論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098300421000236
開原始碼：
https://github.com/QingleCheng/Near-real-time-prompt-assessment-for-regional-EQIL
在地震發生後迅速準確評估震害對抗震救災意義重大，針對這一需求，我們課題組開展了系列研究工作，本文是該系列工作的最新一篇。除了建築震害外，地震導致的滑坡也可能造成重大人員和財產損失，因此本文嘗試利用實測地震動來提供震後滑坡的評估結果，該技術已經在近兩年來數十次地震中得到探索性應用。地震滑坡快速預測對降低人員傷亡和經濟損失有著重要意義。本文基於Newmark剛體滑塊法和實測地震動，提出了近實時地震滑坡快分析方法。該方法通過實測臺站地震動，利用地震動場構造方法確定目標區域地震動場；根據所提出的GLiM巖性數據和工程巖體的力學性質的對應關係確定目標處巖土體力學性質；利用Newmark剛體滑塊法確定每個位置處發生滑坡的概率。通過與實際地震和其他地震滑坡分析方法的對比，驗證了所提出方法的可靠性和合理性。
在剛剛發生的日本福島7.1級地震中，採用本文方法對本次地震滑坡進行了評估，分析結果參見（RED-ACT: 2月13日日本福島縣7.1級地震破壞力分析），重點區域的分析結果如圖01所示，美國地質調查局給出的分析結果如圖02所示，其中紅色方框為實際發生滑坡的區域（圖03）。可以看出，我們的分析結果表明該區域附近存在發生滑坡的高風險區，而PAGER分析結果表明該區域發生滑坡的概率非常低。
圖01 本方法對0213日本福島7.1級地震滑坡分析結果
圖02 PAGER系統對本次日本地震滑坡的分析結果
地震後往往會導致滑坡的發生，如1999年的集集地震，2008年的汶川地震等，滑坡會對山區的房屋、河道、道路以及管線等產生影響，往往會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。地震滑坡快速預測對降低人員傷亡和經濟損失有著重要意義。
目前地震滑坡速報中常用的分析方法有：(1) 基於Newmark位移公式的預測方法，典型代表方法為美國地質調查局的PAGER系統裡所推薦的Godt模型；(2) 基於歷史地震滑坡的數據模型，該方法的典型代表為PAGER系統目前所採用的分析方法；(3) 基於模糊邏輯的分析模型。但現有研究存在如下問題：基於Newmark位移公式的區域地震滑坡方法以地震動強度指標為輸入，可選擇的地震動指標的組合很多且難以全面考慮地震動的全部特性；基於機器學習的方法依賴歷史地震滑坡數據，由於數據集有限，往往會導致某些數據集起主導作用，從而高估地震滑坡風險；基於模糊邏輯的分析方法中指標權重的選取主觀性較大。
而Newmark剛體滑塊分析方法廣泛用於地震滑坡分析中，該方法基於地震動時程，能充分考慮地震動的特性，不依賴於歷史地震動數據，適用於90%的地震滑坡情形，為地震滑坡分析中的主導方法。但現階段尚無該方法在區域地震滑坡快速分析中的應用，因此本文將基於Newmark剛體滑塊分析方法，提出一套客觀且不依賴歷史數據的地震滑坡快速預測方法。
本研究基於實測地震動記錄和Newmark剛體滑塊位移法，提出了一套地震滑坡近實時預測方法，該方法的分析框架如圖1所示，主要包括以下三個模塊：
（1）模塊1：地震動時程場構造
通過強震臺網快速獲取災區震中附近實測地面運動加速度記錄，並基於地震動反應譜構建方法和連續小波變換構造目標區域地震動場；
（2）模塊2：滑坡分析模型參數確定
根據所提出的GLiM全球巖性數據和工程巖體的力學性質的對應關係確定目標處巖土體的力學性質；根據全球數字高程模型通過求解坡度的算法確定目標區域坡度分布；
（3）模塊3：Newmark剛體滑塊法
對目標區域進行柵格化，輸入柵格處地震動記錄，對巖土體進行Newmark剛體滑塊法分析，即可得每個柵格處剛體位移，即可得到本次地震滑坡發生概率的預測結果，並可在GIS 平臺對分析結果進行展示。
以下將對框架中各方法進行介紹。
2.1 適用於區域地震滑坡輸入的地震動時程場快速構建方法
本研究採用基於實測地震記錄的區域地震動場模擬方法構建地震滑坡分析的地震動輸入場。該方法主要包括三個步驟，如圖 2所示：(1) 根據強震臺網獲取災區實測地震動記錄；(2) 根據臺站記錄構建目標插值臺站組，對實測臺站記錄反應譜進行反距離加權插值，確定臺站覆蓋區域內未知點的地震動反應譜；(3) 選取插值臺站組內距離未知點最近的臺站記錄作為種子地震動，根據步驟2得到的反應譜和連續小波變換修正種子地震動得到未知點處的地面運動。在確定未知點處反應譜後，本研究利用連續小波變換修正最近點臺站記錄得到未知點處的地面動，詳細方法可以參考新論文：基於實測地震記錄的區域地震動場模擬方法。
2.2 區域範圍Newmark剛體滑塊法模型參數確定
本文所採用廣泛應用的GLiM (global lithological map)資料庫獲取目標區域的巖性分類，該資料庫整合了92個區域高解析度的巖性資料庫，提供了全球範圍的巖性矢量分布圖，GLiM給出了每種分類的詳細解釋及所包含的細分類別，如鬆散的沉積物(Unconsolidated sediment, su)包含沙丘、衝積沉積物、黃土等。典型的示例地區日本的巖性分布如圖3所示。
本文根據文獻將巖土體分為四類（稱之為工程巖土體分類），即堅硬巖組、較堅硬巖組、較軟巖組和極軟巖組，每種分類下詳細的巖石種類及巖土體的力學性質（內聚力、內摩擦角和重度）如表1所示，並且內聚力和內摩擦角服從高斯分布，均值和標準差見表1。極軟巖組包含黏土層、湖河沉積物等，與GLiM資料庫中的鬆散的沉積物(su)對應，以此類推，本文建立了GLiM資料庫分類與工程巖土體分類的對應關係，如表1所示，根據所建立的對應關係即可利用GLiM資料庫確定目標區域巖土體的力學性質。同時，可以通過蒙特卡羅模擬來考慮巖土體力學參數的不確定性，建議每次分析進行1000次模擬，取中位值作為滑坡剛體位移的計算結果。
表1 工程巖土體分類與GLiM巖性資料庫分類對應關係
坡度數據的獲取是計算Newmark剛體滑塊法的關鍵之一，本文採用廣泛使用的ASTER GDEMV2 數字高程模型資料庫獲取目標區域的高程數據，該資料庫提供了全球範圍內空間解析度為30米的數字高程模型，通過GIS平臺進行求解坡度處理，即可得到坡度分布。
本文採用Newmark剛體滑塊法作為區域地震滑坡的分析模型，該方法假設滑坡體內部不發生位移（圖4(a)），作用在滑塊上的加速度超過滑坡體臨界加速度ac的部分將會產生永久位移（圖4(b)），如式(1)所示，根據永久位移D的大小判定滑坡發生風險的高低。滑坡體臨界加速度ac根據式(2)(3)來確定。
Newmark剛體滑塊法需要地震動時程作為輸入，為簡化分析，基於不同地震動強度指標和地震動資料庫的Newmark位移公式相繼被提出。Newmark位移公式利用大量地震動記錄作為Newmark剛體位移法的輸入，設定不同的屈服加速度，得到滑塊永久位移與地震動強度指標的關係。本文選取了9組廣泛使用的Newmark位移公式，公式基本介紹如表 2所示，採用NGA-West1地震動資料庫中10,653條地震動（矩震級：4.2-7.9）作為輸入，以不同比例的地震動PGA作為滑坡體的屈服加速度，對比分析了Newmark位移公式與Newmark剛體滑塊法的分析結果，其中比值在0.5~1.5之間地震動所佔比例如表 3所示。從表 3可以看出，Newmark位移公式基本能把握Newmark剛體滑塊的位移趨勢，但也難以全面考慮不同地震動和屈服加速度下的滑塊位移的計算結果。總體上，Newmark位移公式中採用的地震動強度指標越多，其位移公式在不同地震動和屈服加速度上的表現越好，例如Saygili08_3，這也進一步說明了時程分析的必要性。由於不同位移公式基於不同的地震動資料庫，因此，這些公式在應用的時候需要考慮公式應用範圍的限制（如震級範圍等），而這往往會限制位移公式在地震滑坡預測中的應用。比如，Hsieh11_1和Hsieh11_2模型因為回歸數據範圍較小的原因導致其表現不如其他模型。
本節以20180906北海道地震為例說明本文方法的具體實現過程。本次地震造成的滑坡主要發生在圖5所示的四個臺站構成的四邊形內部，因此選取該區域作為本案例的分析區域。通過日本強震臺網K-NET/ KiK-net獲取了4個臺站的地震動記錄。運用圖5中四個臺站構建該四邊形內部地震動場，建立0.82 km×1.11 km的網格點，利用地震動場構造方法生成每個網格點處的地震動。為實現近實時震害評估，對於四邊形內部每個柵格點（解析度約為160 m），利用所構造的地震動場的網格點處最近的地震動作為輸入，進而運用Newmark剛體滑塊法計算每個柵格點的滑坡體位移，即可以給出本次地震滑坡的分析結果。
圖5和6給出了本文的預測結果與實際震後滑坡的分布的對比，以及與其他廣泛使用的滑坡預測模型分析結果的對比，幾種分析模型之間的對比如表4所示。為了定量說明不同分析方法與實際滑坡分布的相似程度，採用物體檢測中廣泛使用的準確度指標IoU對不同方法進行了對比，如表5所示。從圖5、6和表5中可以看出，本文的預測的滑坡分布相比於PAGER和Godt模型預測結果，與實際地震滑坡分布更為接近。
圖5 本文計算結果與PAGER模型結果及實際滑坡分布對比
圖6 本文計算結果與Godt模型結果及實際滑坡分布對比
本文基於實測地面運動記錄和Newmark剛體滑塊法，提出了一套近實時的地震滑坡預測方法。該方法：通過強震臺網獲取震後災區實測地面運動記錄，並基於反距離權重插值和連續小波變換構造目標區域地震動場；根據數字高程模型得到目標區域坡度分布；根據所提出的GLiM巖性數據和工程巖體的力學性質的對應關係確定目標處巖土體力學性質；利用Newmark剛體滑塊法確定每個位置處是否發生滑坡。通過311日本地震和2016年熊本地震對本文方法進行了驗證，最後以2018年北海道地震為例說明了本文方法的具體實現過程。主要結論有：
(1)本文方法基於實測地震動和Newmark剛體滑塊法，能夠得到較為準確的震害預測結果；
(2)本文所提出的方法基於實測地震動，相較於基於地震動強度指標的傳統方法更能充分考慮地震動的特性對滑坡的影響；
(3)本文方法能在震後短時間內給出滑坡計算結果，為震後災區地震滑坡的預測提供了重要手段。
可聯繫作者獲取原文：
chengql16@mails.tsinghua.edu.cn
程慶樂