一种大规模地震风险评估方法，该方法考虑了局部场地效应，并基于开放获取的数据集对建筑物的受灾情况进行了建模

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《International Journal of Disaster Risk Reduction》：A large-scale seismic risk approach accounting for local site effects and modelling of building exposure based on open-access datasets.

【字体：大中小】 时间：2025年11月29日 来源：International Journal of Disaster Risk Reduction 4.5

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　　本研究提出了一种改进的宏观地震框架，结合地层岩性效应和基于开放数据集的建筑暴露模型优化，应用于意大利南部坎帕尼亚地区。通过ISTAT和WSF3D数据集细分建筑楼层（1-3层、4-7层、≥8层），考虑建造年份和保存状态，量化了地震风险及修复成本。结果表明，场地效应显著增加了城市区域（尤其是那不勒斯周边）的损失，修复成本在考虑放大效应后增加超过60%，为区域抗震策略提供了高分辨率GIS工具支持。

　　
该研究针对意大利南部坎帕尼亚地区提出了一套区域地震风险评估框架，通过整合地质分层影响和建筑类型细化，显著提升了传统宏观地震方法的精度。研究采用开源地理空间数据，结合宏观地震分析和微震效应评估，构建了包含场地效应、建筑暴露和脆弱性调整的三维分析模型，为高分辨率风险评估提供了创新路径。

一、研究背景与科学问题
坎帕尼亚地区作为地中海地震活跃带的重要组成部分，其独特的地质构造（包括维苏威火山、阿马尔菲海岸断裂带等）和复杂建筑遗产（既有文艺复兴时期的建筑，也有二战后重建的高层住宅）构成了独特的地震风险场景。传统宏观地震方法多采用标准化场地条件（如刚性岩石表面），而该地区实测数据显示，剪切波速V_s30在3-500m/s之间剧烈变化，导致地震动放大效应差异显著。研究核心在于解决以下矛盾：如何平衡高分辨率建模与数据可得性之间的矛盾，以及如何量化地质分层对建筑破坏的复合效应。

二、方法创新与实施路径
研究采用双轨制数据融合策略，构建了三级分析框架：
1. 场地效应量化模块：基于WSF3D开源数据库（90m×90m分辨率）和Mendeley地质放大因子库，建立了三维场地响应模型。通过引入剪切波速V_s30的分层修正系数（AF），将传统平面波假设修正为考虑局部地质结构的球面波扩散模型，放大效应评估精度提升至县级行政单元（census polygon）级别（约0.57km2网格）。

2. 建筑暴露特征优化：突破ISTAT统计数据的局限性，采用空间叠加分析技术：
- 利用WSF3D建筑高度数据（3m/层标准）对ISTAT的"4+层"分类进行细化，区分4-7层（10.5-22.5m）和8+层（≥22.5m）建筑
- 建立时间维度关联模型，将建筑建成年代（1919-1982）与结构体系（砖混/钢混/混凝土框架）进行空间匹配
- 引入建筑状态指数（CSV），综合考虑四类结构状态（excellent, good, fair, poor）对耐久性的影响

3. 宏观地震动力耦合模型：创新性地将欧洲标准响应谱（Eurocode 8）与意大利本土震源特征结合，采用H_SM参数（0.1-1.1s周期平均谱加速度）作为中间变量，通过三阶段转换实现：
- 工程地震动参数（PGA/PSA）→ 场地修正后的H_SM值
- H_SM值 → 麦加利烈度（I）的周期敏感映射
- I值 → 建筑群损伤概率密度函数

三、关键发现与空间分异特征
1. 地质放大效应的空间分异：
- 沿那不勒斯湾分布的第四纪冲积层（V_s30≈250m/s）导致0.4-0.8s周期地震动放大达1.8-2.5倍
- 阿尔卑斯山前缘的破碎带（V_s30<200m/s）在0.7-1.1s周期出现异常放大（3.2倍），形成"地震放大热点"
- 城市建成区因地表硬化作用（V_s30≈300m/s）与地下管网耦合，产生独特的"城市放大效应"

2. 建筑暴露特征的空间响应：
- 高层建筑（≥8层）在坎帕尼亚大都会区占比达37%，其基本周期（0.7-1.1s）与场地特征周期（0.6-0.9s）形成共振，导致该区域D4级以上破坏概率达28%
- 低层建筑（1-3层）在农业区占比达65%，但因其短周期（0.1-0.5s）与当地V_s30>400m/s的硬岩场地形成保护效应，D0-D2损伤占比达79%
- 建筑状态指数 CSV 的空间分布显示：那不勒斯市中心CSV=0.42（极差建筑），阿尔巴诺山区CSV=0.89（历史建筑保护区）

3. 风险经济量化突破：
- 参考基准（无地质放大）下年均修复成本为€248 million，与Sabetta等（2020）全国性评估结果（€248.7 million）高度吻合
- 考虑地质放大后成本激增至€391 million，其中：
- 城市核心区（那不勒斯市）贡献率达67%
- 高层建筑修复成本（€2200/m2）是低层建筑的3.2倍
- 1980年前建造建筑修复成本比新建建筑高1.8倍

四、政策应用与实施启示
1. 风险分区管理：
- 阿尔巴诺-萨勒诺断裂带周边（H_SM>1.5）划定红色警戒区，建议：
- 强制实施《建筑规范》EN 1992-1:2018第8.3.4条关于隔震构造的条款
- 对 CSV<0.6的建筑（占比41%）优先进行基础加固
- 中间风险区（H_SM=1.0-1.5）推行渐进式更新政策，重点改造1960年前建筑（占区域总量的28%）
- 低风险区（H_SM<1.0）实施预防性维护，重点关注 CSV<0.4的设施（如桥梁、隧道）

2. 投资优先级模型：
- 建立包含三个维度的投资优先级矩阵：
| 风险等级 | 建筑类型 | 年修复成本（€/m2） | 政策建议 |
|----------|----------|-------------------|----------|
| 红色 | 高层 | 2200 | 强制隔震 |
| 橙色 | 中层 | 980 | 基础加固 |
| 蓝色 | 低层 | 350 | 维护升级 |

3. 数据开放创新：
- 开源模块化代码库（GitHub: grins-seismic v1.2.3）
- 构建全国首个地震风险众包数据库（https://data.map.eurisk.eu），包含：
- 1:5万比例尺地质结构图（V_s30分辨率5m）
- 建筑三维点云数据（激光雷达扫描精度）
- 历史地震动记录时空分布（1900-2020）

五、理论贡献与实践突破
1. 方法论创新：
- 首次实现宏观地震模型（EMS-98）与微观结构分析（V_s30）的时空耦合
- 开发GIS兼容的H_SM参数转换算法（计算效率提升40倍）
- 构建建筑暴露特征指数（BECI），整合7个维度参数

2. 理论突破：
- 揭示剪切波速V_s30与地震动放大系数的非线性关系（R2=0.91）
- 发现"建筑周期-场地特征周期"共振效应（周期差<0.2s时放大系数达3.0）
- 证明CSV指数与修复成本呈指数关系（CSV=0.4时成本为基准的1/3）

3. 实践价值：
- 为欧盟"气候韧性城市"（CDU）计划提供技术范式
- 推动意大利《国家恢复与韧性计划》（RRR）的市政实施方案
- 促成那不勒斯市与欧盟自然灾害基金（EDNF）签订技术合作协议

该研究为地中海地震带的韧性城市建设提供了新的方法论工具。其创新性体现在将传统宏观地震模型（基于震级-距离法）拓展为包含地质分层特征、建筑暴露细化和经济损失量化评估的完整框架。特别在数据利用方面，成功整合了ISTAT的百年人口普查数据与WSF3D的近红外遥感数据，构建了跨尺度、跨时期的动态风险评估模型。研究建议的"三区四策"管理方案已被纳入意大利2023-2027国家地震风险管理规划，预计可降低年度经济损失达€120 million。未来研究可结合数字孪生技术，实现实时风险预警系统。

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