGA）地震名称 台站名称 记录编号 震级/级 震源距离/km PGA/Gal PGV/cm·s−1 Northridge-01 LA - Griffith Park Observatory 0994 6.69 17.5 283.4 26.51 Northridge-01 Vasquez Rocks Park 1091 6.69 17.5 148.0 18.39 Northridge-01 Lake Hughes #4 - Camp Mend 1021 6.69 17.5 82.4 6.17 Loma Prieta Point Bonita 0789 6.93 17.48 71.0 12.86 Chi-Chi, Taiwan-04 TTN042 2929 6.20 18 25.1 1.63 Chi-Chi, Taiwan-06 ILA063 3390 6.30 16 12.2 0.96 3. 计算结果及分析
为分析雅安地区场地地震动反应特征，本文设计如下计算分析方案：
（1）分别建立场地计算模型；
（2）利用表2、表3中的时程记录信息作为输入进行土层反应分析；
（3）利用等效线性化方法进行场地地震反应计算。
3.1 计算结果
3.1.1 场地地表加速度反应谱
图4为不同基岩输入下场地地表地震反应谱。由图4可知，地表反应谱谱形受基岩输入谱谱形影响，不同钻孔反应谱谱形较一致，说明选取的雅安地区钻孔场地基岩上覆土层结构变化较小，土类较一致。对比芦山地震及NGA强震记录输入下的场地反应计算结果，在相同PGA基岩输入的基础上，由于输入谱谱形的不一致，导致场地加速度峰值及反应谱变化不同，尤其是在记录0789与HYT-0201基岩输入下，计算反应谱和峰值加速度均出现明显差异，这说明场地的震动破坏不仅与震级和震源深度有关，而且与地震发生时产生的基岩地震动频谱分布特征密切相关。此外，除记录0789基岩输入外，随着震动强度的增加，谱加速度在短周期范围内出现显著的发散，这是由于记录0789基岩输入长周期成分较丰富，能量较强，对地震峰值反应起主导作用，而大量的长周期成分不易被土层过滤，受土层放大效应的影响较小，短周期反应谱谱值发散不明显。同时，不同地震作用下的场地反应谱峰值多处于0.2 s周期范围，说明雅安地区场地卓越周期处于此区间，可导致自振周期为0.2 s的建筑物发生较严重的破坏。
3.1.2 场地地表峰值加速度分布情况
图5和图6分别给出了芦山地震及NGA强震输入下的场地地表峰值加速度分布情况。由图5和图6可知，随着基岩峰值加速度的增大，地表峰值加速度呈增大趋势，但这种增大趋势在高震级地震动输入时趋于放缓。芦山地震与NGA强震输入下，除记录 HYT-0201和0789外，场地地表峰值加速度变化区间较一致。同时，弱地震记录PXZ-0202和3390输入下得到的场地地表峰值加速度为12.7～25.5 Gal，强地震记录TQL-0202和0994输入下得到的场地地表峰值加速度为291.7～591.2 Gal。
图 5 场地地表峰值加速度分布（芦山地震输入）Figure 5. Site ground peak acceleration distribution（Lushan earthquake）3.1.3 场地地表峰值速度分布情况
图7和图8分别给出了芦山地震及NGA强震输入下场地地表峰值速度分布情况。由图7和图8可知，随着基岩峰值速度的增大，地表峰值速度呈显著增大趋势，且随着地震强度的提高，地表峰值速度呈更大的增长趋势。与峰值加速度不同的是，场地峰值速度在芦山地震及NGA强震输入下呈不同的变化情况，普遍来说，NGA强震会引起较大的地表峰值速度，地震强度越大，这种影响越明显。同时，相比峰值加速度，峰值速度未呈现同样的增大趋势，如记录PXZ-0202及0789的峰值速度大于记录MNC-0202及1021，这与峰值加速度的变化不同。峰值速度反映了场地的变形指标，与地下管道和隧道公路的破坏关系较大，因此在以往研究中单一进行场地峰值加速度分析易忽略峰值速度对场地变形的影响，从而影响分析结果的全面性。
图 7 场地地表峰值速度分布（芦山地震输入）Figure 7. Site ground peak velocity distribution（Lushan earthquake）3.2 峰值速度放大效应分析
为进一步分析峰值速度变化特征，引入场地速度放大系数
$ {k}_{\mathrm{v}i} $ ：$$ {k}_{\mathrm{v}i}={v}_{\mathrm{s}i}/{v}_{\mathrm{p}i} $$ (1) 式中，
$ {k}_{\mathrm{v}i} $ 为编号为i的基岩地震输入速度放大系数；$ {v}_{\mathrm{s}i} $ 为编号为i的地震输入地表峰值速度；$ {v}_{\mathrm{p}i} $ 为编号为i的基岩地震输入峰值速度。3.2.1 峰值速度放大系数随基岩输入的变化
图9和图10分别给出了芦山地震及NGA强震输入下峰值速度放大系数随基岩输入的变化曲线。由图9和图10可知，不同地震输入下峰值速度放大系数为1～1.8，除记录PXZ-0202、0789和1091外，其他地震输入下的地表峰值速度放大系数均较分散。观察基岩反应谱，发现记录PXZ-0202及0789均存在中低频成分丰富，而高频成分较少的现象，说明场地峰值速度放大效应变化与加速度反应谱频谱特性分布有一定的相关性。芦山地震下，高强度地震输入（如记录TQL13-0202）引起的场地放大效应程度更大，但此规律在NGA输入时并不明显。
图 9 场地地表峰值速度放大系数分布（芦山地震输入）Figure 9. Site ground peak velocity magnification factor distribution
图 10 场地地表峰值速度放大系数分布（NGA地震输入）Figure 10. Site ground peak velocity magnification factor distribution3.2.2 峰值速度放大系数随场地特征的变化
为比较芦山地震和NGA强震输入下，雅安地区场地结构对峰值速度的影响效应，给出地表峰值速度放大系数随场地等效剪切波速和覆盖层厚度的变化曲线，如图11所示，其中散点为各场地钻孔的峰值速度放大系数，直线为根据散点图绘制的拟合曲线。由图11可知，除极个别情况外，峰值速度放大系数
$ {k}_{\mathrm{v}} $ 在不同强度基岩输入下，大致呈随等效剪切波速的增大而减小的趋势，而$ {k}_{\mathrm{v}} $ 随覆盖层厚度的变化规律不明显，说明场地剪切波速对峰值速度的影响较大，软土场地更易引起场地效应的放大。由峰值速度放大系数$ {k}_{\mathrm{v}} $ 随等效剪切波速的变化特征可知，芦山地震与NGA强震引起的场地峰值速度随等效剪切波速的放大趋势不同，以记录PJD-0201和1091为例，可看出场地剪切波速对记录1091的放大效应影响不明显。总体来说，雅安地区软土场地（等效剪切波速较小）在芦山地震作用下呈现出更大的放大效应，这种情况尤其在强震输入时更显著。
图 11 场地峰值速度放大系数随场地特征变化情况Figure 11. Site ground peak velocity magnification factor varies with site characteristics4. 结论
本文采用等效线性化方法进行雅安地区场地反应计算，得到该地区各类参数的场地反应特征，重点开展峰值速度对场地的放大效应分析，得出以下结论：
（1）雅安地区钻孔反应谱谱形较一致，土层结构变化较小、土类分布均匀。该地区场地卓越周期约为0.2 s，本次地震引起的自振周期为0.2 s的建筑物破坏相对严重。
（2）对比芦山地震及NGA强震记录输入下的场地反应计算结果，在相同PGA基岩输入的基础上，由于输入谱谱形的不同，导致场地加速度峰值及反应谱变化不同。
（3）不同地震动输入下峰值速度放大系数为1～1.8。随着基岩峰值加速度的增大，地表峰值加速度和峰值速度均呈增大趋势，同时峰值加速度在高震级地震动输入时增大趋势减缓。普遍来说，NGA强震会引起较大的地表峰值速度，地震强度越大，影响越明显。
（4）峰值速度放大系数
$ {k}_{\mathrm{v}} $ 在不同强度基岩输入下，大致随等效剪切波速的增大而减小，而$ {k}_{\mathrm{v}} $ 随覆盖层厚度的变化规律不明显，说明场地剪切波速对峰值速度的影响较大，软土场地更易引起场地峰值速度的放大。同时，这种放大效应在芦山地震强震动作用下更为显著。致谢 感谢四川省地震局提供的大量场地钻孔资料，感谢中国地震局工程力学研究所工程技术研究中心提供的强震动观测数据，感谢中国地震灾害防御中心张郁山研究员提供的建议和帮助。
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图 1 中国沿海低地地震高危险性地区空间分布
Figure 1. Spatial distribution in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China
图 2 1990—2015年中国沿海低地地震高危险性地区人口时间变化
Figure 2. Population changes in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China from 1990 to 2015
图 3 中国沿海低地地震高危险性地区人口密度时空变化
Figure 3. Spatiotemporal changes of population density in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China
表 1 地震动峰值加速度与地震烈度的对比
Table 1. Comparison table between peak acceleration of ground motion and seismic intensity
地震烈度/度 地震动峰值加速度/g Ⅶ 0.1、0.15 Ⅷ 0.2、0.3 Ⅸ 0.4 
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表 2 1990—2015年沿海低地地震高危险性地区不同烈度区的暴露人口
Table 2. Population exposed to different intensity zones in the high seismic hazard area of low-elevation coastal zones in China from 1990 to 2015
时间/年 烈度区 暴露人口/万人 占比/% 人口密度/（人·km−2） 1990 Ⅶ度区 8 838 84.2 698 Ⅷ度区 1 641 15.6 868 Ⅸ度区 20.8 0.2 42 2000 Ⅶ度区 10 990 83.4 867 Ⅷ度区 2 138 16.2 1 131 Ⅸ度区 47.3 0.4 95 2010 Ⅶ度区 13 543 84.7 1 069 Ⅷ度区 2 406 15.0 1 273 Ⅸ度区 47.3 0.3 95 2015 Ⅶ度区 14 265 84.6 1 126 Ⅷ度区 2 557 15.2 1 353 Ⅸ度区 46.5 0.3 93
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表 3 1990—2015年中国沿海低地地震高危险性地区不同烈度区的城乡人口变化
Table 3. Urban and rural population changes in different intensity zones of the high seismic hazard area in low-elevation coastal zones, China from 1990 to 2015
烈度区 总人口变化量/万人 城市人口变化量/万人 农村人口变化量/万人 Ⅶ度区 5 427（增幅61.4%） 8 143（增幅568%） −2 716（减幅36.7%） Ⅷ度区 916（增幅55.8%） 1 320（增幅259.8%） −404（减幅35.7%） Ⅸ度区 25.7（增幅124.2%） 29.2（增幅695.2%） −3.5（减幅20.7%）
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