区域和城市供水系统地震灾害风险评估方法研究

来源 :中国地震局工程力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:steve0309
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我国处于环太平洋地震带和欧亚地震带之间,地震区域广、地震强度大,发震频率高,大地震对包括城市供水系统在内的各类基础设施的安全运行将造成严重影响,急需提高城市基础设施抵御地震灾害风险的能力。但是,目前缺乏有效的地震灾害风险评估方法来识别风险程度并控制风险。所以,研究区域和城市供水系统地震灾害风险评估模型,为我国地震灾害风险区划图编制提供技术支撑的重要性和为政府部门提供决策依据的迫切性日益凸显。为了解决区域和城市供水系统地震灾害风险评估中的难点和瓶颈问题,本文以我国城市供水系统地震灾害风险评基础数据和震害资料为基础,将研究对象分为具有宏观数据的区域供水系统和具有精细化数据的城市供水系统,按不确定性和确定性建模思路,围绕供水系统抗震能力评估模型和地震灾害风险评估模型展开研究。主要工作和研究成果如下:(1)建立了我国720个城市的供水系统地震灾害风险评估多源化基础资料数据库和震害资料数据库,分析了BP神经网络场地分类方法确定场地类别的可行性,利用地震危险性分析方法计算地震动峰值加速度概率密度函数和地震烈度发生概率,绘制了每个城市的地震危险性曲线。(2)针对区域供水管网管材的占比差异性,分析了管网脆弱性的影响因素,基于管网、设防烈度、场地类别、人口、GDP等多源化的宏观数据,提出并建立了区域供水管网抗震能力模型和评估体系。基于突变级数法和模糊综合评价方法分别计算了我国720个城市的供水管网基础抗震能力因子、自身抗震能力因子和综合抗震能力指数。建立了区域综合抗震能力模型和指数等级划分标准,利用ArcGIS计算并绘制了中国大陆供水管网基础抗震能力和综合抗震能力指数分类图。以汶川8.0级地震为例,与四川典型城市的实际地震震害进行对比,验证了综合抗震能力评估模型的合理性,突破了区域供水管网抗震能力差异难以评估的技术瓶颈。(3)分析了基于熵值法进行区域供水管网风险评估的可行性,指出了原有风险熵模型存在的问题,提出并建立了区域供水管网风险熵评估模型和综合风险熵指数等级划分标准,计算了我国720个城市供水管网的风险熵指数,利用ArcGIS绘制了中国大陆供水管网地震灾害风险熵指数分类图。以汶川8.0级地震为例,与四川和陕西典型城市的实际地震震害进行对比,验证了风险熵评估模型的合理性。解决了区域供水系统地震灾害风险评估的不确定性问题,为地震灾害风险图编制提供了技术支撑。(4)研究了各类供水系统设施的地震易损性,基于震害资料给出了不同供水系统设施的地震易损性曲线,提出了基于损失率期望指数的地震灾害风险评估模型,计算了我国720个城市供水管网的地震损失率期望指数,建立了分级评估标准,并与风险熵指数和评估标准进行对比,结果表明供水管网地震损失率期望和地震灾害风险熵之间有明显的正相关性,评估单元的风险级别基本一致,利用ArcGIS分别计算并绘制了中国大陆供水系统和供水管网不同时间尺度地震损失率期望指数分类图。根据地震危险性曲线,提出了不同时间尺度的地震损失超越概率模型,以德阳市为例计算了汶川地震时地震灾害损失,通过与实际地震损失的对比验证了模型的可靠性。(5)针对供水管网精细化数据和水力分析需要,提出了改进的全局收敛算法对供水管网进行低压水力模拟,解决了牛顿迭代在管网渗漏分析中收敛性差的问题,使管网节点水压计算结果更为准确可靠。提出了基于水力分析的城市供水管网地震灾害风险评估模型以及评估分级标准,以意大利Apulian供水管网为例,编制Monte Carlo流分析程序,对给定不同烈度的供水管网进行仿真模拟,给出了城市供水管网地震灾害风险评估结果,并通过供水管网用户节点可靠度分析验证了评估模型和分级标准的合理性。(6)针对城市供水系统精细化数据和各子系统组成特点,进行了供水系统风险传播路径分析,提出了供水系统风险传播模型,以克拉玛依市供水系统为例,对该市供水系统进行总体地震灾害风险评估;并将本文提出的各种风险模型进行对比分析,实例研究结果表明,风险熵模型、损失率期望模型、损失超越概率模型适合区域和城市风险评估,精细化的城市管网数据支持水力分析模型、风险传播模型和经济损失预测模型,适合城市风险评估,且评估结果具有较好的一致性,可以满足政府部门对地震灾害风险评估模型的多元化需求。
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