火山熔岩流建筑损伤经验易损性函数的开发与应用

本刊推荐：为突破传统熔岩流损害二元假设的局限，研究人员系统开展了多案例熔岩流建筑损伤实证研究，通过手动数字化超万座建筑足迹并划分损伤等级，首次建立了基于最终熔岩厚度（HIM）的砖石、金属和木结构易损性函数（Fragility Functions），揭示了建筑类型与形状对损伤概率的影响，显著提升了熔岩流风险与影响评估的精细化水平。

　　

火山喷发作为极具破坏性的自然灾害，其产生的熔岩流对建筑物和基础设施的威胁尤为显著。传统火山风险评估中，对熔岩流损害的判断长期遵循一种过于简化的“二元模式”：即建筑物一旦接触熔岩即被视为完全损毁，而未接触熔岩则视为完好无损。然而，越来越多的实地观察表明，建筑与熔岩的相互作用远非如此简单——在熔岩流边缘较薄区域，甚至因火灾蔓延或热效应影响而远离熔岩的位置，建筑可能表现出不同程度的损伤而非彻底毁灭。这种复杂性凸显了传统方法的不足，亟需一种更精细、数据驱动的方法来评估建筑对熔岩流的脆弱性，从而为风险决策提供可靠依据。

在此背景下，由Elinor S. Meredith领衔的研究团队在《International Journal of Disaster Risk Reduction》上发表了一项开创性研究，旨在通过整合多案例实证数据，开发出首套针对熔岩流建筑损伤的经验易损性函数（Fragility Functions）。这些函数能够量化在不同熔岩厚度下，各类建筑结构发生不同等级损伤的概率，从而显著提升熔岩流风险与影响评估的准确性和实用性。

为系统开展这项研究，研究人员综合运用了多源遥感影像分析、地理信息系统（GIS）空间数据处理、现场调查验证以及统计学建模等关键技术方法。研究数据源自三个近期火山喷发案例：2014–2015年佛得角福戈火山（Fogo）、2018年美国基拉韦厄火山（Kīlauea）和2021年西班牙拉帕尔马岛（La Palma）的熔岩流事件。通过对这些事件中受影响区域的建筑进行精细数字化，团队共手动绘制了4,545个建筑足迹，并对10,439座建筑进行了类型划分和损伤状态分类。损伤状态采用六级分类体系（DS0-DS5），从无可见损伤到完全毁灭。同时，利用高分辨率激光雷达（Lidar）和卫星影像生成的最终熔岩厚度图，提取了每个建筑多边形顶点的最大熔岩厚度值作为灾害强度指标（Hazard Intensity Metric, HIM）。基于这些数据，研究人员采用累积链接模型（Cumulative Link Model, CLM）和最大似然估计（MLE）方法，拟合出不同建筑类型（砖石、金属、木材等）在不同损伤状态下的对数正态分布易损性函数。

研究结果部分，首先通过“建筑级熔岩流损伤数据集”展现了总体影响情况：在全部评估的10,439座建筑中，64%（6,636座）遭受了损伤或毁灭。拉帕尔马事件因建筑密度最高，受损和毁灭建筑数量最多（损伤211座，毁灭4,146座）；而基拉韦厄因木结构建筑居多，毁灭比例最高（达95%）；福戈虽受影响建筑数量最少，但受损比例最高（85%），且以砖石结构为主。值得注意的是，6%的受影响建筑被归类为损伤而非毁灭，这表明熔岩流影响并非绝对二元。

在“损伤与厚度的关系”中，研究发现熔岩厚度与损伤严重程度呈正相关。厚度超过6米的熔岩流几乎摧毁所有建筑，而厚度小于6米的区域（通常位于流动边缘或kipukas周围）则常见不同程度损伤。砖石结构建筑表现出最强的抵抗力，在1米厚熔岩下损伤概率为83.4%，毁灭概率为62.6%；金属结构在相同厚度下损伤概率达99.6%，毁灭概率为78.5%；而木结构几乎呈二元响应，接触即毁灭。此外，圆柱形结构（如石砌附属建筑和水箱）因能偏转熔岩压力，对薄流更具抵抗力。研究还通过地图和照片展示了一些典型损伤机制，如墙体开裂、抬升、熔岩涌入开口以及热致熔化等。

讨论部分，研究人员深入分析了影响损伤的灾害与建筑特征。熔岩类型（'a'ā与pāhoehoe）直接影响损伤机制：前者以推土式破坏为主，后者则通过包围、涌入和通胀造成损伤。热效应（如熔化、炭化）和火势蔓延（最远达600米）也是重要因素，但受建筑材料和周围可燃物影响。建筑尺寸、形状、层数、朝向及开口情况均影响其脆弱性，如大型塑料温室因部分掩埋而获较低损伤等级。研究还指出，爆发流和溢流等动态过程会导致流动场扩大，因此建议在模型预测范围外设置缓冲带以涵盖潜在影响。

研究也坦承了若干局限性。多灾种相互作用（如火山灰与熔岩复合影响）使损伤归因复杂化；最终厚度可能无法反映脉冲式流动过程中的最大强度；地图精度和灾后重建可能引入误差。此外，数据集中毁灭状态（DS5）远多于中间损伤状态，导致混凝土结构等细分类型的函数开发受限。未来需通过更多实地调查、动态厚度监测和标准化数据收集来完善模型。

综上所述，该研究通过构建全球最大的建筑级熔岩流损伤数据集，并首次推导出经验易损性函数，彻底改变了传统二元假设，揭示了熔岩流影响的连续谱系。这些函数能够基于预测的熔岩厚度，对未来事件中的建筑损伤进行概率性预测，从而为火山风险区的减灾规划、关键基础设施保护及应急决策提供科学依据。随着数据积累和模型优化，这项工作将显著提升全球火山风险管理的精细化水平和应对能力。