点源烈度衰减模型

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1、线源地震影响场计算模型的实现李铂作者简介：李铂（1983一），男，山东定陶人，工程师，现主要从事地震监测、课题研究等工作），基金项目：地震应急青年课题（CEA_EDEM-201009）,董翔1）, 2），陈亚红3）,何琳4），于澄2）1）中国合肥230026中国科学技术大学2）中国济南250014山东省地震局3）中国荷泽274000荷泽市地震局14）中国合肥230026安徽省地震局摘要传统的烈度衰减关系一般是由历史地震等震线资料拟合得到，但基于历史震例进行统计回归所得到的 椭圆衰减模型往往不能够反映大地震时的地震衰减特点。尝试提出基于点源模型改进的线源地震影响场计 算模型，引入地表破裂尺度对原

2、有烈度衰减模型进行长轴修正，以期达到生成结果与强震实际烈度相拟合 的目的，并可实现极震区震害的快速评估和计算。关键词：地震烈度；衰减模型；影响场；线源模型；极震区0引言地震是一种特殊而且复杂的自然现象，作为自然灾害的群灾之首，每年全球由于地震所 造成的死亡人数多达数万人，同时带来的损失还有房屋、交通、水、电等公共设施的破坏以 及由此引发的其他次生灾害如瘟疫、火灾等。人们只有在了解了地震的发生机理、地震波的 传播及地震动的衰减特征和地震对建筑物破坏机理的情况下，才能寻求办法来降低其对人类 带来的危害。山东省地震应急指挥技术系统建成以来，在山东省的地震应急工作中发挥了重大作用。 指挥系统对地震进行

3、震害评估和辅助决策的基础和依据便是地震影响场的计算结果。因此， 地震影响场计算准确与否直接影响到后续的评估及辅助决策结果，更影响到地震应急时的救 灾调度与决策。因此，建立一个完善的影响场计算与修改机制便显得非常重要。本文便是对影响场模型研究进行探讨，提出一个新的基于线源的地震影响场计算模型。 在后续工作中将采用更多震例对模型参数进行拟合，以得到更详细的结果。1点源烈度衰减模型在地震学和地震工程学的研究中，涉及地震烈度衰减关系的研究是非常充分的，随着地 震烈度衰减关系的应用越来越多，其重要性也被越来越多的人所认识。地震发生后，由于地壳介质的吸收、几何扩散及散射等原因使地震波的振幅或能量随着 远离

4、震源而规律的减弱，地震烈度也就相应随着震中距的增加而减小，对于一次地震，其表 达式为：捉=L工乓一（1）式中：I0为震中最大烈度，D为震中距，e-KD为衰减因子，K为介质吸收系数，Id为震中 距为D时烈度。在统计分析地震烈度衰减关系时，通常假设地震震源为点源模型，地震烈度衰减则取椭 圆模型。该模型的衰减曲线起始点应是重合的，在中等距离上长、短轴之间有差别，曲线呈 椭圆形，到了远场，由于发震构造的影响已经消失，烈度等震线趋于圆形，长、短轴衰减曲 线也趋于重合（吕坚等，2009）。现有应急指挥技术系统在进行烈度影响场计算时也是采用这 种椭圆长短轴联合衰减模型（陈达生等，1989），该模型可以保证长

5、短轴在R=0时烈度相等， 而中等距离上仍保持长、短轴烈度的差别，同时在远场使等震线成圆形。联合衰减模型的方 程为：I = a- bM - C-_ 匕，K -矿-Q 2K -出盘-M （2）式中：I为地震烈度；M为震级；R0a和R0b分别为长、短轴两个方向烈度衰减的近场饱 和因子；R1和R2分别为烈度I的椭圆等震线的长半轴和短半轴长度；a、b. ci和c2均为回 归系数；为回归分析中表示不确定性的随机变量，通常假定为对数正态分布，其均值为0, 标准差为。（卢建旗，李山有，李伟,2009）。在实际应用时，采用如下形式的衰减公式：L =匚二。二二”- J= 二R-一二三-_顼（3）孔=J - J A

6、Ef -点至一二提（4）地震烈度衰减关系具有较强的地域性，这是由于不同地区的震源特性、传播介质和场地 条件的不同所引起的。利用从某一地区收集到的烈度数据，采用统计回归的方法得出不同地 区的地震烈度衰减关系系数。观察该公式，其生成的烈度等震线为一组相互嵌套的椭圆，其离心率为e：厂=1 （5）其中a、b为椭圆的长短轴。显然，0WeW1，e值越小，椭圆越接近圆形，e值越大则椭圆越扁。也就是说，当R 趋近于0时，椭圆越来越扁，直至退化为一条线段，显然该线段是由断层破裂引起的;而当 R趋近于无穷时，椭圆越来越圆，其含义到了远场，发震构造的影响已经消失，因此椭圆长 短轴衰减曲线也趋于重合。2问题的提出上述

7、方法在烈度区划和地震工程中已被广泛采用，在使用过程中也发挥了很好的作用。 但对于表征地区总体特征的衰减关系来说，一般不一定能代表特大地震的衰减特点（肖亮， 2008）。如此次汶川地震这种特大地震，其烈度等震线呈狭长椭圆状，并有自身的特点，具体表 现为沿发震断层，烈度衰减很慢，极震区烈度较高，等震线的长轴尺度大大超过了烈度衰减 关系所预测的尺度。而在垂直于发震断层方向，烈度衰减较快，等震线的短轴长度与烈度衰 减关系所预测的长度相比几乎相符。表现在烈度等震线中，汶川地震的高烈度等震线较为扁 平。历史上发生的一些特大地震同样存在这样的烈度衰减特点。如1668年山东郯城8.5级 地震以及1920年宁夏

8、海原8.5级地震、1927年甘肃古浪8.0级地震等所表现出的特征均与 此次汶川地震有相似之处，同样表现出等震线长轴长度大大超过烈度衰减关系预测长度。决定或影响地面地震烈度衰减的因素复杂多样。以地震等震线资料进行烈度衰减关系的 回归只是一种统计分析的结果。也就是说，它只是诸多地震衰减的统计平均，仅反映区域烈 度总体特征。由于统计样本所覆盖的时间长度被限制在百年以内，远远低于强震的原地复发 周期，因此，作为样本的每一个地震的等震线所反映的烈度衰减关系，隐含着随机性或不确 定性。而区域上的衰减关系，也只是随机事件的平均李世成，崔建文，韩新民,2003）。因此基于 统计所获得的烈度衰减公式很难描述出大

9、震的破裂尺度和衰减关系。基于以上情况，本文提出结合大震烈度衰减公式及地震破裂尺度经验公式的线源影响场 计算模型对原有基于中强地震的点源烈度衰减模型进行修正，使其可以外推到大震情况的影 响场计算，以满足大震情况下地震影响场的生成和快速评估的需要。3线源地震影响场模型3.1震级-破裂长度关系为了地震快速评估的需要，线源地震影响场模型的建立需要基于地震的地表破裂尺度， 地震破裂尺度决定了地震极震区的影响范围。1968年，Cornell首先对地震危险性分析作系统的研究，提出了著名的“点源模型” 70 年代，洪华生（A.H-S）等提出断层破裂模型。该模型假设，断层破裂长度仅由震级决定， 场地烈度由场地到

10、断层破裂区的最短距离决定。由于断层破裂模型的广泛应用，震级-破裂 长度关系研究已成为危险性分析的一部分（沈建文，邱瑛,1990）。目前已经发表了大量震级与断层破裂参数之间的经验关系。据资料研究，典型地表破裂 长度是地下破裂长度的75%，随着震级的增大，地表破裂长度和地下破裂长度之比也在增大。 回归关系表明，震级与各种破裂参数之间有较强的相关性，这就使得利用这些回归关系来估 算破裂参数有一个可靠的保证。在多数情况下，震级与地表破裂长度、地下破裂长度、倾向 破裂宽度以及破裂面积之间的回归关系式可以很好的确定。在多数情况下，经验回归关系式 不随滑动方向而发生显著变化。t-统计检验表明，震级与地表破裂

11、长度、地下破裂长度之间 的回归关系相关系数在高显著性水平上无显著差异，震级破裂面积和震级-破裂宽度的相关 系数在95%的置信水平上有明显差异，但是这些回归关系式的回归系数相近，而且由这些回 归关系式估计出的参数之间差异很小（d.L. Wells and K.J. Coppersmith, 1994）。这一结论表明，利用 破裂尺度经验公式可以适用于大多数情形，在线源影响场计算模型中可以直接加以应用。3.2线源影响场破裂计算模式地震发生后，根据断层、余震信息及历史震例确定破裂方向，利用破裂尺度经验公式推 测地表破裂尺度，利用大范围区域地震的衰减关系，沿地表破裂带的每个点进行点源影响场 的计算，最终

12、形成的包络线即为最终形成的线源影响场破裂结果，沿破裂带的每个点均符合 点源模型的衰减规律。该模型主要适用于特大地震的影响场计算，弥补传统点源模型无法反映单侧破裂和不对 称破裂的缺点。同时使点源模型可以外推适应更大的地震的评估与计算。3.3系统的实现及整合3.3.1应急指挥技术系统运行流程。要实现影响场计算结果与现有应急指挥技术系统的整 合，首先需要对整个应急指挥技术系统的逻辑流和数据流的运行方式有充分的了解。现有应 急指挥技术系统运行流程如下：（1）地震触发响应系统触发地震后，将地震信息发送到总线，由总线进行整个系统计 算期间的消息转发与记录；（2）评估服务系统Agent在接收到总线发过来的地

13、震消息后，通知地震评估服务端调 用各个模型开始计算过程；（3）每个模型计算过程开始及结束都向总线发送其计算状态，并由Agent调度下一模 块利用之前产出的结果继续计算；（4）待评估系统所有模型计算完毕后，由评估系统的Agent向总线发送计算结束消息， 同时通知辅助决策系统开始基于评估结果的计算。3.3.2评估系统的修改。评估系统的所有模块都以动态链接库的方式加载和调用，模块在接 收到计算消息时按配置文件顺序被调用，同时产出其他模块计算所需要的信息。因此，要实 现将自定义影响场加入系统评估与辅助决策的计算流程，需要修改其行为方式替代原有过 程。图1给出的是系统影响场计算结果的初步修正系统和原系统

14、的比较方案。对评估系统影响场计算模块进行小的改动，在模块计算完成后加入判断过程，如计算震 级大于7级则模块计算过程挂起等待。此时使用线源影响场计算模块直接处理评估系统底层 的基础数据库，将原有计算结果修改为新的线源影响场计算结果后，恢复挂起过程，实现后 续模块按新的影响场继续计算。输入地震参数（震中位置#ns敞）修正系统梢囱衰榛g点源衰圆衰威模型计算中烈度综人地震怒洵震中位置和震输计垃震中尊用原系统柜成地震彩成场囹展图1原系统与修正后的系统计算流程图Fig.1 Flow charts of the original system and the corrected systematic cal

15、culation按此种方案，系统同时可将自定义影响场导入系统中进行动态评估计算，使系统能够按实际灾情修正的影响场进行动态评估或模型验证。图2给出的是地震影响场修正界面图。j害|n c n11地悬情分析 d| o e / |盹*更新烟向威海市青岛取.消Exp ort_0utput_3学校DisplaySource Selection!确定要修正数据库20090625083317tfe震影响场吗？ 注意：该操作不可恢复？ UpdateSDEDZTXCFig.2 Interface diagram of seismic effect fields:顶定二J20100810083411201008041634562010080909565820100810083411200908281426372009102109100820090209090018招远市6.720091228134621商河县6.T20090804093020部城县6.61连接参数Drawing 口 A，ng jB Z UA 今二119823.63TE 37 1257.453NA图2地震影响场修正界面图3.3.3系统模块开发。课题的所有计算模