張 瑩，尹文剛，郭紅梅，何雅楓

（1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.武警警官學(xué)院，四川 成都 610213）

地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系構(gòu)建

張 瑩1，尹文剛2，郭紅梅1，何雅楓1

（1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.武警警官學(xué)院，四川 成都 610213）

針對目前常用的地震災(zāi)害人員傷亡評估模型和方法評價指標單一，難以有效體現(xiàn)不同區(qū)域人員傷亡的差異等問題，通過歸納總結(jié)歷史地震案例中造成人員傷亡的原因，提煉出影響地震人員傷亡的主要因素，應(yīng)用層次分析法構(gòu)建地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系，為人員傷亡評估方法的改進奠定了基礎(chǔ)。

地震災(zāi)害；人員傷亡；影響因素；層次分析

P315.9

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.016

1674-8565（2017）04-0087-08

四川省地震局科技專項（LY1613）；地震應(yīng)急青年重點任務(wù)（CEA_EDEM-201614）

2017-06-12

2017-09-12

張瑩（1989-），女，四川省會理縣人，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事市縣地震應(yīng)急和地震災(zāi)情信息處理等方面的研究工作。E-mail: 179585473@qq.com

0 引言

人員傷亡等地震災(zāi)害應(yīng)急評估是一項應(yīng)考慮諸多影響因素的非線性復(fù)雜問題，實際影響取決于地面運動特征、工程結(jié)構(gòu)特征和人口分布等情況。評估結(jié)果準確程度的提高，有賴于全面、綜合反映其各方面影響的地震人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系的建立。

因此，本文通過歸納總結(jié)目前常用的地震災(zāi)害人員傷亡評估模型和方法，針對現(xiàn)有評估模型和方法中存在的不足，結(jié)合歷史地震案例中造成人員傷亡的主要原因，分析發(fā)震時刻、次生災(zāi)害、地形地貌、人口密度等影響人員傷亡的關(guān)鍵因素，對各種因素進行合理的分類和分層設(shè)計，建立易于獲取、易于量化且可靠的人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系，為人員傷亡評估方法的改進奠定基礎(chǔ)。

1 地震災(zāi)害人員傷亡評估常用模型和方法

目前常用的地震災(zāi)害人員傷亡評估方法大致可分為兩類：一類是不考慮建筑破壞情況，通過回歸分析歷史震害數(shù)據(jù)得到的基于地震參數(shù)（主要是震級和烈度）的人員傷亡數(shù)或傷亡率經(jīng)驗公式，如：

式中，RDj表示烈度為Ij時每單位建筑面積的人員平均死亡率，ρ為人口密度，ND為死亡人數(shù)，Aj表示烈度I≥Ij的面積，Imax為災(zāi)區(qū)內(nèi)遭受的最大烈度。受傷人數(shù)取死亡人數(shù)的3倍[1]。

另一類是通過建筑易損性分析得到的基于建筑破壞率的人員傷亡率模型，如：

式中，RD為死亡比，A為房屋毀壞比，可采用震害預(yù)測結(jié)果。受傷人數(shù)取死亡人數(shù)的3～5 倍[2]。

其中，基于震級或烈度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛢?yōu)點是需要輸入的參數(shù)少，可適應(yīng)于震后快速評估的需要，但由于各地區(qū)的歷史強震數(shù)據(jù)有限，建立的經(jīng)驗公式多是全球尺度或國家尺度，相對宏觀，應(yīng)用到不同區(qū)域的準確程度不是很高。基于建筑物易損性分析方法充分考慮建筑物結(jié)構(gòu)類型、抗震設(shè)防等級等參數(shù)的影響，對地震人員傷亡進行了系統(tǒng)的計算，但需要對地區(qū)的建筑進行詳細分類和細致調(diào)查，而實際的建筑數(shù)據(jù)收集具有一定難度，難以建立完整詳細的建筑數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)精確度的欠缺將影響人員傷亡評估結(jié)果的準確性。此外，兩類模型在對人員傷亡進行評估時，都未充分考慮除震級和烈度外的其他震情、次生災(zāi)害、自然及社會條件等影響人員傷亡的因素，評估指標相對單一，難以有效體現(xiàn)不同區(qū)域間人員傷亡的差異。

2 地震災(zāi)害人員傷亡影響因素分析

正確認識影響地震災(zāi)害人員傷亡的因素，構(gòu)建綜合反映其各方面影響的地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系，是改進現(xiàn)有評估方法不足的基礎(chǔ)。

通過分析歷史破壞性地震中的人員傷亡案例，可將地震造成人員傷亡的主要原因概括為房屋等建筑物的破壞和倒塌、地震引發(fā)的次生災(zāi)害、社會環(huán)境的破壞三類。其中，不是所有的破壞性地震都會引發(fā)次生災(zāi)害，且隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展,人類知識素養(yǎng)和醫(yī)療技術(shù)等社會條件的進步，饑餓、社會動亂等社會環(huán)境的破壞現(xiàn)象將會很少發(fā)生。根據(jù)對1900—1949年、1950—1989年兩個時間段全球地震致死人員死因進行的餅狀圖描述分析，如圖1所。

可見在兩個時間段內(nèi)，因建筑物倒塌致死的總?cè)藬?shù)約均占地震死亡總?cè)藬?shù)的75%，地震引起的建筑物倒塌是造成人員死亡最直接和最主要的原因。

圖1 1900—1949年、1950—1989年間全球地震人員死亡原因餅狀圖[3]Fig.1 1900-1949, 1950-1989 global earthquake deaths pie chart

而影響地震人員傷亡數(shù)量和程度的因素是多方面的，不僅與地震本身的活動強度等特性有關(guān)，還與所處的建筑物結(jié)構(gòu)和用途、發(fā)震時刻、人口密度和人員在室率等因素相關(guān)，是多種因素綜合作用的結(jié)果。根據(jù)對地震造成人員傷亡的原因分析，將影響地震人員傷亡的因素歸納為地震震情因素、次生災(zāi)害因素、自然環(huán)境因素及經(jīng)濟社會因素，各類因素對人員傷亡的影響分析如下。

2.1 地震震情因素

2.1.1 地震震級

地震震級是表征地震強弱的量度，震級越高地震釋放能量越大，由此引發(fā)的地震破壞力越強。一般情況下，不同地區(qū)地震造成的人員傷亡總數(shù)會隨震級的增大而增大。

2.1.2 地震烈度

地震烈度是某一地區(qū)的地面和各類人工建筑物遭受一次地震影響的強弱程度[4]，作為一種描述地震影響大小的宏觀尺度，通常烈度越高的地區(qū)，房屋破壞程度越高。如果房屋倒塌率高且倒塌速度快，室內(nèi)人員逃出戶外的幾率就越小, 因而人員傷亡數(shù)就會有所增加。

2.1.3 震源深度

震級相近的地震，震源深度決定著地震破壞性的強弱，地震釋放的能量在傳播過程中不斷耗損和衰減，震源較深，則能量的耗損和衰減越多，地表烈度就越小，破壞性越弱，人員傷亡就越小；反之，震源淺，地表烈度就越大，破壞性越強，人員傷亡就越大。

2.1.4 發(fā)震時間

通常而言，夜晚地震比白天地震造成的人員傷亡大，主要是因為時間決定了人員的行動能力和室內(nèi)人口密度，在深夜或凌晨時，室內(nèi)人口密度最高，人們正處于酣睡狀態(tài)，行動能力較弱，當?shù)卣鸢l(fā)生后，無法采取及時有效的保護和逃離措施。

2.2 次生災(zāi)害因素

地震次生災(zāi)害是地面強烈震動后，以震動的破壞后果或以地震發(fā)生為導(dǎo)因而引起的一系列其它災(zāi)害。表現(xiàn)為工程結(jié)構(gòu)和自然環(huán)境破壞而引發(fā)的災(zāi)害,如火災(zāi)、水災(zāi)、爆炸、有毒有害物質(zhì)污染、泥石流、滑坡和瘟疫等對居民生產(chǎn)和生活造成的破壞[5]。在1906年的舊金山大地震中，因煤氣管道損壞等原因引發(fā)的火災(zāi)造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失；在2008年的汶川大地震中，滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害造成10000人死亡，約占死亡總?cè)藬?shù)的14.4%。

因此，在破壞性地震的作用下，除因建、構(gòu)筑物的倒塌和破壞導(dǎo)致人員傷亡外，還經(jīng)常伴隨次生災(zāi)害的發(fā)生而造成人員傷亡。

2.3 自然環(huán)境因素

2.3.1 地形地貌

位于高原、山地等高山深谷的地區(qū)由于地形地貌等自然環(huán)境的影響，相比平原地區(qū)在震后易發(fā)生次生地質(zhì)災(zāi)害，其交通條件等也可能對震后人員搜救造成制約。

2.3.2 氣候類型

震后如果出現(xiàn)暴雨、冰雹、大風等極端天氣也可能造成人員傷亡，并影響救援的開展；震區(qū)氣溫、降雨量等氣候因素則可能影響被壓埋人員的存活。

2.4 經(jīng)濟社會因素

2.4.1 人口密度

人口密度主要包括室內(nèi)人口密度和地震區(qū)人口密度。在其它條件相同的情況下，人口密度越高，人員傷亡越大；反之，人員傷亡越小。

2.4.2 抗震設(shè)防水平

地區(qū)抗震設(shè)防水平及設(shè)防烈度越高，對建筑修建的要求和標準越嚴格，建筑物抗震性能就越好，震后房屋倒塌和破壞數(shù)量越少，人員傷亡就越小，反之，人員傷亡就越大。

2.4.3 區(qū)域救援能力

根據(jù)生命救援黃金72小時定律，震后救援開始的時間越早，則獲救的人員越多，人員傷亡數(shù)就會有所減少；同時，救援中的醫(yī)療水平和救援隊伍組成人員的素質(zhì)越高、救援能力越強、救援裝備越好，被困人員獲救的機率就越大，從而人員傷亡數(shù)也越少。

2.4.4 公眾自救互救能力

在震后第一時間，災(zāi)區(qū)的幸存者、受輕傷的青壯年及一些救援人員可主動對被困人員提供救助，這種互救首先表現(xiàn)在幫助挖掘或背負被困廢墟中的人脫離險境，初期實施的這種自發(fā)救助相對難度較低，不需要太多的技巧和工具，雖然資源有限，但救出受困者的可能性較大，人的互助行為在拯救幸存者時可起到十分重要的作用。

除上述因素外，影響地震災(zāi)害人員傷亡的因素還有如震區(qū)斷層性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)施情況、人員作業(yè)方式、地震時人員所處的周圍囤陷環(huán)境等[6]。

3 地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系

通過對地震災(zāi)害人員傷亡影響因素的分析，可以看出影響地震災(zāi)害人員傷亡的因素眾多，包括地震震情、次生災(zāi)害、自然環(huán)境及經(jīng)濟社會等多方面的因素。在建立地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系時，為提煉影響地震災(zāi)害人員傷亡的幾類關(guān)鍵因素與相關(guān)性的定量指標，在底層指標全面的同時，應(yīng)考慮選取的指標要便于進行定量分析等問題。

3.1 層次分析法基本原理

目前，針對多指標體系構(gòu)建與分析的方法主要有層次分析法、主成分分析法等。其中，層次分析法（AHP）將決策分析有關(guān)的要素分解成目標、準則、指標等層次，在此基礎(chǔ)上進行定量和定性分析，能利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，對要素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且指標需要在經(jīng)驗性判斷的基礎(chǔ)上進行量化的情況最為適用[7,8]。其指標量化過程如下：

3.1.1 構(gòu)造判斷矩陣

假設(shè)以準則層A1為準則，A1的下屬指標層為B1，B2，…，Bn，在對調(diào)查問卷進行整理、歸納、分析的基礎(chǔ)上，按照層次分析法的相對重要性比例標度，可形成如下判斷矩陣：

用數(shù)值表示Bi相對于Bj的重要性時，通常采用九級標度法[9]，取bij為1，2，3，…，9或它們的倒數(shù)。

3.1.2 同一準則下指標相對權(quán)重的計算

在同一準則下求指標相對權(quán)重，即是計算判斷矩陣的最大特征根及其特征向量。記矩陣[bij](n×n)為B，矩陣B的特征根及其特征向量可表示為Bα=λα,可以計算出B的最大特征根λmax及其對應(yīng)的特征向量α，α為n維向量，將向量α進行歸一化處理，n維向量α中的n個元素就是準則層A1下，指標層B1，B2，…，Bn的權(quán)重值。詳細計算步驟如下：

（1）分別計算判斷矩陣[bij]n×n中每行各元素的乘積

（2）計算mi的n次方根

（4）根據(jù)特征向量計算矩陣B的最大特征值λmax：

式中，()i為向量的第i個分量。

由于層次分析法所研究客觀事物的復(fù)雜性，還需通過對判斷矩陣的隨機性和一致性檢驗，判斷指標權(quán)值的合理性，檢驗公式如下：

式中，CR是判斷矩陣隨機一致性比率，CI是判斷矩陣一致性指標：

λmax為判斷矩陣B的最大特征根，m為判斷矩陣B的階數(shù)，RI為判斷矩陣B的平均隨機一致性指標，1-11階矩陣的RI值如表1所示。

可以看出，廣西的金融英語翻譯存在不穩(wěn)定性，也缺乏協(xié)調(diào)性和一致性，在某些詞匯的翻譯上，一部分借鑒香港的翻譯，然而在某些場合又保留了原有的翻譯。

當一致性比率CR＜0.1時，認為判斷矩陣B的不一致性在容許范圍內(nèi)，可通過一致性檢驗，計算出的指標權(quán)值具有可靠性；當一致性比率CR＞0.1時，需要對bij加以調(diào)整，重新構(gòu)造判斷矩陣B。

表1 判斷矩陣平均隨機一致性指標[10]

3.2 指標體系構(gòu)建

影響地震災(zāi)害人員傷亡的因素眾多，其指標的量化過程需要基于專家經(jīng)驗進行，因此采用層次分析法在前述分析中得出的眾多因素中總結(jié)出指標大類，分目標層、準則層、指標層構(gòu)建地震人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系。目標層為地震人員傷亡關(guān)鍵影響因素；準則層包括地震震情、自然環(huán)境、經(jīng)濟社會因素；指標層中包含13個指標。指標體系的詳細內(nèi)容如表2所示。

表2 地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系表

對于震區(qū)斷層性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、場地條件、建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)施情況、人員作業(yè)方式等因子，因存在歷史地震案例中數(shù)據(jù)難以收集、難以進行定量分析等問題，因此，在構(gòu)建地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系，選擇指標的過程中暫未加以考慮。

在確定指標體系的層次結(jié)構(gòu)后，為衡量指標層中各因素對人員傷亡影響的大小，需對其進行量化，根據(jù)上述層次分析法指標量化過程，基于相對重要性比例標度，對同一準則層下的各指標兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣，計算各指標的權(quán)重值，完成由定性指標到定量指標的轉(zhuǎn)化。

3.2.1 地震震情

針對地震震情對人員傷亡影響的大小，確定地震震情準則層下地震震級、地震烈度、震源深度、發(fā)震時間四個指標的權(quán)重，根據(jù)專家意見應(yīng)用層次分析法構(gòu)造的判斷矩陣如下。

表3 地震震情指標判斷矩陣

計算出判斷矩陣的最大特征向量為：

即地形地貌下各因素指標權(quán)重值，根據(jù)判斷矩陣和其最大特征向量計算最大特征值λmax：

通過最大特征值對判斷矩陣進行一致性檢驗：

3.2.2 自然環(huán)境

針對自然環(huán)境對人員傷亡影響的大小，確定自然環(huán)境準則層下地形地貌、極端天氣、次生地質(zhì)災(zāi)害覆蓋率三個指標的權(quán)重，根據(jù)專家意見應(yīng)用層次分析法構(gòu)造的判斷矩陣如下。

表4 自然環(huán)境指標判斷矩陣

計算出判斷矩陣的最大特征向量為：

即斷層性質(zhì)下各因素指標權(quán)重值，根據(jù)判斷矩陣和其最大特征向量計算最大特征值λmax：

通過最大特征值對判斷矩陣進行一致性檢驗：

CR= 0.0516 ＜ 0.1，可見該判斷矩陣滿足一致性要求，權(quán)重計算結(jié)果具有可靠性。

3.2.3 社會環(huán)境

針對社會環(huán)境對人員傷亡影響的大小，確定社會環(huán)境準則層下人口密度、建筑物抗震性能、震時人員在室率、重大危險源密度、區(qū)域緊急救助能力、物資儲備六個指標的權(quán)重，根據(jù)專家意見應(yīng)用層次分析法構(gòu)造的判斷矩陣如下：

表5 社會環(huán)境指標判斷矩陣

計算出判斷矩陣的最大特征向量為：

即地震震級下各因素指標權(quán)重值，根據(jù)判斷矩陣和其最大特征向量計算最大特征值λmax：

通過最大特征值對判斷矩陣進行一致性檢驗：

CR=0.0976＜0.1，可見該判斷矩陣滿足一致性要求，權(quán)重計算結(jié)果具有可靠性。

通過上述量化過程，地震人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系各指標量化結(jié)果如下表所示：

表6 地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系指標權(quán)重表

根據(jù)指標量化結(jié)果的大小，對各指標進行排序，如圖2所示：

圖2 地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系指標權(quán)重圖Fig.2 Index weight of earthquake casualties key affecting factors index system

通過計算人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系中各指標的權(quán)重值，可衡量出各因素對人員傷亡影響的大小。為減少信息冗余和指標體系多因素對人員傷亡評估模型統(tǒng)計回歸的影響，同時考慮指標體系中的關(guān)鍵因素信息，在解決現(xiàn)有地震人員傷亡評估模型和方法評價指標單一等問題時，可選擇權(quán)重值排序靠前的地震震級、人口密度、地震烈度、建筑物抗震性能、發(fā)震時間等因素作為主要影響指標，考慮其他因素對模型評估結(jié)果的修正。

根據(jù)上述指標體系及解決思路，對現(xiàn)有評估模型進行了初步的改進，基于收集整理的四川地區(qū)2001—2015年間發(fā)生的22例5級以上破壞性地震死亡人數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得出評估及改進后死亡人數(shù)與實際死亡人數(shù)對比折線圖如圖3所示。

圖3 評估及改進后死亡人數(shù)與實際死亡人數(shù)對比折線圖Fig.3 Assessment and the improved death compared with the actual death toll line chart

結(jié)果顯示，除汶川8.0級地震評估及改進后結(jié)果與實際值偏差較大外，震級從5.0～6.0級的地震死亡人數(shù)評估結(jié)果與實際死亡人數(shù)均較為接近或相同，震級從6.0～7.0級的地震死亡人數(shù)評估結(jié)果總體比實際死亡人數(shù)偏小，通過基于地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系，對模型進行初步改進后的死亡人數(shù)評估值總體與實際值更為接近，表明本文構(gòu)建的地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系具有一定的可靠性。

4 結(jié)論與建議

本文基于對歷史地震案例中地震災(zāi)害人員傷亡影響因素的分析，將造成人員傷亡的原因歸納為地震震情、次生災(zāi)害、自然環(huán)境和經(jīng)濟社會因素四大類。應(yīng)用層次分析法對各種因素進行整合，構(gòu)建了以地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素為目標，地震震情、自然環(huán)境、社會環(huán)境為準則，地震震級、地震烈度、震源深度、發(fā)震時間等13個因素為指標的地震災(zāi)害人員傷亡關(guān)鍵影響因素指標體系，對指標層中的各指標進行了量化，衡量了不同因素對地震災(zāi)害人員傷亡影響的大小，并通過初步的實際應(yīng)用驗證了指標體系具有一定可靠性。為改進目前常用的地震人員傷亡評估模型和方法評價指標單一，難以有效體現(xiàn)不同區(qū)域人員傷亡的差異等問題提供了科學(xué)依據(jù)。但影響地震災(zāi)害人員傷亡的因素眾多，除指標體系中列出的因素外，還包括震區(qū)斷層性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、場地條件、建筑物結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)施情況、人員作業(yè)方式等因子，如何引入這些因素并加以科學(xué)量化仍是后續(xù)需要進一步研究的內(nèi)容。

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The Construction of Earthquake Disaster Casualties Key Influence Factors Index System

ZHANG Ying1, YIN Wen-gang2, GUO Hong-mei1, HE Ya-feng1

（1. Earthquake Administration of Sichuan Province , Sichuan Chengdu 610041,China;2. College of Armed Police Officer, Sichuan Chengdu 610213, China）

In view of the current commonly used earthquake casualty assessment model and method to evaluate the single,it is difficult to effectively reflect the differences in regional personnel casualties and other issues or deficiencies, through make summary the cause of historical earthquake casualties,extracting the earthquake casualties’ mainaffecting factors, thenapply analytic hierarchy process to construct earthquake disaster casualties key influence factors index system,which lay the foundation for improving personnel casualty assessment method.

earthquake disaster; casualties; influence factor; analytic hierarchy process