自然災害與風險管理

1、博士學位論文答辯報告博士學位論文答辯報告 作者：張俊香作者：張俊香 導師：黃崇福導師：黃崇福 教授教授 專業(yè)：自然地理學專業(yè)：自然地理學 自然災害與風險管理自然災害與風險管理2005年5月26日北京師范大學資源學院College of Resources Science and Technology,Beijing Normal University論文題目新一代自然災害風險區(qū)劃新一代自然災害風險區(qū)劃原理與方法研究原理與方法研究以地震災害為例以地震災害為例選題原因選題原因v國內(nèi)外的減災實踐表明，用風險的理念認識和管理災害，才能在最大程度減輕災害影響的同時，謀求社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。v人們永遠不可

2、能準確估計任何自然災害的風險?！帮L險值估計不準”是自然災害風險區(qū)劃的一大難題。如何在風險區(qū)劃圖中將“風險值估計不準”這一信息揭示出來，讓用戶在決策分析時清楚何處數(shù)據(jù)有質(zhì)量問題及其嚴重程度，是新的風險區(qū)劃圖圖型設計時應關注的問題。主要內(nèi)容風險區(qū)劃研究現(xiàn)狀與展望基于信息擴散技術的模糊風險理論與方法綜述軟風險區(qū)劃圖模型設計應用實例軟風險區(qū)劃圖與概率風險區(qū)劃圖的比較結論和討論1 風險區(qū)劃研究現(xiàn)狀與展望1.1 研究現(xiàn)狀1.2 存在問題1.3 發(fā)展趨勢1.1 研究現(xiàn)狀 自然災害區(qū)劃: 自然災害區(qū)劃圖，實際上是自然災害分布圖，以自然災害分布的空間特點進行區(qū)劃。自然災害風險區(qū)劃 隨著對自然災害研究的深入，逐步

3、將災害的量級概念引入?yún)^(qū)劃圖，以某一地區(qū)可能發(fā)生的災害最大等級劃分區(qū)劃等級. 進一步的研究，又將概率概念引入?yún)^(qū)劃圖，以某一地區(qū)可能發(fā)生的災害最大等級的概率或超越某一概率的災害最大等級為基礎編制災害區(qū)劃圖。1.2 現(xiàn)有風險區(qū)劃圖及其不足圖4 某個研究區(qū) 圖5 極值風險分析及極值風險區(qū)劃示意圖 令 ; 是 的估計值。 12 ,1,2,3,4inXx xxiiYy極值風險區(qū)劃不足： 極值風險區(qū)劃對風險的描述采用確定性的 方法，沒有顧及到災害發(fā)生的不確定性。概率風險區(qū)劃圖6 超越概率風險分析及超越概率風險區(qū)劃示意圖不足：表達了風險的隨機不確定性，而忽視了模糊不確定性（小樣本情況下）。風險軟計算模糊風險風

4、險區(qū)劃軟風險區(qū)劃1.3 發(fā)展趨勢2 基于信息擴散技術的模糊風險理論與方法綜述2.1 自然災害風險系統(tǒng)中的不確定性2.2 提高風險估計精度的信息擴散技術2.3 自然災害模糊風險2.4 內(nèi)集外集模型2.1 自然災害風險系統(tǒng)中的不確定性自然災害系統(tǒng)中的不確定性信息擴散技術隨機不確定性模糊不確定性概率論2.2 提高風險估計精度的信息擴散技術 信息擴散技術原理：令X是一個給定的樣本，假定用它可以估計一個在論域U 上的關系。當且僅當X不完備時，必定存在一個適當?shù)臄U散函數(shù)和相應的算子，使得擴散估計比非擴散估計更靠近真實關系。 目的：挖掘出盡可能多的有用信息，提高系統(tǒng)識別精度。 最簡單的方法是信息分配方法，最

5、簡單的擴散函數(shù)是正態(tài)擴散函數(shù)。2.3 自然災害模糊風險 設I=Ij是自然災害論域，P=pk是概率論域，為Ij的概率是pk的可能性分布， 是一個可能性概率分布（Possibility-Probability Distribution, PPD），稱作I的模糊風險（Fuzzy Risk）。 ,( )|,.JI PIjpII pP2.4 內(nèi)集外集模型.ujuiukuluhDxj1 xj2 xj3 xk1 xk2 .xi1xi2xi3qj2,j1-qj1,j令 Qj =def (1-qj1,j), (1-qj2,j), (1-qj3,j) sort(Qj) = (1-qj2,j), (1-qj3,j)

6、, (1-qj1,j)_令 Qj =def qi1,j, qi2,j, qi3,j, qk1,j, . sort(Qj) = qi3,j, qk1,j, qi2,j, qi1,j, . +|Qj | = nj |Qj | = n - nj_+2.4 內(nèi)集外集模型1st (smallest) element of p = p02nd element ofp = p1.last (largest) element ofp = pnj 1 p = pnj 1st (largest) element ofp = pnj + 12nd element of p = pnj + 2.1last eleme

7、nt of p = pnQj+Qj_Qj_Qj_Qj+Qj+j(p) =令 pk = k/n , k = 0, 1, ., n概率 0p 1p 2p 3p 4p 5p 6p 7p 8p 9p 10p ( )jIp 0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1 1I 1 1 .75 .5 .25 0 0 0 0 0 0 2I 0 0 .25 .5 .75 1 .75 .5 .25 0 0 3I 0 0 0 0 0 0 .25 .5 .75 1 1 表4 可能性概率分布表達的模糊風險 模糊風險相對于概率風險的主要區(qū)別在于：對超越概率引入可能性分布，指明了風險事件以某概率出現(xiàn)的可能性

8、，從而既體現(xiàn)了超越概率估算并不精確這一事實，又為模型容納模糊信息提供了一條途徑。3 軟風險區(qū)劃圖模型設計3.1 不確定性可視化的相關技術分析3.2 可能性概率分布的模糊期望值3.3 軟風險區(qū)劃圖的總思路和技術途徑3.4 軟風險區(qū)劃圖模型3.1 不確定性可視化的相關技術分析超越概率區(qū)劃圖技術GIS制圖技術 模糊集截集技術3.2 可能性概率分布的模糊期望值圖8 可能性概率分布圖 ，然后將隸屬度 的元素即 挑選出來。令0,1( )xpip( )min|,( ),( )max|,( ).xxpxp pPppxp pPp稱有限閉區(qū)間 ( )( ),( )pxpxpx是 關于 的 水平截集。 ( )p x

9、x(4-2)(4-3)可能性概率分布的模糊集截集示意圖 令 ( )( )/( ),( )( )/( ),( )( )/( ).( )( )/( ).pxpxpx dxpxpxpx dxpxpxpx dxpxpxpx dx或稱 和 分別是 和 的歸一化。 ( )px( )px( )px( )px令( )( ),( )( ),( )( ).( )( ).Exxpx dxExxpx dxExxpx dxExxpx dx或稱 ( )( ),( )ExEx Ex是 關于 的 水平截集的期望區(qū)間。 ( )p xx(4-5)(4-6)(4-7)表5 某一地區(qū)的災害模糊風險值 水平 CR RR 1 1( )E

10、x 1( )Ex 2 2( )Ex 2( )Ex n ( )nEx ( )nEx 3.3 軟風險區(qū)劃圖的總思路和技術途徑總思路： 以自然災害模糊風險為約束條件，綜合模糊集截集技術、GIS技術和超越概率區(qū)劃圖技術在表達不確定性方面的優(yōu)勢，給出既能指明風險值可信度的信息，又包含傳統(tǒng)風險圖的信息的風險圖圖型模式。 軟風險區(qū)劃圖編制技術方案歷史災情分析歷史災情分析建立歷史災害數(shù)據(jù)庫建立歷史災害數(shù)據(jù)庫災情分布圖災情分布圖災害強度分析災害強度分析孕災環(huán)境分析孕災環(huán)境分析風險區(qū)劃基本單元風險區(qū)劃基本單元編制軟風險區(qū)劃圖編制軟風險區(qū)劃圖用戶需求用戶需求空間疊加空間疊加模糊風險計算模糊風險計算設防標準研究設防標

11、準研究現(xiàn)有風險圖基礎數(shù)據(jù)現(xiàn)有風險圖基礎數(shù)據(jù)區(qū)劃圖應用政策研究區(qū)劃圖應用政策研究選取研究區(qū)選取研究區(qū)圖10 可能性概率風險分析與軟風險區(qū)劃圖3.4 軟風險區(qū)劃圖模型4 應用實例4.1 研究區(qū)概況4.2 地震模糊風險計算4.3 模糊期望值的計算4.4 軟風險區(qū)劃圖的繪制4.1 研究區(qū)概況斜線表示的區(qū)域為新生代印度板塊與歐亞板塊碰撞構造應力場影響的主要區(qū)域 圖11 云南所處的區(qū)域構造環(huán)境 圖12 云南區(qū)域的活動構造與塊體劃分 圖13 云南地區(qū)M5.0級地震的震中分布 圖14研究區(qū)示意圖 資料來源 基礎資料 ：（1）歷史地震目錄資料（包括發(fā)生時間、空間（地表坐標、 震中位置）和強度（震級）三個基本參數(shù)

12、 ）。（2）地質(zhì)資料：活動構造分布圖。 來源： 中國歷史強震目錄（國家地震局震害防御司， 1995）、中國近代地震目錄（中國地震局震害防御司，1999）和中國地震年鑒（19922001）（國家地震局，19922001）。（由云南省地震局提供） 圖15 研究區(qū)M5.0地震震中分布與地震活動帶（區(qū)）劃分 表7 各地震帶（區(qū)）歷史強震震級記錄樣本 地震帶 （區(qū)） 樣本名稱 樣本數(shù) 地震震級記錄（M） 1X 14 5.7，5.0，6.5，6.2，5.0，6.0，6.1，5.2，5.2，6.5，5.2，5.3，6.5，5.1 2X 7 5.0，6.0，5.3，6.5，5.6，6.2，5.6 3X 13

13、6.4，7.0，5.0，5.3，6.7，6.4，5.3，5.1，5.0，5.2，5.0，6.2，5.5 4X 11 6.2，5.3，6.2，5.0，5.5，5.3，5.0，6.5，7.0，5.4，5.3 5X 6 5.3，6.0，5.2，5.0，5.3，5.8 4.2 地震模糊風險計算由于我們不知道該地區(qū)強震震級所服從概率分布的函數(shù)形式（例如，是正態(tài)分布還是指數(shù)分布），而且各地震帶（區(qū)）強震記錄樣本的容量都很小，分別為14、7、13、11、6。因此，依據(jù)所給樣本進行的概率估計必然很不精確，我們將用可能性概率分布來表達該地區(qū)的強震風險。計算地震模糊風險的基本步驟地震區(qū)的樣本容量僅為14，是小樣本

14、，我們考慮用可能性概率來表達該地區(qū)的強震風險?？紤]區(qū)間 12344.5,5.1 ,5.1,5.7),5.7,6.3),6.3,6.9IIII相應的離散論域為： 1,2,3,44.8,5.4,6.0,6.6jUuj此處控制點步長為 =0.6。 D第1步：由式（3-4）計算各樣本點的分配信息，列于表8中。表8 各樣本點的分配信息x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 ijq 5.7 5.0 6.5 6.2 5.0 6.0 6.1 5.2 5.2 6.5 5.2 5.3 6.5 5.1 u1=4.8 0 0.67 0 0 0.67 0 0 0.3

15、3 0.33 0 0.33 0.17 0 0.5 u2=5.4 0.5 0.33 0 0 0.33 0 0 0.67 0.67 0 0.67 0.83 0 0.5 u3=6.0 0.5 0 0.17 0.67 0 1 0.83 0 0 0.17 0 0 0.17 0 u4=6.6 0 0 0.83 0.33 0 0 0.17 0 0 0.83 0 0 0.83 0 第2步：由式（3-6）計算游離信息量 ，由表9所示。對給定的j， 升序排列 ，得游離信息升序 ，如表10所示。 ijqijqjQ表9 游離信息x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x1

16、4 ijq 5.7 5.0 6.5 6.2 5.0 6.0 6.1 5.2 5.2 6.5 5.2 5.3 6.5 5.1 1Q 0.33 0.33 2Q 0.33 0.33 0.33 0.17 0.5 3Q 0.5 0.33 0 0.17 4Q 0.17 0.17 0.17 1Q 0.33，0.33 2Q 0.17，0.33, 0.33, 0.33, 0.5 3Q 0, 0.17, 0.33, 0.5 4Q 0.17, 0.17, 0.17 表10 游離信息升序 第3步：由式（3-7）計算漂入信息量 ，由表11所示。對給定的j，降序排列 ，得漂入信息降序 ，如表12所示。 ijqijqjQ表

17、 11 漂入信息 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 ijq 5.7 5.0 6.5 6.2 5.0 6.0 6.1 5.2 5.2 6.5 5.2 5.3 6.5 5.1 1Q 0 0 0 0 0 0.33 0.33 0 0.33 0.17 0 0.5 2Q 0.5 0.33 0 0 0.33 0 0 0 0 3Q 0 0.17 0 0 0 0.17 0 0 0.17 0 4Q 0 0 0.33 0 0 0.17 0 0 0 0 0 表 12 漂入信息降序 1Q 0.5, 0.33, 0.33, 0.33, 0.17, 0, 0, 0

18、, 0, 0, 0,0 2Q 0.5, 0.33, 0.33, 0, 0, 0, 0, 0, 0 3Q 0.17, 0.17, 0.17, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0 4Q 0.33, 0.17, 0, 0, 0, 0, 0, 0,0, 0, 0 第4步：令： /140,1,2,.,14kPpkk將表10和表12的有關數(shù)值代入式（3-9），可得由可能性概率分布表達的地震模糊風險如表13所示。 表13 可能性概率分布表達的地震區(qū)的地震災害模糊風險6p7p()jIkp I1 I2 I3 I4 0p 0 0.33 0.17 0 0.17 1p 0.07 0.33 0.33 0.17 0.1

19、7 2p 0.14 1 0.33 0.33 0.17 3p 0.21 0.5 0.33 0.5 1 4p 0.29 0.33 0.5 1 0.33 5p 0.36 0.33 1 0.17 0.17 6p 0.43 0.33 0.5 0.17 0 7p 0.50 0.17 0.33 0.17 0 8p 0.57 0 0.33 0 0 9p 0.64 0 0 0 0 10p 0.71 0 0 0 0 11p 0.79 0 0 0 0 12p 0.86 0 0 0 0 13p 0.93 0 0 0 0 14p 1.0 0 0 0 0 表14 地震帶的地震災害模糊風險 0p 1p 2p 3p 4p 5

20、p 6p 7p ()jIkp 0 0.14 0.29 0.43 0.57 0.71 0.86 1 I1 0 0.38 1 0.25 0.25 0.25 0 0 I2 0 0 0.25 1 0.5 0.13 0.13 0 I3 0 0.5 1 0.25 0 0 0 0 表15 地震區(qū)的地震災害模糊風險 ()jIkp I1 I2 I3 0p 0 0.05 0 0 1p 0.08 0.28 0.5 0 2p 0.15 0.28 1 0 3p 0.23 0.28 0.5 0.5 4p 0.31 0.28 0 1 5p 0.38 0.28 0 0.28 6p 0.46 0.28 0 0 7p 0.54

21、1 0 0 8p 0.62 0.5 0 0 9p 0.69 0 0 0 10p 0.77 0 0 0 11p 0.85 0 0 0 12p 0.92 0 0 0 13p 1.0 0 0 0 表16 地震帶的地震災害模糊風險 ()jIkp I1 I2 I3 0p 0 0.28 0.28 0 1p 0.09 0.28 0.28 0.39 2p 0.18 0.28 0.50 1.0 3p 0.27 0.28 1.0 0.28 4p 0.36 0.28 0.39 0 5p 0.45 0.39 0.39 0 6p 0.55 1.0 0.39 0 7p 0.64 0.50 0.39 0 8p 0.73 0

22、.50 0.28 0 9p 0.82 0.50 0.28 0 10p 0.91 0 0.28 0 11p 1.0 0 0.28 0 表17 地震區(qū)的地震災害模糊風險 0p 1p 2p 3p 4p 5p 6p ()jIkp 0 0.17 0.33 0.5 0.67 0.83 1 I1 0 0.33 1 0.5 0 0 0 I2 0 0 0.5 1 0.33 0.33 0.33 I3 0.33 1 0.33 0 0 0 0 表18 各地震帶（區(qū)）地震災害風險的模糊期望值 4.3 模糊期望值的計算水平 地震帶（區(qū)） 保守風險值（CR） 冒險風險值（RR） 6.2 5.5 5.9 5.7 6.3 5.

23、8 6.9 5.7 0.25 6.3 5.8 5.8 5.6 5.6 5.7 5.7 5.7 5.6 5.4 0.5 5.5 5.5 4.4 軟風險區(qū)劃圖的繪制 圖16 昆明楚雄大理麗江地區(qū)地震保守風險圖（ 0.25） 圖17 昆明楚雄大理麗江地區(qū)地震冒險風險圖（ 0.25）圖18 昆明楚雄大理麗江地區(qū)地震保守風險圖（ 0.5） 圖19 昆明楚雄大理麗江地區(qū)地震冒險風險圖（ 0.5） 5 軟風險區(qū)劃與概率風險區(qū)劃的比較5.1 研究區(qū)的概率風險區(qū)劃圖5.2 研究區(qū)的地震動參數(shù)區(qū)劃圖5.3 軟風險區(qū)劃與概率風險區(qū)劃的比較5.1 研究區(qū)的概率風險區(qū)劃圖直方圖模型：nIfjj)(稱 是概率密度函數(shù)的直

24、方圖估計。( )p x表20 昆明楚雄大理麗江地區(qū)的概率風險（超越概率10） 地震帶（區(qū)） 概率風險值 6.0 5.8 6.0 6.0 5.6 圖20昆明楚雄大理麗江地區(qū)概率風險區(qū)劃圖（100年超越概率10） 圖21 云南省有效峰值加速度區(qū)劃圖（50年超越概率10） 5.2 地震動參數(shù)區(qū)劃圖5.3 軟風險區(qū)劃圖與概率風險區(qū)劃圖的比較 區(qū)劃圖的技術方法 概率風險區(qū)劃圖： 軟風險區(qū)劃圖概率風險計算理論區(qū)劃圖技術模糊風險計算理論區(qū)劃圖技術 概率風險區(qū)劃： 地質(zhì)資料（斷層分布）、地球物理場資料、工程地震資料、強震資料 地震軟風險區(qū)劃 強震資料、地質(zhì)資料（斷層分布）采用資料 區(qū)劃圖的結果 地震動峰值加速度區(qū)劃圖（50年超越概率10）地震動反應譜特征周期區(qū)劃圖（50年超越概率10）概率風險區(qū)劃軟風險區(qū)劃 采用模糊風險分析方法； 采用“層”結構的圖型模式，是一種多值風險區(qū)劃圖； 充分考慮到不同用戶的需求，體現(xiàn)了“人性化”的服務趨向。軟風險區(qū)劃圖的特點 6 結論和討論6.1 結論6.2主要的創(chuàng)新點6.3討論6.1 結論 “風險值估不準”是現(xiàn)有超越