我国概率地震区划图的检验

第38卷第1期2018年2月
地震工程与工程振动
EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICS
Vol．38No．1Feb．2018
收稿日期：2017－03－28；
修订日期：2017－06－21
基金项目：中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项资助项目（2017B12）；中国国家自然科学基金项目（51778151，
51311120080，51778197）；中国国家国际科技合作项目（2011DFA21460）；俄罗斯基础研究科学基金项目（RFBR 13－05－91167）
Supported by ：Scientific Research Fund of Institute of Engineering Mechanics ，China Earthquake Administration （2017B12）；Project supported by
the National Natural Science Foundation of China （51778151，51311120080，51778197）；International Science ＆Technology Coop-eration Program of China （2011DFA21460）；Russian Foundation for Basic Research （RFBR 13－05－91167）
作者简介：王立媛（1982－），
女，讲师，博士研究生，主要从事地震区划研究．E-mail ：wangliyuan@163．com 通讯作者：陶夏新（1949－），男，教授，博士，主要从事工程地震、岩土工程防灾等研究．E-
mail ：384559740@qq．com 文章编号：1000－1301（2018）01－0028－06DOI ：10．13197/j．eeev．2018．01．28．wangly．004
我国概率地震区划图的检验
王立媛1，陶夏新2，1，陶正如1
，姜
伟
1
（1．中国地震局工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨150080；
2．哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150090）
摘要：本文从概率地震区划图是否可以检验的讨论切入，阐述了检验概率区划图的思路。

收集、
整理区划图颁布以后发生的5级以上（含）地震的等震线数据，在GIS 平台上建立了投影方式、投影参数、比例尺一致的地震区划图和等震线信息系统。

对等震线不完全、没有等震线数据的地震，借助GIS 空间操作的功能、据地震动衰减关系推算，生成、完善相应的等震线。

将各个地震的等震线图逐一叠加在区划图上，留大舍小，生成最大烈度差图层。

统计出各正烈度差的分布范围，低估、严重低估的总面积及相应的百分比。

据此，建议了区划方法改进的研究重点。

关键词：地震区划图；等震线；检验；GIS 中图分类号：TU4文献标志码：A
Test of PSHA maps of China
WANG Liyuan 1，TAO Xiaxin 2，1
，TAO Zhengru 1，JIANG Wei 1
（1．Key Laboratery of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ，Institute of Engineering Mechanics ，China Earthquake
Administration ，Harbin 150080，China ；2．Harbin Institute of Technology ，Harbin 150090，China ）
Abstract ：Starting from the argument if seismic zoning map compiled by probabilistic procedure could be tested ，a way to test probabilistic zoning map is presented in this paper．The isoseismals of earthquakes with magnitude no less than 5occurred after the map issued are collected ，and then an information system of seismic zoning map and
isoseismals is built on GIS platform with the same projection manner and same parameters．For those quakes without or with just incomplete isoseismal data ，the isoseismials are generated or completed by regional attenuation relation-ship and the spatial manipulation functions of GIS．The isoseismals are overlaid on the zoning map one by one ，and the largest Intensity difference is kept for each area ，finally a maximum Intensity difference map is worked out．The areas with positive Intensity difference are marked．The total areas with underestimation and badly underestimation on the zoning map are counted up and percentages of them to the corresponding total areas on China main land are analyzed．The main point for improvement of the zoning is suggested from the test．Key words ：seismic zoning map ；isoseisms ；test ；GIS
引言
在大多数多地震的国家，地震区划图作为一项政府的政策在地震灾害防御中发挥重要作用，在中国等国
第1期王立媛，等：我国概率地震区划图的检验
家中是作为国家标准颁布的。

工程地震危险性分析方法［1］，被广泛称为probabilistic seismic hazard assess-ment（以下简称PSHA）较好地协调了地震统计和地震构造两方面的信息，经过近半个世纪的发展，形成了广为接受的技术框架。

目前被大多数地震国家和地区编制区划图、评估重大工程场地的危险性所采用。

与此同时，对PSHA的质疑和争论一直没有停止，尤其是最近一些强烈的破坏性地震发生在区划图上危险性相对较低的范围里，更因此受到诟病［2－6］。

在众多的讨论中，对地震区划图检验的要求是不容忽视的［7］，任何一个方法要称之为科学的，都必须经过客观的检验。

未经检验的地震区划图作为抗震设防的依据，甚至是国家标准，显然是不合适的。

我国地震科学工作者在接受、采用PSHA方法编制区划图时就提出过“建立一套检验地震区划图的方法”应该作为进一步研究重点［8］。

近些年，国内外均有若干尝试。

例如，Masatoshi等［9］用1498－2007年日本及其海域最大烈度大于5度（日本烈度JMAI，大体相当于我国烈度Ⅶ Ⅷ）的551次地震的烈度数据编制500年中最大地震烈度分布图，与2008年以后50年中超越概率10%（相应重现期475年）的地震危险图比较，指出两张图大体是可以对应。

Stein等［7］将1979年以来日本及其附近海域发生的死亡10人以上的破坏性地震的震中位置叠加到2010年发布的全国地震危险图上，对比指出这张区划图似乎还不如简单假设区域地震活动随机分布的结果。

用1979－2011年发生的地震检验预测2010年以后30年日本及其海域面临的地震危险，时间段上不对应，引起争议。

争论牵涉到地震活动历程是不是平稳的，PSHA是不是一种长期地震预测。

本文作者认为，分别对应不同的时间段两个图的比较，不能算是真正的科学检验。

Kossobokov等［3］用1990－2009年间实际发生的地震检验全球地震危险性评估项目（GSHAP）2001年发表的地震危险图，通过经验公式将实际地震的震级与GSHAP危险图上震中处相应的峰值加速度分别转换为烈度值，以这两个转换烈度的差值作为检验的指标，指出2000年后10年间全球死亡人数最多的12次大地震多发生在区划图上危险性相对偏低的地区，有低估甚至严重低估。

除了烈度值转换环节有争议以外，还引起了对概率法编制的区划图如何检验的讨论。

王立媛等［10］将我国已经发表、颁布的四张区划图，与其后中国大陆实际发生的5级以上的浅源地震的等震线比较，作了初步的检验。

本文进一步讨论、阐述检验概率法编制的区划图的思路和方法；对初步检验中未能采用的缺失等震线资料或等震线不完整的地震数据，借助GIS的空间操作功能生成、补充完善等震线；全面地检验了我国1990和2001版两张概率地震区划图。

1检验的思路
毫无疑问，对地震区划图检验的客观标准就是其发表、颁布后发生的破坏性地震。

日本东海大地震、中国汶川大地震和海地大地震造成的破坏分布与区划图的比较都可视为对区划图检验的个例。

真正科学意义上的检验则需要用全部数据作系统研究。

对于概率地震危险图，关键是如何理解超越概率和实际发生的烈度差，为争论的焦点。

GSHAP总负责人Grandori［11］基于证伪理论指出，从原理上说PSHA的结果是可以检验的，但500一遇的结果需要经过许许多多个500年才能得到客观的检验，在实践上看PSHA则不是可检验的，建议采用可不限次数的试验以及考察试验结果的离散程度来验证危险性分析的方法。

从发挥防震减灾效果的角度观察，大多数多地震国家大约每十年更新一次区划图，仅对这个年限中设计建造的工程结构的抗震设防有指导、规范作用，此后，对这张图的验证就只有理论方法上的意义了。

陶夏新等［12］分析指出了PSHA是对某一给定时间段的预测，并且不能系统地考虑这个时段内各地震发生之间的相关性，包括一个地震与随后发生地震间的相关性、给定时段中先后不同子时段中地震间的相关性。

实践中，区划图是在大体均匀分布的网格上大量地表点的危险性评估基础上划分的。

各地表点的危险性评估，尤其是相距几百公里，甚至上千公里地点的地震危险性，可视为相互独立的相同假设、相同方法、相同基础数据的试验。

因此，对于一个地点不同时段的许多次评估的考察与对相当大地区中许许多多点某一时段评估的考察，概率统计意义相同，相应设防烈度与其后实际遭遇的烈度差的百分比具有相同的含义。

通过空间域的扩大弥补时间域的不足，是本文检验的基本思路。

基于上述PSHA中独立性假设，可以按下式将50年中的超越概率P50换算成任一t年中的超越概率P t［13］。

P
t =1．0－（1．0－P
50
）t50（1）
据式（1）可推算，本文检验的两张区划图颁布至2015年的26年和15年中的超越概率应该分别在5．3%
92
地震工程与工程振动第38卷
和3．1%左右。

均匀分布的编图计算点的个数与面积相对应，各次实际地震造成的烈度超过区划图上相应地点烈度的面积总和与全国总面积的比例，与相应时段超越概率的比较即本文定义的检验。

2地震区划图和等震线信息系统
作者建立了一个比例尺、投影方式、投影参数统一的地震区划图和地震等震线信息系统，包括具有统一坐标系的我国已经发表或颁布的四张区划图，以及1957至2015年间发生的且具有完整等震线数据的地震烈度图。

1957－2015年期间发生在我国大陆的5级及以上浅源地震共872次，不含一些大震的余震，空间分布如图1所示，图中的粗圈表示有完整等震线的地震，细圈表示等震线资料不完备或缺失的地震。

为检验我国1990年和2001年颁布的两张概率性区划图，本文选用该系统中1990－2015年期间的390次地震的等震线数据，其中有完整等震线的142个地震，等震线不完备的9个地震、缺失等震线的239个地震。

不完整的等震线根据其形态，借助GIS的镜像、光滑等功能补充完善［14］。

对于未闭合的Ⅵ度及以上的等震线采用GIS镜像功能生成椭圆轴对称、原点对称或依现有等震线的趋势按照椭圆的走向使其闭合。

一个具体的例子，如图2中Ⅶ度、Ⅵ度区的细线部分所示。

我国多用长、短两个半轴方向的衰减关系构成椭圆来描述地震烈度影响场。

缺失等震线的地震，据地震的震级、震中位置，按地震烈度衰减关系推算生成。

对于发震断裂走向不明确的地震，结合震中处地震构造的走向、区域构造应力场的方向、区域山脉和水系的走向以及附近已知发震断裂走向，估计等震线长轴方
向［15］。

采用的地震烈度衰减关系［16］，列于表1。

图11957－2015年我国大陆5级及以上浅源
地震的震中分布示意图
Fig．1Epicenter map of shallow earthquakes with magnitude no less than5．0on Mainland
of China during1957to2015
表1本文采用的地震烈度衰减关系［16］
Table1Intensity attenuation relationships adopted in this paper［16］Ⅰa b
Ⅵa=100．2956M+0．0680－25．0b=100．4208M－1．0111－7．0
Ⅶa=100．2956M－0．1007－25．0b=100．4208M－1．2543－7．0
Ⅷa=100．2956M－0．2971－25．0b=100．4208M－1．5244－7．0
Ⅸa=100．2956M－0．4530－25．0b=100．4208M－1．7597－7．0
Ⅹa=100．2956M－0．5771－25．0b=100．4208M－1．9317－7．0
Ⅺa=100．2956M－0．7900－25．0b=100．4208M－2．2430－7．
图2一个5．8级地震Ⅶ度等震线的完善
Fig．2An example of completingⅦisoseismals
of a M5．8earthquake
3空间叠加形成正烈度差图层
如上所述，本文的检验是核查地震实际造成的烈度超过区划图上烈度的范围，换言之是统计区划图上不同程度低估的面积及其占总面积的比例。

参照文献［3］和［10］的作法，定义实际发生的地震烈度比区划图上的大为正烈度差，一度及以上的称为区划图低估，三度及以上的为严重低估。

借助GIS叠加的功能，逐一取等震线图层与区划图图层烈度值的差为重叠多边形的属性，不断“留大舍小”，得到各地最大正烈度差的多边形。

以2008年汶川大地震为例，具体说明叠加的过程，如图3所示。

将图3（b）所示的等震线图层叠加到图3（a）所示的区划图图层上，图3（d）显示的是叠加03
第1期王立媛，等：我国概率地震区划图的检验后正烈度差的分布，分别用左斜线、右斜线、横线等不同的花纹表示正烈度差1、
2、3的空间范围。

图3（c ）为叠加计算、显示结果指令的拷屏。

从图3中可见，叠加过程中可能覆盖掉某些烈度分区界线，也会产生一些新的分区，使分区趋于复杂。

全部等震线叠加上的各地最大正烈度差，综合在本文统一的底图上，得到的两张概率区划图的正烈度差分布，如图4、图5所示。

图中，深浅不同的蓝色和绿色表示两类正烈度差的分布范围，蓝色的区是实际调查等震线叠加的，绿色的为补充、生成的等震线叠加的。

图3
汶川2008年地震等震线与区划图叠加过程
Fig．3
Overlay of isoseismals of the 2008Wenchuan earthquake on the zoning
map
图41990－2015年正烈度差分布图图52001－2015年正烈度差分布图Fig．4
The positive Intensity difference during
Fig．5
The positive Intensity difference during 1990－2015on map 1990
2001－2011on map 2005
从图4、图5中可见，两张正烈度差图上的低估都主要分布在川滇、青藏及新疆等地区划图上中等烈度区发生的大地震处，严重低估皆以四川汶川等地震的震中区最为显著。

汶川及其周边地区在两张区划图上的分区有差别，正烈度差的展布性态亦有所不同。

4正烈度差的统计
借助GIS 统计得到的两张区划图上各烈度区中不同正烈度差面积总和及占该烈度区总面积的百分比，
列于表2。

每一烈度区，列出两行数值，上一行是统计的总面积（单位为1000km 2），下一行是相应百分比，
小数点后均保留一位；每一行5组数值，
分别对应5个不同的烈度差；每一组两个数值，斜线左侧是1990年区划图的，右侧是2001年区划图的；表中“－”表示不可能出现的情况。

作为总体的归纳，表中亦列出了对
我国大陆地区统计的总结果。

从表中可见，两张概率区划图中，Ⅴ度区面积分别占全国总面积的27%和38%，没有发生严重低估；Ⅷ度及以上的面积所占比例分别为7%和11%，亦没有发生严重低估；Ⅵ度区面积分别占30%和13%，Ⅶ度区面积均占30%以上，严重低估主要发生在这两类区中。

造成伤亡人数最多、经济损失最严重的汶川地震发
1
3
地震工程与工程振动第38卷生在Ⅶ度区，对相邻的Ⅵ度区造成大范围的影响。

表2两张区划图上正烈度差统计表
Table2Positive Intensity difference on the two zoning maps
正烈度差12345
总面积（1000km2）
Ⅴ度区77．5/30．017．4/0．40．0/0．00．0/0．00．0/0．0
3．0/0．80．7/0．00．0/0．00．0/0．00．0/0．0
2591．8/3586．2
Ⅵ度区78．4/61．921．4/6．95．4/0．01．1/0．00．2/0
2．7/4．90．7/0．50．2/0．00．0/0．00．0/0．0
2908．0/1275．0
Ⅶ度区58．3/42．512．4/16．94．9/7．12．6/2．80．0/0．0
1．9/1．20．4/0．50．2/0．20．1/0．10．0/0．0
3134．5/3509．2
Ⅷ度区2．7/0．00．4/0．00．0/0．00．0/0．0－
0．4/0．00．1/0．00．0/0．00．0/0．0－
703．4/1046．5
Ⅸ度及以上－－－－－
－－－－－
113．3/34．2
大陆地区总体216．9/134．451．6/24．210．3/7．23．8/2．80．2/0
2．3/1．40．5/0．30．1/0．10．0/0．00．0/0．0
9451．1
总体上看，两张概率地震区划图上低估范围分别占大陆地区总面积的2．9%和1．8%，低于按式（1）折算的26年和15年的超越概率5．3%、3．1%。

严重低估的面积分别达到14300km2、10000km2，值得重视。

从发挥地震区划图在防震减灾中的作用出发，区划图编制方法的改进，重点应在尽量减少严重低估的面积，也就是要重视在Ⅶ度区中，尤其是城市附近，识别发生大地震的危险性。

5结语
本文针对国际上存在的争论，对概率区划图是否可以检验，阐述了作者的理解和观点，提出了具体的检验方法。

每个科学的方法都必须通过检验来论证可靠性。

对地震区划图检验的客观标准就是与其颁布后发生的破坏性地震是否相符。

对于概率地震区划图，期望用许许多多个重现期中相符的百分比来检验超越概率是不切实际的，用相同方法对同一重现期内许许多多地点评估中相符的百分比检验超越概率具有同样的含义，是可行的。

本文借助GIS空间分析的功能，采用发生在我国大陆地区的390次5级及以上浅源地震等震线数据，检验了我国1990年和2001年颁布的两张概率地震区划图。

对等震线不完整的、缺失等震线的地震，借助GIS 空间操作功能补充完善、根据地震烈度衰减关系生成了等震线。

将等震线图层逐一叠加到区划图的图层上，留大舍小，最终获得最大正烈度差的分布范围。

统计各正烈度差的总面积及其所占相应烈度区百分比，结果表明两张概率地震区划图上低估（正烈度差一度及以上）范围分别占大陆地区总面积的2．9%和1．8%，相当于50年中5．6%和6．0%，低于编图设定的超越概率10%。

严重低估（正烈度差三度及以上）主要发生在区划图上的Ⅶ度区及Ⅵ度区，在两张图上面积分别达到14300km2、10000km2，值得重视。

主要是造成伤亡人数最多、经济损失最大的汶川地震发生在Ⅶ度区，对相邻的Ⅵ度区造成大范围的影响。

从发挥地震区划图在防震减灾中的作用出发，区划图编制方法的改进，重点应在尽量减少严重低估的面积，也就是要重视在Ⅶ度区中，尤其是城市附近，识别发生大地震的危险性。

本文只是针对超越概率的一个简单检验。

真正理想的检验，应该考虑区划图使用期间防灾减灾的投入与实际产生的减灾效益的比较，至少要明显好于不采取任何防御措施。

如此，才能说明区划图真正起到了减轻地震引起灾害的作用，然而数据收集的工作量庞大，需要一个很大的项目支撑。

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