本文摘要：【摘要】為了加強基礎設施系統(tǒng)地震易損性的研究，最大限度減少地震災害帶來的損失，本文通過對基礎設施地震易損性研究文獻的回顧，分析總結了基礎設施地震易損性的相關概念、研究框架與定量評估方法，研究了基礎設施地震易損性主要評估方法的適用范圍和優(yōu)缺
【摘要】為了加強基礎設施系統(tǒng)地震易損性的研究，最大限度減少地震災害帶來的損失，本文通過對基礎設施地震易損性研究文獻的回顧，分析總結了基礎設施地震易損性的相關概念、研究框架與定量評估方法，研究了基礎設施地震易損性主要評估方法的適用范圍和優(yōu)缺點。研究結果表明，現(xiàn)有研究集中于對基礎設施系統(tǒng)中部分子系統(tǒng)的評估，且地域性強，許多模型和方法無法擴展到其他地區(qū)。大部分對基礎設施地震易損性的研究還停留在定性層面，易受主觀因素影響，需要加強量化和規(guī)范化分析。
【關鍵詞】地震;基礎設施系統(tǒng);易損性;相互依賴性
0引言
基礎設施是社會的生命線，也是社會最重要、最基礎的要素。地震對人造成的傷害和經濟損失多是由于建筑物、管線等基礎設施損壞導致的。地震易損性分析是評定基礎設施的安全性，提高抗震能力的有效途徑。國內外均有開展基礎設施地震易損性方面的研究。從現(xiàn)有研究內容來看，定量方面的評估研究較少，很多研究沒有完整的指出所有不確定性的來源;使用大量數(shù)據(jù)和先進的數(shù)學方法能夠增強定量評估結果的科學性和完整性，但部分研究所需數(shù)據(jù)量和結果置信度之間的平衡點不清晰，因此對受損區(qū)的建模也不明確。本研究以基礎設施系統(tǒng)為研究對象，對國內外基礎設施地震易損性的評估方法進行了梳理和總結。
1基礎設施的地震易損性
1.1基礎設施地震易損性的內涵
針對基礎設施地震風險的評估主要包括兩個方面:危險性分析和易損性分析。危險性分析的最終目的就是分析研究區(qū)潛在的地震危險性，即依據(jù)其所處地區(qū)的地質條件、地形地貌及條件判定地震災害的危險性[1]�；A設施地震易損性研究則主要包括[2]:(1)地震風險區(qū)的確定，即研究發(fā)生一定等級地震時造成的受災范圍。(2)地震風險區(qū)特性評價，對地震風險區(qū)內的主要基礎設施，如建筑物、管線系統(tǒng)、內部財產等進行分析和評價。(3)抗災性能分析，對地震風險區(qū)內的大量基礎設施進行抗災性能的綜合分析。
1.2基礎設施地震風險和一般風險的區(qū)別
基礎設施系統(tǒng)具有以下特征:開放性、涌現(xiàn)性、系統(tǒng)規(guī)模大、結構復雜、模塊/層次性、關聯(lián)特性、非線性[3]。因此基礎設施系統(tǒng)的風險既有與一般承災體的災害風險相同的特征，又有下列幾個特點:(1)面臨的風險因素多，由于基礎設施設備數(shù)量龐大，涉及的人、事、物均較復雜，項目建成后服役年限較長，因此不確定因素較多。(2)風險因素之間互相影響，因為重大基礎設施項目，本身系統(tǒng)就比較復雜，各個系統(tǒng)之間有很多聯(lián)系，因此風險因素之間也存在復雜的關系，系統(tǒng)之間相互影響會同時造成次生災害多發(fā)等問題。(3)風險后果危害大。重大基礎設施項目對經濟發(fā)展有著重要的影響，若是無法控制其風險，既會影響項目的建設，又會危害社會的穩(wěn)定。(4)風險演化過程的不確定性高，基礎設施系統(tǒng)的風險既會受到內外部環(huán)境的影響，又會被多元主體左右，不確定性較高。
2基礎設施地震易損性影響因素分析
2.1基礎設施地震易損性的構成
基礎設施地震易損性是指基礎設施系統(tǒng)易于受到地震災害破壞或損害的程度，是衡量地震災害對基礎設施影響程度的指標。城市中各承災體與城市組成要素是相對應的，地震時基礎設施系統(tǒng)的各組成要素便會成為承災體。在對基礎設施地震易損性進行全面評價的過程中，必然會涉及到基礎設施系統(tǒng)的眾多組成要素，1997年美國總統(tǒng)關鍵基礎設施委員會(PCCIP)劃分的8類基礎設施系統(tǒng)包括:政府、通信、運輸、電力、金融、熱力、供水、應急服務[4]，這也決定了相關易損性評價指標體系必然會十分龐大且難分析�，F(xiàn)有研究主要從以下兩方面展開:基礎建筑地震易損性和管線系統(tǒng)地震易損性。
基礎建筑是基礎設施系統(tǒng)重要的組成要素之一，是人類生產和生活的物質載體。由地震導致的建筑倒塌或損壞是造成人員傷亡和經濟損失的重要原因之一，建筑中的薄弱點，將直接關系到抗震防災工作能否落到實處。由此可知，建筑地震易損性的研究和評價是相關課題研究中必不可少的一部分。管線系統(tǒng)是現(xiàn)代城市維持高效運行的重要基礎，是人類在城市中正�；顒拥谋匾獥l件。但當?shù)卣鸢l(fā)生時，生命線系統(tǒng)不僅是城市的物資保障和能源供應系統(tǒng)，而且還是應急避難疏散、消防救援和災后安置的重要支撐。因此，對基礎設施系統(tǒng)的地震易損性進行研究和評價具有重要的意義。
2.2基礎設施地震易損性的主要影響因素
不同的研究者分別從各自的學科角度出發(fā)，構建了不同的易損性概念模型和理論框架。但研究的目的均是要分析表述與地震易損性有關的多層次因素。易損性通常定義為:“在一定災害強度下承災體損失的程度”[5]。
2.3基礎設施地震易損性的主要分析方法
過去提出的易損性評估可分為兩個主要類別:經驗法、分析法[9]。每種易損性評估方法都會對離散損傷等級的損傷進行建模。主要方法可分為4類:①概率矩陣方法，它以離散的形式表達由于強度i的地面運動，引發(fā)的損傷等級j的概率。概率矩陣方法對地震風險的評估很多基于過去的地震數(shù)據(jù)，使用統(tǒng)計到的損失數(shù)據(jù)進行未來地震的影響預測，在應用于具有相似特征的區(qū)域時有優(yōu)勢。但是，這種方法的應用中存在的許多不確定因素會帶來很多缺陷。
�、谝讚p性函數(shù)，它表示的是依據(jù)給定地震強度的函數(shù)計算出的超出給定概率的損失情況，使用現(xiàn)場調查表來收集有關的信息，然后對基礎類型、結構和非結構元素、保護狀態(tài)等多個參數(shù)進行計算。③能力—需求譜法的理論基礎是Push-over分析方法，通過能力曲線體現(xiàn)評估對象在地震中的反應。④可靠度計算方法主要是在計算出系統(tǒng)關鍵節(jié)點所在的基礎上，考慮節(jié)點的實時可靠性水平，將可靠性加權得到最終評估結果。能夠有效確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，可在規(guī)劃階段提供輔助決策。
3基礎設施地震易損性評估
3.1單一基礎設施系統(tǒng)地震易損性評估
在基礎設施易損性研究初期，信息和數(shù)據(jù)較少，多采用概率風險方法進行評估。有學者使用統(tǒng)計回歸模型進行量化研究;工程領域的學者通過分析物理連接計算系統(tǒng)的可靠性[11-13]，例如，管線系統(tǒng)的易損性評估中首先要將管網(wǎng)等效為含有節(jié)點和邊的網(wǎng)絡模型，其中涉及兩個主要的結構特征參數(shù):節(jié)點度和介數(shù)[14]，節(jié)點度指與該節(jié)點連接的邊數(shù)，介數(shù)反應邊或點的影響力和作用力，常利用管線的等效圖模型來確保系統(tǒng)拓撲模型的有效性[15]。
有研究曾在此方法的基礎上給出判別系統(tǒng)脆弱節(jié)點的方法，并據(jù)此分析管網(wǎng)在連鎖故障反應下的易損性[16]。此類方法的分析主要針對管線系統(tǒng)中的節(jié)點(主要設備)進行易損性分析，無法對邊(線路)的受損情況進行分析，但實際地震中，傳輸線路和設備都有可能會受損失效[17]。歐盟資助的SYNER-G項目中多數(shù)與基礎設施組件相關的數(shù)據(jù)是使用離散損壞狀態(tài)進行處理，這種離散的受損數(shù)據(jù)會對模型的結果產生影響。SYNER-G項目的多數(shù)研究都集中于一個系統(tǒng)中的各個組件而不是系統(tǒng)整體，這意味著對于擁有不同組件的基礎設施子系統(tǒng)而言，可能會有多個易損性曲線，在實際應用中需要根據(jù)地區(qū)特點進行調整[18]。
3.2基于相互依賴性的基礎設施地震易損性評估方法
重要的城市地區(qū)基礎設施系統(tǒng)之間可能存在相互依賴關系，例如能源和運輸?shù)汝P鍵基礎設施的破壞會帶來其他公用事業(yè)以及破壞其功能的連鎖效應。這意味著損害了一個系統(tǒng)可能會導致其他關聯(lián)基礎設施子系統(tǒng)中斷。因此，不僅需要考慮單個系統(tǒng)的地震易損性，還要考慮基礎設施系統(tǒng)的性能(例如供應網(wǎng)絡)以及系統(tǒng)之間的相互依賴性(例如電力故障造成供水中斷)。依賴性描述了一個基礎結構網(wǎng)絡依賴的單向關系在另一個網(wǎng)絡的表現(xiàn)。例如交通系統(tǒng)的運行需要電力系統(tǒng)支撐[19]。相互依賴性實際上描述的是基礎設施關系中的雙向性[20]�；A設施之間的相互依賴性大致分為4個類別:物理、網(wǎng)絡、地理和邏輯[21]。
物理指的是兩個網(wǎng)絡之間的實際物理鏈接;網(wǎng)絡是指通過信息連接的網(wǎng)絡鏈接;地理是指邏輯操作中會產生相互影響的鏈接;邏輯指的是所有其他關系，例如設施受到沖擊對投資產生的影響。在分析中，邏輯關系可能尤為重要，由于人的因素，研究分析不僅僅是定性地考慮相互依賴性，基礎設施之間的交叉系數(shù)也是易損性分析時的重要參數(shù)�，F(xiàn)有的用于評估基礎設施相互依賴性的框架中，多數(shù)框架的主要工作在于確定整體的輸入和計算流程。這些模型并非特定于地震，而是用于評估由于一些小的干擾而引起的波動。目前，基礎設施系統(tǒng)之間的關聯(lián)關系研究主要集中在以下3個方面[3]:(1)系統(tǒng)的定性分析，對關鍵基礎設施及其關聯(lián)關系相關概念進行定義和分類，確定主要影響因素[22]。
(2)基于經驗和知識的方法，對實際案例中統(tǒng)計到的事件和數(shù)據(jù)進行分析，找到故障的原因和表現(xiàn)形式[23]，但不容易得出故障產生的機理。(3)構建模型并進行模擬，利用系數(shù)矩陣確定各子系統(tǒng)之間的相關性[24]，然后運用數(shù)學分析方法從定量的角度研究關聯(lián)關系，是比較常用的研究方法[25]。確定關聯(lián)關系后，進一步研究干擾事件在不同系統(tǒng)間的傳遞方式。此類研究主要從拓撲的角度研究相互依存的基礎設施系統(tǒng)的地震脆弱性，首先評估每個獨立網(wǎng)絡的地震響應，然后借助模型分析由于它們的相互依賴性而對易損性產生的影響[26]。常用的模型包括概率可靠性模型，利用互連的耦合強度以及各部分的地震響應來表征網(wǎng)絡的相互依賴性[27]。
根據(jù)各種性能指標(連通性損失，人口等)計算獨立網(wǎng)絡和從屬網(wǎng)絡的網(wǎng)絡脆弱性曲線。當發(fā)現(xiàn)子系統(tǒng)A比子系統(tǒng)B更具地震脆弱性。則相互依賴性引入了子系統(tǒng)A的額外脆弱性[28]，此類分析同時可以確定出整個基礎設施系統(tǒng)中易損性最高的部分。有學者運用貝葉斯隨機方法對城市災害易損性進行分析:首先計算出易損性的單個指標，再由最大似然分類原則確定單個易損性的指標評價級別，所有指標都計算完成后，采用最大加權概率原則得出綜合評價級別[29]。
物理基礎設施系統(tǒng)通常由互連和相互依存的子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)所有者和政策研究人員需要具體的工具來評估潛在的風險，以便制定有效的風險管理策略。因此需要設計準確高效的前兆監(jiān)測系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，用以確定并優(yōu)先考慮系統(tǒng)故障演變風險的指標;評估分析中的不確定性，為合理的決策提供支持。這種綜合前兆分析框架由3個過程組成:識別，優(yōu)先排序和評估[30]。前兆分析框架工作是風險分析的重要組成部分，它研究了各種橋梁檢查和維護方案的影響。它使政策研究人員和分析人員能夠找出橋梁基礎設施的風險所在，以制定更多風險應對政策，并制定指導方針，有效分配有限的風險管理資源，并減輕因橋梁故障導致的嚴重后果[31]。
3.3基于價值核算的基礎設施地震易損性評估方法
這一類研究主要通過核算基礎設施的災前價值，進行易損性評價[32]。在災害過程分析中常用高分辨率遙感影像作為數(shù)據(jù)源，統(tǒng)計完研究區(qū)內承災體類型和數(shù)量后，使用多重標準評價方法對災害易損性進行評價[33]。采用歷史數(shù)據(jù)分析和建立指標體系的方法，無法模擬出災害場景下基礎設施系統(tǒng)各要素之間的相互影響和風險演化過程[34]。由于無法模擬災害的不確定性和復雜性，因此評估結果也會發(fā)生偏差[22]。
由于GIS技術獨特的可視化功能和地理空間信息處理能力，以GIS為平臺的地震災害研究已成為本領域研究的主要發(fā)展方向。地質災害信息錄入后，結合GIS技術可以從空間和時間尺度上分析地質災害的發(fā)生與環(huán)境之間的統(tǒng)計關系、評估各種地質災害發(fā)生的概率和可能的災害后果，能實現(xiàn)對地震后的災區(qū)受災情況的快速評估[35]。美國地質調查局使用GIS技術，編制了美國城市災害的數(shù)字地圖。并在此基礎上建立決策支持系統(tǒng)，便于將來城市發(fā)展在進行基礎設施建設地點的選擇時規(guī)避高風險地區(qū)[36]。國內學者在分析長春市建筑抗震能力時，就曾借助GIS技術評估不同區(qū)域的地震災害損失[37]。也有研究從地震承災體特征入手，實現(xiàn)了災害發(fā)生時框架結構受損變形的三維動態(tài)展示[25]。
3.4基于可靠度計算方法的基礎設施地震易損性計算
基礎設施系統(tǒng)的各風險變量之間的相互影響，導致評估中不能準確得到變量間的分布關系與參數(shù)。學者提出用隨機模擬的方法獲取隨機變化信息。通過大量獨立的模擬確定整個系統(tǒng)的概率特征[38-39]。蒙特卡羅法(MCS)和驗算點法(JC法)是比較常用的兩種方法。MCS法對影響可靠度的基本隨機變量進行隨機抽樣，然后把抽樣值代入功能函數(shù)中來求解出結構的失效概率[40]。由美國Argonne實驗室使用MCS方法設計了能夠仿真災后基礎設施系統(tǒng)的恢復事件及恢復成本的Restore模型[41]。
MCS法更多用于對土木工程結構的易損性分析，KimSH等基于此方法進行了考慮空間效應地震動作用下的橋梁易損性分析，并與一致激勵下的計算結果進行對比，結果顯示在不考慮空間效應分析中，支撐結構的延性需求將被低估[10，42]。JC法可以通過將系統(tǒng)中的非正態(tài)隨機變量進行當量正態(tài)化處理[43]，使之轉變?yōu)檎龖B(tài)隨機變量，然后計算結構可靠度[44]，能夠用計算量的少量增加換取計算精度的提高，缺點是驗算點和變量平均值點會隨地震的強度變化而產生偏離。
4結論
目前，我國處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展階段，社會基礎設施的建設面臨著巨大的壓力�；A設施系統(tǒng)的可靠性面臨著不斷發(fā)生的地震災害的考驗，不斷涌現(xiàn)的災害損失問題引發(fā)了對基礎設施安全性與可靠性的思考，從已有研究來看，相關方法需要在以下方面進行完善:由于地震的空間分布和各地區(qū)基礎設施系統(tǒng)特點的不同，許多研究和模型可能無法擴展到其他地區(qū);現(xiàn)有研究主要針對于單一的系統(tǒng)，將基礎設施之間的相互依賴性納入研究范圍將是研究的重點;在計算時需要結合不同地域的人口、環(huán)境等特點進行計算。
但許多方法沒有明確地模擬整個基礎設施系統(tǒng)中各種不確定性的來源，模型的預測性不強;評價體系的適時性不強，尚未將次生災害的評估納入體系內。未來的理想模型應該是一個組合不同的易損性評估方法的綜合模型。
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地質方向論文投稿刊物：《地震研究》主要刊載地震學基礎理論、地震預測預報、防震抗震、工程地震、地震地質，以及地球物理、地球化學、實驗技術和儀器研制等方面的學術論文和研究成果。讀者對象為從事地震研究的科技工作者和相關專業(yè)大專院校師生。
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